CC BY
22
УДК 621.331, 621.332
М. А. Гаранин, С. А. Фроленков
Самарский государственный университет путей сообщения (СамГУПС), г. Самара, Российская Федерация
МЕТОДИКА БЕСКОНТАКТНОЙ ДИАГНОСТИКИ ПОЛОЖЕНИЯ ПРОВОДОВ КОНТАКТНОЙ СЕТИ ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ
Аннотация. Контактная сеть является одним из наиболее уязвимых элементов системы тягового электроснабжения. Превалирующее число событий в хозяйстве электроснабжения связано именно с контактной сетью. Статья посвящена методике бесконтактной диагностики контактной сети электрифицированных железных дорог. В работе предлагается использовать способ диагностики контактной сети на основе оптических элементов с последующей цифровой обработкой данных и расчетом геометрических параметров. Данный способ отличается невысокой стоимостью устройства в отличие от аналогов и высокой точностью расчета. Приводятся анализ и выбор оптимальных мест установки оптических устройств. Представлена методика бесконтактной диагностики проводов контактной сети электрифицированных железных дорог.
Ключевые слова: железные дороги, система тягового электроснабжения, контактная сеть, геометрия, габариты, диагностика, алгоритм, датчики, безлюдные технологии, преобразование изображения, цифровые технологии.
Maxim A. Garanin, Sergey A. Frolenkov
Samara State Transport University (SSTU), Samara, the Russian Federation
METHOD OF CONTACTLESS DIAGNOSTICS OF THE POSITION OF WIRES OF THE CONTACT NETWORK OF ELECTRIFIED RAILWAYS
Abstract. The contact network is one of the most vulnerable elements of the traction power supply system. The prevailing number of events in the power supply sector is connected with the contact network. The article is devoted to the method of contactless diagnostics of the contact network of electrified Railways. The paper proposes to use a method for diagnostics of the contact network based on optical elements, followed by digital data processing and calculation of geometric parameters. This method is characterized by a low cost of the device in contrast to analogues and high accuracy of calculation. The analysis and selection of optimal installation locations for optical devices is given. The method of contactless diagnostics of wires of the contact network of electrified Railways is presented.
Keywords: Railways, traction power supply system, contact network, geometry, dimensions, diagnostics, algorithm, sensors, deserted technologies, image transformation, digital technologies.
Основной задачей хозяйства электроснабжения является гарантированное энергообеспечение перевозочного процесса. Контактная сеть электрифицированных железных дорог является одним из наиболее сложных элементов системы тягового электроснабжения. В отличие от силового оборудования тяговых подстанций контактная сеть не имеет резерва. Контактная сеть находится в сложном взаимодействии с токоприемными устройствами электроподвижного состава. Кроме того, контактная сеть испытывает механическое воздействие от ветра, гололедных образований, перемещений, связанных с температурными изменениями и др.
Указанные обстоятельства обусловливают необходимость диагностики контактной сети. Она предполагает контроль следующих параметров: износ и габарит контактного провода, состояние токопроводящих устройств контактной сети. Под габаритом контактной сети подразумевается положение контактного провода относительно оси пути (горизонтальный габарит) и относительно уровня головок рельсов (вертикальный габарит). Это наиболее сложный для диагностирования параметр, поскольку он изменяется в относительно широких пределах.
Актуальность исследований в указанной области подтверждается «Стратегией развития железнодорожного транспорта в РФ до 2030 года» [1], согласно которой для обеспечения развития инфраструктуры железнодорожного транспорта предусмотрено применение мало-
обслуживаемых конструкций инфраструктуры железнодорожного транспорта, оборудования железнодорожной автоматики, связи и систем электроснабжения. Согласно «Стратегии научно-технического развития холдинга «РЖД» на период до 2020 года и перспективу до 2025 года» [2] разработка и постановка на производство малообслуживаемого оборудования систем электроснабжения является соответствующим уровню мирового развития железнодорожного транспорта. В соответствии с «Долгосрочной программой развития ОАО «РЖД» до 2025 года» [3] актуальным направлением развития является «Создание инструментов интеллектуального управления движением, цифрового моделирования и мониторинга транспортных средств и объектов инфраструктуры», включающее в себя «сервисы предсказательной диагностики».
