"Навигатор"
В.Б.БРЕДЮК, докт. техн. наук
В настоящее время большинство машин, предназначенных для рихтовки и выправки пути, работает по принципу сглаживания без учета геометрических параметров плана и профиля линии. В результате не только не устраняются существующие расстройства колеи, но и появляются новые — путь смещается с проектного положения, особенно в зоне переходных кривых. Так как затраты на выправку пути составляют основную долю эксплуатационных расходов, повышение ее эффективности следует считать первоочередной задачей, основа решения которой — совершенствование технологий инженерно-информационного обеспечения и автоматизация выправки.
С 1995 г. на дорогах внедряется разработанная НИЦ «Путеец» Сибирского государственного университета путей сообщения «Автоматизированная система съемки, расчетов и выправки пути». Уже сейчас на восьми магистралях десятки машин типов Р, ВПР, ВПРС и ПРБ оборудованы однокоординатной версией этой системы, обеспечивающей постановку пути в проектное положение в плане и разбивку проектного возвышения наружного рельса.
В 1998 г. на Западно-Сибирской дороге прошла успешные испытания в производственных условиях трехкоординатная версия системы «Навигатор», полностью автоматизирующая процессы измерения, расчетов и выправки пути в плане, продольном и поперечном профилях.
«Навигатор» представляет собой аппаратно-программный комплекс на базе портативного компьютера. Он предназначен для инженерно-информационно-го обеспечения выправки пути — автоматизации съемки его натурного положения, расчетов координат и оптимального пространственного положения с учетом условий эксплуатации, технических, габаритных и иных требований и ограничений; управления выправкой с точной постановкой колеи а заданное положение в плане, профиле и по уровню при текущем содержании и ремонтах; документирования результатов расчетов и паспортизации параметров плана линии, продольного профиля и возвышения наружного рельса; анализа допускаемых скоростей движения поездов по элементам плана линии и их сопряжениям; создания и ведения базы данных натурных измерений и результатов расчетов и выправки; обмена данными с другими подсистемами АСУ путевого хозяйства на различных уровнях управления, в том числе по каналам модемной связи.
Малогабаритные блоки технических средств системы размещены в рабочей кабине машины. Бортовой компьютер соединен с ее контрольно-измерительной системой и рабочими органами посредством специализированного программируемого микропроцессорного контроллера. Он преобразует аналоговую измерительную информацию от штатных датчиков машины в цифровой код с заданным шагом квантования, передает ее в компьютер, а также получает цифровую информацию от компьютера для формирования сигналов управления выправочными устройствами и индикаторами машины.
Программы «Навигатора»
«Настройка» — ввод параметров контрольно-измерительной системы машины, связь бортового компьютера с контроллером при калибровке датчиков, индикаторов и исполнительных органов машины.
«Съемка» — ввод данных для идентификации участка натурных измерений, связь бортового компьютера с контроллером при опросе датчиков измерительной информации, визуализация процесса и сохранение полученных данных.
«Расчет» — оптимизация пространственного положения пути, визуализация, документирование и сохранение в базе данных результатов расчетов определение допускаемых скоростей движения поездов и построение программных заданий для управления выправкой пути.
«Выправка» — связь между бортовым компьютером и контроллером, считывание текущей информации с датчиков, вычисление отклонения от проектного положения в текущем сечении пути, визуализация процесса выправки, передача управляющих сигналов на исполнительные органы и индикаторы машины, вычисление отклонений от проектной оси по данным контрольного стрелографа, сохранение в базе данных результатов выправки.
«База данных» — накопление, хранение и использование информации о работе системы во всех режимах.
Принцип действия «Навигатора» основан на оптимизации положения пути по данным машинной съемки в плане, продольном и поперечном профилях. Стрелы изгиба асимметричных хорд машины преобразуются в кривизну пути на малом шаге измерений, по которой вычисляют координаты его натурного положения в специальной криволинейной ортогональной системе координат.
Для точной постановки пути в проектное положение в плане или продольном профиле необходимо в каждом его сечении знать проектную стрелу изгиба машинной хорды и величину расчетного сдвига (подъемки) в точке ее переднего конца. Точные значения проектных стрел можно получить единственным способом — по параметрам эпюры проектной. кривизны, заданной положением характерных точек переходных кривых и кривизны сопрягаемых ими круговых кривых (прямых).
Параметры эпюры проектной кривизны и расчетные перемещения пути определяют на основании его оптимального положения по данным подробных натурных измерений. В этих расчетах критерии оптимальности параметров — ограничения, накладываемые на расчетные перемещения пути (нормали).
В технологии выправки пути ограничения перемещений по длине участка играют особую роль. Они описывают состояние габаритов, наличие балласта, величины зазоров, учитывают возможности машины и определяют максимальные амплитуды устраняемых расстройств.
Методы расчетов выправки участков пути неограниченной сложности в плане и профиле, реализованные в «Навигаторе», позволяют получить строго параметрические решения проектной кривизны при безусловном соблюдении критериев оптимальности расчета: определении минимального количества элементов плана или профиля, удовлетворяющих эксплуатационным требованиям и гарантирующих минимум выправочных работ при заданных ограничениях. Параметры плана и профиля оптимизируют при помощи процедур, основанных на зависимостях теории нормалей.
