/
Текст
Е.Е.Трестман
С.Н.Лозинский
ВЛ.Образцов
АВТОМАТИЗАЦИЯ
КОНТРОЛЯ
БУКСОВЫХ
УЗЛОВ
В ПОЕЗДАХ
Москва
"ТРАНСПОРТ"
1983
УДК 629.4 027.117.2—52
Трестман Е. Е., Лозинский С. Н., Образцов В. Л. Авто-
матизация контроля буксовых узлов в поездах. — М.: Тран-
спорт, 1983. — 352 с.
Изложены вопросы теории и практики аппаратурного
контроля букс при движении поездов; исследованы теплотех-
нические характеристики букс, проанализированы критерии их
аварийности. Подробно рассмотрены признаки распознавания
греющихся букс, оценена их потенциальная информативность,
корреляция с температурой подшипника буксового узла, ин-
формативность в условиях действия аддитивных и мульти-
пликативных помех. Исследованы методы многопризнакового
распознавания греющихся букс. Приведены результаты экс-
периментального исследования помех в линиях и каналах
связи, предназначенных для передачи данных контроля букс,
рассмотрены методы передачи телеметрических сигналов и
данных контроля, принципы построения отечественных и за-
рубежных систем контроля букс.
Рассчитана на научных и инженерно-технических работ-
ников железнодорожного транспорта.
Ил. 125, табл. 29, библ. 94.
Рецензент канд. техн, наук X. Б. Шмерман
Заведующий редакцией В. П. Рсписва
Редактор Н. Л. Немцова
^ческая бИ6п»о«“
3602040000-093 93 83
049(01)-83
@ Издательство «Транспорт», 1983
ОТ АВТОРОВ
В последнее двадцатилетие на железнодорожном тран-
спорте интенсивно формируется новое, отличное от тра-
диционного, направление автоматики — контроль и диаг-
ностика технического состояния подвижного состава при
движении поезда. Обеспечение высокого уровня эксплуа-
тационной надежности подвижного состава и безопасно-
сти движения поездов — важнейшие условия повышения
эффективности и качества работы железнодорожного
транспорта. В то же время непрерывная интенсификация
перевозочного процесса, которая выражается в удлинении
участков безостановочного следования поездов, увеличе-
нии скорости движения и нагрузки на ось, влечет за собой
увеличение числа отказов ходовых частей подвижного со-
става и, в первую очередь, вагонных букс.
Автоматизированные системы контроля технического
состояния подвижного состава позволяют своевременно
выявить и устранить появляющиеся в процессе эксплуата-
ции неисправности ходовых частей подвижного состава
и тем самым предупредить возникновение необратимых
отказов, способных привести к авариям и крушениям, уве-
личить скорости движения поездов, сократить затраты
времени на техническое обслуживание составов, увели-
чить расстояния безостановочного пробега поездов без
технического обслуживания вагонов, облегчить условия
труда линейных работников вагонного хозяйства.
3
В связи с этим в ряде зарубежных стран и в СССР
проводится разработка и внедрение аппаратуры контроля
наиболее ответственных узлов подвижного состава.
В основу книги положены результаты исследований ав-
торов, выполненных в процессе создания средств контроля
технического состояния поездов: аппаратуры обнаружения
перегретых букс ПОНАБ, аппаратуры обнаружения дефек-
тов колес КРАП, аппаратуры комплексного контроля тех-
нического состояния подвижного состава в пути следова-
ния с централизацией сбора и обработки данных контроля
диск-бкв-ц.
Книга написана с целью снабдить научных и инженер-
но-технических работников руководством по основам ана-
лиза и синтеза систем контроля технического состояния
буксовых узлов.
Ограниченный объем книги не представляет возмож-
ности все вопросы осветить одинаково подробно, поэтому
некоторые материалы приводятся конспективно. Предпо-
лагается, что читатель знаком с основными понятиями тео-
рии вероятности и математической статистики.
Замечания и предложения по содержанию книги прось-
ба направлять по адресу: 107174, Москва, Басманный
туп., 6а.
1
КОНТРОЛЬ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ БУКС
В ЭКСПЛУАТАЦИИ
1.1. Общие сведения
по аппаратурному контролю букс
Существовавшая до последнего времени и в значитель-
ной мере сохранившаяся до сих пор система технического
содержания железнодорожного подвижного состава созда-
валась длительное время. Эта система включает в себя
периодическое освидетельствование важнейших узлов ва-
гонов, их технический осмотр и ремонт на станциях и
контроль в пути следования. Для этой цели на дорогах
организованы пункты технического обслуживания вагонов
(ПТО), пункты контрольно-технического обслуживания
(ПКТО) и контрольные посты (КП).
На ПТО, которые размещаются на станциях массовой
погрузки-выгрузки, сортировочных станциях, выполняется
основной объем работ по текущему обслуживанию ваго-
нов. ПКТО и КП организуются на участковых и про-
межуточных станциях участков безостановочного следова-
ния поездов и предназначаются для контроля техническо-
го состояния вагонов в поездах и устранения возникаю-
щих при движении поезда неисправностей, угрожающих
безопасности движения.
На участках безостановочного следования поездов про-
тяженностью до 300 км ПКТО размещаются, как правило,
в середине участка, а контрольные посты — через каж-
дые 50—70 км вдоль этого участка. По прибытии поезда
на станцию осмотрщики вагонов встречают его «сходу»
и в случае обнаружения неисправности принимают меры
5
к остановке поезда в пределах станции. Для обеспечения
тщательного осмотра скорость поезда в пунктах осмотра
снижается до 30—40 км/ч.
В пути следования исправность вагонов контролируют
(в частности, буксовых узлов) локомотивная бригада, де-
журные по станции и другие линейные работники желез-
нодорожного транспорта. Однако существующая система
технического обслуживания подвижного состава, методы
контроля буксовых узлов при движении поезда по участ-
ку безостановочного следования не удовлетворяют совре-
менным требованиям эксплуатации из-за их низкой эф-
фективности. Действительно, при визуальном контроле
букс на ходу поезда по характерным внешним признакам
можно обнаружить только явные отказы букс, причем
главным образом букс с подшипниками скольжения. Об-
наружить неисправные буксы с роликовыми подшипни-
ками, особенно на ранней стадии их нагрева, значительно
трудней. Особенно усложняется задача визуального об-
наружения неисправных букс на ходу поезда в сложных
климатических условиях и ночное время.
Стремление преодолеть недостатки традиционных ме-
тодов визуального контроля букс на ходу поезда привело
к разработке аппаратурных методов контроля букс. Ра-
боты в этом направлении на железных дорогах были на-
чаты в 50-х годах этого столетия и развивались в направ-
лении создания средств индивидуального и группового
контроля букс.
К устройствам индивидуального контроля букс отно-
сятся устройства, расположенные в каждом буксовом уз-
ле и сигнализирующие о его неисправности. Поскольку
большая часть неисправностей буксового узла приводит к
его разогреву, в качестве датчиков в индивидуальных
средствах контроля использовались различные тепловые
индикаторы (термоплавкие вставки, дымовые шашки, тер-
мопары и т. п.). К достоинствам индивидуальных средств
контроля следует отнести их простоту, непрерывность кон-
6
троля. В силу малой эффективности индивидуаль-
ные средства контроля не нашли широкого распростра-
нения.
В настоящее время индивидуальными средствами конт-
роля букс как в пашей стране, так и за рубежом оборудо-
ваны пассажирские вагоны.
Более широко применяются методы группового контро-
ля букс, суть которых сводится к тому, что устройства
контроля размещаются в дискретных точках пути и после-
довательно контролируют буксы всех проходящих поездов.
В этом случае нет необходимости оборудовать вагонный
парк устройствами контроля, что является достоинством
этого метода. В то же время контроль букс в дискретных
точках пути снижает эффективность метода. Учитывая
инерционность процесса нагрева буксы при появлении
в ней неисправности, можно путем рационального разме-
щения пунктов контроля свести к минимуму потери от
дискретности контроля.
Из устройств группового контроля буксовых узлов наи-
большее распространение в мировой практике нашли
устройства, основанные на преобразовании энергии ин-
фракрасного (ПК) излучения букс [1—14].
Весь комплект аппаратуры автоматического контроля
букс (рис. 1.1) может быть условно разделен на три ос-
новные части:
1. Напольное оборудование, размещенное непосредст-
венно на пути и содержащее два установленных на фун-
даменты 9 считывающих устройства (напольные камеры)
1 с приемниками ПК-излучения 2 и оптическими систе-
мами 3. Сюда не входят датчики прохода колес 8.
2. Постовое оборудование, установленное в специаль-
ном помещении, шкафу или контейнере в непосредствен-
ной близости (4—15 м) от напольного оборудования. В со-
став этого оборудования входят: устройство первичной об-
работки данных 10, блок управления 11 и аппаратура
передачи данных (АПД) 12.
7
Постобое оборудование Станционное
оборудование
Рис. 1.1. Структурная схема аппаратуры автоматического контроля
букс
3. Станционное оборудование, содержащее приемный
комплект АПД 15 и регистратор 14. Параллельно регист-
ратору включают устройство аварийной сигнализации 13.
Узконаправленная оптическая система каждого считы-
вающего устройства, выполненная из материала, прозрач-
ного для ПК-излучения (германий, трехсернистый мышь-
як, йодистобромистый калий и др.), ориентирована на
элементы корпуса буксы 4 (или колесной пары 6), наибо-
лее достоверно отражающие температурный режим бук-
сы. Чаще всего в качестве такого элемента выбирается
задняя по ходу движения поезда стенка корпуса буксы,
защищенная от охлаждающего действия встречного пото-
ка воздуха, обдувающего буксу при движении поезда.
При проходе поезда по участку контроля считывающие
устройства на фоне боковины 5 сканируют каждую буксу.
ПК-излучение воспринимается приемником инфракрасного
излучения, который преобразует его в сигнал, пропорцио-
нальный температуре корпуса буксы. Электрические сиг-
8
налы с выходов приемников ПК-излучения усиливаются и
по соединительным кабелям поступают в устройство пер-
вичной обработки данных 10, функции которого могут из-
меняться в зависимости от принципа построения аппара-
туры. В зоне сканирования оптической системой корпуса
буксы на рельс 7 устанавливается датчик прохода колес
8, который вырабатывает электрический сигнал в момент
контроля буксы. Сигнал с датчика 8 поступает в блок уп-
равления И, функции которого также зависят от принци-
па построения аппаратуры контроля.
Аппаратура в целом может быть построена по принци-
пам систем телеизмерения (ТИ) и телесигнализации (ТС).
При построении аппаратуры по принципу ТИ вся телеме-
трическая информация, представляющая собой непрерыв-
ный ряд значений измеряемой величины, передается в
пункт ее регистрации (станционное оборудование). В этом
случае устройство 10 выполняет только функции норми-
рования сигналов от букс по длительности, а блок управ-
ления 11 вырабатывает сигналы счета осей и стробирую-
щий сигнал, по которому АПД 12 воспринимает сигналы
с выхода устройства 10. Операцией стробирования удает-
ся исключить из контроля посторонние нагретые части
подвижного состава.
С помощью АПД сигналы от букс и сигналы счета осей
передаются по линии связи к станционному оборудованию
и после приема их приемным комплектом АПД 15 выда-
ются на регистратор 14. В качестве регистратора сигна-
лов используется самописец с бумажной лентой, и сигна-
лы от букс в виде импульсных меток, амплитуды которых
пропорциональны температуре корпусов букс, записыва-
ются на ленте. Оценка аварийного состояния буксового
узла и подсчет числа осей до перегретой буксы выполня-
ются расшифровкой сигналов на ленте самописца специ-
альным оператором.
Станционное оборудование аппаратуры контроля, ра-
ботающей по принципам систем телеизмерения, может
9
дополняться устройствами аварийной сигнализации и ав-
томатическими указателями 13, которые распознают пере-
гретые буксы по определенным признакам сигналов (амп-
литуда сигнала, отношение или разность амплитуд сигна-
лов двух букс одной колесной пары и др.) и выдают
обслуживающему персоналу информацию о наличии и рас-
положении перегретых букс в поезде. По сигналам с этих
устройств может проводиться отметка перегретой буксы
на ленте самописца и автоматическое воздействие на си-
стему электрической централизации станции для перекры-
тия сигнала прибывающему поезду.
При работе аппаратуры контроля по принципам си-
стем ТС, когда на станцию передаются только дискрет-
ные сообщения об аварийном состоянии объекта контро-
ля (буксы), устройства 10 автоматически распознают сиг-
налы от перегретых букс по определенным признакам, а
устройства 11 вырабатывают кодовое значение текущего
номера проконтролированной оси или физической подвиж-
ной единицы. В момент обнаружения перегретой буксы
АПД передается, а устройствами 14 регистрируется инфор-
мация о наличии и расположении перегретых букс в по-
езде. В качестве регистратора используются печатающие
устройства, цифровые индикаторы и др.
В настоящее время на железных дорогах мира дейст-
вуют несколько тысяч комплектов аппаратуры обнаруже-
ния перегретых букс. По данным периодической печати
13, 14], только на железных дорогах США и Канады уста-
новлено свыше двух тысяч комплектов аппаратуры кон-
троля букс. Несколько сотен комплектов аппаратуры ус-
тановлено на дорогах стран Западной Европы (Франция,
ФРГ, Италия, Швеция) и Южной Америки (Аргентина,
Бразилия).
Около двух тысяч комплектов аппаратуры обнаруже-
ния перегретых букс отечественного производства дейст-
вуют на сети железных дорог нашей страны, в странах
СЭВ. Аппаратурой контроля букс оборудовано свыше 800
10
станций, что составляет примерно 50—60 тыс. км двух-
путных и однопутных линий с интервалом 40—60 км.
Аппаратура автоматического контроля букс заметно
улучшает эксплуатационную обстановку на железнодорож-
ном транспорте, способствует повышению безопасности
движения поездов. По мере оснащения сети дорог аппа-
ратурой ПОНАБ, а также в результате проведения других
организационно-технических мероприятий в вагонном хо-
зяйстве удалось сократить количество изломов шеек
осей.
Важным результатом применения аппаратуры ПОНАБ
следует считать сокращение числа отцепок вагонов и за-
держек поездов по перегреву букс на промежуточных
станциях, расположенных между соседними пунктами ав-
томатического контроля. Раньше отцепки вагонов на ли-
нейных станциях распределялись почти равномерно вдоль
участка безостановочного следования поездов. На уча-
стках, контролируемых аппаратурой ПОНАБ, до 95% от-
цепок осуществляется по показаниям аппаратуры на пунк-
тах автоматического контроля и менее 5% — на линей-
ных пунктах. По мере оснащения линий аппаратурой на-
метилась тенденция снижения числа отцепок вагонов на
один пункт контроля. Все это положительно сказывается
на эксплуатационной работе, так как приводит к умень-
шению числа сбоев в движении поездов, вызванных не-
исправностью буксовых узлов вагонов.
Однако, несмотря на то, что основные принципы ап-
паратурного контроля букс с помощью ПК-техники были
предложены и разработаны более двух десятилетий назад,
во всех странах, выпускающих аппаратуру автоматическо-
го контроля букс, проводятся исследования, разрабатыва-
ются программы, направленные на совершенствование этой
аппаратуры. Внимание исследователей и разработчиков к
устройствам контроля букс на ходу поезда с помощью
ПК-техники обусловлено тем, что в аппаратуре контроля
реализован метод косвенного контроля букс, не обеспечи-
11
вающий их безошибочного распознавания. В то же время
ошибки при распознавании приводят к необоснованным
остановкам поездов или к пропуску перегретых букс, а
это при больших размерах движения вызывает значитель-
ные материальные потери.
Совершенствование аппаратуры обнаружения перегре-
тых букс продолжается по следующим направлениям: по-
иск наиболее информативных элементов буксы или колес-
ной пары, информативных и инвариантных к аддитивным
и мультипликативным шумам признаков распознавания;
поиск более точных методов обработки, передачи и реги-
страции информации о греющихся буксах, систем калиб-
ровки и автоконтроля аппаратуры; поиск оптимальной
схемы размещения аппаратуры, путей стабилизации режи-
мов работы аппаратуры и в первую очередь напольного
оборудования; расширение функциональных возможностей
аппаратуры с объединением автономно работающих пунк-
тов контроля букс в систему централизованного контроля
с применением машинной обработки телеметрической
информации и автоматической выдачей команд управ-
ления.
Последнее направление является качественно новым в
развитии техники контроля состояния подвижного соста-
ва. Организация такой системы в пределах участка безо-
становочного следования поезда (рис. 1.2) позволяет сок-
ратить капитальные затраты на оснащение линий аппа-
ратурой контроля, обслуживающий персонал, одновремен-
но контролировать наиболее ответственные узлы ходовых
частей вагонов. Система централизованного контроля по-
ездов содержит расположенные на линейных пунктах кон-
троля (ЛПК) постовое 1 и станционное 2 оборудование,
которое каналами связи соединено с оборудованием цен-
трального диспетчерского пункта 3 [13, 38]. В системе
централизованного контроля поездов можно обеспечить
обработку телеметрической информации по сложным ал-
горитмам вплоть до наблюдения за процессом развития
12
Каналы дальней связи
Рис. 1.2. Система контроля технического состояния поездов с цент-
рализацией сбора и обработки информации
неисправностей в пути следования и за счет этого повы-
сить качество контроля, более рационально использовать
информацию о техническом состоянии подвижного соста-
ва в пути следования при управлении движением поездов
на участке с помощью подсистем АСУЖТ.
1.2. Особенности конструкции и причины
перегрева букс
Букса — один из ответственных узлов ходовых частей
подвижного состава — служит для передачи радиальных
и осевых нагрузок к шейке оси, вращающейся в буксовых
подшипниках колесной пары. Букса состоит из корпуса,
являющегося резервуаром для смазки, одного или двух
подшипников, уплотнений и деталей крепления. В зави-
симости от типа подшипника буксы подразделяются на
2 группы: с подшипниками трения качения (роликовыми)
и подшипниками трения скольжения.
13
Буксами с роликовыми подшипниками (рис. 1.3) обору-
дованы все пассажирские вагоны, современные локомоти-
вы и более половины грузовых вагонов. Они являются бо-
лее надежными и экономичными.
Для нормальной работы буксового узла важное зна-
чение имеет смазка, которая уменьшает трение скольже-
ния между роликами и сепаратором, бортами колец и
торцами роликов, роликами и дорожками качения колец.
Нагрев буксовых подшипников возникает вследствие
трения качения роликов по кольцам, трения смазки о де-
тали подшипников и трения скольжения торцов роликов
о борта колец. Выделяющееся в процессе работы подшип-
Рис. 1.3. Букса с двумя роликовыми цилиндрическими подшипни-
ками на горячей посадке:
1 — корпус; 2 — задний подшипник; 3 — шейка осн колесной пары; 4 — отъ-
емная лабиринтная часть корпуса; 5 — лабиринтное кольцо; 6 — ролики; 7 —
сепаратор; 8 — крепительная крышка; 9 — смотровая крышка; 10 — болты;
// — стопорная плаика; 12 — торцовая гайка; 13 — приставное кольцо; 14 — пе-
редний подшипник
14
ников тепло расходуется на повышение температуры самих
подшипников, смазки, шейки, корпуса буксы, сопряжен-
ных с осью элементов колес, при этом часть тепла рас-
сеивается через поверхности буксового узла и колесной
пары в окружающую среду.
Наиболее высокую температуру имеют ролики и сепа-
раторы, затем (в порядке убывания) внутренние и на-
ружные кольца, корпус буксы и ступица колеса. Раз-
ность температуры роликов и наружного кольца в эксп-
луатации составляет 25—40 °C, но может достигать
70 °C.
Различный эксплуатационный нагрев элементов под-
шипников вызывает температурные деформации, которые,
уменьшая рабочие зазоры, могут привести к защемлению
(заклиниванию) роликов между кольцами и разрушению
буксового узла. Поэтому температура буксового узла яв-
ляется важнейшим критерием, характеризующим техниче-
ское состояние подшипников. Причиной повышенного наг-
рева букс может быть излишнее количество в них смазки,
что чаще всего происходит после ревизии букс. Излиш-
няя смазка выдавливается через лабиринтные уплотне-
ния и после пробега вагоном расстояния 500—600 км ин-
тенсивность нагрева букс снижается. Наиболее интенсив-
ный нагрев букс наблюдается при недостаточном ради-
альном и особенно осевом зазорах в подшипнике.
Букса может нагреваться в результате внезапных от-
казов подшипников качения, которые, хотя и не носят мас-
совый характер, представляют угрозу безопасности дви-
жения поездов. Причинами таких отказов являются де-
фекты металла, нарушения технологии механической и
термической обработки подшипников, из-за которых в
кольцах создаются повышенные остаточные напряжения,
неправильный подбор колец по шейке оси и роликов по
размерам групп, недостаточное усилие затяжки торцовой
гайки, усталостные повреждения — раковины и электро-
ожоги па дорожках качения колец и др.
15
На работу буксовых узлов большое влияние оказыва-
ет температура наружного воздуха. В зимние месяцы чис-
ло отцепок вагонов по неисправности подшипников по
сравнению с летними возрастает в 2—3 раза, что связано
с увеличением динамических нагрузок на буксовые узлы
из-за повышения жесткости пути.
Применение аппаратуры ПОНАБ позволяет обнаружи-
вать неисправности буксовых узлов с роликовыми под-
шипниками в начальной стадии развития, своевременно
устранять причины нагрева и предотвращать необратимые
отказы с разрушениями подшипников.
При потере натяга посадки внутренних колец, ослаб-
лении торцового крепления, обводнении смазки и связан-
ном с ним износе сепаратора в течение длительного вре-
мени удерживается повышенная температура букс.
Буксовый узел с подшипником трения скольжения (рис.
1.4) состоит из литого корпуса 1, подшипника 3, вклады-
ша 2, смазкоподающего устройства 5, откидной крышки
6 и уплотняющей (пылевой) шайбы 4. Днище корпуса
является резервуаром для смазки. В передней части кор-
Рис. 1.4. Букса с подшипником трения сколь-
жения
16
пуса через прямоугольное отверстие в буксу вставляется
(и вынимается из нее) подшипник с вкладышем, смаз-
коподающее устройство и заправляется смазкой.
