УДК 681. 586. 5
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ХАРАКТЕРИСТИК ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ДАТЧИКА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАГРУЗКИ ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ
THE OPTICAL SENSOR EXPERIMENTAL CHARACTERISTICS ESTIMATION FOR FREIGHT CARS LOADING CALCULATION
Ададуров Александр Сергеевич
канд. техн. наук, доцент E-mail: vorudada@ya.ru
Крячко Александр Федотович
д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой E-mail: alex_k34.ru@mail.ru
Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения
Факультет радиотехники, электроники и связи
Кафедра радиотехнических и оптоэлектронных систем
Аннотация: Рассмотрен метод определения зависимости выходного сигнала волоконно-оптического датчика от прилагаемой статической нагрузки с использованием калибровочного комплекса. Калибровка волоконно-оптического датчика основана на применении метода вычисления с известными нагрузками на ось без учета жесткости железнодорожного пути. Наличие высокочастотных шумов при вычислении нормирующих коэффициентов устранялось путем применения алгоритма "скользящего окна".
Ключевые слова: силоизмерительная панель, волоконно-оптический датчик, калибровка.
ВВЕДЕНИЕ
Неразрушающий контроль и диагностика железнодорожного транспорта является актуальной проблемой, решение которой позволяет обеспечить безопасную эксплуатацию подвижного состава и безаварийность. Несмотря на высокую вероятность обнаружения дефектов (в настоящее время за год выявляется не менее 50 000 потенциально опасных дефектов), действующие системы диагностики загрузки подвижного состава не в полной мере удовлетворяют потребностям отечественного железнодорожного транспорта, что может приводить к сходу поездов.
ОПИСАНИЕ РАБОТЫ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ДАТЧИКА
Прохождение колеса вагона над волоконно-оптическим датчиком (ВОД) приводит к уменьшению светового потока лазерного излучения, проходящего через датчик. Схема построения ВОД представлена на рис. 1.
Adadurov Aleksandr S.
Ph. D. (Technical), Associate Professor E-mail: vorudada@ya.ru
Kryachko Aleksandr F.
D. Sc. (Technical), Professor, Head of Department E-mail: alex_k34.ru@mail.ru
Saint-Petersburg State University of Aerospace Instrumentation Faculty of radioengineering, electronics and communication
Chair of radio engineering and optoelectronic systems
Abstract: The method of determination of dependence of an output signal of the fiber-optical sensor on the enclosed static loading with use of a calibration complex is considered. Calibration of the fiber-optical sensor is based on use of a method of calculation with known loads of an axis without rigidity of a railway track. Existence of high-frequency noise at calculation of the normalizing coefficients is eliminated by use of algorithm of "the sliding window".
Keywords: force measurement panel, fibre-optical sensor, calibration.
Излучение полупроводникового лазера ПЛ или све-тодиода проходит через оптическое волокно ОВ, часть которого размещается в силоизмерительной панели СИП. Далее излучение поступает на оптико-электронный преобразователь ОЭП, предназначенный для формирования электрического сигнала, амплитуда которого пропорциональна мощности светового потока на входе ОЭП. Панель СИП является аналогом подрельсо-вой прокладки, внутри которой находится ОВ.
Рис. 1. Схема волоконно-оптического датчика
И 2,5
о"
s 2 х 2
¡u¡
11,5 §
я 1
о о
ч 0,5
О
§ ^
¿i о > 1 -1-1-1-1-1-1-1-
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 Приложенная сила, кН
Рис. 2. Зависимость выходного напряжения от приложенной нагрузки
В общем случае можно считать, что значение выходного сигнала ВОД ивых определяется изменением коэффициента пропускания светового потока ОВ — Kqb:
ивых = Л^вХ
при этом значение коэффициента пропускания пропорционально силе, приложенной к СИП и приводящей к изменению оптических свойств ОВ [1].
Для определения зависимости выходного сигнала ВОД от прилагаемой статической нагрузки был проведен лабораторный эксперимент путем приложения к СИП калиброванной нагрузки с использованием комплекса для калибровки силоизмерительных датчиков. Установка позволяет изменять усилие, прикладываемое к СИП, в диапазоне от 2 до 2000 кН с относительной погрешностью 0,001. Для калибровки ВОД усилие изменялось дискретно в диапазоне от 50 до 450 кН.
Максимальное отклонение выходного сигнала при нагрузке в 450 кН составило 2,28 В. Зависимость выходного напряжения от приложенной нагрузки (рис. 2) позволяет использовать линейную аппроксимацию в диапазоне нагрузок от 50 до 450 кН.
В лабораторных условиях усилие на ВОД передавалось через толстую металлическую пластину, а датчик находился на массивной плите. Поэтому можно считать, что ВОД находился между двумя абсолютно твердыми телами, что существенно отличается от его нахождения между рельсом и шпалой.
Одной из основных характеристик железнодорожного пути является жесткость, значение которой влияет на максимальную величину прогиба рельса под нагрузкой, характеристики колебаний, возникающих в балластном слое, а также на силу, действующую со стороны шпалы на ВОД, находящийся между шпалой и рельсом.