Требования к эксплуатации и обслуживанию контактной сети, включая геометрические параметры контактной сети, определяются Правилами технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации [4 - 9]. Теоретические положения, включающие в себя методики расчета геометрических параметров и их зависимость от физических величин, весьма подробно описаны авторами Горшковым Ю. И., Фрайфельдом А. В., Марквардтом К. Г.
Рассмотрим результаты исследований, посвященных совершенствованию диагностики контактной сети электрифицированных железных дорог за последние 10 лет, проводимых учеными СамГУПСа, УрГУПСа, ПГУПСа. Все исследования можно условно разбить на четыре основных направления: диагностика контактной сети на основе оптоэлектронных устройств, диагностика контактной сети на основе радиосигналов, диагностика контактной сети на основе ультрафиолета, диагностика контактной сети на основе виброакустики.
Наиболее актуальным направлением исследований является развитие и совершенствование систем диагностики контактной сети на основе оптоэлектронных устройств.
Дополнительно следует отметить работу авторов Сафина В. Г., Шевякова С. М. и Федо-ришина Ю. М., посвященную совершенствованию метрологического обеспечения систем диагностики контактной сети [10].
Проведенный анализ позволил определить основное направление исследований - бесконтактная диагностика контактной сети электрифицированных железных дорог на основе оптических элементов с последующей цифровой обработкой данных и расчетом геометрических параметров. Предлагаемый вариант отличается невысокой стоимостью устройства. Кроме того, он имеет ряд дополнительных преимуществ, рассмотрим их.
Поскольку цифровая контактная сеть в настоящее время не реализована практически, возникает необходимость ежедневного контроля параметров. В первую очередь из-за скорости изменения состояния. Так, например, за одни сутки в результате изменения климатических условий (температура, влажность, осадки, ветер) геометрическое положение контактного провода может существенно измениться. Кроме того, постоянное механическое воздействие токоприемников электроподвижного состава приводит к изменению параметров.
Диагностирование геометрических параметров необходимо осуществлять в условиях нормальной круглосуточной работы участка, т. е. без предоставления технологического «окна». В настоящее время это осуществляется посредством измерения параметров на базе диагностических комплексов - вагонов-лабораторий контактной сети (ВИКСов).
Необходимо использовать безлюдные технологии. Стратегия развития железнодорожного транспорта РФ [1] предполагает внедрение инновационных систем диагностики без привлечения работника.
Рассмотрим схему определения геометрических параметров с помощью оптоэлектронных устройств. Объект измерения (контактный провод) в этом случае будет отображаться на матрице оптоэлектронного устройства (рисунок 1). Для дальнейших расчетов нас будет интересовать угол в - угол отклонения оси расположения объекта по отношению к оси камеры. Определение угла в осуществляется на основании точки расположения изображения на матрице оптоэлектронного устройства. В данном случае G - размеры матрицы, М - расстояние удаления изображения объекта от центра матрицы.
Тогда габариты контактного провода можно определить следующим образом (рисунок 2): расчет строится на основе аналитических выражений, полученных в результате преобразования тригонометрических выражений треугольника ААСВ, где А и В - это точки расположения датчиков, а С - точка расположения объекта измерения.
Рисунок 1 - Отображение объекта измерения на матрице оптоэлектронного устройства
Ключевым выражением для расчета является соотношение синусов углов треугольника ААСВ противоположным сторонам:
ХА+ХВ
С/В
С'А
(1)
Сделав соответствующие математические преобразования, получим выражения для определения габаритов контактного провода:
(ХА+ХвУ5т(ав)
Ус = Уа,В + sm(aA) Хс = ХА,в - соэ(аА)
(ХА+Хв)^т(ав)
Бт(180-ад-ав)
В выражениях (2), (3) углы треугольника ААСВ определяются по уравнениям:
«а=УА- РА> ав=ув+ Рв.