Для обеспечения герметичности буксы откидная крыш-
ка снабжена пружиной и резиновым уплотнением, нано-
симым на полотно крышки методом вулканизации. Боль-
шое значение для исправной работы букс имеют уплотняю-
щие шайбы, которые вставляются в паз корпуса, плотно
облегая предподступичную часть оси колесной пары.
Наиболее ответственной деталью буксы является под-
шипник, который непосредственно передает к вращающей-
ся шейке оси нагрузки, действующие на буксу.
Стандартный трехслойный подшипник состоит из сталь-
ного корпуса, армировки из марганцовистой латуни или
бронзы и антифрикционного слоя толщиной 4—5 мм из
кальциевого баббита.
Недостатком трехслойных подшипников является их
низкая жесткость и возможность проникновения (при вы-
плавлении баббита) содержащейся в армировке меди в
металл шейки оси, что повышает ее хладоломкость.
В двухслойном подшипнике для устранения отмечен-
ных недостатков изъята латунная армировка и за счет нее
увеличена толщина корпуса подшипника, что повысило
его жесткость. Такой подшипник состоит из стального ли-
того или штампованного корпуса с пазами и баббитового
слоя.
В период приработки (1—4 мес) число отказов двух-
слойных подшипников в 2,5 раза меньше, чем у типовых,
в период нормальной эксплуатации (3—6 мес) — в 1,8 ра-
за. Температура нагрева двухслойных подшипников в эк-
сплуатации на 15 % ниже, чем типовых. Буксовой вкла-
дыш служит для передачи на подшипник нагрузки от кор-
пуса буксы. Его применение уменьшает износ потолка кор-
пуса буксы и облегчает смену подшипника.
В буксах с подшипниками трения скольжения для по-
дачи смазки к вращающимся шейкам осей предусматри-
17
ваются польстеры или подбивочные валики. Польстер со-
стоит из металлического каркаса и щетки с фитилями.
Толщина масляного слоя по данным [15] равна 1,5—
2,0 мкм, что соизмеримо с высотой микронеровностей под-
шипника и шейки оси. Поэтому режим трения осей в под-
шипниках скольжения не является чисто жидкостным. Так
как свойства масел зависят от температуры, то для за-
правки букс на подшипниках скольжения и пропитки
подбивочных материалов применяют минеральные (неф-
тяные) масла трех марок с легирующими присадками:
летнее Л, зимнее 3 и северное С.
Применение сезонных осевых масел и своевременная
перезаправка ими букс позволяют стабилизировать режим
трения осей в подшипниках и основное сопротивление дви-
жению в любое время года.
Буксовый узел с подшипником скольжения является
наименее надежным узлом грузового вагона. Из-за пере-
грева букс каждый третий вагон рабочего парка ежегод-
но поступает в текущий отцепочный ремонт.
Основными причинами отцепок вагонов из-за аварийно-
го нагрева букс скольжения являются износовые и уста-
лостные повреждения подшипников (55—60 % общего чис-
ла отцепок), износ, засмоление и разрывы польстерных
щеток (25 %), обводнение, загрязнение или снижение
уровня осевого масла. В большинстве таких случаев (60—
75 % общего числа) проводится доливка в буксу осевого
масла, перезаправка, смена польстера или подбивочных
валиков — 35—20 % и лишь в 3—5 % случаев смена под-
шипника или отцепка вагона в ремонт.
Повреждения подшипников в эксплуатации во многом
связаны с нарушением технологии их изготовления (за-
ливки баббитом), неправильным подбором (подгонкой) по
диаметру шеек осей и осевому разбегу, нарушениями со-
пряжений подшипника с осью и вкладышем из-за пере-
косов, несоосности букс и оси колесной пары, предельных
износов направляющих корпусов букс и буксовых прое-
18
мов боковины тележек, с наличием дефектов на поверх-
ностях катания колес в виде ползунов, наваров, выщербин
и неравномерного проката.
Часто встречающимися повреждениями подшипников
являются трещины и отколы баббитового слоя, особенно у
заднего торца (по галтели), пластическая деформация
(выдавливание) баббита, износ до армировки и выплав-
ление баббита. Преждевременный выход из строя подшип-
ников скольжения часто бывает связан с недостаточной
герметичностью буксы.
1.3. Температурный режим буксовых узлов
с подшипниками качения и скольжения
Техническое состояние и работоспособность буксовых
узлов определяются главным образом температурой на-
грева подшипников. От нее зависят значения внутренних
зазоров, несущая способность баббита, вязкость и срок
службы смазки. Но при движении поезда подшипники не-
доступны для измерения температуры. В эксплуатации ос-
новным источником информации о температуре нагрева
подшипников является температура нагрева наружных по-
верхностей корпусов букс и сопряженных с осью ступиц
колес. Поэтому изучение процессов теплообразования и
теплопередачи, происходящих в работающем буксовом уз-
ле, имеет большое значение при решении практических
задач автоматизации обнаружения перегретых букс сред-
ствами инфракрасной техники.
Теоретическому и экспериментальному исследованию
температурных режимов буксовых узлов посвящено много
работ различных авторов [15—19]. Ниже изложены тео-
ретические основы расчета температурного режима буксо-
вых узлов при различных условиях теплопередачи. При
этом использованы как названные литературные источни-
ки, так и результаты исследований авторов [20—22].
19
Тепловой баланс буксы. Тепло, выделяющееся в рабо-
тающих подшипниках, dQBMe (Дж) расходуется на нагре-
вание буксового узла и сопряженных с ним элементов
колесной пары dQHarp, а часть его отводится через наруж-
ные поверхности буксы, оси и колеса в окружающую сре-
ду dQoTB-
Уравнение теплового баланса для такого нестационар-
ного режима теплопередачи [16]
dQBia = dQnarp -[- dQОТВ. (1-1)
Количество тепла выделяющегося в подшипни-
ках в результате действия сил трения,
dQBbn = Рб f пр dt, (1.2)
где Р6 — нагрузка на буксу, Н;
/ — приведенный коэффициент трения;
Ьп — диаметр подшипника (для подшипников скольжения это диаметр
шейки оси, а для подшипников качения — диаметр центров ро-
ликов), м;
DK — диаметр колеса, м;
vn—скорость движения поезда, м/с;
dt — время работы подшипников, с.
Количество тепла (Дж), расходуемого на нагревание
смазки, деталей буксового узла и элементов колесной
пары,
п
dQnarp = У, Cl Pi dT i,
1=1
(1-3)
где сг —удельная теплоемкость смазки (Дж/(кг-К)] деталей буксового
узла, элементов оси и колеса массой pt, кг;
dT£-—изменение температуры смазки, деталей буксового узла и эле-
ментов колесной пары, К; (7\ = 273 + ti °C).
20
Количество тепла (Дж), отведенное через наружные
поверхности буксы, оси и колеса в окружающую среду,
dQmv = 2 rj-t Fi(Ti — TKB)dt, (1.4)
z=i
где at t — коэффициенты теплоотдачи, Вт/(м2-К) с площади наружных
поверхностей элементов, м2;
Тt — температура наружных поверхностей, К;
Тнв — температура наружного воздуха, К.
Подставив (1.2), (1.3) и (1.4) в уравнение теплового
баланса (1.1), после преобразований получим
п
dT Р vD f Т'нв)
d~. n n • (*-°l
2 Cl Pl 2 Cl Pl
Z=1 /=1
Из выражения (1.5) видно, что увеличение темпера-
туры элементов буксового узла, оси и колеса за единицу
времени dr прямо пропорционально нагрузке на буксу,
скорости движения поезда, коэффициенту трения в под-
шипниках и обратно пропорционально полной теплоемко-
п
сти нагревающих тел С — 2 ci pi, при этом, чем больше
z=i
охлаждающая способность среды (Tj—ТНв), теплоотдача
и площадь наружных поверхностей корпусов букс, элемен-
тов оси и колеса, тем ниже их температура нагрева.
В начальный период движения поезда, когда разность
температур мала 0; = (Л—Тяв)мО, все выделяющееся в
подшипниках тепло расходуется на повышение темпера-
туры подшипников, деталей буксового узла и элементов
колесной пары. При увеличении перепада температуры 0$
скорость их нагрева замедляется. В этом случае преобла-
дает теплоотдача с наружных поверхностей.
Коэффициент пропорциональности в (1.5) при разности
температур 0;= Л—Тяв имеет размерность 1/с и в тепло-
21
технике называется относительной скоростью или темпом
нагревания (охлаждения), а обратная ему величина —
постоянной времени нагревания (охлаждения), тп, с:
2“^. ^ciPi
2^ ’ % ‘
(1-6)
В первый период скорость нагревания (охлаждения)
буксы и элементов колесной пары зависит от начального
распределения температур. Начиная с некоторого момен-
та, процесс определяется только охлаждающей способно-
стью среды, физическими свойствами стали, геометриче-
скими размерами и формой тел. При таком регулярном
режиме нагревания (охлаждения) изменения температур-
ного поля буксы, оси и ступицы колеса во времени опи-
сываются простой экспонентой, при этом m=const.
Если экспериментально определить изменение избы-
точной температуры 0{= —Тпв во времени т, то темп
нагревания (охлаждения) [23]
1П 01 — 1П 02
m =------------------
— Т1
(1.7)
Таким образом, в регулярном режиме относительная
скорость изменения температуры поверхностей букс, оси
и ступицы колеса прямо пропорциональна среднему зна-
чению коэффициента теплоотдачи аг-> площади поверхности
Fi и обратно пропорциональна полной теплоемкости дета-
ли или узла: C='Lcipi.
Частные решения дифференциального уравнения (1.5)
при регулярном режиме нагревания и охлаждения имеют
вид экспоненты:
при нагревании
&н = 0у(1-е—);
22
при охлаждении
&0 = 0уе-тт,
где 0 —установившееся значение избыточной температуры поверхно-
у сти, К.
Установившееся значение избыточной температуры на-
ружных поверхностей букс, оси и ступицы колеса опреде-
лим по формуле (1.5), приняв dTid-v=^\ on = const; /п.р =
= const и Тяв=const:
0у
^п^бУпР
(1-8)
В этой формуле неизвестными являются приведенный
коэффициент трения fnp и коэффициент теплоотдачи щ на-
ружных поверхностей. При помощи коэффициента fnp у
букс скольжения учитывается трение шейки оси в под-
шипнике, трение польстерной щетки и уплотнительной
шайбы с рабочей поверхностью шейки и предподступич-
ной части оси.
У роликовых букс этим коэффициентом учитывается
суммарное трение качения п скольжения рабочих поверх-
ностей подшипников, сопротивление смазки и трение роли-
ков с сепаратором.
Коэффициент трения подшипника для разных марок
осевых масел при жидкостном трении равен 0,001—0,01,
при полужидкостном 0,01—0,05, при полусухом 0,05—0,15,
а при сухом 0,15—0,2. Коэффициент трения у свежей, хо-
рошо пропитанной осевым маслом польстерной щетки
составляет 0,004, у длительно работающей 0,006, у за-
саленной 0,008, у перегретой буксы от 0,015 до 0,1
[4-26].
Для упрощения расчетов установившихся значений тем-
ператур поверхностей букс и ступиц колес целесообразно
23
от коэффициента трения [пР перейти к основному сопро-
тивлению движению <0 [18]:
/пр = ^;а), (1.9)
где — статическая нагрузка на ось, Н;
ш — основное сопротивление движению, Н/кН.
Основное сопротивление движению для букс с подшип-
никами качения
0,0981vn \ /То \2
£() / \ нв /
(1-10)
<0р = I 0,1
а для букс с подшипниками скольжения
/ 0,39v„\ /Тп у
о)с= 0,37 4--------5) М- |
\ ^0 / V нв /
где vn — скорость движения поезда, км/ч.
На рис. 1.5 приведена зависимость сопротивления вра-
щения осей со в подшипниках качения (кривая /) и сколь-
жения (кривые 2 и 3) от температуры наружного возду-
ха при скорости движения поезда 60 км/ч и нагрузке на
ось 150 (кривые 1 и 2) н
Рис. 1.5. Зависимость сопротив-
ления вращения осей в подшип-
никах качения и скольжения от
температуры наружного воздуха
60 кН (кривая 5). Расчеты
по формуле (1.8) дают
средние по поверхности бук-
сы и ступицы колеса значе-
ния избыточных температур.
Для определения избыточ-
ных температур в расчет-
ных точках поверхности
корпуса буксы (верх или
свод буксы) и ступицы ко-
леса (зона перехода от сту-
пицы к диску), наиболее
доступных для измерений,
необходимо в формулу (1.8)
24
ввести коэффициент ср,, учитывающий долю тепла, отводи-
мого через соответствующую поверхность.
В установившемся режиме теплопередачи Фвыд = Фотв;
фб — <2б/<2выд; фст = Qct/Свыд, поэтому вместо суммы ХаЛ
необходимо в формулу (1.8) подставлять a^Fe при опре-
делении ©б и Остист при определении @ст. По аналогии
в выражения (1.6) и (1.7) необходимо для определения
темпа mi и постоянной времени Xni нагревания (охлажде-
ния) буксы подставлять приведенную массу буксы (с уче-
том массы шейки оси) или приведенную массу ступицы
колеса (с частью оси, диска и обода).
В соответствии с законом Ньютона—Рихмана тепловой
поток буксы Оъ = аъРб©б, а поток, отводимый через ось и
ступицу колеса, (2ст = астЁст0ст.
По данным измерений при установившемся нагреве под-
шипника ^п=140 °C избыточные температуры в расчетных
точках поверхностей имели значения ©б = 30 К и @Ст=
= 18,5 К. Площадь поверхности роликовой буксы пасса-
жирского вагона равна 0,6 м2, роликовой буксы грузово-
го вагона — 0,35 м2, а буксы скольжения — 0,59 м2. Сум-
марная площадь поверхности примыкающей к ступице
части оси, ступицы, диска и обода колеса равна 2,5 м2. Ес-
ли допустить, что при оп = 60 км/ч аб=ао = аст = ад=аоб =
= 70Вт/(м2-К), то получим:
Q6 = 70-0,6-30= 1260 Вт; QCT = 7-2,5-18,5 = 3237 Вт;
<2выд = 1260 + 3237 = 4497 Вт.
Следовательно, для расчета температуры буксы и сту-
пицы колеса по формуле (1.8) предварительно найдем:
®б= 1260:4497« 0,28; фст = 3237:4497« 0,72,
т. е. через буксу отводится 28 %, а через ось и коле-
со 72 % Фвыд- Значения избыточных температур Об и @Ст
обусловлены не только различием площадей поверхностей
теплообмена F6 и FCT, но и коэффициентов теплоотдачи
CCg И (Хет*
25
Так как FCT/F6=4,2, a QCT/Qe=2,57, то аСт/аб=0,61,
или аст=0,61аб. Чтобы учесть разветвление теплового по-
тока по двум каналам, обозначим через А отношение
Ост^ст/авГб, а в знаменателе формулы (1.8) заменим сум-
му произведений Sa/Fz через (1+А)абКб при расчете 0з
и через (1 + -у-) астТ'ст при расчете @ст.
Коэффициент теплоотдачи наружной поверхности
ан [Вт/(м2-К)] равен сумме коэффициентов теплоотдачи
конвекцией а* и лучеиспусканием а„ >
ан = а£ + ан- (1Л1)
Коэффициент а“Вт/(м2-К) [25],
а« = Аисв, (1.12)
где Св — средняя удельная теплоемкость воздуха, Дж/(кг-К);
А — безразмерная характеристика теплоотдачи, которую можно
определить по эмпирической формуле
А = 23,9 и-0-22; (1.13)
и — весовая скорость воздушного потока, кг/(м2-с):
v т v
& "г" 7^вп — у • (**14)
1 НВ
Здесь 7’о = 273 К; 7^3 = 273+^3;
Уо —’удельный вес воздуха, Н/м3, при Тй = 273 К;
Увп = ^п—cosp — скорость движения воздушного потока, м/с;
— скорость ветра, м/с;
Р— угол между направлениями ветра и движения поезда.
Подставим выражения (1.13) и (1.14) в (1.12) и после
преобразований получим
26
Для диапазона уп=5—
—55 м/с (20—200 км/ч) и
Т = 223—323 К величи-
на и меняется от 6,2 до
89,6 г/(м2-с), а коэффици-
ент А = 9—15.
Из рис. 1.6 и 1.7 видно,
что чем ниже температура
наружного воздуха и выше
скорость воздушного пото-
ка, омывающего буксу и
ступицу колеса, тем больше
коэффициент теплоотдачи
конвекцией.
Коэффициент теплоотда-
чи излучением [23]
0Z lAioo' ' юо / 1
Рис. 1.6. Зависимость коэффици-
ента теплоотдачи конвекцией ак
от скорости движения поезда при
температуре наружного воздуха:
/_ —50 °с; 2— —25 °с; з — 0°с;
4---1- 25 °C; 5--Ь 50 °C
где г—0,8—степень черноты корпуса
буксы и ступицы колеса;
С s=5,67 Вт/(м2-К4) — коэффициент излучения абсолютно черного тела;
0,—избыточная температура излучающей поверхности буксы, К.
Графики зависимости а* =/(0б) показаны на рис. 1.8.
Расчеты по формулам (1.13) — (1-15) показывают, что
коэффициент теплоотдачи конвекцией линейно зависит от
скорости воздушного потока (от скорости движения по-
езда при отсутствии ветра). В диапазоне ип = 0—140 км/ч
с достаточной для практики точностью значения а„ мож-
но рассчитывать по эмпирической формуле
= 17,5 + 0,9т»п V (1.16)
V НВ /
где v — скорость движения поезда, км/ч.
27
Рис, 1.7. Зависимость коэффици-
ента теплоотдачи буксы конвек-
цией от температуры наружного
воздуха прн скорости движения
поезда:
1 — 30 км/ч; 2 — 60 км/ч; 3— 90 км/ч
Рис. 1.8. Зависимость коэффици-
ента теплоотдачи излучением
от избыточной температуры кор-
пуса буксы 0б при температуре
наружного воздуха:
1---1-50 °C; 2 —4-25 °C; 3 — 0 °C
4----25 °C; S--50 °C
Влияние ветра может быть учтено соответствующим
увеличением (при встречном ветре) или уменьшением (при
попутном) значения ип в формуле (1.16).
Коэффициент а^приип = 20—140 км/ч и 7’нв = 223—323 К
(—50— +50°С) изменяется в пределах 30—150 Вт/(м2-К),
а коэффициент ал при 0j = 2O—100 К (°C) — от 2,3 до
9,8 Вт/(м2-К), т. е. теплоотдача поверхностей букс и сту-
пиц колес лучеиспусканием в среднем в 20 раз меньше,
чем конвекцией, и в большинстве случаев при ип>60 км/ч
коэффициентом авлможно пренебречь.
С учетом выражений (1.9) (1.16) и на основании (1.8):
0,53^п«
"б =---------------------f—Г- ’
F6(l + A)( 17,5-|-0,9v —) (1.17)
\ * нв / '
0,53govn<o
^СТ - ' — гр Г”
/ 1 \ / 1 п \
\ а / \ 1 нв /
28
По этим формулам можно определять температуру по-
верхностей букс и ступиц колес в расчетных точках, для
которых получены значения коэффициента А, т. е. для
верхней части корпуса буксы и наружной части ступицы
в зоне перехода ее в диск колеса.
Передача тепла через элементы буксы скольжения.
Тепло, выделяющееся в зоне трения подшипника скольже-
ния и шейки оси, передается к наружным поверхностям
корпуса буксы теплопроводностью через многослойную
стенку, состоящую из слоя баббита, бронзовой армиров-
ки, корпуса подшипника, вкладыша и корпуса буксы (рис.
1.9). Индексами при б обозначены: 1 — баббит; 2 — ар-
Рис. 1.9. Передача тепла от подшипника и шейки оси к наружным по-
верхностям корпуса буксы и оси колесной пары:
а — вверх через подшипник и вкладыш к своду буксы; б — вниз через
щетку польстера и слой масла к диищу корпуса буксы; в — к боковой стен-
ке корпуса буксы через подшипник и воздушный промежуток; а — к крышке
корпуса буксы; д — через тело оси
29
мировка; 3 — корпус подшипника; 4 — вкладыш; 5 —
корпус буксы; 6 — польстер; 7 — воздушный промежуток
между польстерной щеткой и слоем масла; 8 — осевое
масло; 9 — воздушный промежуток между подшипником
и стенкой корпуса буксы; 10 — воздушный промежуток
между торцом оси и крышкой буксы; 11 — крышка буксы;
tn и tm — соответственно температура подшипника и шей-
ка оси; ti, tn — температуры наружных поверхностей
буксы в различных сечениях; ton — температура окружаю-
щего воздуха; g\—g5 — удельные тепловые потоки в раз-
личных направлениях теплопередачи; %i, Хг, ..., Хе — коэф-
фициенты теплопроводности материалов.
Для стационарного режима теплопередачи можно за-
писать следующую систему уравнений:
g =21(гпс —л);
(Л - Л); । (1.18)
gc-^(TK-T6c),
°к
где gc — удельный тепловой поток, проходящий от подшипника
к корпусу буксы, Вт/м2;
X-, Х9, ... , X — коэффициенты теплопроводности материалов каждого
слоя, Вт/(м-К);
8р Ь9, ... , ок — толщина слоев, м;
Тпс — температура подшипника скольжения, К;
Гр Т2, ... , Тк — температуры на границах соответствующих слоев, К;
Т6с — температура наружной поверхности корпуса буксы
в расчетном сечении, К.
Тепловой поток gc от наружной поверхности корпуса
буксы передается окружающему воздуху конвекцией:
(1.19)
30
На основании (1.18) и (1.19) можно определить тем-
пературные напоры:
Гпс —T6c = /?xgc; r6c-7\B = /?agc, (1.20)
к 5
где Ry — -Л. — полное термическое сопротивление теплопроводности,
й м2-К/Вт (табл. 1.1);
Ra = —— — термическое сопротивление теплоотдаче с наружной
“б поверхности, м2-К/Вт.
