Устройство для измерения высоты и зигзага контактного провода

 

Устройство предназначено для использования на электрифицированном транспорте для измерения высоты и зигзага контактного провода относительно головки рельса из движущегося транспортного средства. Сущность изобретения: устройство размещается в подвижном транспортном средстве перед наклонным лобовым стеклом так, чтобы оптическая ось оптической системы была перпендикулярна контактному проводу, а размер лобового стекла и угол его наклона такие, чтобы контактный провод при всех его положениях не выходил за поле обзора оптической системы. В устройство дополнительно введены блок вычисления высоты контактного провода, блок коррекции погрешности измерения зигзага в зависимости от высоты контактного провода, левое и правое большие зеркала, левое и правое малые зеркала. Большие зеркала устанавливают симметрично относительно оптической оси объектива на обеспечивающем необходимую точность измерения высоты контактного провода базовом расстоянии друг от друга и под углами, которые обеспечивают отражение оптических лучей контактного провода в области возможных его положений на малые зеркала. Малые зеркала устанавливаются перед объективом так, что первая часть поля обзора объектива остается свободной для прямого прохождения лучей от контактного провода через объектив на первый матричный фотоприемник, который размещается так, чтобы изображение контактного провода при всех возможных его положениях не выходило за пределы первого матричного фотоприемника. Правое и левое малые зеркала занимают вторую и третью соответственно части поля обзора объектива и устанавливаются крестообразно друг относительно друга и симметрично относительно оптической оси объектива под такими углами, чтобы лучи контактного провода, проходящие от левого большого зеркала на левое малое зеркало и от правого большого зеркала на правое малое зеркало, отражались от левого и правого малых зеркал и попадали на второй и третий матричные фотоприемники соответственно и при всех возможных положениях контактного провода не выходили за пределы границ этих матричных фотоприемников, при этом выход первого матричного фотоприемника соединен с входом первого блока измерения положения изображения контактного провода, выход которого соединен с первым входом блока коррекции погрешности измерения зигзага контактного провода, выход которого подключен к регистратору величины зигзага контактного провода, выход второго и выход третьего матричных фотоприемников соединены с входами второго и третьего блоков измерения положения изображения контактного провода на фотоприемниках соответственно, а выходы этих блоков соединены с первым и вторым входами блока измерения высоты контактного провода, выход которого соединен с регистратором высоты контактного провода и с вторым входом блока коррекции зигзага контактного провода. Технический результат: уменьшение габаритов и упрощение устройства оптического измерения высоты и зигзага контактного провода относительно головки рельса из движущегося транспортного средства. 2 ил.

Устройство предназначено для использования на электрифицированном транспорте для измерения высоты и зигзага контактного провода относительно головки рельса из движущегося транспортного средства.

Измерение высоты и зигзага контактного провода необходимо для текущего контроля и проверки на соответствие нормативным показателям, установленным в /1, стр. 57-111/. Так, расстояние между контактным проводом и уровнем головки рельсов должно быть в пределах от 6800 до 5750 мм. По специальному разрешению Министерства путей сообщения это расстояние может быть уменьшено до 5550 мм. Нормативное значение зигзага (отклонения контактного провода от оси пути в плане) на прямом участке пути равно 300 мм, на кривой - 400 мм /2, 3/.

На электрифицированных железных дорогах осуществляется контроль за положением контактного провода относительно оси пути. Измерение положения провода достаточно трудоемко и его осуществляют с помощью специальных вагонов-лабораторий, включаемых в состав движущегося пассажирского поезда или перемещаемых с помощью отдельного локомотива. Однако вагоны-лаборатории осуществляют объезд данного участка контактной подвески один раз за три месяца, причем проверяются только главные пути станций и перегоны. Боковые пути станций с помощью вагона-лаборатории не проверяются. За три месяца после проверки вагоном-лабораторией высота и зигзаг контактного провода могут недопустимо измениться из-за различных факторов, например ремонта пути, оползней и др. Поэтому нужны мобильные, портативные средства измерения высоты и зигзага контактного провода как на главных, так и на боковых путях.