(2)
(3)
(4)
(5)
В выражениях (4), (5) углы в - это углы отклонения оси расположения объекта по отношению к оси камеры, которые определяются по формулам:
(6) (7)
Используя аналитические выражения (1) - (7), можно определить габариты контактного провода. На рисунке 2 приведены границы возможного расположения контактного провода в соответствии с правилами технической эксплуатации железных дорог РФ.
Рисунок 2 - Схема определения габарита контактного провода
Использование бесконтактного способа диагностики контактной сети имеет ряд особенностей: точность показаний оптоэлектронных устройств (сканеров), необходимость математической обработки изображений и результатов измерений нескольких датчиков с вычислением искомых параметров (триангуляция), выбор места расположения датчиков, работа оборудования в неблагоприятных погодных условиях, техническое обслуживание оборудования и др.
Определим оптимальные места расположения датчиков исходя из следующих условий (см. рисунок 1): датчики располагаются симметрично относительно оси пути; используется минимальное возможное количество датчиков (2); датчики размещаются максимально близко к объекту измерения (контактной сети); датчики располагаются в габаритах подвижного состава согласно правилам технической эксплуатации [4]; угол захвата датчиков вмещает все возможные места расположения контактного провода; датчики располагаются максимально близко к двум симметричным лучам, исходящим из точки расположения контактного провода и направленным на 225 и 315 ° в полярной системе координат. Последнее условие обеспечивает формирование прямоугольного равнобедренного треугольника, в котором прямой угол является наиболее вероятной точкой расположения контактного провода, а два других
угла будут являться точками расположения датчиков. Это позволит обеспечить ситуацию, при которой контактный провод, т. е. диагностируемый объект, будет располагаться в центре кадра оптоэлектронного сканера.
На рисунке 3 представлена схема, поясняющая условия определения мест установки датчиков. Как видно из рисунка, расположить датчики непосредственно на оси лучей, исходящих из точки расположения контактного провода и направленных на 225 и 315 ° в полярной системе координат, невозможно, поскольку эти лучи не пересекают область, образованную габаритами подвижного состава.
Рисунок 3 - Схема, поясняющая условия определения мест установки датчиков бесконтактной диагностики проводов контактной сети электрифицированных железных дорог
Рассмотрим оптимальные места расположения датчиков исходя из описанных условий. На рисунке 4 приведены области, ограниченные габаритами подвижного состава, на которых отмечены оптимальные места установки датчиков: с точки зрения условия размещения датчиков максимально близки к объекту измерения (а); с точки зрения условия расположения датчиков максимально близко к двум симметричным лучам, исходящим из точки расположения контактного провода и направленным на 225 и 315 ° в полярной системе координат (б); с учетом всех указанных условий (в).
Габариты датчика примем исходя из линейки выпускаемых устройств: куб размером 0,1^0,1x0,1 м. Оптимальным местом расположения датчиков являются точки, имеющие сле-
дующие габариты: высота над уровнем головок рельсов - 5,2 - 5,3 м; расстояние от оси пути - 6,9 - 7,0 м. В полярных координатах это соответствует таким габаритам: радиус -0,955 - 1,081 м; углы - 226,3 - 233,5 ° (датчик А) и 306,5 - 313,7 ° (датчик В).
Рисунок 4 - Схема, поясняющая выбор оптимальных мест расположения датчиков
Преобразование изображений, полученных с оптических устройств, в геометрические параметры, необходимые для диагностики, осуществляется по следующему алгоритму:
первый этап - получение цифровых изображений с помощью оптоэлектронных устройств;
второй - преобразование цветовых параметров в монохромное цифровое изображение;
третий - преобразование цифровых изображений;
четвертый - расчет геометрических параметров контактной сети.
Первый этап представлен на рисунке 1.
На втором этапе осуществляется преобразование цифрового изображения в цифровую матрицу монохромного изображения.
На третьем этапе цифровая матрица монохромного изображения, полученного с опто-электронного сканера, преобразуется в гистограмму. Причем гистограмма строится по оси, перпендикулярной изображению провода, оказавшегося в поле цифрового изображения (рисунок 5).
Цифровое изображение коптам нот провода
11,ифроюе изображение постороннего объекта, расположенного r поле прения камеры
1 Цифровой изображений кон соли контактной сстн
t о U я
■L: J i.