Складывая почленно левые и правые части уравнений
(1.20), получим полный температурный напор:
Тпс — НВ = gc ( + Ra ),
откуда
Подставив (1.21) в (1.19), получим выражение, связы-
вающее избыточные температуры наружной поверхности
буксы и подшипника скольжения (К):
О ZZ
€>бс = ——©пс=—вис, (1-22)
*х + Ra “6
где 06с = тбс - тав ;
д — Т ______Г
ПС ПС ИВ '
ЯГ = —-----------— коэффициенты теплопередачи буксы в направле-
у 1 нии от подшипника к своду корпуса, Вт/(м2-К).
й “б
Подставив в (1.22) значение Об из (1.17), получим вы-
ражение для расчета избыточной температуры подшипни-
ка скольжения:
о O,53£o vn о>с
VnC ——
(1-ЬД)^б^
(1.23)
31
Результаты расчетов по формуле (1.23) при различных
нагрузках на ось go, скоростях движения поездов vn и
температурах наружного воздуха /нв приведены на рис.
1.10 и 1.11 (расчетное значение R>, =0,0387 м2-К/Вт).
Повышение скоростей движения поездов и осевых нагру-
зок приводит к резкому увеличению температуры нагрева
подшипников по зависимости, близкой к параболиче-
ской.
Таблица 1.1
Теплотехнические параметры элементов букс скольжения
Наименование слоя Материал Толщина слоя 8, м Коэффи- циент теплопро- водности X, Вт/(м-К) Полное термичес- кое сопро- тивление теплопро- водности м’-К/Вт
Антифрикционный сплав Баббит БК А 0,005 20,9 0,000239
Бронзовая армировка Бр. ОЦС-5-5-5 0,008 93,6 0,000085
Корпус подшипника Сталь 0,022 55,8 0,000394
Вкладыш » 0,025 55,8 0,000448
Верх корпуса буксы (свод) Воздушные промежутки (зазоры) в подшипнике, между подшипником, вкла- дышем и корпусом 2> 0,012 55,8 0,000215
Воздух 0,001 0,0267 0,0374
Польстер Шерсть 0,015 0,0535 0,2804
Воздушный промежуток между польстером и мас- лом Воздух 0,025 0,0267 0,936
Осевое масло Масло 0,05 0,145 0,345
Низ корпуса буксы Сталь 0,012 55,8 0,000215
Воздушный промежуток между шейкой оси и бо- ковой стенкой корпуса Воздух 0,030 0,0267 1,123
Крышка буксы Сталь 0,004 55,8 0,00007
32
Рис. 1.10. Расчетные зависимо-
сти температуры рабочего нагре-
ва исправных подшипников
скольжения (кривые 1—3) п ка-
чения (кривая 4) от скорости
движения поезда при ?нв = 0 °C и
различных нагрузках на ось:
/ — 58,8 кН; 2, 4 — 147 кН; 3 —
215,6 кН
Рис. 1.11. Расчетные зависимости
температуры нагрева исправных
подшипников качения (кривая
1) и скольжения (кривые 2, 3, 4)
от температуры наружного
воздуха при скорости движения
поезда:
1,3 — 60 км/ч; 2—30 км/ч; 4—90 км/ч
Если принять в качестве максимально допустимой тем-
пературы нагрева подшипника скольжения критическую
температуру разрушения граничного слоя смазки 120—
140 °C, то из графиков видно, что повышение максималь-
но допускаемых скоростей движения поездов из груженых
вагонов уп>90 км/ч при нагрузке на ось 220 кН может
привести в летнее время года к перегреву подшипников
и отказам буксовых узлов.
Коэффициент передачи избыточной температуры под-
шипника к наружным поверхностям корпуса буксы сколь-
жения
“б
(1.24)
2—4947
33
Рис. 1.12. Зависимость коэффици-
ента передачи температуры от
подшипника скольжения к кор-
пусу буксы от скорости движе-
ния поезда при температуре на-
ружного воздуха —40 °C (кри-
вая 1) и +40 °C (кривая 2)
Рис. 1.13. Зависимость коэффици-
ента передачи температуры под-
шипника к стенке буксы от тем-
пературы наружного воздуха при
скорости движения поезда:
> — 20 км/ч; 2 — 40 км/ч; 3 —
60 км/ч; 4 — 80 км/ч; 5 — 100 км/ч;
5 — 120 км/ч
существенно зависит от скорости движения поезда, но
мало от температуры наружного воздуха (рис. 1.12
и 1.13).
Из рисунков видно, что повышение ходовой скорости
движения поезда ухудшает условия обнаружения перегре-
тых букс по температуре (излучению) наружных поверх-
ностей.
В реальном диапазоне скоростей движения поездов
ип = 40—60 км/ч коэффициент передачи избыточной тем-
пературы пс изменяется от 0,325 до 0,225 при среднем
значении 0,275. На рис. 1.14 приведено семейство кривых
0бс(7нв), рассчитанных для различных значений tnc по фор-
муле (1.22).
34
Эти кривые при пс=0,25 хорошо описываются эмпири-
ческой формулой
Д/бс = 0,25/пс -|-
0,75 \ - 1ЪНВ
\ 1 о /
где Т0 = 273 К;
Гнв = (273 + /нв) К;
^пс> /нв — соответственно температура подшипника скольжения и наруж-
ного воздуха, °C.
При других скоростях движения поездов и значениях
п кривые 1—5 на рис. 1.14 будут смещены по оси орди-
нат вниз (/гс<0,25) или вверх (пс>0,25). В общем виде
формула для расчета температуры корпуса перегретой
буксы при различных значениях tnc И /нв
/6с = «с /пс + (1 -Пс) (Г°*М /,
\ 1 о /
(1.25)
Для правильной настройки аппаратуры обнаружения
перегретых букс необходимо для каждого пункта контро-
ля на основании статистических данных определить коэф-
фициент пс, учитывающий среднюю (ходовую) скорость
движения поезда на участке Нс = ©бс/0пс, и в зависимости
от заданного критерия обнаружения /пс рассчитать значе-
ния /бс.
Рис. 1.14. Зависимость избыточ-
ной температуры корпуса буксы
скольжения от температуры на-
ружного воздуха при Уп = 50
км/ч:
/ — нормально нагретая букса при
исправном подшипнике; 2—5 — пе-
регретые буксы при температуре под-
шипников соответственно 100, 120, 140
и 160 еС
2*
35
Передача тепла через элементы роликовой буксы. Что-
бы вывести формулы для определения температуры ко-
лец подшипников роликовой буксы, представим ее в виде
цилиндрической многослойной стенки [23].
В стационарном режиме теплопередачи удельный теп-
ловой поток (Вт/м2), проходящий через единицу посадоч-
ной поверхности наружного кольца,
gP = 2Х(Гпк /пп), (1-26)
Г, 1 пп
£) In------
пп D
ПК
где Гпк, 7ПП — соответственно температура поверхности качения и по-
садочной поверхности наружного кольца. К;
£>Пк’ Dnn ~ ДиаметРы наружных колец по поверхности качения и по-
садочной поверхности, м.
Этот же тепловой поток проходит через цилиндриче-
ский корпус буксы и рассеивается в окружающую среду.
Следовательно, можно записать еще 2 уравнения:
^ = 2Х(Гпп-Гбр).; (1.27)
ОЛ 1п£«_
gp — ®б (Гбр Тнв),
(1.28)
где Т'бр — температура наружной поверхности корпуса роликовой буксы, К;
£>б — наружный диаметр буксы, м.
На основании (1.26) — (1.28) определим полный тем-
пературный напор 0пр = 7’пк—Гив?
0ПР
1п£б_ + 21
£>пк 2Х опп хв
1 ) gp- (1-29)
«о /
где 8В и Хв — соответственно толщина и коэффициент теплопроводности
воздушных зазоров в подшипнике.
36
В этой формуле выражение в скобках представляет со-
бой полное термическое сопротивление /?Р роликовой бук-
сы в направлении от поверхности качения наружного
кольца к наружной поверхности корпуса, причем
где Л“р — полный коэффициент теплопередачи, Вт/(м2-К).
Выразив удельный тепловой поток gp в (1.29) через
полный температурный напор 0пр и подставив его в (1.28),
получим
©бр = —— 0ПР — ftp 0ПР.
“б
(1.30)
Эта формула аналогична формуле (1.23), поэтому тем-
пературу подшипников роликовых букс можно определять
и по формуле (1.23), подставляя в нее вместо <пс значе-
ние Юр из (1.10), а вместо Ле — коэффициент ЛР= 1//?р:
КР =
Япп ,
—;— In
2/.
Дпп
1
Яб , £>б
— In-------
°пп
Ь-
«к
в О
(1.31)
Подставляя в (1.31) данные из табл. 1.2 и ав =
= 70 Вт/(м2-К) при цп = 60 км/ч, получим /<Р=
= 41,6 Вт/(м2-К), а пр=Кр/аР = 0,59.
Сравнивая полученное значение пр с пс, видим, что ко-
эффициент передачи избыточной температуры подшипни-
ка к наружной поверхности корпуса у роликовой буксы в
2,4 раза выше, чем у буксы скольжения. Следовательно,
при прочих равных условиях и при toc^co? температура
корпуса роликовой буксы будет выше, чем буксы сколь-
жения, что затрудняет настройку аппаратуры ПОНАБ.
Расчеты по формуле (1.23) при подстановке в нее
37
Таблица 1.2
Технические параметры роликовой буксы
Наименование Диаметр, м Полное термическое сопротивление теплопровод- ности t м2-К/Вт
н аружный внутрен- ний
Кольцо наружное 0,25 0,205 0,00044
Кольцо внутреннее 0,158 0,130 0,000276
Сепаратор 0,204 0,175 0,00028
Корпус буксы 0,312 0,250 0,000617
Воздушные зазоры — — 0,00859
<0р и Лр дают средние значения температуры подшипни-
ка, т. е.
Т -Х-Т
1 ПКН ‘ •* пкв
Упр- 2
где 7’пкн, 7'пкв — температура поверхностей качения соответственно на-
ружного и внутреннего колец, К.
Зная Лгр или 0пр=7'пр—Тнв, можно определить темпе-
ратуру поверхности шейки оси на границе с посадочной
поверхностью внутренних колец роликовых подшипни-
ков:
®шр == ®пр (1 АГст /?лвн) ==
= 0ПР (1 - КР ~ °’9 ®"Р’ (1-32)
где £>6, L6 — соответственно диаметр и длина буксы, м;
£>ш, Ln — соответственно диаметр шейки оси и длина двух колец под-
шипников, м;
/?лвн — термическое сопротивление теплопроводности внутренних
колец, м2-К/Вт;
А'ст — коэффициент теплопередачи ступицы колеса, сопряженной
с осью, Вт/(м2-К),
38
Передача тепла от шейки оси к ступице колеса. Для оп-
ределения зависимости избыточной температуры поверх-
ности по длине оси колесной пары представим ее как
круглый стержень конечной длины с изотермическим ос-
нованием. Так как длина оси значительно превышает ее
диаметр, то можно пренебречь изменением температуры
в поперечном сечении. В установившемся режиме тепло-
передачи избыточная температура основания такого стерж-
ня равна избыточной температуре шейки оси 0Ш, которая
рассчитывается по формулам (1.10), (1.23), (1.31) и (1.32).
Для такой расчетной модели зависимость избыточной тем-
пературы по длине оси [23]
0О = С1 е'п°х + с2 е~т°х , (1.33)
Г ^~п
где то = 1 / -уу— — параметр, характеризующий теплоотдачу с едини-
» '•'о цы длины поверхности, 1/м;
х — расстояние от середины шейки оси (от изотерми-
ческого сечения) до расчетного сечения оси, м;
П — периметр оси, м;
/0 — площадь поперечного сечения оси, м2;
ci, с2 — коэффициенты, определяемые из граничных усло-
вий.
При х=0 0о ==0ш = С1 + с2; если х=оо, ае= 0; Ci = 0;
С2 ~~ 0щ.
Подставляя Ci ис2в (1.33), получим
0О = 0Ш е~тох ,
т. е. избыточная температура уменьшается по длине оси
х по экспоненциальному закону.
Для стержней конечной длины (x<Z), каким является
ось колесной пары, на основании [23]
е0- <'--*» 9д, (1.34)
ch т0 I
ет0(1-х),е-т0(1-х) ет01 , е~т01
где ch[/n0 (Z-x)] =------; Ch Шо I = -----------------------
39
Сравнивая (1.34) с ранее полученными для наружных
поверхностей букс формулами (1.22) и (1.30), видим, что
дробь при 0ш представляет собой коэффициент передачи
избыточной температуры шейки оси по длине оси колесной
пары.
Для контроля технического состояния буксовых под-
шипников средствами ПК-техники наибольший интерес
представляют наружные поверхности ступицы колеса, на
которые возможна ориентация приемника излучения. Рас-
стояние от середины шейки оси до наружного торца сту-
пицы колеса xmin = 0,164 м, до середины ступицы хСр =
= 0,296 м, до внутреннего торца хтах = 0,43 м, а 1=1 м.
При средних значениях ао = О,61; ао = О,45 Вт/(м2-К);
77=0,5 м; /о=0,02 м2 и ХО = 55,8 Вт/(м-К) получим:
/«0 = 4,5 1/м; ml = 4,5; т(1—xmin) = 3,76;
т(1—хСр) = 3,17; т{1—хтах) = 2,56.
Расчеты по формуле (1.34) дают следующие соотно-
шения:
0он = О,47 0ш; ©пчо = 0,26 0Ш и 0ов = О,22 0ш,
где еоиД — соответственно избыточная температура поверхности оси
0ПЧО, ®ов) У наружного торца ступицы, в середине подступичной части
оси и у внутреннего торца ступицы колеса.
Для середины оси колесной пары х=1. Тогда из (1.34)
получим
0
С-Т^Т^0’020-, (1.35)
ch (ml)
т. е. середина оси имеет температуру окружающего возду-
ха и никакой информации о нагреве подшипников не
дает.
40
Формула для расчета температуры наружных поверх-
ностей ступицы колеса аналогична формуле для ©бР (1.30):
©ст=—Г0о, (1-36)
“ст
где К'^ — приведенный коэффициент теплопередачи ступицы, учиты-
вающий теплопередачу через диск и обод колеса, Вт/(м2-К):
_________1_________
ст ^ст ^ст
К aCTFK
(1-37)
“ст — “р---—приведенный коэффициент теплоотдачи ступицы, диска
гст и колеса, Вт/(м2-К)
£>ст> £*0 — соответственно диаметр ступицы и оси колесной пары, м;
— коэффициент теплопроводности осевой стали, Вт/(м2-К);
/?ст — площадь поверхности ступицы, м2;
/?к — суммарная площадь поверхности ступицы, диска и обода
колеса, м2;
аст — коэффициент теплоотдачи ступицы, Вт/(м2-К).
Расчеты по формулам (1.35) — (1-37) с учетом соот-
ношений избыточных температур подшипника и шейки оси
(1.32), шейки оси и подступичной части оси (1.34) при
а6 = 70 Вт/(м2-К) и аст = 45 Вт/(м2-К);
£ст = 0,24 м2 и FK = 2,19 м2;
Z)o = 0,165 м и £)ст = 0,29 м; Х0 = 55,8 Вт/(м-К)
дают следующие значения:
0ст = О,610о; 0стр = 0,258 0П₽;
0с? = О,1430пр и 0ст = О,12 0пр,
где )— соответственно избыточная температура поверхности наруж-
qcp qbh } ного торца, средней части (основания диска) и внутреннего
ст ст j торца ступицы.
41
Выполненные теплотехнические расчеты показывают,
что для контроля технического состояния подшипников по
температуре нагрева поверхностей сопряженных с ними
элементов колесной пары можно использовать (в поряд-
ке предпочтительности) свод (верхнюю часть) корпусов
букс, предподступичную часть оси, ступицу колеса в зо-
не перехода ее в диск с наружной или внутренней сто-
роны.
Значения температур контролируемых поверхностей для
калибровки и настройки аппаратуры могут быть подсчита-
ны по формуле (1.25) с учетом коэффициентов передачи
избыточной температуры, определяемых по формулам
(1.23), (1.24), (1.30), (1.31), (1.32), (1.34) и (1.37).
При выборе пунктов размещения аппаратуры контроля
необходимо стремиться, чтобы на участке приближения
был минимальный разброс скоростей движения поездов,
оказывающих влияние на тепловыделение в подшипниках
и охлаждающую способность наружного воздуха.
Влияние солнечной радиации на нагрев букс. Дополни-
тельный нагрев поверхностей букс от солнечной радиа-
ции [25]
гчвер р , prop = _Р_ /
’-'ре — - 1 вер» ™рс---“•'гор,
“и “н
где р — коэффициент поглощения солнечных лучей (для буксы 0,98)!
Z , Лор — соответственно интенсивность солнечной радиации на верти-
кальную и горизонтальную поверхности, Вт/м2;
ан — коэффициент теплопередачи наружных поверхностей букс,
Вт/(м2-К).
Для вертикальных стенок и крышек корпусов букс
/вер = I cos h sin (ас — х),
где h — высота солнца, град;
ас — азимут солнца;
% — угол между положением вертикальной поверхности и меридианом;
42
— интенсивность npaiMOii солнечной радиации на поверхность, перпен-
дикулярную направлению лучей [25]:
I = 1354_______sinfe____ •
1— Ра ’
sin h -I-------
Р
J а
здесь 1354 — солнечная постоянная, Вт/м2;
Р& = (0,7—0,8) — коэффициент прозрачности атмосферы.
Высота солнца
sin h = sin <р sin 8 + cos © cos 8 cos y,
где a — географическая широта, град;
В — склонение солнца, зависящее от времени года (для периода
с 22.03 до 22.07 8 = 11,5-23,4°);
7=15 т — часовой угол, град;
т— местное время, отсчитываемое от полудня, ч.
Для горизонтальной стенки (верха) буксы
/гор = /sinA.
Расчеты показывают, что для средней полосы ф=54°
при 8=15°; а„ = 70 Вт/(м2-Л’); /гор = 620 Вт/м2;
/вер = 700 Вт/м2; 0рс₽ = 9,8 К (9,8 °C); 0р°ср = 8,6 К (8,6 °C).
Значения дополнительного нагрева корпуса буксы рас-
считаны для средней скорости движения поезда (60 км/ч)
без учета времени влияния солнечной радиации, измене-
ния положения поезда относительно солнца и др. Темпера-
тура корпусов букс при длительном влиянии солнечной
радиации может повышаться в среднем на 3—5°С, достигая
предельного значения 10°С. При аппаратурном контроле
букс это в некоторых случаях может привести к ложным
показаниям, особенно при контроле букс с нагревом, близ-
ким к аварийному (при настройке аппаратуры на 140°С
по температуре шейки оси аварийной может быть показа-
на букса с температурой шейки оси (ПО—130°С).
43
1.4. Критерии работоспособности буксовых узлов
в эксплуатации
Ряд граничных значений температур, при которых рез-
ко изменяется работоспособность буксовых узлов, можно
определить исходя из вязкостно-температурных характери-
стик буксовой смазки, физических свойств баббита под-
шипников скольжения и рабочих зазоров в подшипниках
качения.
Повышение температуры подшипников приводит к
снижению вязкости и несущей способности смазки. Для
обеспечения жидкостного трения толщина смазочного слоя
должна быть больше высоты микронеровностей ориенти-
ровочно иа 2,5 мкм. Расчеты показывают [26], что чем
выше исходная вязкость осевого масла и меньше нагрузка
на буксу, тем выше температура установившегося нагрева
подшипников, при которой еще обеспечивается режим
жидкостного трения.
Предельно допустимая температура нагрева подшип-
ников скольжения соответствует границе перехода от жид-
костного к полужидкостному трению. Экспериментально
установлено [15], что если температура подшипника пре-
вышает на 15 % среднюю температуру подшипников одно-
го вагона, то такая букса чаще всего неисправна.
Нижняя граница критической температуры подшипни-
ка, при которой возможно образование зон полусухого тре-
ния и схватывание баббита с шейкой оси для масла мар-
ки 3, равна 120 °C, а для масла марки Л — 140 °C [22].
На эти температуры целесообразно ориентироваться при
настройке аппаратуры, размещенной на подходах к КПТО
участковых станций, где остановки поездов графиком дви-
жения не предусмотрены.
Верхняя граница критической температуры нагрева под-
шипника, при которой баббит размягчается и теряет несу-
щую способность — выдавливается и намазывается на шей-
ку оси, равна 240 °C. Поэтому аппаратуру контроля букс,
44
размещаемую перед линейными станциями, можно наст-
раивать на температуры подшипников 120—160 °C, чем
больше расстояние между пунктами контроля, тем ниже
допускаемая температура нагрева подшипников.
Излом шейки оси происходит при температуре /Изл =
= 800—900 °C. Зная средний темп пг нагрева подшипника
и расстояние L между постами контроля букс, можно оп-
ределить требуемое значение температуры настройки ап-
паратуры обнаружения перегретых букс: /0бн=/изл—mb.
При нагрузке на ось 200—215 кН максимальный усред-
ненный темп нагрева подшипника до излома равен
15 °С/мин. Поэтому при существующих расстояниях меж-
ду пунктами контроля 40—60 км максимальная темпера-
тура настройки аппаратуры не должна быть более 140—
160°С. С увеличением нагрузки на ось (до 225—235 кН)
темп нагрева подшипника значительно увеличивается и
расстояние между пунктами контроля необходимо сокра-
щать до 30—35 км.
О техническом состоянии буксовых узлов в эксплуата-
ции можно судить не только по температуре их корпусов
и ступиц колес, но и по скорости ее изменения на участке
безостановочного следования поезда [20—59].
Изменение температуры корпусов букс и ступиц колес
отстает по времени от изменения температуры подшипни-
ка на 10—30 мин, поэтому по ИК-излучению наружных
поверхностей можно выявить ненормальный нагрев под-
шипников лишь на расстоянии 30—45 км от начала дви-
жения поезда.