Для оперативного ремонта контактной подвески широко применяются дрезины и автомотрисы /4/. Желательно, чтобы на подобного рода подвижных единицах применялись устройства для измерения положения контактного провода, что позволит проводить контроль качества ремонта, не дожидаясь планового контроля. Однако существующие системы настолько сложны и обладают такими большими габаритами, что на применяемых в настоящее время автомотрисах и дрезинах их установить не удается.

До недавнего времени для измерений высоты и зигзага контактного провода использовались механические контактные системы /2, стр. 15-23/. Такие системы имеют небольшую точность, электрически опасны в использовании, так как контактируют с проводом, находящимся под опасным для человека потенциалом, не допускают измерения при высоких скоростях движения, поэтому в настоящее время для указанной цели используются оптические системы.

В Японии высоту и зигзаг контактного провода измеряют с помощью устройства, установленного в специальном измерительном вагоне /5, 6/. Устройство имеет измеритель высоты, измеритель зигзага, токоприемник и блок обработки данных. Устройство содержит лазер, две линзы, несколько зеркал, причем одно из зеркал выполнено в виде вращающегося барабана. Устройство имеет размеры: 2500х1000х400 мм.

Недостатки устройства: - сложность оптической системы, так как используются несколько линз и зеркал, одно из которых вращающееся, - невозможность использования на автомотрисе из-за больших габаритов устройства, - высота контактного провода измеряется механическим устройством, связанным с токоприемником.

В Нидерландах /7/ устройство размещено в специальном вагоне и содержит пять линейных телекамер из 2048 фотоэлементов каждая для измерения удаления контактного провода. Для измерения высоты контактного провода используется шестая линейная камера, которая установлена в наблюдательной вышке вагона и направлена на токоприемник вагона-лаборатории, на котором помещены светодиоды красного цвета с большой эмиссией света для облегчения выделения измерительного сигнала.

Недостатки: - устройство нельзя использовать на автомотрисе, которая не имеет токоприемника, - сложность устройства, там используются шесть телекамер, - проблема подачи питания на светодиоды, находящиеся на токоприемнике с опасным электрическим потенциалом.

На железных дорогах Австрии /8/, а также Южной Кореи /9/ применяется оптическая система, состоящая из лазера, зеркального сканирующего устройства, приемного блока и вычислительного устройства.

Недостатки этой системы: - наличие сканирующего (подвижного) зеркала, сложность, - невозможность использования устройства на автомотрисе из-за отсутствия места установки и конструктивных особенностей навесных агрегатов автомотрисы, загораживающих поле сканирования.

Известно также устройство для оптического измерения высоты и зигзага контактного провода относительно головки рельса /10/. Работа устройства основана на использовании оптической стереосистемы. Это устройство принято в качестве прототипа. Данное устройство состоит из блока оптической стереосистемы, трех линейных телекамер, каждая из которых содержит линейку из 2048 фотоэлементов с зарядовой связью, и вычислительного устройства. При этом блок оптической стереосистемы содержит три линейные телекамеры, базовый короб размерами 3000х1500х1000 мм, герметичную заслонку с гидроприводом для закрытия трех оптических окон, образованных тремя вращающимися перед телекамерами иллюминаторами. Блок оптической системы предназначен для установки и фиксации камер в плоскости перпендикулярной оси пути, причем камера, расположенная в центре, направлена вертикально вверх, а две другие камеры расположены симметрично относительно центральной на расстоянии S, равном 1,2 м, а оптические оси этих камер наклонены к оптической оси центральной камеры под углом, примерно равным 30^o. Как видно из /10, рис. 3 и рис. 4/, камеры стереосистемы расположены в базовом коробе, у которого длина равна ширине вагона. Стереосистема вместе с питающими и сигнальными кабелями, а также с приборами для настройки и управления занимает значительное пространство вагона, это пространство примерно равно объему одного четырехместного купе. Камеры установлены перед вращающимися с высокой скоростью от электродвигателей иллюминаторами. За счет центробежных сил капли воды и загрязнения отбрасываются с иллюминаторов и такие вращающиеся иллюминаторы являются стеклоочистителями, но следы загрязнений остаются и накапливаются. Оптические окна иллюминаторов расположены следующим образом: центральное окно установлено горизонтально, а боковые окна наклонены к оптической оси центральной камеры под углом, примерно равным 70^o. Для защиты от воздействия внешней среды (холода, снега, дождя, опадающих листьев, противогололедной смазки проводов, мелких частиц верхнего строения пути и др.) в нерабочем положении оптические окна иллюминаторов закрываются специальной герметичной заслонкой с гидроприводом. В рабочем положении специальная герметичная заслонка открыта и оптические окна подвержены значительному воздействию внешней среды.