I i. 1 I í I
'í ...........<
» ™ fe .и
1/1 rrifl -rt 5-1
тч 31 "1 VI
л SJ пз 4}
i « i| ч .<«
Н1 (, ¿ ! i
№ ti я 1
Математическая обработка цифрового изображения (шеюграмш, построенная по данным матрицы)
-J Модальное значение
1 i
-
1 J i 4 h b ? В 3 10 11 12 >3 ть 1/ га i* л! 31 22 23 Л Л !Ь ¿7 ¿S J9 й! ai jj ji w Jj Jt ií ü к ли
Утл р
Угол обзорп кангрыО
Рисунок 5 - Преобразование цифровых изображений
б
а
в
Четвертый этап представлен на рисунке 2.
Основной задачей хозяйства электроснабжения электрифицированных железных дорог является гарантированное энергообеспечение перевозочного процесса. Описанная методика бесконтактной диагностики контактной сети электрифицированных железных дорог направлена на совершенствование энергообеспечения перевозочного процесса.
Представленная методика предполагает использование способа диагностики контактной сети на основе оптических элементов с последующей цифровой обработкой данных и расчетом геометрических параметров. Данный способ обладает невысокой стоимостью устройства в отличие от аналогов и высокой точностью расчета. Устройства, разработанные в соответствии с описанной методикой, предполагается устанавливать на подвижном составе. Таким образом, исключается необходимость использования диагностических комплексов и сокращается срок между проверками от нескольких дней до нескольких минут.
Проведенный анализ и выбор оптимальных мест установки оптических устройств позволяет в дальнейшем разработать конструкцию устройства.
Список литературы
1. Стратегия развития железнодорожного транспорта в РФ до 2030 года. - URL : https://www.mintrans.ru/documents/2/1010 (дата обращения: 19.01.2020).
2. Стратегия научно-технического развития холдинга «Российские железные дороги» на период до 2020 года и перспективу до 2025 года (Белая книга ОАО «РЖД»). - URL : http://www.rzd-expo.ru/innovation/BelKniga_2015.pdf (дата обращения: 19.01.2020).
3. Долгосрочная программа развития ОАО «РЖД» до 2025 года. - URL : http://doc.rzd.ru/doc/public/ru?STRUCTURE_ID=704&layer_id=5104&refererLayerId=5101&id= 7017 (дата обращения: 19.01.2020).
4. Правила технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации (редакция от 25.12.2018). Утверждены приказом Минтранса России № 286 от 21.12.2010. - Москва, 2019. - 608 с. - Текст : непосредственный.
5. ГОСТ Р 8.929-2016. Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ). Комплексы мобильные измерительно-вычислительные для измерения параметров контактной сети железной дороги. Технические требования. - Москва : Стандартинформ, 2016. -15 с. - Текст : непосредственный.
6. ГОСТ 32679-2014. Контактная сеть железной дороги. Технические требования и методы контроля. - Москва : Стандартинформ, 2015. - 16 с. - Текст : непосредственный.
7. ГОСТ 32895-2014. Электрификация и электроснабжение железных дорог. Термины и определения. - Москва : Стандартинформ, 2014. - 39 с. - Текст : непосредственный.
8. ГОСТ 19330-2013. Стойки для опор контактной сети железных дорог. - Москва : Стандартинформ, 2014. - 67 с. - Текст : непосредственный.
9. ГОСТ Р 57670-2017. Системы тягового электроснабжения железной дороги. Методика выбора основных параметров. - Москва : Стандартинформ, 2017. - 52 с. - Текст : непосредственный.
10. Сафин, В. Г. Метрологические характеристики оптических средств для измерений параметров подвески контактной сети / В. Г. Сафин, С. М. Шевяков, Ю. М. Федоришин. - Текст : непосредственный // Транспорт Российской Федерации. - 2010. - № 3 (28). - С. 41 - 43.
References
1. Strategiya razvitiya zheleznodorozhnogo transporta v RF do 2030 goda (Strategy for the development of railway transport in the Russian Federation until 2030), Available at: https://www.mintrans.ru/documents/2/1010 (accessed 19 January 2020).