Летом температура нагрева букс в 1,3—1,4 раза выше,
чем зимой, при этом неисправные буксы имеют среднюю
температуру нагрева в 2—3 раза выше, чем исправные.
Среднее значение температуры исправных подшипников
соответствует установившемуся режиму теплопередачи
при жидкостном трении, а у неисправных букс—гранично-
му (зимой) или нижнему критическому значению темпе-
ратуры и режиму полужидкостного трения.
45
Расчеты и практические измерения показывают, что
интервалы наиболее вероятных значений температур на-
грева подшипников и корпусов исправных и неисправных
букс перекрываются. Поэтому при температуре подшип-
ников 70—90 °C зимой и 85—105 °C летом вероятность
ошибочного принятия решения о состоянии букс по их
излучению максимальна.
Допуски на нагрев роликовых букс определяются по
известной методике [17] исходя из установленных ради-
альных и осевых зазоров. Расчеты показывают, что при
регламентированном осевом зазоре 43 мкм критическая
разность температур роликов и наружных колец равна
70 °C, а корпуса буксы и наружного воздуха 35—40 °C.
Термодатчики, устанавливаемые в роликовых буксах пас-
сажирских вагонов и локомотивов, настраиваются на по-
дачу предупредительного сигнала при температуре наруж-
ного кольца 80—90 °C (перепад температур Д£бр5>45—50 °C)
и аварийного сигнала при температуре 120°C (Д£бр>80°С).
Таким образом, обобщая приведенные выше результа-
ты, можно установить следующие граничные значения тем-
ператур, которыми необходимо руководствоваться при на-
стройке аппаратуры обнаружения перегретых букс.
Для букс с подшипниками скольжения:
верхнее значение предельно допустимой температуры
рабочего нагрева подшипников и шеек осей 80—100 °C зи-
мой и 100—120 °C летом, что соответствует избыточной
температуре корпусов букс 15—30 °C;
нижнее значение критической температуры нагрева
подшипников 120 °C зимой и 140 °C летом, что соответству-
ет избыточной температуре 30—35 °C;
среднее значение критической температуры нагрева
подшипников 140—150 °C зимой и 160—180 °C летом (из-
быточная температура корпуса 40—45 °C);
верхнее значение критической температуры нагрева
подшипников 200—220 °C зимой и 220—240 °C летом (из-
быточная температура корпуса 50—60 °C).
46
Для букс с подшипниками качения:
верхнее значение предельно допустимой температуры
рабочего нагрева корпусов букс 70—75 °C (избыточная
температура корпуса 30—35 °C);
нижнее значение критической температуры нагрева
корпусов букс 80—90 °C (избыточная температура 40—
50 °C и выше);
верхнее значение критической температуры нагрева
корпусов букс 100—120 °C (избыточная температура
60—80 °C).
Так как предельно допустимая температура нагрева
корпусов роликовых букс (качения) значительно выше,
чем букс скольжения, и совпадает с нижним критическим
значением, то при настройке аппаратуры обнаружения
перегретых букс иа выявление букс с температурой шеек
осей 120—140 °C неизбежны ложные показания на допус-
каемый в эксплуатации рабочий нагрев роликовых букс и
необоснованные задержки поездов. Возможны также по-
казания аппаратуры на эксплуатационный нагрев (до 70 °C)
редукторов и шкивов привода подвагонных генераторов
от торца оси колесной пары.
Для исключения ложных показаний аппаратура обна-
ружения перегретых букс должна быть снабжена устрой-
ством распознавания букс по типу подшипника.
1.5. Взаимосвязь между температурой элементов
буксового узла и колесной пары
Анализ соотношений между избыточной температурой
различных элементов буксового узла и колесной пары по-
казывает, что числовые значения коэффициентов взаимо-
связи температуры элементов могут изменяться в широких
пределах, так как зависят от многих факторов (скорость
движения поезда, нагрузка на ось, коэффициент трения в
подшипнике, температура окружающей среды, конструк-
47
тивные особенности и т. п.), трудно учитываемых при ана-
литических исследованиях буксового узла. В то же время
для определения информативности различных элементов
буксового узла и колесной пары необходимо знать степень
тесноты взаимосвязи между температурой этих элементов.
Особенно важно установить характер и количественные
характеристики связи между температурой подшипника
(или шейки оси колесной пары) как критерия неисправно-
сти буксового узла и температурой элементов буксового
узла и колесной пары, по которым судят о техническом
состоянии буксового узла.
Известно более десяти различных элементов буксового
узла и колесной пары, по температуре которых с разной
Рис. 1.15. Элементы корпуса
буксы и колесной пары, с вы-
сокой достоверностью пере-
дающие температуру подшип-
ника или шейки оси
Рис. 1.16. Сопряжение пары зна-
чений и линии регрессий темпе-
ратур:
1 7*ш Л<1- % Тш — ГС2
48
Рис. 1.17. Сопря-
жение пары зна-
чений и линии ре-
грессий темпера-
тур:
Ли-Гс1
Рис. 1.18. Сопря-
жение пары зна-
чений и линии
регрессий темпе-
ратур:
—т „
к2
49
степенью достоверности можно судить о температуре на-
грева подшипника. На рис. 1.15 показаны некоторые из
этих элементов, на которые чаще, чем на другие элемен-
ты, ориентированы оптические системы приемников ИК- из-
лучения аппаратуры контроля букс. Остановимся на ана-
лизе характера связи температуры этих элементов (TKi,
Tvi — элементов корпуса буксы; Гсь Тс2 — элементов сту-
пицы колеса) с температурой шейки оси колесной пары
Тш. В силу многочисленных факторов (вид заправки бук-
сы, плотность прилегания крышки буксы и др.) эти связи
(на рис. 1.15 показаны стрелками) имеют случайный ха-
рактер, поэтому количественная оценка тесноты связи сво-
дится к определению коэффициентов корреляции между
температурой указанных точек.
Исходным материалом для количественной оценки ха-
рактеристики связи служат результаты измерений в усло-
виях эксплуатации сопряженных пар значений температу-
ры шейки оси колесной пары и температуры анализируе-
мого элемента (рис. 1.16—1.18).
Для уменьшения влияния температуры окружающего
воздуха на результаты исследований на всех графиках по-
казаны превышения температуры рассматриваемых эле-
ментов над температурой окружающего воздуха (напри-
мер, Т’нв и т. д.).
В результате обработки экспериментальных данных со-
пряженных пар значений температуры шеек осей колес-
ных пар и соответствующих элементов корпуса буксы или
колеса установлено, что значения температуры шеек осей
этих элементов распределены по логарифмически нормаль-
ным законам, аналитическая запись которых имеет вид:
(О при — оо < ДГШ < 0;
1^1(Д7'Ш) =
1 [ рп(ДТш)-аГш |2|
—---------ехр — •!------s-----—}
Т2-Гш(ДГш) 2^ш |
при 0 sg Д7'ш < оо;
50
Г1(ДГК) =
О при — оо < ДГк < 0;
при ДТ'тц < оо,
где а =4,8; <£ =0,069; а =3,35;
Чи хш тк
= 0,071 — параметры логарифмически-нормальных распределений.
При выполнении статистического анализа оценивались
математические ожидания рассматриваемых элементов;
Т/ср
п
1=1
п
где п — объем выборки,
а также дисперсии
£ (Ч-Чср)-
Z — 1
и коэффициенты корреляции между температурой шейки
оси колесной пары и соответствующим элементом;
1 п
I ср ср
Г=—---------------------- •
aTm^Ti
Для всех рассматриваемых случаев определены линии
регрессии в виде
Ti = аТш~т С,
где а — коэффициент пропорциональности.
51
Таблица 1.3
Статистические характеристики связи между температурой шейки
оси и различными элементами буксы и колесной пары
Сопряженная пара Характеристика связи
Коэффициент корреляции Уравнение линии регрессии
тш - ДУк1 0,82 ДУк1 = 0,22 Уш+ 7,5
Уш — ДУкг 0,85 ДТк2 = 0,22 Ли + 5,7
- ДГс1 0,70 ДУс1 =0,12 Уш + 15,2
тш- ±тс2 0,60 ДУсг = 0,14 Тш- 4,0
Для удобства анализа результаты расчетов представ-
лены в табл. 1.3. На рис. 1.16—1.18 показаны линии рег-
рессий для всех рассмотренных сопряженных пар, которые
позволяют судить о средних соотношениях между темпера-
турой различных точек буксового узла и колесной пары.
Анализ приведенных результатов статистической обра-
ботки сопряженных пар значений температуры шейки оси
и температуры некоторых точек на корпусе буксы и колес-
ной пары показал, что между температурой рассмотрен-
ных пар имеется тесная положительная связь, которая ха-
рактеризуется коэффициентами корреляции от 0,6 до 0,85.
Более тесная связь имеется между температурой шейки
оси и задней (по ходу движения поезда) стенки корпуса
буксы (ггш, гк = 0,82—0,85). Иными словами, задняя стенка
корпуса буксы с большей достоверностью передает тепло-
вой режим шейки оси колесной пары, чем ступица ко-
леса. Если сравнить между собой 2 рассмотренные точки
на корпусе буксы, то можно заметить, что температура
точки между боковиной тележки и задним торцом буксы
имеет более высокую корреляцию с температурой шейки
оси (гГц1, тк =0,85 против rTm, гк=0,82). Это можно объяс-
52
нить меньшей подверженностью этой части буксового узла
обдуву и влиянию климатических факторов при движении
поезда. Если же сравнить между собой две рассмотрен-
ные точки на ступице колеса, то очевидно, что с большей
достоверностью передает температурное состояние шейки
оси часть ступицы колеса, расположенная со стороны бук-
сового узла (гГш, Гс=0,7 против гТш, тСг =0,6). Эта часть
ступицы меньше подвержена обдуву при движении поезда и
на ее температуре меньше сказывается влияние колеса.
Таким образом, более высокими информационными воз-
можностями (более высокой достоверностью) будет обла-
дать та аппаратура, в которой контролируется нагрев зад-
ней стенки корпуса буксы.
Так как значения температуры шеек осей колесных пар
и задних (по ходу движения поезда) стенок корпусов букс
распределены в соответствии с логарифмически-нормаль-
ными законами, то двухмерный закон их совместного рас-
пределения [49]
(А Тш, А Т к) =----------5----..---,--X
2лаг ат ДГ AT V 1— Г~
1 ш 1 К Ш к г 1 1ИК
где Гу — коэффициент корреляции между температурой шейки оси
шк и корпусом буксы.
С помощью двухмерной функции распределения плот-
ности вероятности температуры шейки оси колесной пары
и стенки корпуса буксы путем известных преобразований
[34] могут быть записаны полученные ранее одномерные
функции распределений плотности вероятности темпера-
туры шейки осн колесной пары н стенки корпуса буксы.
53
2
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КОНТРОЛЯ БУКСОВЫХ УЗЛОВ
методами инфракрасной техники
2.1. Основные законы инфракрасного излучения
Контроль буксовых узлов методами инфракрасной тех-
ники основан на том, что любое тело, температура которого
отлична от абсолютного нуля, испускает во внешнюю сре-
ду тепловое излучение. Характер излучения зависит от аг-
регатного состояния вещества. Так, спектры излучения га-
зов, как правило, линейчатые. У твердых тел вследствие
сильного взаимодействия между молекулами спектры из-
лучения оказываются сплошными. Инфракрасное излучение
является частью оптического излучения и занимает в спек-
тре электромагнитных колебаний диапазон волн от 0,76 до
1000 мкм. Инфракрасную область спектра принято делить
на 4 части: ближнюю (Х = 0,76—3 мкм), среднюю (А,=3—
—6 мкм), дальнюю (А,=6—15 мкм) и сверхдальнюю (Х=
= 15—1000 мкм). Ширина спектра ИК-излучения зависит
от температуры тела, которая измеряется в кельвинах (К).
Распределение интенсивности излучения по спектру для
абсолютно черного тела определяется законом План-
ка [27,28]:
г(Х, Т) = ^----------------- (2.1)
где г (А, Т) — спектральная интенсивность плотности излучения, Вт/см’;
Т — абсолютная температура тела, К;
X — длина волны, см; С\ = 3,74-Ю-12 Вт-см2; С2 = 1,438см.
К—постоянные коэффициенты.
54
Суммарную плотность излучения Вт/м2 абсолютно чер-
ного тела, т. е. плотность излучения во всем диапазоне
длин волн, определяют по закону Стефана—Больцмана
[27]:
R(T) = С r(X,7')rfX = C1C---------------------------=
J J х5 exo I — I 1
?.,=о о Л ехР I хт" J 1
а Г4, (2.2)
где а == 5,67-10 8 Вт/(м2-К4) — постоянная Стефана—Больцмана.
Зависимость г(Х,Т) от длины волны для абсолютно
черного тела при разных температурах показана на
рис. 2.1.
Как видно из приведенных кривых, спектральная
плотность излучения всегда тем больше, чем больше тем-
пература тела. Длина волны Хтах, при которой наблюда-
ется максимальное излучение, уменьшается с ростом тем-
пературы. Эту длину волны можно вычислить, исследовав
г,
мВт
СмТ-МКМ
8
В
4
2
О
Рис. 2.1. Спектральная интенсивность ИК-излучения абсолютно чер-
ного тела, нагретого до температуры:
1 — 0 °C; 2 — 20 °C: 3 — 40 °C; 4 — 60 °C; 5 — 80 °C; 6 — 100 °C
55
выражение (2.1) на экстремум, т. е. продифференцировав
его по А, и приравняв производную нулю:
d\ d\
После дифференцирования и ряда упрощений получим
выражение
С — ХтахГ =2897 мкм-ТС, (2.3)
известное как закон смещения Вина [28]. Если подста-
вить полученное из выражения (2.3) значение лтах в фор-
мулу Планка, то после преобразований и вычислений по-
лучим
с '» С‘/с ---= 1,2864-10-п Г5 Вт/м’-мкм,
(ТГ4#)-1 (2.4)
т. е. максимальное значение спектральной плотности излу-
чения абсолютно черного тела пропорционально пятой сте-
пени его абсолютной температуры.
Абсолютно черное тело — физическая абстракция. По-
скольку абсолютно черных тел в природе не существует, то
все реальные тела называют нечерными или серыми. Из-
лучательная способность серых тел, к которым относятся
и буксы, характеризуется степенью черноты, или коэффи-
циентом излучения е, показывающим, во сколько раз плот-
ность излучения серого тела меньше плотности излучения
абсолютно черного тела. Для всех серых тел 8<1. Коэф-
фициент излучения является безразмерной величиной и
зависит от материала, температуры, состояния излучающей
поверхности. Закон Стефана—Больцмана для реальных
тел принимает вид
/?(Г) = гаГ4.
(2-5)
56
Расчет плотности излучения тела в заданном спектраль-
ном интервале (Аа—%г) обычно выполняют с помощью та-
булированных функций [28] вида
/ х \____R (Х')о-х
\ ^тах) А?(7')0_оо
Так как
Л8 Za At
= f г (X, Г)(/Х= i'r(X, T)dX- f r(X, T)rfX;
Xi о 0
R (По-х, =.[ г (X, T) = Z I ”7"~~ /? (По-» =
О \ Лтах/
/ X„ \
=a74Z (—M
\ Xmax/
И
r’ I X1 \
£(Do-x. =fr(X,T)rfX = Z Y2- /?(Т)0_оо =
О \ лтах/
/ x, \
= a7'4ZI—X- j .
\ Хщах/
то для абсолютно черного тела будем иметь
Я(Пх.-*4 =°Hz(v \ Л| а для серого тела /?(nx1-x! = 5=>T4[zf- \ х Г X Значения функций Z= [ , 1, \ / X, \ "I -2- —Z 1—Х-) . пах/ \ Хтах/_ М-Z • тах/ \ Хтах/ ) приведены в [28].
57
Приведенный набор основных формул теории ИК-излу-
чения позволяет выполнять все расчеты, связанные с опре-
делением характеристик ИК-излучения букс.
2.2. Характеристики инфракрасного излучения букс
Мощность ИК-излучения, определяемая при помощи
выражения (2.5), является важным параметром излучения
буксы, так как характеризует уровень ее нагрева. Однако
не вся энергия, которая излучается буксой, воспринимает-
ся приемником ИК-излучения. Приемник ИК-излучения
может быть ориентирован относительно объекта излуче-
ния произвольным образом, а его чувствительность, как
правило, ограничена некоторым спектральным диапазо-
ном. Параметром, характеризующим энергию ИК-излуче-
ния, испускаемую объектом излучения в заданном направ-
лении, является лучистый поток F. Лучистый поток, испу-
скаемый в заданном направлении, характеризуется углом
а от нормали к поверхности излучения.
Найдем значение лучистого потока, воспринимаемого
от контролируемой буксы.
Условная схема сканирова-
ния буксового узла при его
проходе зоны контроля по-
казана на рис. 2.2.
Если элементарный лу-
чистый поток dF2, испускае-
мый площадкой dS в на-
правлении а телесным углом
da:
, _ dFdS,
d F л =----da cos а.,
TZ
где dF — элементарный лучистый
поток, испускаемый
площадкой dS во всех
направлениях
приемником ИК-излучения
Рис. 2.2. Схема сканирования
буксового узла при контроле
58
то лучистый поток, воспринимаемый приемником ИК-излу-
чения, со спектральной чувствительностью, заключенной в
диапазоне волн Xi—7.2.'
f’Sx(MKa(X)K0(Mr(^ T)dl | cos acos (2-6)
“ A, (S) 12
где So6 — рабочая площадь объектива приемника ИК-излучения, мм2;
Ка (X) — коэффициент пропускания атмосферы;
Ко(Х) — коэффициент пропускания оптической системы;
I — расстояние от центра объектива до площадки излучения, мм;
(X) — спектральная чувствительность приемника ИК-излучения, В/Вт;
Р — угол между направлением оптической оси и оси пути.
Полагая в первом приближении, что величины КО(Х) =
= КО; Ка(Х)=Ка и Sa (X)=Sa не зависят от спектра излу-
чения, после интегрирования выражения (2.6) получим
формулу для определения лучистого потока, воспринима-
емого приемником ИК-излучения:
F = КГк6
(2.7)
где К— коэффициент пропорциональности, Вт/К4:
,, So6 SA Ко га COS a COS ₽
А =
5tZ2
При контроле букс часто требуется определять значе-
ние лучистого потока излучения на фоне излучения, испус-
каемого окружающей средой (наружным воздухом). В
этом случае лучистый поток
F = К(Т*б-Т*в) Z
— Z
(2-8)
Из формул (2.7) и (2.8) видно, что на значение лучи-
стого потока, воспринимаемого приемником ИК-излучения,
влияют: характеристики буксы (S, е, Тк), конструкция и
59
Рис. 2.3. Зависимость мощности ИК-излучения вагонной бук-
сы от температуры наружного воздуха (а) и температуры
корпуса буксы (б)
60
параметры приемника (S06, Ко, —Х2,5л ), а также среда
между буксой и приемником ИК-излучения (Ка) и взаим-
ное расположение буксы и считывающего устройства
(/, а, 0).
Зависимости F=f(THB) при Ткс> = const и К — (р(ТКб) при
TIIB = const, рассчитанные по формуле (2.8), приведены на
рис. 2.3. В расчетах принимались следующие исходные
данные (применительно к аппаратуре ПОНАБ-3):
Л1 = 2 мкм; Л,2 = 2О мкм; е = 0,9; Хо=0,5; /fa=0,95;
S06 = 154 мм2, /=1100 мм; а=34°; 0=13°.
При одной и той же температуре подшипника темпера-
тура корпуса буксы в зависимости от температуры окру-
жающего воздуха может изменяться в широких пределах.
Так, из (1.25) видно, что при изменении температуры воз-
духа в пределах ±50 °C букса с температурой шейки оси
колесной пары, равной 100 °C, приводит к колебаниям тем-
пературы корпуса буксы от 2 до 70 °C. На рис. 2.4 показа-
ны зависимости F=f(THB) при Тш = const, рассчитанные по
формуле (2.8). Как видно из приведенных кривых, в ди-
апазоне температуры окружающего воздуха от •—30 до
+ 10 °C плотность лучистого потока излучения букс прак-
тически не меняется. В диапазоне от +10 до +50 °C плот-
Рис. 2.4. Зависимость мощности ИК-излучения вагонной буксы от
температуры наружного воздуха при постоянной температуре шей-
ки оси (подшипника)
61
ность лучистого потока может возрастать примерно
на 20—40 %. Это можно объяснить увеличением абсолют-
ной температуры излучающей поверхности корпуса буксы.
Возрастание плотности лучистого потока наблюдается и
с понижением температуры окружающего воздуха
до —50 °C.
В этом случае лучистый поток в зависимости от
температуры шейки оси колесной пары увеличивается
на 15—20 %, что обусловлено возрастанием разности тем-
пературы корпуса буксы и температуры окружающего воз-
духа.
2.3. Влияние различных факторов на мощность
инфракрасного излучения букс
Основными факторами, влияющими на мощность
ИК-излучения букс, являются солнечная радиация, кли-
матические факторы (температура, осадки, состояние
атмосферы и др.), а также состояние поверхности корпу-
сов букс.
Важным фактором, от которого зависит мощность
ИК-излучения букс, является коэффициент излучения е
(иногда называемый степенью черноты тела). Как следует
из формулы (2.5), мощность ИК-излучения букс прямо про-
порциональна этому коэффициенту. В реальных условиях
эксплуатации элементы корпусов букс и колесных пар, на
которые ориентированы оптические системы приемников
ИК-излучения, могут быть окрашенными и ржавыми, по-
крыты смесью осевого масла и пыли, льдом и снегом,
пылью перевозимых подвижным составом материалов. Ес-
тественно, что коэффициент излучения таких букс может
колебаться. Табл. 2.1, в которой приведены значения ко-
эффициентов излучения некоторых материалов и веществ,
может дать представление о размере этого колебания. Ана-
лиз данных таблицы, а также экспериментальные иссле-
дования [29] позволяют заключить, что коэффициент из-
62
лучения большинства находящихся в эксплуатации букс
колеблется от 0,85 до 0,95. В реальных условиях эксплуа-
тации встречаются буксы с сильно загрязненными корпу-
сами (толщина слоя грязи 5—10 мм). И хотя коэффициент
излучения таких букс уменьшается незначительно (5—
10 %), заметно снижается мощность ИК-излучения, что
создает предпосылки для их пропуска аппаратурой конт-
роля в случае аварийного нагрева.