Недостатками известного решения являются: - большие габариты оптической системы (3000х1500х1000 мм), определяемые принятой конструкцией устройства, что не позволяет использовать данную систему на автомотрисе или дрезине,
- сложность, так как необходимо устанавливать три телекамеры с фотоприемниками, три вращающихся иллюминатора, базовый короб и герметичную заслонку с гидропроводом,
- низкая надежность работы, возникающая из-за того, что во время работы герметичную заслонку необходимо открывать, поэтому оптическая система подвергается воздействию внешней среды, в результате солнечное излучение, дождь, снег, грязь, противогололедная смазка, опадающие листья, мелкие частицы верхнего строения пути попадают на оптические окна и искажают результаты измерений, кроме того, низкая температура зимой может привести к отказу электронных схем телекамер.

Технический результат предлагаемого устройства заключается в уменьшении габаритов и упрощении устройства оптического измерения высоты и зигзага контактного провода относительно головки рельса из движущегося транспортного средства.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Устройство размещается в подвижном транспортном средстве перед наклонным лобовым стеклом так, чтобы оптическая ось оптической системы была перпендикулярна контактному проводу, а размер лобового стекла и угол его наклона такие, чтобы контактный провод при всех его положениях не выходил за поле обзора оптической системы, и в него дополнительно введены блок вычисления высоты контактного провода, блок коррекции погрешности измерения зигзага в зависимости от высоты контактного провода, левое и правое большие зеркала, левое и правое малые зеркала, причем большие зеркала устанавливают симметрично относительно оптической оси объектива на обеспечивающем необходимую точность измерения высоты контактного провода базовом расстоянии друг от друга и под углами, которые обеспечивают отражение оптических лучей контактного провода в области возможных его положений на малые зеркала, которые устанавливаются перед объективом так, что первая часть поля обзора объектива остается свободной для прямого прохождения лучей от контактного провода через объектив на первый матричный фотоприемник, который размещается так, чтобы изображение контактного провода при всех возможных его положениях не выходило за пределы первого матричного фотоприемника, а правое и левое малые зеркала занимают вторую и третью соответственно части поля обзора объектива и устанавливаются крестообразно друг относительно друга и симметрично относительно оптической оси объектива под такими углами, чтобы лучи контактного провода, проходящие от левого большого зеркала на левое малое зеркало и от правого большого зеркала на правое малое зеркало, отражались от левого и правого малых зеркал и попадали на второй и третий матричный фотоприемники соответственно и при всех возможных положениях контактного провода не выходили за пределы границ этих матричных фотоприемников, при этом выход первого матричного фотоприемника соединен со входом первого блока измерения положения изображения контактного провода, выход которого соединен с первым входом блока коррекции погрешности измерения зигзага контактного провода, выход которого подключен к регистратору величины зигзага контактного провода, выход второго и выход третьего матричных фотоприемников соединены со входами второго и третьего блоков измерения положения изображения контактного провода на фотоприемниках соответственно, а выходы этих блоков соединены с первым и вторым входами блока измерения высоты контактного провода, выход которого соединен с регистратором высоты контактного провода и с вторым входом блока коррекции зигзага контактного провода.

