Тензометрия
УДК 620.179
ПОВЫШЕНИЕ ДОСТОВЕРНОСТИ КОНТРОЛЯ КОЛЕС
ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ В ДВИЖЕНИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЦИФРОВЫХ МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ
С.А. Бехер, А. О. Коломеец
Представлены исследования закономерности деформирования рельса под проходящим поездом с использованием быстродействующей тензометрической системы. Разработаны алгоритмы цифровой обработки сигналов с использованием фильтрации и регрессионного анализа для уменьшения влияния непрерывных шумов и неинформативной низкочастотной составляющей на достоверность идентификации колесной пары и оценку силы в системе "колесо—рельс". Отработана методика оценки силового воздействия дефектов поверхности катания на показатели динамики взаимодействия колес и рельсов.
Ключевые слова: железнодорожное колесо, дефект, поверхность катания, контроль, тензометрия, рельсы, сила, цифровая фильтрация, аппроксимация.
Дефекты поверхности катания колес грузовых вагонов в движении повышают уровень динамических сил в системе "колесо—рельс" и увеличивают вероятность их усталостного разрушения. Для их своевременного обнаружения применяют напольные диагностические комплексы [1], работающие на основе тензометрического метода. В качестве первичных преобразователей используют тензодатчики. При движении колесной пары по участку с тензодатчиками регистрируются деформации рельса, по которым определяются параметры динамического взаимодействия колеса и рельса.
В сигналах тензодатчиков присутствуют собственные шумы аппаратуры и внешние импульсные или непрерывные помехи. Источниками помех являются системы автоматики и телемеханики, автоматической локомотивной и переездной сигнализации и так далее. Кроме того, регистрируемые сигналы содержат неинформативную составляющую, связанную с нелинейностью и вариацией упругости подрельсового основания, влиянием внешних условий, траекторией движения колеса по рельсу.
Для повышения достоверности результатов контроля применяются аппаратные средства, в которых производятся балансировка сигналов для компенсации изменения температуры, калибровка чувствительности измерительного тракта, фильтрация шумов и помех. Использование программных средств позволяет эффективно применять широкие возможности цифровой обработки диагностических сигналов и повышать качество обработки информации.
Цель работы — повышение достоверности тензометрического контроля колес в движении за счет создания и оптимизации методов определения информативных диагностических сигналов.
На действующем железнодорожном пути создан измерительный участок длиной 5 м [2]. На правом рельсе относительно направления движения на высоте Н = 82 мм с внутренней и наружной сторон шейки над каждой шпалой (поз. 1, 2, 5, 6 на рис. 1) были наклеены проволочные тензодатчики с номинальным сопротивлением Я = 200 Ом. Две пары тензодатчиков располагали симметрично между шпалами (поз. 3, 4) и ориентировали вдоль оси г для измерения компоненты деформаций гг. Сигналы с тензодатчиков регистрировали многоканальной быстродействующей тензометрической системой "Динамика-1" (зарегистрирована в Государственном реестре
Сергей Алексеевич Бехер, доцент кафедры Электротехники, диагностики и сертификации Сибирского государственного университета путей сообщения, г. Новосибирск. Тел. (383) 328-03-46. E-mail: beher@stu.ru
Андрей Олегович Коломеец, аспирант, младший научный сотрудник кафедры Электротехники, диагностики и сертификации Сибирского государственного университета путей сообщения, г. Новосибирск. Тел. (383) 328-03-46. E-mail: flasher@ngs.ru
1 2
3 4
Рис. 1. Схема установки тензодатчиков на рельсе измерительного участка: 1, 2, 5, 6 — тензодатчики, расположенные над центрами шпал; 3, 4 — тензодатчики, расположенные
симметрично между шпалами.
средств измерений под № 32885-06). Частота дискретизации аналого-цифрового преобразователя (АЦП) составляла 16 кГц, цена наименьшего разряда АЦП — 0,8 млн1.
Синхронизацию работы системы с движением поезда осуществляли по сигналам извещения, которые поступали от напольного средства диагностики "Комплекс-2". Зарегистрированные быстродействующей тензометриче-ской системой сигналы с тензодатчиков, установленных на измерительном участке, передавали в ЭВМ для обработки в специализированном программном обеспечении [5].
Под поездной нагрузкой деформированное состояние рельса является существенно трехмерным. Воздействие боковой силы и наличие эксцентриситета приложения нормальной силы создают изгибающий момент, деформирующий рельс по схеме кручения. В [3] показано, что для уменьшения влияния этих параметров на результат оценки вертикальной динамики допустимо использовать симметричные деформации
е„ + е„
8е =
2
(1)
где е Ен — деформации шейки рельса в одном сечении с внутренней и наружной сторон относительно железнодорожной колеи, млн1.
Графики зависимости симметричных деформаций от времени при проходе в составе поезда одной тележки грузового вагона показаны на рис. 2. В сигналах наблюдаются две составляющие, разделяющиеся по характе-
0
50 100 150
ор
<§& 200 Ое де 250
ь, тель ,ции
8 я
0,5 0,75 Время, с
1,25
Рис. 2. График зависимости симметричных деформаций от времени при проходе колес грузового вагона над тензодатчиками: 1 — распределенные деформации; 2 — локальные деформации.