Влияние солнечной радиации может проявляться в
виде отраженного и попадающего на вход приемника
ИК-излучения, в виде энергии, поглощенной корпусом
буксы (из-за чего может повыситься его температура), а
также при прямом попадании солнечной радиации на вход
приемника ИК-излучения.
Влияние поглощенной буксой солнечной радиации на ее
температуру рассмотрено в п. 1.3. Показано, что в худшем
случае за счет поглощенной энергии температура корпуса
Таблица 2.1
Коэффициенты излучения
Материал Температура, °C Коэффициент излучения £
Чугунное литье 50 0,81
Литое необработанное железо 100 0,87—0,95
Железо, покрытое ржавчиной 100 0,61-0,85
Сталь с шероховатой поверхностью 50 0,95-0,98
Сталь, покрытая ржавчиной 50 0,69-0,85
Асбестовая пыль 20 0,4 -0,6
Известь 25 0,3 -0,4
Угольная пыль 25 0,7 -0,95
Сажа 20-100 0,95-0,98
Блестящий черный лак 40-100 0,87
Матовый черный лак 40-100 0,96—0,98
Водяная пленка на металле 20 0,98
63
буксы может повыситься на 5—10 °C. Уменьшить вредное
влияние солнечной радиации на показания аппаратуры ав-
томатического контроля букс можно только путем форми-
рования таких признаков распознавания, которые были
бы нечувствительны (инвариантны) к аддитивным
помехам. Более подробно эти вопросы рассмотрены в
главе 4.
Оценим влияние отраженного ИК-излучения, для чего
необходимо знать спектральное распределение солнечной
энергии. На рис. 2.5 в относительных единицах показано
спектральное распределение энергии солнца на различных
высотах (в градусах). Как следует из приведенного рас-
пределения, максимум излучения приходится на длины
волн 0,5—0,6 мкм, а его энергия тем больше, чем выше
над линией горизонта расположено солнце. Более 95 %
излучаемой солнцем энергии расположено в интервале
от 0,3 до 1,8 мкм. Можно ожидать, что отраженный от
буксы лучистый поток в спектральном отношении повто-
рит характеристику, приведенную на рис. 2.1. Отраженный
лучистый поток ИК-излучения, воспринимаемый прием-
ником:
ЛотР = Ro S (1 - г) cos ? (1 - cos А) К (X), (2.9)
где 7?о = 0,0697 Вт/см2— плотность солнечного лучистого потока на
уровне земли для средних широт (солнечная постоянная);
г — коэффициент излучения отражающей поверхности;
S — площадка, охватываемая телесным углом оптической системы
приемника ИК-излучения на корпусе буксы при ее сканирова-
нии, см2;
<р — угол падения солнечных лучей на вертикальную поверхность
буксы, град;
ф — угол зрения оптической системы приемника ИК-излучения, град;
К (X) — волновая (спектральная) характеристика приемника ИК-излучения.
Анализ выражения (2.9) показывает, что отраженный
поток будет тем больше, чем меньше коэффициент излуче-
ния отражающей поверхности. Предположим, что е = 0,87
(поверхность буксы покрыта черным лаком); ср = 45°;
64
Рис. 2.5. Спектральное распределение солнечной энергии
при различных углах склонения
ф = 5° (болометр БП1-2); S=100 см2, а спектральная
характеристика приемника описывается выражением
( 0 при X < 1,7 мкм;
К(Х) = F ’
v ’ ( 1 при X > 1,7 мкм.
Такая характеристика может быть у приемника ИК-из-
лучения с германиевой линзой.
В этом случае приемник ИК-излучения сможет воспри-
нять лишь 5 % отраженного излучения, охваченного телес-
ным углом оптической системы:
F0Tp = 0,0697-100-0,13-0,7-0,00095-0,05 = 3-10~5 Вт.
Для сравнения заметим, что мощность излучения, вос-
принимаемая приемником от букс, корпуса которых нагре-
ты до 60—80 °C (333—353 К), находится в интервале
(8— 12)-10-5Вт, т. е. FoTp/Гб» 0,2—0,3.
Приведенный расчет выполнен для буксы с понижен-
ным коэффициентом излучения. Большинство находящихся
в эксплуатации букс имеют коэффициент излучения
е»0,95—0,96. В этом случае воспринимаемый приемником
отраженный лучистый поток составляет 5—10 % излуча-
3-4947 65
Рис. 2.6. Спектральные характе-
ристики основных материалов оп-
тических систем приемников ИК-
излучения
емого нагретой буксой.
Уменьшить влияние отра-
женного потока можно толь-
ко за счет спектральной
фильтрации, т. е. путем по-
давления излучения в интер-
вале 0,3—5 мкм. На рис. 2.6
показаны спектральные ха-
рактеристики основных ма-
териалов, используемых в
качестве фильтрующих в оп-
тических системах приемни-
ков ИК-излучения аппара-
туры автоматического контроля букс. Как видно из при-
веденных кривых, все эти материалы достаточно хорошо
подавляют энергию в области солнечного излучения, про-
пуская спектр ИК-излучения букс.
Для определения лучистого потока, воспринимаемого
приемником ИК-излучения при прямом попадании на него
солнечных лучей, воспользуемся формулой (2.9), положив
в ней е = 0. В этом случае лучистый поток, воспринима-
емый приемником, будет в 10—15 раз больше отраженно-
го потока, что значительно превышает мощность ИК-излу-
чсния, воспринимаемую приемником от перегретой буксы.
Уменьшить влияние прямой солнечной радиации мож-
но улучшением характеристик фильтров (повышение их
подавляющей способности в области ИК-излучения солн-
ца), выбором направления ориентации напольных считы-
вающих устройств, исключающего попадание солнечных
лучей на приемник ИК-излучения в любое время суток, и
с помощью защитных щитов, расположенных на направле-
нии солнечных лучей за габаритом приближения строений.
Среда, по которой распространяется инфракрасная
энергия, также влияет на мощность ИК-излучения букс.
Расстояние между приемником ИК-излучения и контроли-
руемой буксой обычно не превышает 1—2 м. Однако проз-
66
рачность этой среды при движении поезда в различных
климатических условиях может заметно меняться. В зим-
нее время при движении поезда с большой скоростью эта
среда в результате поземки наполняется частицами снега
и пыли, прозрачность среды может быть уменьшена силь-
ным снегопадом. В весенне-летний период эта среда мо-
жет быть насыщена капельками тумана, дождя, частица-
ми пыли и т. п.
Ослабление лучистого потока, проходящего толщу сре-
ды, можно определить из выражения [28]:
/? = /?0<Г7г,
где 7?о — начальный лучистый поток, Вт/см2;
у — показатель ослабления, 1 /см;
z — толщина среды, см.
Ослабление лучистого потока средой обычно происхо-
дит как за счет рассеивания потока, так и за счет его пог-
лощения. Рассеивание средой в большей степени сказыва-
ется в области видимого спектра излучения. В области
ИК-излучения в большей степени сказывается поглощение
энергии излучения частицами среды. Расчеты и экспери-
ментальные исследования [29] показали, что в худшем
случае на расстоянии 2 м поглощение среды может приве-
сти к ослаблению потока на 3—5 %:
R = Ro е~5'10-3 2С0 = 0,96 Ro.
Влияние температуры окружающей среды на мощность
ИК-излучения букс рассмотрено в п. 2.2.
2.4. Методы измерения
Важное значение при контроле букс методом инфра-
красной техники имеет способ измерения температуры кон-
тролируемого элемента буксового узла или колесной па-
3’ 67
ры. Все применяющиеся в аппаратуре контроля приемни-
ки ИК-излучения реагируют на превышение мощности из-
лучения нагретого тела (например, корпуса буксы) над
мощностью излучения некоторого тела, принятого за эта-
лон, и на которое до начала измерения был сориентирован
приемник ИК-излучения. Иными словами, электрический
сигнал на выходе приемника ИК-излучения всегда пропор-
ционален мощности излучения, определяемой по формуле
/?(Г) = №(Гб-Гэ) Z
где Т6, Тэ — соответственно абсолютная температура буксы и эталона.
По методу поддержания температуры эталона все из-
вестные способы измерения температуры корпусов букс
можно разделить на 2: при постоянной (не зависящей от
температуры наружного воздуха) температуре эталона и
в условиях, когда температура эталона пропорциональна
(в частном случае — равна) температуре окружающего
воздуха. В качестве эталона с постоянной температурой
используются лампы накаливания, поверхность модулиру-
ющего диска и др.
В аппаратуре отечественного производства в качестве
эталона выбрано днище вагона, температура которого при
движении поезда приблизительно соответствует температу-
ре окружающего воздуха.
Выбирая тот или иной способ измерения температуры
корпуса буксы при контроле, необходимо стремиться к то-
му, чтобы при одном и том же критерии аварийности (тем-
пературе подшипника или шейки оси колесной пары) сиг-
нал на выходе оставался по возможности неизменным. На
рис. 2.7 показаны рассчитанные по формуле (2.8) кривые,
позволяющие судить о степени изменения выходного сиг-
нала приемника ИК-излучения в зависимости от способа
измерения мощности излучения и спектральной характе-
ристики приемника при одной и той же температуре шейки
68
оси колесной пары. Так,
кривые 1 и 1' соответствуют
измерению мощности излу-
чения относительно посто-
янной температуры этало-
на болометром (кривая 1)
и избирательным фотогаль-
ваномагнитным приемником
ИК-излучения (кривая /'),
спектральная характеристи-
ка которого ограничена
длиной волны 6,5 мкм.
Как видно из приведен-
ных кривых, сигнал на вы-
ходе приемника ИК-излу-
чения при постоянной тем-
пературе шейки оси колес-
Рис. 2.7. Зависимость сигнала на
выходе приемника ИК-излучеиия
от способа измерения мощности
излучения и спектральной харак-
теристики приемника ИК-излучения
ной пары (критерии аварийности буксы) в диапазоне тем-
пературы наружного воздуха ±50 °C может изменяться в
2,2 раза при использовании приемника с широкой спект-
ральной характеристикой (от Xi = 1,7 мкм доХг = 20мкм)
и более чем в 3,5 раза при использовании избирательного
приемника. При измерении мощности излучения буксы от-
носительно температуры наружного воздуха сигналы на
выходе тех же приемников ИК-излучения будут изменять-
ся соответственно в 1,7 (кривая 2) и 2,1 раза (кри-
вая 2').
Анализ приведенных кривых показывает, что с точки
зрения постоянства сигнала на выходе приемника ИК-из-
лучения предпочтение следует отдать способу измерения
температуры букс с учетом температуры окружающего
воздуха и с помощью широковолнового приемника. Имен-
но такой способ измерения температуры контролируемых
букс применен в отечественной аппаратуре обнаружения
перегретых букс ПОНАБ-3. Этот способ прост с точки
зрения технической реализации, так как не требует приме-
69
нения специальных затрат на поддержание постоянства
температуры эталонного источника излучения.
Однако данный способ контроля букс не свободен от
недостатков. Так, наружные поверхности подвагонного
оборудования тормозов, систем кондиционирования возду-
ха пассажирских вагонов, а также пола вагонов могут
иметь рабочую температуру, отличную от температуры на-
ружного воздуха, что будет вносить погрешность в изме-
рение температуры букс.
2.5. Приемники инфракрасного излучения букс
Приемники инфракрасного излучения являются важнейшим эле-
ментом аппаратуры контроля букс и предназначаются для преобразо-
вания энергии ИК-излучения в электрическую. По принципу действия
все приемники можно разделить иа 2 больших класса: тепловые и
фотонные. В основе тепловых приемников лежит свойство некоторых
материалов изменять свои параметры под действием лучистого потока.
Фотонные приемники основаны на эффекте прямого воздействия па-
дающих фотонов на электроны материала чувствительного эле-
мента.
К тепловым приемникам относятся: болометры, у которых с изме-
нением температуры (под воздействием энергии ИК-излучения) изме-
няется электрическое сопротивление чувствительного элемента; термо-
элементы, использующие термоэлектрический эффект; пироэлектриче-
кие приемники, которые основаны на свойстве сегнетоэлектрика из-
менять свои параметры под действием лучистого потока.
Из фотонных приемников известны: фотоэлементы, основанные
иа свойстве элементов эмиттировать электроны с поверхности чувст-
вительного слоя под действием падающего лучистого потока (внеш-
ний фотоэффект); фоторезисторы, основанные на способности чувст-
вительных элементов под действием лучистого потока изменять свою
электропроводность (внутренний фотоэффект); фотодиоды и фототран-
зисторы, у которых под действием энергии ИК-излучения изменяются
характеристики р-п и n-р-переходов. К фотонным приемникам отно-
сятся также приемники ИК-излучеиия, в которых применяется фото-
гальваиомагнитный (фотомагнитный) эффект.
Суть эффекта состоит в появлении э. д. с. в облучаемой полупро-
водниковой пластинке, помещенной в магнитное поле, параллельное ее
поверхности.
70
Остановимся на основных параметрах и требованиях, которым
должны удовлетворять приемники.
Основными параметрами приемников ИК-излучения являются
интегральная чувствительность, которую иногда называют вольтовой
чувствительностью приемника, напряжение шумов, порог чувстви-
тельности, постоянная времени и сопротивление чувствительного
слоя.
Вольтовая чувствительность (Su), характеризующая реакцию при-
емника на внешнее воздействие, представляет собой отношение амп-
литуды эффективного напряжения, снимаемого с приемника, к ампли-
туде синусоидального модулированного эффективного лучистого пото-
ка = u/F.
Напряжение шумов измеряется на выходе приемника и является
результатом суммарного действия теплового шума (хаотическое теп-
ловое движение свободных электронов), генерационно-рекомбинаци-
онного шума (возбуждение в кристаллической решетке полупроводни-
ка), токового шума (случайные изменения сопротивления полупровод-
ника), дробового шума (под действием потока дискретных частиц) и
шума мерцания (случайные изменения эмиссии фотокатода).
Порог чувствительности — это минимальное значение лучистого
потока, вызывающего на выходе приемника сигнал, равный среднему
квадратичному напряжению шумов (Fnop = V u^/Su)- Поскольку на-
пряжение шумов приемника зависит от размеров площадки чувстви-
тельного элемента qn и полосы частот усилителя Af, то для сравни-
тельного анализа приемников используют значение порога, отнесенное
к единичной полосе пропускания (1 Гц) п площади приемника (1 см2).
В этом случае/Гпор=1^иц|/‘^ V'9n^f- В практике критерием качества
приемников ИК-излучения служит обнаружительная способность D,
которая связана с порогом чувствительности соотношением D =
= 1/Г*ор(см-Гц'/2/Вт).
Постоянная времени приемника — параметр, характеризующий от-
резок времени тп от начала облучения приемника до момента, когда
напряжение на его выходе достигнет заданной части установившегося
значения. Так как для большинства приемников выходной сигнал на-
растает по экспоненте, то параметр тп считается до момента дости-
жения сигналом 0,63 установившегося значения.
Сопротивление чувствительного слоя, измеряемое в омах, опре-
деляет параметры входной цепи схемы усиления сигналов.
Для оценки приемников ИК-излучения наряду с рассмотренными
параметрами используют спектральную характеристику (зависимость
чувствительности приемника к монохроматическому излучению от
длины волны) и частотную характеристику (зависимость чувствитель-
ности приемника от частоты модуляции падающего на него лучистого
71
потока). Частотная характеристика приемника и его постоянная вре-
мени связаны соотношением тп=1/2л/, где f — частота, на которой
чувствительность болометра составляет 0.7 его чувствительности на
частоте 10 Гц.
Специфика условий работы приемников в аппаратуре контроля
букс позволяет сформулировать основные требования, которым долж-
ны удовлетворять приемники: спектральный диапазон чувствительно-
сти приемника должен быть соизмерим со спектром ИК-излучения
букс; уровень собственных шумов приемника должен быть существен-
но ниже сигналов нормально греющихся букс; порог чувствительности
приемника должен быть выше сигналов нормально греющихся букс;
постоянная времени приемника должна обеспечивать постоянство амп-
литуды сигнала на его выходе при любой скорости движения поезда;
параметры приемника по возможности должны быть инвариантны к
колебаниям окружающей температуры.
Анализ существующих типов приемников ИК-нзлучеиия с точки
зрения удовлетворения сформулированным требованиям показывает,
что многие из них не могут быть использованы для контроля букс.
Так, из тепловых приемников ИК-излучения наиболее подходящими
для контроля букс являются болометры и пироприемники, параметры
которых в той или иной степени удовлетворяют всем перечисленным
требованиям. Термоэлементы в силу своей большой инерционности
(постоянная времени термоэлементов находится в интервале 20—
250 мс) могут использоваться при контроле букс только как индиви-
дуальное средство контроля (в качестве датчика температуры нагре-
ва подшипника). Изменение сопротивления болометра Д/?с//?с с из-
менением его температуры на величину Д7" описывается приближен-
ным равенством Д/?о//?б = ₽Д7’, где Р —температурный коэффициент
сопротивления.
Для металлических болометров р — > для полупроводниковых
Р«—3000/Т2, т. е. последние являются более чувствительными.
В аппаратуре контроля букс применяются полупроводниковые бо-
лометры отечественного производства типов БКМ-4, БШ-2 и БП-1.
Для аппаратуры контроля букс разработаны опытные образцы пиро-
приемника.
Полупроводниковые болометры типа БКМ-4 состоят из рабочего
(активного) и компенсационного элементов. Чувствительный элемент
болометров представляет собой смесь марганца с кобальтом и имеет
форму прямоугольной пластинки толщиной 10 мкм, которая прикле-
ена к массивной подложке из кристаллического кварца. Электрические
параметры болометра БКМ-4 приведены в табл. 2.2. Следует заме-
тить, что болометры типа БКМ не вакуумные. Для стабилизации па-
раметров корпус болометра герметизирован. Входное окно выполнено
72
из бромистого калия, спектральная характеристика коэффициента про-
пускания равномерна до 30 мкм.
Более широко в аппаратуре контроля букс ПОНАБ-3 использу-
ются иммерсионные терморезисториые болометры типов БП1-2 и БП-1.
Болометры БП1-2 (БП-1) совмещает в своей конструкции прием-
ник инфракрасного излучения и оптическую систему (рис. 2.8). Линза
болометра 5 выполнена из германия, спектральная характеристика ко-
эффициента пропускания которого равномерна в диапазоне длин волн
1,7—15 мкм. Линза впаяна в держатель 3, который крепится к
основанию благодаря тугой посадке. Таким же образом крепится
основание 7 в цоколе 9. Корпус болометра 2 выполнен из ковара.
Торцы держателя линзы и цоколя соединяются с корпусом при
помощи сварки, чем обеспечивается герметичность конструкции бо-
лометра.
Активный терморезисторный элемент 4 размещается в фокусе лин-
зы и находится с последней в оптическом контакте, т. е. таким об-
разом осуществляется иммерсия чувствительного материала. Ком-
пенсационный терморезисторный элемент 6 размещается на сапфиро-
вой подложке и защищается от инфракрасного излучения алюминие-
вым экраном. Оба элемента подключаются к выводам 10 серебряной
проволокой диаметром 0,05 мм. Выводы болометра укрепляются в
цоколе иа изоляторах 8 из специального стекла. Для влагозащиты
стеклянных изоляторов цоколь заливается компаундом 1.
Таблица 2.2
Основные параметры приемников ИК-излучения
Тип приемника Площадь чувст- вительности по- верхности S, мм® Постоянная вре- мени т, мс Интегральная чувствительность Su , В/Вт Порог чувст- вительности Fop, Вт/см. Гц’/г Сопротивление кОм Н апряжение шумов, ш» В
Б КМ-4 БШ-2 БП-1 Модель 1345(США) Модель 1375(США) Модель 1395(США) Фирмы CSEE (Фран- ция) 1,6 0,28 0,25 1 0,16 0,16 0,04 2,5 3-5 2 4 2-3 2—3 0,01 120 40 1500 500 1500 1500 О СО СО 05 05 05 1 1 1 1 1 1 О О О О о О 1 ‘ г—1 Т—1 Г-Ч Т—< т—< 1 СЧ СО у—1 СО 00 00 750 2500 3500 2700 250 250 0,033 СО СО СО СО СО С0 1 1 1 1 1 1 оо о о о о U0 [ ИЮСЗПЩП оооооо
73
V id v
Рис. 2.8. Конструктивное оформ-
ление болометра БП1-2
Рис. 2.9. Частотная характерис-
тика болометров:
1 — БП1-2; 2 — БП1
Сопротивление чувствитель-
ных элементов болометра БП1-2
при температуре 25 °C не более
3 МОм. Температурный коэффи-
циент сопротивления полупровод-
никового материала болометра ра-
вен 4%/°C. С уменьшением тем-
пературы окружающего воздуха
сопротивление болометра резко
возрастает и при температуре
—20 °C достигает 50 МОм. Боло-
метр с такой частотной характе-
ристикой, которая приведена на
рис. 2.9, может преобразовывать
сигналы практически без искаже-
ний при движении поезда со ско-
ростью до 90—100 км/ч. При бо-
лее высокой скорости движения
поезда необходима коррекция ча-
стотной характеристики боломет-
ра, которая может быть выполне-
на с помощью корректирующих
цепей усилительного тракта. На
рис. 2.10 показана типовая диа-
грамма направленности боломет-
ра с углом зрения 5° (кривая /),
3° (кривая 1').
Основные электрические пара-
метры болометра БП1-2 приве-
дены в табл. 2.2, а их темпера-
турные зависимости — на рис.
2.11 и 2.12.
Для сокращения быстродей-
ствия болометра необходимо
уменьшить теплоемкость термо-
чувствительного элемента, что до-
стигается уменьшением его разме-
ров.