Сущность изобретения поясняется фиг.1 и 2.

На фиг. 1 приведено размещение предлагаемого устройства в транспортном средстве и границы области, в которой может оказаться контактный провод в реальной контактной сети. Здесь приняты следующие обозначения: 1 - транспортное средство; 2 - оптическая система; 3 - лобовое стекло кабины, установленное в плоскости, перпендикулярной оси пути и под таким углом к горизонтальной поверхности, чтобы не загораживать поле обзора оптической системы 2; 4 - линии, ограничивающие поле обзора оптической системы в плоскости, проходящей по оси пути; 5 - линии, ограничивающие поле обзора оптической системы в плоскости, перпендикулярной оси пути; 6 - наивысшее нормальное положение контактного провода; 7 - наинизшее нормальное положение контактного провода; 8 - контактный провод, расположенный на расстоянии (Н + Нру) от головки рельсов и смещенный от оси пути на расстояние Z (зигзаг); 9 - правая граница наибольшего допустимого смещения контактного провода от оси пути; 10 - левая граница наибольшего допустимого смещения контактного провода от оси пути; 11 - область (заштрихована) возможных положений контактного провода в плоскости, перпендикулярной оси пути; 12 - оптическая ось оптической системы 2; 13 - рельс; 14 - подвижный стеклоочиститель.

На фиг.2 схематически приведено конструктивное выполнение предлагаемого устройства. Здесь 1 - контактный провод, на котором условно обозначены точки А, В, С; 2 - ось пути; 3 - левое большое зеркало; 4 - правое большое зеркало; 5 - левое малое зеркало; 6 - правое малое зеркало; 7 - объектив; 8 - первый матричный фотоприемник; 9 - второй матричный фотоприемник; 10 - третий матричный фотоприемник; 11 - средняя линия фотоприемников (ось симметрии); 12 - блок измерения зигзага контактного провода по положению на первом матричном фотоприемнике точки А' (изображение точки А контактного провода); 13 - блок измерения положения точки В' (изображение точки В контактного провода) на втором матричном фотоприемнике; 14 - блок измерения положения точки С' (изображение точки С контактного провода) на третьем матричном фотоприемнике; 15 - блок вычисления высоты контактного провода по данным блоков 13 и 14; 16 - блок коррекции величины зигзага контактного провода по данным блока 15 вычисления высоты контактного провода; 17 - регистратор величины зигзага контактного провода; 18 - регистратор величины высоты контактного провода.

Правое малое зеркало 6 и левое малое зеркало 5 устанавливаются перед объективом 7 так, что первая часть поля обзора объектива 7 остается свободной для наблюдения за контактным проводом и зеркалами не загораживается, правое малое зеркало занимает вторую часть поля обзора объектива, левое малое зеркало занимает третью часть поля обзора объектива. Матричный фотоприемник 8 устанавливается так, чтобы изображение контактного провода при всех возможных его положениях не выходило за пределы фотоприемника 8. Зеркальные поверхности малых зеркал 6 и 5 направлены к объективу 7 под такими углами, чтобы изображение контактного провода, отраженное от наклоненных больших зеркал 4 и 3, попадало на второй 9 и третий 10 матричный фотоприемники соответственно и не выходило за пределы границ этих фотоприемников при всех возможных положениях контактного провода в области 11 (фиг.1).

На фиг.2 показаны также: z - расстояние от средней линии фотоприемников до точки А'; h₁ - расстояние от правого края фотоприемника 9 до точки В'; h₂ - расстояние от правого края фотоприемника 10 до точки С'; h - расстояние между точками С' и В', равное разности h₂ - h₁.