2. Strategiya nauchno-tekhnicheskogo razvitiya kholdinga «Rossiyskiye zheleznyye dorogi» na period do 2020 goda iperspektivu do 2025 goda (Belaya kniga OAO «RZHD») (Strategy of scien-
tific and technical development of The Russian Railways holding for the period up to 2020 and the perspective up to 2025 (White paper of JSC «Russian Railways»), Available at: http://www.rzd-expo.ru/innovation/BelKniga_2015.pdf (accessed 19 January 2020).
3. Dolgosrochnaya programma razvitiya OAO «RZHD» do 2025 goda (Long-Term development program of JSC «Russian Railways» until 2025). Available at: http://doc.rzd.ru/doc/public/ru?STRUCTURE_ID=704&layer_id=5104&refererLayerId=5101&id= 7017 (accessed 19 January 2020).
4. Pravila tekhnicheskoy ekspluatatsii zheleznykh dorog Rossiyskoy Federatsii (redaktsiya ot 25.12.2018). Utverzhdeny prikazom Mintransa Rossii № 286 ot 21.12.2010 (Rules of technical operation of Railways of the Russian Federation (edition of 25.12.2018). Approved by order of the Ministry of transport of Russia no. 286 dated 21.12.2010), Moscow, 2019, 608 p.
5. Gosudarstvennaya sistema obespecheniya yedinstva izmereniy (GSI). Kompleksy mobil'nyye izmeritel'no-vychislitel'nyye dlya izmereniya parametrov kontaktnoy seti zheleznoy dorogi. Tekhnicheskiye trebovaniya, GOST R 8.929-2016 (State system for ensuring the uniformity of measurements (GSI). Mobile measuring and computing complexes for measuring parameters of the railway contact network. Specifications. National Standart 8.929-2016). Moscow, Standardinform, 2016, 15 p.
6. Kontaktnaya set' zheleznoy dorogi. Tekhnicheskiye trebovaniya i metody kontrolya, GOST 32679-2014 (Railway Contact network. Technical requirements and control methods, National Standart 32679-2014). Moscow, Standardinform, 2015, 16 p.
7. Elektrifikatsiya i elektrosnabzheniye zheleznykh dorog. Terminy i opredeleniya, GOST 32895-2014 (Electrification and power supply of Railways. Terms and definitions, National Standart 32895-2014). Moscow, Standardinform, 2014, 39 p.
8. Stoyki dlya opor kontaktnoy seti zheleznykh dorog, GOST 19330-2013 (Racks for railway contact network supports, National Standart 19330-2013), Moscow, Standardinform, 2014, 67 p.
9. Sistemy tyagovogo elektrosnabzheniya zheleznoy dorogi. Metodika vybora osnovnykh parametrov, GOST R 57670-2017 (Railway traction power supply Systems. Method for selecting the main parameters, National Standart 57670-2017). Moscow, Standardinform, 2017, 52 p.
10. Safin V. G., Shevyakov S. M., Fedorishin Yu. M. Metrological characteristics of optical devices for measuring the parameters of the suspension of the contact network [Metrologicheskiye kha-rakteristiki opticheskikh sredstv dlya izmereniy parametrov podveski kontaktnoy seti]. Transport Rossiyskoy Federatsii - Transport Of The Russian Federation, 2010, no. 3 (28), pp. 41 - 43.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Гаранин Максим Алексеевич
Самарский государственный университет путей сообщения (СамГУПС).
Свободы ул., д. 2 в, г. Самара, 443066, Российская Федерация.
Кандидат технических наук, проректор по научной работе и инновациям, СамГУПС.
Тел.: +7 (917) 945-74-77.
E-mail: garanin@samgups.ru
Фроленков Сергей Андреевич
Самарский государственный университет путей сообщения (СамГУПС).
Свободы ул., д. 2 в, г. Самара, 443066, Российская Федерация.
Аспирант кафедры «Электроснабжение железнодорожного транспорта», СамГУПС.
Тел.: +7 (927) 656-09-96.