Однако последнее неизбежно
приводит к снижению чувствитель-
ности. Ее можно поднять за счет
предусилителя, встроенного в
корпус болометра. Именно такое
решение принято в иммерсионном
болометре БП-1. Встроенный в
74
Рис. 2.11. Зависимость интеграль-
ной чувствительности болометра
БП1-2 от температуры
Рис. 2.12. Зависимость сопротив-
ления плеч болометра БП1-2 от
температуры
корпус болометра предусилитель выполнен на бескорпусном поле-
вом транзисторе КП308.
Активный и компенсационный элементы формируются в одной
структуре. В качестве электродов используется золотое покрытие. Вы-
воды из золотой проволоки диаметром 40 мкм приваривают к элек-
тродам ультразвуковой сваркой. Совершенствование конструкции и
технологии изготовления болометра способствовало повышению его
стабильности и надежности. Параметры болометра БП-1 приведены
в табл. 2.2. На рис. 2.9 показана частотная характеристика болометра
БП1 (кривая 2), а на рис. 2.10 — диаграмма его направленности
(кривая 2).
Для сравнения в табл. 2.2 приведены также основные электри-
ческие характеристики зарубежных приемников ИК-излучения.
75
2.6. Выбор контролируемых элементов буксового узла
и углов ориентации оптических систем приемников
Задача обнаружения перегретых букс методом улавли-
вания и последующего преобразования их инфракрасного
излучения осложнена тем, что основная зона тепловыделе-
ния буксового узла (пара подшипник — шейка оси колес-
ной пары) недоступна для прямого контроля, и контроли-
ровать параметр (температура нагрева подшипника или
шейки оси) можно лишь косвенным методом путем изме-
рения температуры элементов корпуса буксы или колес-
ной пары.
При выборе элементов корпуса буксы и колесной па-
ры, по нагреву которых с достаточной достоверностью
можно было бы судить о температуре подшипника или
шейки оси колесной пары, необходимо стремиться к тому,
чтобы эти элементы имели по возможности большую тем-
пературу нагрева и позволяли относительно простыми
Рис. 2.13. Температурное поле буксы с подшипником скольжения в
стационарном тепловом режиме
Встречный
воздух
tn =П°С
76
Рис. 2.14. Варианты ориентации оптических систем приемников
ИК-излучения при контроле букс:
1 — букса с роликовым подшипником; 2 — колесная пара; 3 — тележка;
4 — букса с подшипником скольжения; 5 — устройство сканирования
средствами реализовать напольные считывающие устрой-
ства. На рис. 2.13 приведено полученное экспериментально
температурное поле буксы с подшипником скольжения при
нестационарном тепловом режиме после пробега 120 км со
средней скоростью 60 км/ч (температура наружного воз-
духа 12 °C).
В аппаратуре контроля букс с помощью инфракрасной
техники можно указать на несколько зон корпуса буксо-
вого узла и колесной пары, по нагреву которых можно с
той или иной точностью судить о нагреве шейки оси. На
рис. 2.14 показаны известные варианты ориентирования
оптических систем приемных устройств, применявшихся или
применяющихся в отечественной и зарубежной практике
автоматического контроля букс [30]. Наиболее нагретым
элементом корпуса буксы является верхняя горизонталь-
ная поверхность корпуса буксы б. Известны и зарубежные
напольные считывающие устройства, ориентированные на
эту часть буксового узла. Однако конструктивные особен-
ности отечественного подвижного состава (главным обра-
зом четырехосных платформ) и необходимость соблюде-
ния габарита приближения строений при размещении счи-
77
тывающих устройств делают эту часть буксы недоступной
для «взгляда» приемника ИК-излучения. Контроль тем-
пературы поверхности крышки буксового узла а не может
дать хороших результатов, так как она обдувается пото-
ком воздуха при движении поезда и слабо отражает сос-
тояние шейки оси, особенно в буксах с подшипниками
скольжения.
Наиболее распространенной является ориентация опти-
ческой системы сканирующих устройств аппаратуры конт-
роля на верх задней (относительно направления движе-
ния поезда) стенки корпуса буксы е. Эта достаточно
сильно нагретая часть буксы имеет тесную связь с темпе-
ратурой шейки оси и к тому же не обдувается встречным
потоком воздуха при движении поезда.
В основе следующей разновидности ориентации прием-
ников ж лежит известное положение о том, что отдельные
участки корпуса буксы, находясь в неодинаковых услови-
ях теплообмена, имеют разную температуру нагрева. Ап-
паратура контроля букс, построенная по такому принципу,
требует исключительно точной ориентации оптических сис-
тем, усложняется приемо-усилительный тракт аппарату-
ры. Из-за отмеченных недостатков этот принцип не нашел
распространения в аппаратуре контроля букс.
Ограниченно применяются и средства контроля, в кото-
рых оптические оси приемников ориентированы на низ
корпуса буксы з. При такой ориентации существенно со-
кращается расстояние от приемника ИК-излучения до объ-
екта контроля, однако эта часть буксы в силу охлажда-
ющего действия осевого масла имеет слабый нагрев, что
затрудняет контроль букс в условиях помех.
Хорошо передает температуру шейки оси верх задней
стенки корпуса буксы в, расположенный с внутренней сто-
роны рамы тележки. Однако эта часть буксового узла на-
иболее загрязнена, что может привести к пропуску пере-
гретой буксы из-за уменьшения коэффициента излучения
таких букс. К тому же эта часть буксового узла располо-
78
жена в непосредственной близости к разогретой подсту-
пичной части, тормозным колодкам и ободу колеса.
Из элементов колесной пары, лучшим образом отра-
жающих температуру нагрева шейки оси и на которые
ориентируют оптические системы приемников ИК-излуче-
ния, следует выделить подступичную часть оси, ступицу с
внешней стороны и ступицу с внутренней стороны колеса.
Подступичная часть оси с наружной стороны колеса г на-
илучшим образом характеризует нагрев шейки оси. Одна-
ко из-за ограниченного размера этой зоны трудно орга-
низовать надежный контроль в условиях поперечных сме-
щений колесной пары во время движения поезда. Кроме
того, при сканировании этой части колесной пары в зону,
охватываемую углом зрения приемника ИК-излучения, мо-
гут попадать тормозные колодки и обод колеса, разогре-
ваемый при торможении до температуры, превышающей
температуру нагрева подступичной части оси.
Ориентация оптической системы на ступицу с внутрен-
ней стороны колеса д позволяет лучше защитить приемо-
усилительный тракт от помех, различных климатических
факторов, дает возможность использовать одну напольную
камеру для сканирования ступиц колес левой и правой
стороны поезда. Однако анализ взаимосвязи температуры
этой части ступицы и шейки оси (см. п. 1.5) показал, что
связь между ними менее тесная, чем между температурой
шейки оси и ступицей с наружной стороны колеса, ориен-
тация оптической системы на которую более предпочти-
тельна.
Таким образом, из рассмотренных вариантов ориента-
ции оптических систем аппаратуры контроля букс в каче-
стве основной следует выбрать ориентацию на верх зад-
ней стенки корпуса буксы е. Такая ориентация позволяет
контролировать буксы вслед уходящего поезда, что предо-
храняет входные окна напольных считывающих устройств
от загрязнения. Ориентация оптической системы при-
емника на некоторую точку (например, О на рис. 2.15, 2.16)
79
Рис. 2.15. Ориента-
ция оптической сис-
темы в поперечном
сечении пути
Рис. 2.16. Ориента-
ция оптической сис-
темы в пространстве
80
Таблица 2.3
Углы ориентации оптических систем в аппаратуре
автоматического контроля букс
Углы ориентации, гра 1
Тип аппаратуры а 4
ПОНАБ-2, ПОНАБ-3 34 68 13
CSEE (Франция) 55 73 25
Servo Corporation (США) (модель 7788) 35 83 5
в пространстве может быть задана тремя углами: углом
наклона оптической оси к горизонту а; углом наклона к
горизонту проекции оптической оси на плоскость, пер-
пендикулярную оси пути ф; углом между следом верти-
кальной плоскости, проходящей через оптическую ось
на горизонтальной плоскости, и осью железнодорожного
пути ф. В известных системах автоматического контроля
букс эти углы имеют различные значения (табл. 2.3).
Разнообразие вариантов ориентации оптики на одну и
ту же точку на буксе определяется местными условиями, в
которых эксплуатируется аппаратура контроля, конструк-
тивными особенностями подвижного состава, буксовых
узлов, а также расположением посторонних источников
ИК.-излучения. Рассмотрим процедуру выбора углов
ориентации оптики при сканировании задней стенки кор-
пуса буксы применительно к отечественным железным
дорогам. Ориентация оптики должна удовлетворять сле-
дующим требованиям [32]: излучения от тормозной ко-
лодки и обода колеса, нагретых при торможении поезда,
не должны попадать в поле зрения приемника излучения;
контролируемый поезд должен закрывать приемник
ИК-излучения от прямого попадания солнечного излуче-
ния; износы пути и подвижного состава не должны ухуд-
81
шать условий сканирования буксы; напольные считываю-
щие устройства не должны выходить за габариты прибли-
жения строений.
Принципы выбора углов рассмотрим на примере кис-
лотной цистерны (см. рис. 2.15), для которой наиболее
сложно выполнить требование необходимости перекрытия
поездом оптической системы от прямого попадания сол-
нечных лучей.
Координаты точки ориентации оптической оси на стен-
ку корпуса буксы (Ь и ах) должны быть такими, чтобы при
всем многообразии конструкции букс, максимальном изно-
се колес и пути точка О попадала в поле обзора оптичес-
кой системы приемника. Аналитические расисты и экспери-
ментальные исследования показали, что для отечественно-
го подвижного состава эти координаты должны быть
Ь = 0,52 м; ai = 0,4 м [29, 31].
Минимальное значение угла ipmin необходимо выбирать
исходя из недопустимости попадания в поле зрения при-
емника излучения посторонних нагретых тел. В соответст-
вии с рис. 2.15
tg'imln=--------------- (2.10)
а sin Фт!п
где h — расстояние от точки О на буксе до верхней кромки колеса по
вертикали, мм;
а — расстояние от наружного торца колеса до точки О, мм;
dx — диаметр поля обзора приемника на уровне верхней кромки обода
колеса, мм.
Подставляя значения h, а и d\ в (2.10) и решая полу-
ченное уравнение относительно ipmin, найдем трты —64°30'.
Максимальное значение этого угла необходимо выбирать
из условия защиты приемника ИК-излучения от прямого
попадания солнечных лучей. В соответствии с рис. 2.16
tg фтах =—— > (2-11)
п
где I, /7—расстояния, зависящие от конструкции экипажной части вагона, мм.
82
Подставляя значение I и Н в (2.11), найдем т[)тах=770.
Значение оптимального угла тропт найдем как среднее меж-
ду Ipmin И Ipmax-
Очевидно, при угле ориентации T|)onT = 70° и заданном
угле зрения приемника вероятность попадания в оптичес-
кую систему излучения от посторонних источников будет
минимальной.
Значение угла тропт определяет величину /<0 — крайнего
положения приемника излучения относительно верхнего
строения пути в поперечном сечении:
£> + Н. d
Ко = sin + м’ (2Л2)
ь5 Т О ПТ Z
где £>к — наибольший диаметр колеса по кругу катания, мм;
/Л — высота рельсов на контрольном участке пути, мм;
М — ширина обода колеса без учета толщины гребня, мм.
Подставляя в (2.12) значения DK, Н\ и М, найдем
Ло = 0,585 м.
Угол наклона оптической оси к горизонту [32]
о» = (cos а + cos3 а), (2.13)
где d — диаметр «пятна» на корпусе буксы, охватываемый телесным уг-
лом ш оптической системы приемника.
Решая уравнение (2.13) относительно а, получим
а=55°30/. Предельный угол наклона оптической оси к оси
пути в плане, при котором ходовые части вагона будут
полностью перекрывать оптику приемника ИК-излучения
83
от попадания солнечных лучей, определяется соотноше-
нием
/1
L ~ ’
где li — расстояние между наружными торцовыми поверхностями колес
одной оси, м;
L, Lo — база соответственно вагона и тележки, м;
dy — диаметр колес, м.
В зависимости от типа контролируемого вагона угол ср
может изменяться от 7 до 11° для пассажирских вагонов
и от 13 до 22° для грузовых вагонов. Оптимальным углом
следовало бы считать фОит=7°. Однако геометрические по-
строения показывают, что разместить приемник ИК-излу-
чения в некоторой расчетной точке с углами тропт, а0Пт и
Фонт не представляется возможным. В связи с этим, а так-
же учитывая инерционность приемников ИК-излучения,
углы ориентации оптической оси для отечественной аппара-
туры типа ПОНАБ несколько изменены и равны значени-
ям, указанным в табл. 2.3.
3
ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ БУКСОВЫХ УЗЛОВ
ПРИ КОНТРОЛЕ
3.1. Статистические характеристики
телеметрических сигналов букс
Автоматическое распознавание греющихся букс осу-
ществляется на основе анализа и обработки по определен-
ным алгоритмам характеристик телеметрических сигна-
лов, являющихся результатом преобразования приемни-
ком мощности ИК-излучения букс, и возможно при нали-
чии некоторой априорной (исходной) информации об их
сигналах. Вот почему изучение статистических характери-
стик телеметрических сигналов от букс имеет первостепен-
ное значение при разработке методов и технических
средств автоматического обнаружения перегретых букс.
Важность изучения статистических характеристик сигна-
лов от букс имеет особенное значение еще и потому, что
эти сигналы являются первичной информацией, несущей
сведения о техническом состоянии буксовых узлов.
Экспериментальные исследования телеметрических си-
гналов от букс проводились авторами неоднократно на
различных участках железных дорог [33]. Результаты,
полученные в ходе выполнения этих исследований, обоб-
щены с целью получения аналитических выражений, учи-
тывающих общие закономерности физических процессов
буксовых узлов.
Параметры телеметрических сигналов от букс зависят
от температурного рельефа контролируемого объекта (на-
пример, корпуса буксы), который в свою очередь опреде-
ляется температурой подшипника (или шейки оси колес-
85
ной пары). Ранее было показано, что температура под-
шипника на любом отрезке пути изменяется по экспонен-
те, параметры которой (начальное и установившееся
значения, постоянная времени) являются случайными ве-
личинами, зависящими от многих факторов: состояния бук-
сового узла, температуры наружного воздуха, скорости по-
езда, нагрузки на ось и др. Это означает, что установив-
шийся режим теплообмена для каждой буксы наступает
в «свое» время. Экспериментально установлено, что уста-
новившийся режим буксы наступает через 30—40 км от
момента начала движения поезда. Поэтому статистические
характеристики сигналов букс изучались на расстоянии
80—120 км от точки начала движения поезда (ПТО).
Основными статистическими характеристиками теле-
метрических сигналов от букс являются: одномерные фун-
кции распределения амплитудных значений сигналов нор-
мально греющихся и перегретых букс; двумерные и мно-
гомерные функции распределения амплитудных значений
сигналов двух (или нескольких) букс вагона; одномерные
функции распределения длительностей сигналов от букс
и пауз между сигналами; вероятности появления сигналов
от нормально греющихся и перегретых букс.
Одномерные функции распределения амплитуд сигна-
лов букс. Телеметрические сигналы от букс представляют
собой последовательность однополярных импульсов, одна
из реализаций которой показана на рис. 3.1. Строго гово-
ря, такая последовательность не является ни стационар-
ным, ни эргодическим процессом, так как средние значе-
ния амплитуд импульсов отличаются как от реализации
к реализации (например, от одного поезда к другому),
так и во времени. Первое обстоятельство обусловлено ре-
жимом движения поезда по участку безостановочного сле-
дования, его загрузкой; второе — климатическими усло-
виями. Поэтому при определении статистических характе-
ристик телеметрических сигналов букс проводилось усред-
нение как по множеству реализаций, так и во времени.
86
вагон 3
Вагон it
Рис. 3.1. Реализация сигнала контролируемых букс
Статистические характеристики, полученные в результате
такого усреднения, не зависят от времени и номера реали-
зации и характеризуют некоторую обобщенную последо-
вательность сигналов. В дальнейшем под термином «теле-
метрические сигналы от букс» будем понимать такую
«среднестатическую» импульсную последовательность.
Не касаясь методики сбора и обработки эксперимен-
тальных данных, которая описана, например, в [33], ос-
тановимся на гистограммах и непрерывных законах рас-
пределения амплитуд сигналов нормально греющихся
(рис. 3.2, а) и перегретых (рис. 3.2,6) букс. В [53] про-
веркой статистических гипотез • показано, что плотность
вероятности значений амплитуд сигналов нормально гре-
ющихся №ц(х) и перегретых №[2(х) букс достаточно
хорошо аппроксимируется логарифмически-нормальными
законами распределения
р при—оо<_г^0
при х>0, (3.1)
где ак, зк — параметры логарифмически-нормального распределения;
к е [1, 2| — индекс, указывающий на принадлежность параметра соответ-
ственно к классу нормально греющихся и перегретых букс.
Значения параметров законов распределения амплитуд
сигналов нормально греющихся и перегретых букс приве-
дены в табл. 3.1. Эти значения, так же как и вид функции
87
распределения W'ik(x), получены без разделения сигналов
на сигналы от букс скольжения и сигналы от роликовых
букс. Но множество сигналов, составляющих классы нор-
мально греющихся и перегретых букс, в свою очередь со-
стоят из двух подмножеств: сигналов от роликовых букс
и букс скольжения. Так, множество сигналов класса нор-
мально греющихся букс (И) составляют множества си-
гналов нормально греющихся роликовых букс (Нр) и букс
скольжения (Нс). Аналогично множество сигналов класса
перегретых букс (П) составляют множества сигналов роли-
ковых букс (Пр) и букс скольжения (Пс).
Рис. 3.2. Гистограммы и непре-
рывные законы распределения
плотности вероятности амплитуд
сигналов нормально греющихся
(а) и перегретых (б) букс
Рис. 3.3. Непрерывные законы
распределения плотности вероят-
ности амплитуд сигналов нор-
мально греющихся (а) и пере-
гретых (б) роликовых букс (1)
и букс скольжения (2)
88
Таблица 3.1
Значения параметров и моментов законов распределения
амплитуд сигналов от букс
Класс букс Параметры законов распределения Моменты законов распределений
2 ак tri\ м, -Из М, К V
Нормально 1,76 0,12 6,17 4,86 11,95 124,9 1,117 2,29
греющиеся Перегретые 3,1 0,14 23,8 85,18 959,9 41 816 1,221 2,76
Исследования показывают, что распределения ампли-
туд сигналов нормально греющихся роликовых букс и букс
скольжения, а также амплитуд сигналов перегретых ро-
ликовых букс и букс скольжения с достаточной точностью
также могут быть аппроксимированы логарифмическп-
нормальными законами. На рис. 3.3, а показаны гистограм-
мы и непрерывные законы распределения амплитуд сигна-
лов нормально греющихся роликовых букс WuP(x) и
букс скольжения №цс(х), а на рис. 3.3, б — перегретых
роликовых букс 1^12р(х) и букс скольжения Wi2c (х). Па-
раметры, по которым на указанных рисунках построены
непрерывные законы, приведены в табл. 3.2.
Полученные результаты статистической обработки зна-
чений амплитуд сигналов букс не противоречат физичес-
ким процессам, происходящим в буксах при движении
поезда. Действительно, среднее значение превышения тем-
пературы корпуса нормально греющейся роликовой бук-
сы над температурой окружающего воздуха по сравнению
с аналогичным параметром для буксы скольжения при-
близительно в 2—4 раза меньше. В то же время среди мно-
жества нормально греющихся роликовых букс встречают-
ся отдельные буксы, имеющие превышение температуры
89
Таблица 3.2
Значения параметров и моментов законов распределения амплитуд
сигналов от роликовых букс и букс скольжения
Класс букс Тип буксы Параметры законов распреде- лений Моменты законов распределений
ак 2 ак /П1 Жа м3 ль К V
Нормально греющиеся (Н) Роликовая 0,17 0,75 1,72 3,32 26,35 546,4 4,35 46,5
Скольже- ния 1,7 0,22 6,11 9,19 44,85 670,1 1,6 4,9
Перегре- тые (П) Роликовая 3,33 0,13 29,67 123,5 1400 98 500 1,1 3,5
Скольже- ния 3,08 0,14 23,34 81,84 904,05 38 601 1,2 2,8
корпуса над температурой окружающего воздуха большее,
чем у нормально греющихся букс скольжения. Это под-
тверждается большим значением коэффициента асиммет-
рии у нормально греющихся роликовых букс (7<=4,35)
по сравнению с коэффициентом асимметрии нормально
греющихся букс скольжения (К=1,6). Положительные
значения коэффициентов асимметрии нормально греющих-
ся и перегретых букс указывают на то, что среди множест-
ва значений сигналов букс каждого из классов могут
встречаться значения сигналов, значительно превышаю-
щие их средний уровень.
При решении некоторых вероятностных задач, связан-
ных с автоматическим распознаванием греющихся букс,
необходимо знать значения моментов распределения ам-
плитуд сигналов букс. Пользуясь общими выражениями
90
начальных (mn) и центральных (Мп) моментов распре-
деления
тп= | хп WiK (х) dx-, Мп= I (х — mJ'1 UZ1K (х) dx,
—со — со
где wii — математическое ожидание (среднее значение) случайной величи-
ны х,
и подставляя в эти выражения формулу закона распре-
деления амплитуд сигналов (3.1), после интегрирования
и преобразований найдем соотношения между моментами
и параметрами закона распределения амплитуд сигналов
букс:
/ 4 \
/771 = ехр + — р (3.2)
.142 = ехр(2ак4-ок) [ехр(ак) — 1]; (3.3)
= ехр (Зак + Ок) [2 — 3 ехр ( Ок) + ехр (Зак)]; (3.4)
.И4=ехр [4ак+2ак)[ ехр (бак)—4 ехр(Зак)+6 ехр(4) — 3]. (3.5)
Центральные моменты третьего Л43 и четвертого Л14 по-
рядков являются критериями для оценки соответственно
асимметрии и эксцесса закона распределения, который ха-
рактеризуется коэффициентом асимметрии
Мз
и коэффициентом эксцесса
— _
1 ~ М*
(3.6)
(3-7)
Значения параметров законов распределения и момен-
тов, рассчитанных по формулам (3.2) — (3.7) для ампли-
туд сигналов нормально греющихся и перегретых букс,
91
сведены в табл. 3.2. Результаты, приведенные в табл. 3.1
и 3.2, получены при амплитудах сигналов, заданных в
миллиметрах (длина амплитуды сигнала, изображенного
на ленте самопишущего прибора). При необходимости
представления полученных результатов в вольтах следует
пользоваться соотношением
и = ах,
(3-8)
где а — коэффициент пропорциональности, В/мм.