Показанные на фиг. 1 элементы 2, 14 имеются в прототипе, а применение наклонного лобового стекла 3 является новым по сравнению с прототипом. Показанные на фиг. 2 элементы 7, 8, 9, 10, 12, 13, 14, 17, 18 имеются в прототипе, а применение элементов 3, 4, 5, 6, 15, 16 является новым по сравнению с прототипом.

Устройство работает следующим образом. Оптическая система 2 (см. фиг.1) устанавливается перед наклоненным лобовым стеклом 3 внутри транспортного средства 1 так, чтобы оптическая ось 12 оптической системы была перпендикулярна контактному проводу. Размер лобового стекла и угол его наклона выбираются такими, чтобы контактный провод при всех его положениях не выходил за линии 5 поля обзора оптической системы. Так как оптическая система расположена внутри отапливаемой в зимнее время кабины транспортного средства, то обеспечивается ее доступное и простое обслуживание, а также надежная работа электронных схем.

Транспортное средство с устройством измерения высоты и зигзага контактного провода движется по рельсам. Изображение точки А контактного провода (см. фиг.2) с помощью объектива 7 создается на фотоприемнике 8 в виде точки А'. Расстояние z от средней линии 11 фотоприемника до точки А' пропорционально величине зигзага Z контактного провода. Расстояние от правого края фотоприемника 9 до точки В' равно h₁. Расстояние от правого края фотоприемника 10 до точки С' равно h₂. Разность h₂ - h₁ равно значению h, которое пропорционально высоте контактного провода (расстоянию между контактным проводом и головкой рельса).

В блоке 12 производится измерение величины z, зависящей от зигзага контактного провода. Однако с увеличением высоты при неизменном зигзаге значение z уменьшается и для снижения погрешности измерения зигзага необходимо проводить коррекцию с помощью блока 16. Окончательный результат измерения зигзага выводится на регистратор 17.

В блоках 13 и 14 производится измерение величин h₁ и h₂ соответственно, на основе которых в блоке 15 производится вычисление высоты контактного провода. С выхода блока 15 направляется сигнал коррекции в блок 16. В блоке 18 производится регистрация высоты контактного провода.

Регистраторы 17 и 18 производят запись значений высоты и зигзага контактного провода в зависимости от времени движения и пройденного пути.

В конкретном примере выполнения предлагаемого устройства зеркала изготовлены из листов полированного стекла. На одну сторону стекол нанесено зеркальное покрытие, каждое большое зеркало имеет примерные размеры 120х30х3 мм, каждое малое зеркало имеет примерные размеры 34х3х3 мм, объектив имеет диаметр входного отверстия от 10 до 3,8 мм и фокусное расстояние от 5 до 2 см, в качестве трех матричных фотоприемников использовалась единая матрица на 512х582 элементах обыкновенной видеокамеры. Вышеуказанные компоненты составляют оптическую систему с размерами 450х100х70 мм. Показанные на фиг.2 блоки 12, 13, 14, 15, 16 выполнены на базе микропроцессорной техники, в качестве регистраторов 17 и 18 применен принтер.

Доказательством работоспособности предлагаемого устройства являются положительные результаты его испытания для измерения высоты и зигзага контактного провода из автомотрисы типа АРВ Ростовской дистанции электроснабжения Северо-Кавказской железной дороги.

В предлагаемом устройстве используется один объектив и три матричных фотоприемника, расположенных в плоскости изображения объектива по одной оси симметрии. Эти элементы вместе с малыми и большими зеркалами имеют габаритные размеры значительно меньшие, чем у прототипа, имеющего базовый короб, три линейных видеокамеры, три вращающихся иллюминатора и герметичную заслонку с гидроприводом. Использование одного объектива с матричными фотоприемниками позволяет упростить устройство по сравнению с прототипом, имеющим три объектива с фотоприемниками и большие габариты.

Этим обеспечивается технический результат, заключающийся в уменьшении габаритов и упрощении устройства.