Сначала в заданной системе ограничений на сдвиги (подъемки) выделяют участки постоянной кривизны, т.е. прямые и круговые кривые. Затем аналитически по двум моментам полученных проектных стрел изгиба находят положение характерных точек сопрягающих их переходных кривых. Параболическая аппроксимация нормалей в пределах круговых кривых дает возможность уточнить значение радиусов, длин переходных и круговых кривых, положение тангенсов для удовлетворения всех принятых критериев оптимальности расчета. Параметры эпюры возвышения наружного рельса определяют в соответствии с проектной кривизной плана линии.
Эти результаты — готовый паспорт криволинейных участков. Их можно передавать в другие подсистемы АСУ путевого хозяйства для инженерно-информационного обеспечения работ, а также использовать при расшифровке показаний вагонов-путеизмерите-лей, в том числе оборудованных компьютерными системами. Система «Навигатор» действует в трех основных режимах: «Съемка», «Расчет», «Выправка».
Съемку натурного положения пути в плане, продольном и поперечном профилях ведут с помощью предварительно настроенной машины на выбранном с использованием базы данных участке с назначенной стартовой позиции.
В процессе съемки постоянно сканируются показания датчиков измерительной информации с частотой 10 Гц, которые заносятся в память компьютера с шагом 0,625 м, вычисляемым по данным датчика пути. Аналоговые значения показаний датчиков АЦП контроллера преобразует в цифровой код, по которому определяются измеряемые величины в миллиметрах с учетом калибровок датчиков и поправок привязок к пути. Для получения координат натурного положения пути в плане и продольном профиле стрелы изгиба асимметричных хорд машины преобразуются в кривизну пути на шаге 0,625 м с использованием высокочастотных цифровых фильтров и интегральных преобразований. В процессе записи натурного положения колеи отмечают точки расположения маркеров путевой разметки (пикетаж, опоры контактной сети, ИССО и др.).
Программное обеспечение системы поддерживает ввод и обработку информации о натурном положении пути в плане, профиле и по уровню, полученной вручную различными способами.
Расчеты оптимального пространственного положения пути выполняют на участке, выбранном из базы данных. Предварительно задают или редактируют предложенные компьютером условия эксплуатации — скорости движения поездов, ограничения сдвигов и подъемок пути. Расчет выполняется автоматически. На экран выводят графики результатов.
Детальный просмотр и редактирование расчетов по плану, уровню и продольному профилю позволяют откорректировать проектные параметры и расчетные' перемещения пути с учетом дополнительных требований. По параметрам кривых и их сопряжений определяют непогашенные ускорения, скорости их нарастания и скорости подъема колеса на возвышение наружного рельса, на основании которых устанавливают допускаемые скорости движения пассажирских и грузовых поездов или причины ограничений скорости. Согласно расчетам составляют программные задания управления машинной выправкой пути.
Машинную выправку пути в плане, профиле и по уровню ведут на выбранном с использованием базы данных участке. Путевую машину с настроенной контрольно-измерительной системой устанавливают на стартовую позицию, с которой начинали натурные измерения.
Изменяемые под воздействием рабочих механизмов путевой машины (подъемно-рихтующего устройства — ПРУ) показания датчиков уровня и стрел изгиба в плане и профиле сканируются с частотой 10 Гц. Величины, переведенные аналого-цифровым преобразователем (АЦП) в цифровой код и далее с учетом соответствующих калибровок в миллиметры, сравнивают с эталонными значениями программного задания которые обновляются через 0,625 м, а в промежуточных сечениях пути интерполируют. Эталонные стрелы изгиба в плане или профиле — проектные стрелы изгиба машинных хорд, исправленные на величину, пропорциональную расчетному перемещению пути в передней точке хорды.
Отклонения натурных значений от эталонных при помощи цифроаналоговых преобразователей (ЦАП) переводятся в управляющие сигналы для пропорционального управления работой сервовентилей и индикаторных приборов машины. Процесс выправки отображается на экране компьютера, где кроме цифровых значений и графиков дублируются показания индикаторных приборов. Выправка происходит в автоматическом режиме. При отказе ПРУ и плохом состоянии верхнего строения пути это делают вручную по показаниям индикаторов. При работе на пути с большими упругими отжатиями устанавливают режим «Упругий путь», при котором автоматически пере-рихтовывают путь в соответствии с коэффициентами упругости в каждом его сечении.
Положение пути, выправленного в плане, записывают по показаниям контрольного стрелографа. Когда работы на участке закончены, автоматически вычисляются те отклонения от проектной оси, которые могут быть устранены сразу дополнительным проходом с выборочной рихтовкой или приняты в качестве нового программного задания на последующую выправку в плане по полученным проектным параметрам.
В процессе выправки на экран выводят введенные при съемке маркеры разметки пути, которые используют для автоматической коррекции программного задания. В результате выправки пути отклонения от проектной оси в плане (остаточные сдвиги) и по уровню, как правило, не превышают 2—3 мм. Несколько большие отклонения от проектного положения в продольном профиле можно объяснить отсутствием балласта при подъемках до 97 мм и наличием в стыках выплесков.
Высокая точность постановки пути в проектное положение способствует резкому снижению уровня силового взаимодействия пути и подвижного состава, повышению стабильности работы пути и уровня безопасности движения, что в итоге снижает неравномерный износ рельсов и гребней колес и сокращает эксплуатационные расходы.