В этом случае законы распределения и числовые ха-
рактеристики искомых случайных величин могут быть по-
лучены по известному правилу функционального преобра-
зования случайных величин, в соответствии с которым
Г1к(«) = Г1к[х(м)]|-£х(«)|, (3.9)
где х (и) — функция, обратная заданной.
Подставляя в (3.9) выражение (3.1) с учетом (3.8),
после преобразований получим
О при — оо < и с' О,
U71K(zz) =
1 I [1п« — (а 4-in а)]2
-==-----ехр---------------—---------
ак и Н ( 2а*
при и
>0.
(3.10)
Многомерные функции распределений амплитуд сигна-
лов букс. Для записи многомерных законов распределе-
ния совокупности амплитуд сигналов букс одного вагона,
необходимых при аналитическом определении законов
распределения различных признаков распознавания грею-
щихся букс, надо располагать сведениями о корреляции
амплитуд сигналов различных пар букс в вагоне. Мерой
такой корреляции являются коэффициенты корреляции
Гц между амплитудами сигналов i-й и /-й букс, которые
92
представляют собой средние значения произведений норми-
рованных отклонений пар случайных амплитуд сигналов.
Экспериментальные исследования показали, что если
цифровыми индексами последовательно обозначить номе-
ра осей одного вагона, то коэффициенты корреляции ме-
жду амплитудами сигналов букс каждой из сторон четы-
рехосного вагона можно записать в виде корреляционной
матрицы
Г 1 0,4 0,3 0,3 "
1
Для шестиосного вагона корреляционная матрица име-
ет вид
1 0,4 0,4 0,3 0,2 0,2
1 0,4 0,3 0,3 0,2
_ n _ 1 0,3 0,3 0,3
rii Un 1 0,4 0,4
1 0,4
1
Коэффициенты корреляции между амплитудами сигна-
лов букс одной колесной пары для букс скольжения гц' =
= 0,5; для роликовых букс г7/=О,6. Как следует из приве-
денных матриц, коэффициент корреляции амплитуд сигна-
лов букс одной тележки, как правило, на 0,1—0,2 выше
коэффициента корреляции амплитуд сигналов разных теле-
жек, а коэффициент корреляции амплитуд сигналов букс
одной колесной пары на 0,1—0,2 выше коэффициента кор-
реляции амплитуд сигналов букс одной тележки.
Корреляция амплитуд сигналов букс зависит от загруз-
ки вагона. В незагруженных составах корреляция между
температурой нагрева корпусов букс менее выражена, а
иногда и вовсе отсутствует.
93
Сведения о коэффициентах корреляции и специфичес-
кий вид выражения одномерного закона распределения
амплитуд сигналов позволяют записать выражение мно-
гомерного закона распределения плотности вероятности
логарифмов амплитуд сигналов любого числа букс в ва-
гоне:
№пк(1пх1г , 1пх„) =
°/к..%к^(2-)Л^к
f п п
Хехр Di'
I Z = 1 /=1
lnxz -агк
(3.12)
где aiK, ajK, с1к, ау-к — параметры распределения;
DnK — определитель и-го порядка;
Dij — алгебраическое дополнение элемента в оп-
ределителе DnK
Для букс одной колесной пары или двух букс одной
стороны тележки вагона формула (3.12) имеет вид
и/гкОпхр 1пх,) =------------
2ла1К а2к I
.2
12к
х exp|— 1
2(1 —Г?2к) .
.2
и1к
— 2г12к
С1к g2k
а2к
Как видно из выражений (3.12) и (3.13), переход от
амплитуд сигналов букс к их логарифмам позволяет в ка-
честве закона распределения амплитуд сигналов исполь-
зовать n-мерную функцию нормального распределения.
Это позволяет в аналитическом виде решать задачи, свя-
занные с исследованием методов обнаружения перегретых
букс. Однако в некоторых случаях необходимо пользо-
ваться законом распределения не логарифмов, а ампли-
94
туд сигналов букс. Выражение такого закона может быть
получено с помощью формулы функционального преобра-
зования двухмерных знаков распределения
ТОГТТТ' (3'14)
I д (Xi, х2) I
в которой Xj — <р1(>'1, у2); -^9 =?2(У1, у2) представляют
обратные функции связанных
собой
величин, а величина
dxt dxi
dyi дУг
дх2 дх2
dyi ду2
д (xt, х2)
<5(5’1, №)
якобиан преобразования.
В рассматриваемом случае:
= (У1) = 1пу1;
и якобиан преобразования
<5yi <5yi
• 1 dxi дх2
дуг ду2
дх\ дх2
Подставляя (3.16) с учетом
получим
№2к (У1, Уг) =-------
2ла1к а2к
*2 = <?2 (У-2)= 1Пу2
равен
<5yi
dxi
дуг
дх2
(3.15) в формулу
,2
12к
(3.15)
(3.16)
(3.14),
О
1
О
1
X
(1ПУ1-Л1К)2 (1ПУ1 — «1К)(1пу2 — а2к)
-----2 ^'12 к Г
а1к-------------------------а1к а2к
(1пу2-«.2к) 11
и
(3.17)
95
Рис. 3.4. Схема формирования
сигнала от буксы
Функции распределения
длительности сигналов букс.
Для определения энергети-
ческих характеристик теле-
метрических сигналов букс
необходимо знать статисти-
ческие характеристики дли-
тельностей импульсов, ха-
рактеризующих тепловой
рельеф буксы по линии ска-
нирования, и пауз между
этими импульсами.
Под длительностью сиг-
налов от букс будем пони-
мать измеренную у основа-
ния продолжительность импульса, характеризующего теп-
ловой рельеф буксы по линии сканирования. Процесс фор-
мирования сигнала от букс иллюстрирует рис. 3.4. Дли-
тельность идеализированного импульса (сигнала от буксы
скольжения) можно оценить выражением
“И
If, . h \
— v ° > ) ’
Vn \ tg? J
(3.18)
где 1б — 0,230 м — ширина буксы;
Л = 0,323 м — высота буксы;
(р — угол наклона оптической оси считывающего устройства к гори-
зонтальной плоскости (в отечественной аппаратуре о=34°);
vn — скорость движения поезда, м/с.
Как следует из выражения (3.18), длительность сигна-
лов букс зависит от скорости движения поезда в момент
контроля, габаритных размеров букс, их типа, угла ори-
ентации приемника ИК-излучения, случайных продольных
и поперечных перемещений буксового узла при движении
поезда и др.
Экспериментальные исследования с последующей ста-
тистической обработкой материалов показали, что при-
96
Таблица 3.3
Значения моментов распределения длительности сигналов букс
скольжения и роликовых букс
Тип буксы Математическое ожидание тх а Дисперсия
мм С мм2 С2
Скольжения 4,45 0,0512 0,89 0,0001
Роликовая 3,01 0,0348 0,94 0,0001
веденные к скорости движения поезда 50 км/ч длительно-
сти сигналов от роликовых букс и букс скольжения рас-
пределены по нормальному закону (рис. 3.5):
1^1 (^изо) =--------W~eXP
ат50 V2*
( ти5о - тт50 )? -
2^50
9 v
где mz50 , а^50 — математическое ожидание и дисперсия длительностей
сигналов от букс при vn == 50 км/ч.
Параметры законов распределения длительностей ро-
ликовых букс и букс скольжения приведены в табл. 3.3.
Длительность сигнала от буксы при скорости движе-
ния поезда, отличной от 50 км/ч,
ти»п = ти30 — • (3.19)
Пользуясь формулой (3.19), можно определить пара-
метры закона распределения длительностей сигналов букс
в поезде при любой скорости его движения. В частности,
среднее значение длительности сигналов букс при задан-
ной скорости движения поезда
(3.20)
т™п = тх50 — .
4—44947
97
а дисперсия
Рис. 3.5. Гистограммы и непре-
рывные законы распределения
плотности вероятности дли-
тельностей сигналов роликовых
букс (1) и букс скольжения (2)
при скорости движения поезда
50 км/ч
Рис. 3.6. Вероятность появления
перегретой буксы в зависимости
от длины пробега поезда
98
2 2 /50 \2 /ООП
а^п = а-50 — • (3.21)
\ п /
Вероятностные характе-
ристики классов нормально
греющихся и перегретых
букс. При решении задач
оптимизации обнаружения
перегретых букс и дру-
гих задач статистического
распознавания необходимо
иметь сведения о вероятно-
сти классов распознавае-
мых объектов. Специфиче-
ским моментом в случае
обнаружения перегретых
букс является зависимость
вероятности классов нор-
мально греющихся и пере-
гретых букс от размеров
движения поездов по участ-
ку контроля, от расстояния,
пройденного поездом до
точки контроля других фак-
торов.
На рис. 3.6 показана
усредненная зависимость
вероятности появления пе-
регретой буксы Р(п) от рас-
стояния, пройденного поез-
дом до точки его конт-
роля.
Априорная вероятность
появления в поезде перегре-
той буксы определялась отношением числа перегретых
букс Л/, к общему количеству букс в поездах No:
Nn
No ’
Априорную вероятность появления нормально грею-
щейся буксы можно найти из соотношения/5 (н) = 1 —Р(п).
В то же время каждый из указанных классов букс со-
стоит из букс скольжения и роликовых букс, т. е.
Р (п) = Рр Р (пр) + Pc р (Пг); Рн = Рр Р (Нр) + Рс Р (нс),
где Р Рс — соответственно вероятности появления в составе роли-
р’ ковой буксы и буксы скольжения;
Р(п ), Р (пс) — соответственно вероятности появления перегретой роли-
ковой буксы и буксы скольжения;
Р(н ), Р (нс) — соответственно вероятности появления нормально грею-
щейся роликовой буксы и буксы скольжения.
По мере оснащения вагонного парка роликовыми под-
шипниками соотношение между Рр и Рс изменяется.
В настоящее время указанные вероятности примерно
равны Рр = 0,4; Рс = 0,6.
3.2. Энергетические характеристики
телеметрических сигналов букс
К энергетическим характеристикам сигналов относят-
ся энергетический спектр и корреляционная функция,
сведения о которых необходимы для анализа и расчета
схем измерительного тракта аппаратуры контроля букс,
рассмотрения процессов формирования и прохождения
сигналов по трактам и каналам связи. Поскольку основ-
ные параметры телеметрических сигналов букс (амплиту-
да, длительность импульсов и пауз) являются случайны-
ми функциями времени, то при определении их энергети-
4* 99
ческих характеристик задача сводится к нахождению
энергетического спектра и корреляционной функции апе-
риодического случайного процесса.
Реализация последовательности телеметрических
сигналов букс контролируемого поезда (рис. 3.7) имеет
аналитическую запись в виде [44]
n It — tW
«0 —
«=0 \
где — амплитуда и-го импульса к-й реализации;
и0 (t) — нормированная функция импульса единичной амплитуды;
- длительность n-го импульса.
Так как рассматриваемый импульсный случайный про-
цесс является апериодическим, то общее аналитическое
выражение энергетического спектра
F(o>) =
2«?а
т
о
I g (<'>"ио) |2
+ Q (“) + 8 (“)
1 о
где яг а;] — среднее значение и дисперсия случайных амплитуд импуль-
сов;
хио — сРеДняя длительность импульсов;
То — средний интервал между импульсами;
g (ш) — спектральная плотность функции u0(t);
Q (ш) — составляющая энергетического спектра, зависящая от ста-
тистических характеристик длительностей импульсов и пауз
между ними.
Выражение энергетического спектра при всех случай-
ных параметрах телеметрического сигнала от букс най-
дено в [44]. Это выражение громоздко, что затрудняет
его применение в инженерной практике. Если допустить,
что ТиоСГо, то Q (со) = 1, и тогда
F(co)
9 9 \ 2
= —f-------।S(“Тио)I2 !+ — + ^-S(“)
1 о \wia / 1 О
100
Рис. 3.7. Реализация последовательности телеметрических
сигналов от букс
т. е. энергетический спектр последовательности сигналов
от букс с точностью до постоянного множителя совпадает
со спектром одиночного импульса (нормированного си-
гнала).
Анализ осциллограмм реализаций телеметрических си-
гналов от букс показывает, что при ориентации оптичес-
кой системы приемника ИК-излучения на заднюю (по хо-
ду движения поезда) стен-
ку корпуса буксы нормиро-
ванная функция импульса
от буксы скольжения хо-
рошо аппроксимируется
(рис. 3.8) треугольной кри-
вой (1), описываемой вы-
ражением
«ос(О=1~ —И,
а импульса от роликовой
буксы — отрезком косину-
соиды (2)
иор (О == cos —— t-
хи0
Рнс. 3.8. Аппроксимации сигналов
букс нормированными функциями
101
Нормированная функция некоторого обобщенного си-
гнала может быть аппроксимирована колоколообразной
функцией (3) вида
«о(О = е~₽’
где р — параметр, характеризующий крутизну фронтов импульсов и завися-
щий от скорости движения поезда.
Параметр р связан со скоростью движения поезда
vn зависимостью
р == kvn,
где k— 1,3 ч/км—коэффициент пропорциональности.
Выражения спектральных плотностей нормированных
функций одиночных сигналов букс скольжения, роликовых
букс и обобщенного сигнала:
">тч0
со3
=-у
а выражения энергетических спектров этих сигналов:
2/п1ати0 / 8 . 2“"и0^
In О 1 11 I
Г о \ 0)2 So 4 I
(3.22)
102
Рис. 3.9. Энергетические спектры телеметрических сигналов букс при
разной скорости движения поезда во время контроля:
/ — 5 км/ч; 2 — 50 км/ч; 3 — 120 км/ч
На рис. 3.9 представлены кривые энергетических спек-
тров телеметрических сигналов букс для разных скоро-
стей движения поезда, рассчитанные по формуле энерге-
тического спектра обобщенного сигнала (3.22). Расчеты
выполнены при значениях mia = 6,17 и тио = 2,177. Как
видно из приведенных кривых, энергетические спектры те-
леметрических сигналов букс представляют собой моно-
тонно убывающие функции с дискретными компонентами,
соответствующими постоянным составляющим случайных
процессов, причем с уменьшением скорости движения по-
ездов большая часть энергии сигналов концентрируется
в области нижних частот.
Энергия сигнала, заключенная в заданном диапазоне
частот (coi—(02) [35, 36],
r/(0>) = /r(«>)da>. (3.23)
со.
По формулам (3.22), (3.23) можно определить распре-
деление энергии телеметрических сигналов и оценить гра-
ницы частотного диапазона измерительного тракта аппа-
ратуры контроля букс, обеспечивающего передачу сигна-
103
лов с заданной точностью. Запишем выражение частич-
ной энергии сигнала, заключенной в диапазоне частот от
О ДО й)о.’
OJ, оо
W' («>) = ] F (w)dw UZmax = f F
о о
а выражение частичной энергии, заключенной в диапазо-
не частот от ©о до оо,
ОО
U7" («>) = ]’Г
<*.
и обозначим соответствующие функции распределения
энергии в указанных диапазонах частот:
X' -^w'х" --w"(ю)
UZ-ax ’ ^max
|Ц4Л 111 4 Л
На рис. 3.10 показаны зависимости Х'=/(со) — кривая
1 и Х/ = ф(со) — кривая 2. При заданной величине потерь
энергии в цепях приемо-усилительного тракта аппаратуры
контроля букс, например 0,1, по кривой 1 находим верх-
Рис. 3.10. Частотные функции
X', X" распределения энергии
сигналов букс
Рис. 3.11. Корреляционные функ-
ции сигналов букс при разной
скорости движения поезда:
1 — 5 км/ч; 2 — 50 км/ч; 3 ~ 120 км/ч
104
нюю (®2 = 95 Ис), а по кривой 2 — нижнюю (coi = 0,25 Ис)
границы частотного диапазона приемо-усилительного трак-
та, обеспечивающего передачу 90% энергии сигнала.
Пользуясь формулой преобразования Фурье, найдем фун-
кцию корреляции телеметрического сигнала от букс:
В (/) = — f F («>) cos a>Tcf(o. (3.24)
л b
Подставляя в (3.24) выражение энергетического спек-
тра обобщенного сигнала (3.22), после интегрирования
и преобразования получим
V2S Г ( а \2 1 т1а"ио
в (;) = ,г 1а и0. I 1 е 2 + -Цг-— -
U 1 0 Р L \ "Ча / Уо Р2
т.е. корреляционная функция телеметрического сигнала
от букс наряду с переменной содержит постоянную ком-
поненту. На рис. 3.11 показана зависимость ПРИ
различной скорости движения поезда.
3.3. Оценка требуемой точности измерения
температуры буксы по инфракрасному излучению
Для оценки точности измерения температуры корпуса
буксы при ее контроле следует руководствоваться отно-
сительной погрешностью принятого метода измерения кон-
тролируемого параметра. При аппаратурном контроле тех-
нического состояния букс критерием их неисправности яв-
ляется превышение температуры шейки оси заданного
порогового (аварийного) значения, о достижении которого
можно судить по превышению температуры корпуса бук-
сы температуры окружающей среды (воздуха). Оценим
относительную погрешность выбранного метода контроля
букс.
105
Выше было показано, что связь между температурой
шейки оси (АТш) и корпуса буксы (АТК) имеет вероят-
ностный характер и описывается законом двухмерного рас-
пределения.
Абсолютную погрешность, с которой измеряется тем-
пература шейки оси по температуре задней стенки корпу-
са буксы, можно получить с помощью условного закона
распределения температуры шейки оси при заданном по-
роговом значении температуры корпуса буксы. Выраже-
ние условного закона распределения температуры шеек
осей можно записать через известные безусловные законы
распределений:
ИпМГ,,.), 1п(АГ )1
Г2[1п(ДТш)|1п(Д7\)] = 21J„n7’_ , (3-25)
W1 [|п(АГк)]
где W'1 [In(АТК)1 — одномерный закон распределения плотности вероят-
J ности температуры корпусов букс.
В [49] определено, что
Подставляя (1.38) и (3.26) в (3.25), после преобразо-
ваний найдем:
W2 [In (ДТШ) | In (Д7\)] = -1 X
/2^7.шГ1-г2Гшк
Хехр.
1
2(1-'2) 4Ш
1п(Д 7'ш)-аГш-гГшк-^!(1п (ДГ к)-аГк)
1 к
Полученное выражение представляет собой нормаль-
ный закон распределения плотности вероятности величи-
ны 1п(АТш) с математическим ожиданием
106
a?J[n (ДТ к) = аТш + г7 шк [In (АТк) — аТк\
и средним квадратичным отклонением
-'Г IT &Т г 1 ---
' ш'' к ' ш ' тшк •
Переходя от логарифмического масштаба к реальной
величине ДТШ) запишем моменты ее распределения:
/«7Ш = дТшср = ехр|[Лгш | In(ДТк)[ + ; (3.27)
М27ш = адгш = ехр [2аГш | In (А Г к)| [ехр (а2Гш/Гк) - 1 ]. (3.28)
Полученные выражения позволяют с заданной точно-
стью определить исходные данные для оценки относитель-
ной погрешности выбранного метода контроля букс.
В качестве критерия аварийности букс зададимся зна-
чением температуры шейки оси 7'1ПО = 120оС (Д7'ШО=100°С
при Т'ив = 20°С). Соответствующее ему пороговое значение
ДГко, найденное с помощью уравнения линии регрессии
In (АГ к) = аТк + г [In (АГш) - аГщ],
равно 23,34°С.
Подставляя полученное значение ДГКО в (3.27), полу-
чим отш/тк = 0,158. с помощью которого, пользуясь
выражением (3.28), определим одгш ~ 16,95°С. Потре-
буем, чтобы точность оценки относительной погрешности
превышала 0,05. Это позволяет ограничиться возможными
значениями ДГШо при заданном пороге обнаружения пере-
гретых букс в пределах ДГшо±2ад7-ш.
Таким образом, относительная погрешность выбранно-
го метода контроля букс
8 = ЦГшо + 2.аГш)(АГ„-2.,Г|д)
ДГ /0
шо
107
Чтобы не вносить существенной погрешности при ап-
паратурном контроле букс, необходимо измерять темпера-
туру корпуса буксы с относительной погрешностью, в 3—
5 раз меньшей, чем позволяет получить принятый метод
контроля, т. е. весь измерительный комплекс аппаратуры
должен иметь относительную погрешность 6^(15—20)%.
Полученное значение допустимой аппаратурной по-
грешности следует распределить по всему тракту прохо-
ждения измерительного сигнала. В аппаратуре контроля
букс эта погрешность должна быть распределена между
приемо-усилительным трактом, устройствами передачи-
приема телеметрических сигналов и устройствами их пре-
образования и обработки.