До момента, когда система "шпала—балластный слой" достигнет предела упругости, существуют разность силы, действующей на ВОД со стороны рельса, и силы реакции опоры, определяемые жесткостью системы "шпала—балластный слой", вследствие чего выход-
ной сигнал ВОД в реальных условиях практически всегда будет меньше, чем в условиях эксперимента.
Проведение исследований жесткости железнодорожного пути не проводилось, поэтому для калибровки ВОД был выбран способ с привлечением состава с известными нагрузками на ось.
Калибровка выходных сигналов ВОД была проведена путем натурного эксперимента с использованием тестового состава, который состоял из локомотива ТГМ-4 (с числом осей — 4, общей массой — 78,6 т, нагрузкой на ось — 19,65 т, средней нагрузкой на колесо — 9,82 т) и порожнего вагона (с числом осей — 4, общей массой — 22,85 т, нагрузкой на ось — 5,57 т, средней нагрузкой на колесо — 2,29 т).
Тестовый состав совершил четыре цикла проездов через измерительный участок системы диагностики. Каждый цикл состоял из проезда в прямом направлении со скоростями 20; 30; 40 и 55 км/ч и проезда в обратном направлении со скоростью около 30 км/ч. Причем, поскольку при проезде в обратном направлении локомотив двигался позади вагона, то сторона локомотива относительно установленных ВОД не изменялась (каждое колесо при движении и в прямом, и в обратном направлении проезжало через одни и те же ВОД).
Поскольку в тестовом составе на всех колесных парах отсутствовали дефекты катания, то по результатам эксперимента предполагалось определить возможность общей калибровки ВОД для оценки массы вагонов и нагрузки на ось; оценить возможность использования ВОД для выявления неравномерной загрузки вагона и определить зависимость выходного сигнала ВОД от скорости движения состава (рис. 3).
Полученные зависимости позволяют выделить как моменты прохождения осей через каждый из ВОД, так и оценить разность сигналов от локомотива, масса которого сопоставима с массой загруженного вагона, и порожнего вагона. Однако также хорошо видно, что максимальные значения выходных сигналов разных ВОД, соответствующие моментам прохождения оси непосредственно над ВОД, различаются по величине более чем в два раза.
Поскольку ВОД обладают идентичными характеристиками, проверенными в лабораторных условиях на абсолютно жестком основании, причиной такой значительной разницы амплитуды сигналов могут быть различия параметров жесткости системы "рельс—шпала— балластный слой" в месте установки каждого из ВОД. Значительные прогибы рельса обусловлены недостаточной жесткостью балластного слоя, что приводит к "гиперчувствительности" датчика по отношению к значению максимального упругого прогиба рельса над каждой из шпал.
Добиться отсутствия отклонений в жесткости системы "рельс—шпала—балластный слой" в реальных условиях эксплуатации железнодорожного пути невоз-
0,24
0,22
0,2
0,18
т 0,16
8 0,14
0,12
0,1
0,08
0,06
0,04
0,02
0
0,24
0,22
0,2
0,18
m 0,16
0,14
0,12
0,1
0,08
0,06
0,04
0,02
0
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600 3800
Время, мс а)
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600 3800 4000 4200 4400 4600
Время, мс
_б)_
Рис. 3. Выходные сигналы датчиков, установленных на шпалах. Скорость движения состава 30 км/ч:
а — локомотив впереди, б — локомотив позади
можно. Поэтому одной из задач разработки алгоритмов обработки сигналов ВОД является введение нормирующих мультипликативных коэффициентов для каждого ВОД. Для устранения влияния шумов при вычислении нормирующих коэффициентов проведено сглаживание сигналов с использованием алгоритма "скользящего окна" длительностью 5 мс.
Принимая во внимание одинаковую загрузку всех колес каждой подвижной единицы тестового состава, зависимость выходного сигнала ВОД от прикладываемой нагрузки будет иметь вид [2]:
KUj
:(Fh) = UB /FH,
где — нагрузка, приложенная к ВОД, кН; Ц^Ь —
ср
среднее значение выходного напряжения у-го ВОД.
В ходе эксперимента определена зависимость выходных сигналов ВОД от скорости движения состава: К} = КСтац /К(у), где КТац = Ки} — коэффициент, учитывающий параметры размещения ВОД; К(у) — коэф-
фициент, учитывающий изменение выходного сигнала ВОД при изменении скорости V движения колеса.
Исследования показали, что с увеличением скорости движения локомотива амплитуда сигнала уменьшается. Сокращение времени приложенной нагрузки к датчику приводит к тому, что упругий прогиб рельса не успевает достигнуть предельной величины, в то время как при малой скорости рельс прогибается до больших значений, соответственно, увеличивая силу, действующую на ВОД со стороны шпалы.
Для определения коэффициента К(^ использовались значения 14 из 16 датчиков, зависимости для ВОД двух датчиков были отбракованы из-за очевидного отличия характера их зависимостей от других ВОД. Поскольку скорость 20 км/ч является минимальной для движен
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.