ру изменения во времени. Низкочастотная составляющая сигнала (поз. 1) вызвана силой реакции шпалы. Высокочастотная импульсная составляющая (поз. 2) связана с локальным деформированием шейки рельса от воздействия на него колеса. Локальный минимум импульса соответствует моменту прохода колеса над парой тензодатчиков.
Погрешность определения времени прохода колеса над тензодатчиками существенно влияет на достоверность контроля. При этом время прохода должно определяться установленным пределом допускаемой погрешности в широком спектре условий: для порожнего и груженого вагонов, на скоростях от 5 до 90 км/ч, при наличии непрерывного шума и импульсных помех.
Анализ непрерывных шумов показал наличие двух основных составляющих. Среднее квадратическое отклонение (СКО) собственных шумов аппаратуры с коэффициентом автокорреляции Кг < 0,4 не превышает 4 млн1, внешних шумов от сети 50 Гц с коэффициентом автокорреляции Кг~ 0,8—8 млн1.
Для повышения информативности сигналов использовали линейную (апериодическую) свертку с эталонной функцией й-
'0,'
=г
}=1
О+•
■й,
т
где й - — эталонная функция; 1 — индекс от 1 до п;. — индекс от 1 до т; п — о бщее количество результатов измерений деформаций; т — количество результатов измерений деформаций на интервале усреднения; е< — значение симметричной деформации при (/+/)-ом измерении.
Физически функция свертки дискретных сигналов характеризует степень совпадения двух последовательностей: симметричных деформаций ед.н и эталонной функции й.. На программном уровне свертка реализуется' путем "скольжения" вектора эталонной функции й- по вектору исходного сигнала е^ Максимум функции е 0. наблюдается в момент времени, ког-
0,1
да исходный сигнал совпадает с эталонным. В качестве эталонной функции применяли тригонометрическую функцию вида
й. = С08
2 . Т ■ /
(2)
где Т — период эталонной функции, с; /— частота квантования АЦП, Гц; . — индекс, изменяющийся в диапазоне от 1 до т = Т • /.
Апериодическая свертка с функцией вида (2) позволяет решить задачу фильтрации высокочастотных шумов и помех за счет усреднения на интервале т и одновременно "вырезать" из сигнала низкочастотную составляющую (поз. 2 на рис. 3).
н к § §
¡1 д
50 100 150 200 250
0,25 0,5 0,75 Время, с
1,25
Рис. 3. График зависимости симметричных деформаций от времени до фильтрации (1)
и после фильтрации е (2).
0
6 Дефектоскопия, № 3, 2015
Оптимальное значение периода Т эталонной функции определено в процессе обработки экспериментальных данных. При этом исходили из условия сохранения максимума полезного сигнала в . и минимизации отношения амплитуды шума к амплитуде информативного сигнала. При увеличении периода Т амплитуда шумов и помех в фильтрованном сигнале монотонно убывает, а амплитуда низкочастотной составляющей возрастает. Оптимальное значение периода составило от 0,037 до 0,043 с. Для произвольной скорости движения V оптимальный период находится как
0,48 Т = .
V
В результате применения апериодической свертки в сигналах симметричных деформаций в . (см. поз. 2 на рис. 3) отношение амплитуды помехи к амплитуде полезного сигнала уменьшилось до 3 %. Это позволило применить алгоритмы поиска времени прохода колеса над тензодатчиком с использованием порогового метода. Для уменьшения вероятности ошибок определения времени прохода колеса, связанных с импульсными помехами и сигналами от дефектов, применяли алгоритм проверки, основанный на расчете корреляции времени прохода колеса и координат тензодатчиков.
На рис. 4 показаны графики зависимости симметричных деформаций шейки рельса от времени при проходе тележки грузового вагона. Деформации, измеренные тензодатчиками (см. поз. 1, 2 на рис. 1), установленными над шпалами, обозначены на рис. 4 цифрой 1, а тензодатчиками (см. поз. 3, 4 на рис. 1), установленными между шпалами, — цифрой 2. При измерениях деформаций между шпалами (поз. 2 на рис. 4) низкочастотная составляющая, связанная с действием силы реакции опоры шпалы, не превышает 1 % от максимальной амплитуды деформаций. Чувствительность этих деформаций к вертикальной силе слабо зависит от состояния подрельсового основания. Поэтому использование тензодатчиков в "межшпальных" ящиках перспективно для измерения абсолютных значений вертикальной силы в системе "колесо—рельс". С другой стороны, область применения этой схемы измерений существенно ограничена шириной пика деформаций. Зона чувствительности тензодатчика к вертикальной силе сосредоточена вблизи
Время, с
Рис. 4. Зависимость симметричных деформаций шейки рельса от времени при проходе
тележки грузового вагона: 1 — тензодатчики расположены над центрами шпал; 2 — тензодатчики расположены симметрично
между шпалами.
преобразователя, на расстояниях не более 100 мм. Низкочастотная составляющая деформаций связана с силой реакции шпалы и
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.