Источники информации
1. Концепция модернизации устройств электроснабжения железных дорог. Департамент электрификации и электроснабжения трансэлектропрект. Министерство путей сообщения Российской федерации. Москва 1999.

2. Борц Ю.В., Чекулаев В.Е., Контактная сеть. Иллюстрированное пособие. М.: Транспорт, 1981.

3. Горошков Ю.И., Бондарев Н.А., Контактная сеть. Учебник для техникумов. М.: Транспорт, 1990.

4. Марков А.С. и др. Монтаж устройств электроснабжения электрифицируемых железных дорог. Учебник для техникумов транспортного строительства. М.: Транспорт, 1990.

5. Шимада Т. Лазерный измеритель износа контактного провода. - Железные дороги мира, 1998, 6, с. 28-31.

6. Измерительные поезда сети Синкансен. - Железные дороги мира, 1999, 2, с. 45-46.

7. Коневский М. Диагностика контактной сети. - Вестник ВНИИЖТ, 1998, 6, с. 17-20.

8. Измерительный вагон для обслуживания контактной сети. Железные дороги мира. - 1998, 4.

9. Хоффле X. Определение положения контактного провода лазерным методом. Железные дороги мира. - 1998, 5, с. 54-57.

10. Герасимов В.П. и др. Вагон-лаборатория нового поколения для испытаний контактной сети. - Железные дороги мира, 1998, 12, с. 22-28.

Формула изобретения

Устройство для измерения высоты и зигзага контактного провода, размещаемое в подвижном транспортном средстве и содержащее объектив, три матричных фотоприемника, три блока измерения положения изображения контактного провода на первом, втором и третьем матричных фотоприемниках соответственно, блок регистрации зигзага контактного провода, блок регистрации высоты контактного провода, отличающееся тем, что устройство размещается в подвижном транспортном средстве перед наклонным лобовым стеклом так, чтобы оптическая ось оптической системы была перпендикулярна контактному проводу, а размер лобового стекла и угол его наклона такие, чтобы контактный провод при всех его положениях не выходил за поле обзора оптической системы и в него дополнительно введены блок вычисления высоты контактного провода, блок коррекции погрешности измерения зигзага в зависимости от высоты контактного провода, левое и правое большие зеркала, левое и правое малые зеркала, причем большие зеркала устанавливают симметрично относительно оптической оси объектива на обеспечивающем необходимую точность измерения высоты контактного провода базовом расстоянии друг от друга и под углами, которые обеспечивают отражение оптических лучей контактного провода в области возможных его положений на малые зеркала, которые устанавливаются перед объективом так, что первая часть поля обзора объектива остается свободной для прямого прохождения лучей от контактного провода через объектив на первый матричный фотоприемник, который размещается так, чтобы изображение контактного провода при всех возможных его положениях не выходило за пределы первого матричного фотоприемника, а правое и левое малые зеркала занимают вторую и третью соответственно части поля обзора объектива и устанавливаются крестообразно друг относительно друга и симметрично относительно оптической оси объектива под такими углами, чтобы лучи контактного провода, проходящие от левого большого зеркала на левое малое зеркало и от правого большого зеркала на правое малое зеркало, отражались от левого и правого малых зеркал и попадали на второй и третий матричный фотоприемники соответственно и при всех возможных положениях контактного провода не выходили за пределы границ этих матричных фотоприемников, при этом выход первого матричного фотоприемника соединен с входом первого блока измерения положения изображения контактного провода, выход которого соединен с первым входом блока коррекции погрешности измерения зигзага контактного провода, выход которого подключен к регистратору величины зигзага контактного провода, выход второго и выход третьего матричных фотоприемников соединены с входами второго и третьего блоков измерения положения изображения контактного провода на фотоприемниках соответственно, а выходы этих блоков соединены с первым и вторым входами блока измерения высоты контактного провода, выход которого соединен с регистратором высоты контактного провода и с вторым входом блока коррекции зигзага контактного провода.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2