E-mail: f9276560996@yandex.ru
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Garanin Maxim Alekseevich
Samara State Transport University (SSTU).
2v, Svobody st., Samata, 443066, the Russian Federation.
Ph. D. in Engineering, Vice-rector for research and innovation, SSTU.
Phone: +7 (917) 945-74-77.
E-mail: garanin@samgups.ru
Frolenkov Sergey Andreevich
Samara State Transport University (SSTU).
2v, Svobody st., Samata, 443066, the Russian Federation.
Post-graduate student of the Department «The power supply of rail transport», SSTU.
Phone: +7 (927) 656-09-96.
E-mail: f9276560996@yandex.ru
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Гаранин, М. А. Методика бесконтактной диагностики положения проводов контактной сети электрифицированных железных дорог / М. А. Гаранин, С. А. Фроленков. - Текст : непосредственный // Известия Транссиба. - 2020. - № 4 (44). - С. 48 - 56.
УДК 621.313
Garanin M. A., Frolenkov S. A. Method of contactless diagnostics of the position of wires of the contact network of electrified railways. Journal of Transsib Railway Studies, 2020, no. 4 (44), pp. 48 - 56 (In Russian).
П. К. Шкодун
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС), г. Омск, Российская Федерация
РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА ДИАГНОСТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ
ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
Аннотация. В статье разрабатывается актуальный вопрос выбора диагностических параметров для оценки технического состояния профиля коллектора тяговых электродвигателей подвижного состава. Представлены результаты проведенных экспериментальных исследований профиля коллектора после ремонта и после проведения приемосдаточных испытаний для различных тяговых электродвигателей магистральных локомотивов: ТЛ-2К1 (ВЛ-10), ЭК810Ч (2ЭС6), ЭД133 (2ТЭ116У). Выявлена взаимосвязь между рассчитанными параметрами оценки профиля коллектора с помощью математического аппарата корреляционного анализа с ранжированием по шкале Чеддока. Установлена различная степень взаимосвязи между диагностическими параметрами, которые характеризуют состояние профиля коллектора тягового электродвигателя, при этом большинство известных диагностических параметров имеют выраженную корреляционную связь друг с другом. Рассмотрено множество диагностических параметров, которое может быть описано обобщенными параметрами, характеризующими профиль коллектора. Сделан вывод о возможности использования идентичных диагностических параметров для оценки состояния поверхности коллектора тягового электродвигателя на различных стадиях ремонта и технического обслуживания. На основе проведенных исследований выявлены диагностические параметры, имеющие диагностическую ценность и не связанные между собой корреляционными связями.
Ключевые слова: тяговый электродвигатель, коллектор, биение, корреляция, диагностирование, диагностический параметр.
Pavel K. Shkodun
Omsk State Transport University (OSTU), Omsk, the Russian Federation
DEVELOPMENT OF A COMPLEX OF DIAGNOSTIC PARAMETERS FOR ASSESSING THE TECHNICAL STATE OF TRACTION ELECTRIC MOTORS
OF ROLLING STOCK
Abstract. The article develops the topical issue of choosing diagnostic parameters to assess the technical condition of the collector profile of traction electric motors of rolling stock. The results of experimental studies of the collector profile after repair and after carrying out acceptance tests for various traction electric motors of mainline locomotives: TL-2K1 (VL-10), EK810Ch (2ES6), ED133 (2TE116U) are presented. The relationship between the calculated parameters for assessing the reservoir profile using the mathematical apparatus of correlation analysis with a ranking on the Chaddock scale is revealed. A different degree of relationship has been established between the diagnostic parameters that characterize the state of the traction motor collector profile, while most of the known diagnostic parameters have a pronounced correlation with each other. A variety of diagnostic parameters are considered, which can be described by generalized parameters characterizing the reservoir profile. It is concluded that it is possible to use identical diagnostic parameters to assess the surface condition of the traction motor collector at various stages of repair and maintenance. On the basis of the studies carried out, diagnostic parameters have been identified that have diagnostic value and are not related to each other by correlations.
Keywords: traction motor, collector, runout, correlation, diagnostics, diagnostic parameter.