3.4. Принцип построения измерительного тракта
аппаратуры автоматического контроля букс
Устройствами измерительного тракта аппаратуры кон-
троля букс в поездах осуществляется прием ИК-излуче-
ния корпусов букс и преобразование его в электрический
сигнал, усиление последнего и нормирование его по дли-
тельности, исключение сигналов от посторонних нагретых
частей поезда, поступающих вместе с полезным сигналом
с выхода приемника ИК-излучения на вход усилительных
устройств, а также коррекция коэффициента передачи
тракта в зависимости от изменений температуры наруж-
ного воздуха. В состав приемо-усилительного тракта аппа-
ратуры контроля букс (рис. 3.12) входит приемник
ИК-излучения с оптической системой 4, предварительный 6
и оконечный 9 усилители сигналов, устройство нормиро-
вания сигналов по длительности 11 и устройство коррек-
ции сигналов 12 с датчиком температуры наружного воз-
духа 13. Работой тракта управляют датчики счета осей
14 и 15, устройство формирования строб-импульса 7, фикса-
тор уровня 8 и схема управления записью и считыванием
108
Рис. 3.12. Структурная
схема приемо-усилительного тракта аппарату-
ры контроля букс
сигналов 10. Здесь же показано колесо 1, боковина 2 и
букса 3 вагона, на которую ориентирована оптическая ось
приемника ИК-излучения. В зависимости от конкретного
исполнения той или иной модели аппаратуры контроля
букс отдельные устройства измерительного тракта могут
отсутствовать.
Приемник ИК-излучения и оптическая система конст-
руктивно выполнены в виде приемной капсулы 5, в состав
которой может входить и предварительный усилитель си-
гналов. Приемная капсула размещается в напольном счи-
тывающем устройстве (напольной камере), устанавливае-
мом с обеих сторон железнодорожной колеи. Оптической
системой поток ИК-излучения корпусов букс концентриру-
ется на сравнительно небольшую по размерам площадку
чувствительного элемента приемника. Приемник преобра-
зует падающий лучистый поток в электрический сигнал,
который поступает затем на вход усилительных устройств.
Преобразование может осуществляться с модуляцией и
без модуляции падающего на приемник лучистого потока.
В первом случае между оптикой и чувствительным элемен-
том приемника в фокальной плоскости оптики располага-
109
ют вращающийся диск с отверстиями и ИК-излучение
букс модулируется с определенной частотой. При этом
представляется возможность измерения контролируемого
параметра при любых скоростях движения поезда вплоть
до нулевых, упрощаются требования к усилительным уст-
ройствам, но в то же время резко повышаются требова-
ния к постоянной времени приемника и усложняется кон-
струкция приемного узла.
Наряду с этим возникает необходимость поддержания
температуры диска, равной температуре окружающего
воздуха, для стабилизации сигнала на выходе приемника
при изменении температуры наружного воздуха, компенса-
ции нагрева диска за счет вращения в воздушной
среде.
Во втором случае ИК-излучение букс подается непо-
средственно на приемник и время его облучения зависит
от скорости движения поезда. Амплитуда снимаемого с
приемника импульсного сигнала пропорциональна разно-
сти температур корпуса буксы и рамы вагона, что умень-
шает влияние температуры окружающего воздуха на
качество контроля. В то же время длительность сигнала
изменяется в широких пределах, что накладывает ограни-
чения на нижний предел скоростей движения контролиру-
емых поездов и существенно повышает требования к
усилительным устройствам тракта.
Приемник ЙК-излучения должен иметь спектральный
диапазон чувствительности в области максимальных зна-
чений спектральной плотности излучения корпусов нор-
мально работающих и аварийных букс. Для контролиру-
емых аппаратурой значений температуры корпусов букс
(примерно 253—373 К) максимум спектральной плотно-
сти излучения приходится на длины волн от 3 до 15 мкм.
Отсюда ясно, что спектральный диапазон чувствительно-
сти приемника должен находиться внутри указанной об-
ласти длин волн, причем чем шире диапазон спектральной
чувствительности приемника, тем больше его интеграль-
но
мая вольтовая чувствительность при одинаковых осталь-
ных параметрах приемника.
Другим важным требованием к приемнику является
обеспечение малой погрешности преобразования пада-
ющего импульсного лучистого потока во всем диапазоне
скоростей движения поезда, что характеризуется постоян-
ной времени приемника. При преобразовании принимае-
мого от буксы ИК-излучения без дополнительной моду-
ляции длительность облучения приемника зависит только
от скорости поезда, линейных размеров корпуса буксового
узла и углов ориентации оптики. С учетом приведенных
в п. 3.1 расчетных формул длительность импульсов ИК-из-
лучения для рабочего диапазона скоростей движения по-
езда 5—200 км/ч изменяется от 512 до 12 мс. Для дости-
жения малой погрешности преобразования (порядка 1 —
2%) необходимо, чтобы постоянная времени приемника
была в 4—5 раз меньше минимального значения длитель-
ности импульса ИК-излучения. Следовательно, постоян-
ная времени приемника не должна превышать 2—3 мс
для указанного диапазона скоростей движения поезда.
В случае модуляции падающего на приемник потока
ИК-излучения букс постоянная времени приемника долж-
на быть существенно меньше указанного значения, так как
частота модуляции должна быть по крайней мере на по-
рядок выше частоты следования импульсов ИК-излучения
букс при максимальной скорости движения поезда.
Качество преобразования ИК-излучения букс в значи-
тельной степени зависит от уровня собственных шумов
приемника излучения и оценивается соотношением си-
гнал/щум в полосе пропускания усилительного тракта.
Для обеспечения высокого качества преобразования
ИК-излучения в измерительных системах, к которым мож-
но отнести и аппаратуру контроля букс, значение соотно-
шения сигнал/шум должно быть не менее 20. С учетом этого
требования обнаружительная способность приемников ап-
паратуры контроля букс без модуляции принимаемого
111
ИК-излучения должна быть не менее 1 • 108см- Гц1/2-Вт-1.
К другим требованиям к приемнику можно отнести
устойчивость к климатическим и механическим воздейст-
виям, стабильность параметров во времени, высокую на-
дежность, незначительные габариты, вес и др. По усло-
виям работы на пути приемник должен выдерживать воз-
действие вибрационных нагрузок в диапазоне частот от
5 до 1000 Гц с ускорением до 5g и многократных ударов
с ускорением до 10g (режим транспортировки), относи-
тельной влажности до 98% при температуре +40°С, тем-
пературы окружающего воздуха от —60 до +55°С.
Основные требования к оптической системе аппарату-
ры заключаются в обеспечении высокой прозрачности
букс, малого угла поля зрения, стабильности оптических
свойств при воздействии различных климатических фак-
торов, механической прочности, малых габаритных разме-
ров и веса. Наиболее подходящими материалами для из-
готовления оптики, удовлетворяющими большинству тре-
бований, являются германий, трехсернистый мышьяк, йо-
дисто-бромистый талий (KRS), фтористый кальций
(флюорит) и др. Эти материалы достаточно хорошо об-
рабатываются, не разрушаются при воздействии влаги,
имеют высокую механическую прочность и обеспечивают
высокую прозрачность в средневолновом диапазоне
ИК-излучения.
В аппаратуре контроля букс, как правило, применяют
линзовые оптические системы. Достижение малого угла
поля зрения оптики (порядка единиц градуса) достигает-
ся выбором параметров элементов объектива и конденсо-
ра. Необходимость малого угла поля зрения оптики для
аппаратуры контроля букс вызвана стремлением обеспе-
чить сканирование корпуса буксового узла малым полем
обзора для исключения приема ИК-излучения от посто-
ронних нагретых предметов во время движения поезда
(тормозные колодки, обод колес, выхлопные трубы и др.).
В существующих моделях аппаратуры угол зрения оптики
112
находится в пределах 2—5°. Для защиты от прямого или
отраженного ИК-излучения солнца оптика содержит обыч-
но заградительные оптические фильтры для длин волн до
2—4 мкм.
Предварительный и оконечный усилители измеритель-
ного тракта предназначены для усиления небольших по
мощности сигналов с приемника до величины, пригодной
для последующего нормирования, коррекции и передачи
сигналов по каналам связи. Коэффициент передачи по
напряжению усилителей зависит от интегральной вольто-
вой чувствительности приемника, требуемой амплитуды
сигнала на входе устройства нормирования (передачи) и
составляет обычно 5—10 000. Необходимость предвари-
тельного усиления сигналов вызвана трудностью передачи
малых амплитуд сигналов с высокоомного приемника (бо-
лометра) к постовым устройствам по кабелю длиной
10—20 м из-за большого уровня помех на электрифициро-
ванных участках. Коэффициент передачи предварительно-
го усилителя составляет 200—600, а его выходное сопро-
тивление несколько десятков килоомов. При этом дости-
гается хорошее соотношение сигнал/шум на входе оконеч-
ного усилителя (не менее 20).
Принцип построения усилителей зависит от выбранно-
го метода преобразования падающего на приемник
ИК-излучения букс. При модуляции потока излучения ско-
рость вращения диска поддерживают достаточно стабиль-
ной, и в результате выходной сигнал приемника представ-
ляет собой синусоидальные колебания фиксированной ча-
стоты, например 5000 Гц в аппаратуре фирмы CSEE.
В этом случае для усиления сигналов с выхода приемника
применяют узкополосный усилитель переменного тока с
низким уровнем собственных шумов. Использование низ-
коомного приемника и узкополосного усилителя в этой ап-
паратуре позволило осуществить передачу сигнала от при-
емника к постовым устройствам без предварительного
усиления в напольной камере.
ИЗ
При преобразовании ИК-излучения без модуляции па-
дающего на приемник потока усилитель должен иметь до-
статочно широкую полосу пропускания частот (от деся-
тых долей до сотен герц) для линейного усиления сигна-
лов, длительность которых изменяется в широких преде-
лах в зависимости от скорости движения поезда. Наличие
постоянной составляющей напряжения на выходе прием-
ника (в случае применения болометра), изменяющейся с
течением времени и при колебаниях температуры окружа-
ющего воздуха, и необходимость обеспечения большого
коэффициента усиления сигналов не позволяют использо-
вать усилитель постоянного тока. Проектирование усили-
теля переменного тока для низких частот сопряжено с
определенными трудностями из-за необходимости исполь-
зования конденсаторов большой емкости в разделительных
RC-цепях, принятия специальных мер температурной
стабилизации и др. В этом случае идут по пути проекти-
рования комбинированного усилителя, в котором отдель-
ные каскады выполнены по схеме с гальваническими меж-
каскадными связями и объединены между собой двумя-
тремя разделительными RC-цепями. При этом первая раз-
делительная RC-цепь обязательно должна быть на выхо-
де приемника.
При использовании в качестве приемника болометров
должно обеспечиваться достаточно большое значение
входного сопротивления предварительного усилителя си-
гналов. Большинство полупроводниковых болометров име-
ют внутреннее сопротивление порядка нескольких мегао-
мов при температуре -)-20°С, которое существенно повы-
шается с уменьшением температуры. Для хорошего согла-
сования приемника с нагрузкой входное сопротивление
предварительного усилителя должно быть порядка 10—
20 МОм. К другим требованиям к усилительным устройст-
вам необходимо отнести обеспечение малого уровня соб-
ственных шумов, достаточно широкого динамического ди-
апазона усиления входных сигналов (порядка 20), воз-
114
можность регулировки в широких пределах коэффициента
передачи, высокой температурной стабильности и малой
инерционности процесса установления исходного состоя-
ния при усилении сигналов от букс.
Для удовлетворения последнего требования в состав
измерительного тракта аппаратуры вводится специальное
устройство — фиксатор уровня постоянной составляющей
на входе оконечного усилителя. Необходимость фиксации
уровня возникает в связи с возможностью перегрузки уси-
лителя при фоновых засветках приемника (открывание
заслонок напольных камер, проход вагонов, кузов которых
перекрывает поле зрения оптики), приводящей к смеще-
нию уровня постоянной составляющей на входе усилителя
и, как следствие, к искажению амплитуды последующих
сигналов от букс на время переходного процесса (переза-
ряда конденсаторов в разделительных RC-цепях). Фикса-
тор уровня удерживает нулевой потенциал на входе уси-
лителя при отсутствии корпуса буксы в зоне обзора опти-
ки и открывает вход усилителя только на время обзора
буксового узла. Для выполнения этой задачи фиксатор
уровня работает в ключевом режиме и управляется от
схемы формирования строб-импульса. Последняя выраба-
тывает импульсный сигнал только на время прохода ко-
лесной пары между двумя путевыми датчиками счета
осей, устанавливаемыми на рельсе. Совмещение во вре-
мени строб-импульса и сигнала от букс достигается выбо-
ром определенных расстояний между датчиками счета
осей и напольным считывающим устройством. Ширина
зоны стробирования выбирается с учетом времени обзора
корпуса буксы и возможных смещений сигнала относи-
тельно строб-импульса при проходе колес различного диа-
метра и проката за счет просадки рельсов при проходе ко-
лес и т. д. На время калибровки измерительного тракта
фиксатор уровня может отключаться переключателем.
Эффект действия фиксатора уровня иллюстрируется
осциллограммами процесса контроля букс поезда
115
Правая сторона
Начало контроля
Левая сторона
Сигналы
исключения
Рис. 3.13. Осциллограммы сигналов контроля букс с фиксатором и
без фиксатора уровня
(рис. 3.13). Сигналы букс левой стороны поезда записаны
при включенном фиксаторе уровня, сигналы правой — при
отключенном. На этом же рисунке показаны сигналы
исключения, управляющие работой фиксатора уровня.
Выходные сигналы оконечного усилителя подвергают-
ся нормированию по длительности с целью обеспечения
постоянства этого параметра при передаче по каналу свя-
зи и регистрации вне зависимости от скорости поезда.
Для этого на время прохода колеса между датчиками
счета осей происходит запоминание амплитудного значе-
ния сигнала с последующим считыванием его с устройств
памяти при выходе колеса из зоны стробирования. Дли-
тельность сигнала определяется временем считывания и
составляет обычно 10—20 мс. Запись и считывание управ-
ляются специальной схемой, запускаемой строб-импульсом.
Основным требованием к устройству нормирования явля-
ется обеспечение малого (1—5%) искажения амплитуды
сигнала при его запоминании и считывании.
При выбранном критерии аварийности буксового узла
(определенное значение температуры шейки оси) сигнал
на выходе приемника может изменяться в широких пре-
делах в зависимости от температуры наружного воздуха.
В то же время при распознавании перегретых букс по ам-
плитудному и другим признакам сигналов с выхода изме-
116
рительного тракта показатели работы тем лучше, чем
стабильнее амплитуда сигнала при одном и том же кри-
терии аварийности буксового узла в различных климати-
ческих условиях.
Вводимые в измерительный тракт устройства коррек-
ции предназначаются для изменения амплитуды сигнала
от букс по зависимости, обратно пропорциональной кри-
вой изменения сигнала на выходе приемника от темпера-
туры наружного воздуха для одного и того же критерия
аварийности. Работой устройства коррекции управляет
датчик температуры наружного воздуха. Основным тре-
бованием к устройству коррекции является обеспечение
высокой точности масштабного преобразования амплиту-
ды сигнала при введении корректирующего параметра во
всем диапазоне температур наружного воздуха. В неко-
торых моделях аппаратуры сигналы корректируются не
на выходе, а на входе измерительного тракта за счет из-
менения чувствительности приемника ИК-излучения при
изменении температуры наружного воздуха. Выбор того
или иного способа коррекции сигналов зависит от прин-
ципа построения измерительного тракта, используемого
приемника ИК-излучения и других факторов.
При применении в аппаратуре инерционных приемни-
ков искажение амплитуды сигналов может иметь место
и при высоких скоростях движения поездов. В этом слу-
чае в состав измерительного тракта может быть введена
коррекция амплитуды сигналов в зависимости от скоро-
сти движения поезда. Одним из методов такой коррекции
является введение частотно-зависимого звена в схему уси-
лителя, которое обеспечивает подъем амплитудно-частот-
ной характеристики усилителя на верхних частотах.
В процессе эксплуатации аппаратуры контроля букс
поддержание заданных параметров измерительного трак-
та обеспечивается настройкой оптической системы на кон-
тролируемую зону буксового узла и калибровки тракта
по заданному на приемник ИК-излучения входному воз-
117
действию. Обе операции выполняются специальными уст-
ройствами, описанными в [31]. Для настройки оптической
системы используется ориентирное устройство, состоящее
из имитатора нагретого тела, укрепленного на вертикаль-
ной штанге, соединенной с горизонтальной рейкой. Поло-
жение имитатора может изменяться в вертикальной и го-
ризонтальной плоскостях.
Калибровка измерительного тракта выполняется моду-
лятором, представляющим собой калибровочный сосуд,
перед которым вращается диск с отверстием.
3.5. Основные погрешности измерительного тракта
аппаратуры автоматического контроля букс
Для нормирования допустимой погрешности измерения
температуры корпуса буксы по звеньям аппаратуры кон-
троля букс оценим погрешность приемо-усилительного
тракта аппаратуры (например, ПОНАБ-3), которая скла-
дывается из: погрешности калибровки аппаратуры (бк),
погрешности ориентации считывающих устройств (6О), по-
грешностей от мешающих внешних воздействий (бм), по-
грешностей от разброса и нестабильности элементов
(б„), погрешности (6П) от непостоянства параметров объ-
екта измерения (буксы).
Так как под погрешностью понимают отклонение ам-
плитуды напряжения на выходе приемо-усилительного
тракта, измеренной при наличии погрешности, от истин-
ного значения, а измерить истинное значение амплитуды
напряжения при существующих возможностях задания
внешних воздействий и измерения их результата на вы-
ходе приемо-усилительного тракта с необходимой
точностью невозможно, условимся «истинным» значением
считать напряжение, рассчитанное теоретически.
Эффективное напряжение на выходе приемо-усилитель-
ного тракта аппаратуры с иммерсионным болометром
118
БП1-2 связано с температурой излучающей ИК-энергию
буксы зависимостью
u=SuF(TK)BKyc, (3.29)
где Su — интегральная чувствительность болометра, В/Вт;
F (Тк) — мощность потока ИК-излучения, падающего на приемник при
' заданной температуре буксы, Вт;
В — коэффициент формы воздействующего на болометр импульса
ИК-излучения;
К — коэффициент усиления (по напряжению) приемо-усилительного
у тракта.
Зависимость мощности ИК-излучения, воспринимаемой
приемником, от температуры корпуса буксы приведена
выше (см. п. 2.2).
Погрешность калибровки аппаратуры. Для определе-
ния абсолютной погрешности калибровки запишем соот-
ношение между амплитудой напряжения на выходе при-
емо-усилительного тракта и температурой стенки сосуда
калибровочного устройства (TQ) при заданной температу-
ре окружающего воздуха (ТНв):
И1 = Х(7'с-7'нВ),
где = 470-10~12 В/К4 — коэффициент, связывающий температуру из-
лучающей поверхности с напряжением на выходе приемо-усили-
тельного тракта.
При наличии перечисленных выше аппаратурных и
субъективных погрешностей напряжение на выходе при-
емо-усилительного тракта может оказаться равным:
«! ± = К [(Т'с ± ДТ'с)4 - (Т'нв ± ДГиД4], (З.ЗЭ)
где Д«1 — результирующая погрешность измерения напряжения при ка-
либровке;
Д Тс — результирующая погрешность измерения температуры стенки
сосуда;
ДГН —результирующая погрешность измерения температуры окружаю-
щего воздуха в момент проведения калибровки.
119
Вычитая из (3.30) (3.29), запишем выражение абсо-
лютной погрешности калибровки:
Д« = К 1(ГС ± ДГС)4- (Гнв ± ДГИВ)4- Г4 + Т^в]± Д«1. (3.31)
Оценим входящие в выражение (3.31) слагаемые
ЛТ'нв и ДТс. Погрешность измерения температуры окружа-
ющего воздуха
Д^ ив = Д^нва &Тиве,
где Д Тнва — погрешность измерения температуры воздуха стеклянным
термометром;
Д 7 нзс — субъективная погрешность при измерении температуры тер-
мометром.
Погрешность измерения температуры стенки калибро-
вочного сосуда
д7’с = ДТ'са + ДТ'сс + + ДГС2,
где Д7'са> Д 7"сс — соответственно аппаратурные и субъективные погреш-
ности измерения температуры воды в калибровочном
сосуде;
Д7'с1 — погрешность из-за несоответствия температуры воды
в сосуде температуре его наружной стенки;
Д7'с, — погрешность из-за неоднородности температуры воды
в сосуде.
Величину АГс! найдем, пользуясь уравнением теплопе-
редачи, устанавливающим зависимость между темпера-
турой воды в сосуде и температурой его наружной стен-
ки [23]:
7'с = Г|,в+-^-(Гв-7'ив), (3.32)
1 d 1
где К=—тт +——коэффициент теплопередачи;
“1 Лс а2
— коэффициент теплопередачи воды при естествен-
ном конвективном теплообмене;
120
% — коэффициент теплопередачи воздуха при естественном конвек-
тивном теплообмене;
Лс — коэффициент теплопроводности материала сосуда;
d — толщина стенки сосуда, м;
Гв, Тнв — соответственно температура воды в сосуде и окружающей
среды, °C.
В
гост тп ккал т ккал
[23] находим а1 = 500 а2= 10 м2.ч.град ;
Хс=85 Вт/(см-град)—латунь; d=0,0012 м. Подставляя эти
данные в выражение (3.32), найдем, что температура на-
ружной стенки сосуда «отстает» от температуры воды в
сосуде в среднем на 1°С.
Задаваясь субъективной погрешностью измерения тем-
пературы воды, равной половине цены деления шкалы ис-
пользуемого при калибровке термометра, вычислим
АГс —2,75°С. Подставляя полученные значения АТС и
АГпв в (3.31) и принимая относительную погрешность точ-
ности измерения амплитуды калибровочного сигнала рав-
ной 10% (измерение с помощью осциллографа), найдем
абсолютную погрешность измерения напряжения при ка-
либровке А« = 0,75 В, что соответствует относительной по-
грешности (бк), равной
12,5%. Экспериментальная
проверка точности калиб-
ровки в реальных условиях
эксплуатации подтвердила
полученные результаты.
Погрешность ориентации
аппаратуры. Для определе-
ния погрешности ориенти-
рования изобразим точку М
(точка ориентирования оп-
тической оси приемника
ИК-излучения) в трехмер-
ной системе координат
(рис. 3.14), центр которой
Рис. 3.14. Схема образования по-
грешности ориентации считыва-
ющих устройств аппаратуры кон-
троля букс
121
совмещен с проекцией приемника на верхнюю плоскость
напольной камеры (О), а направление оси абсцисс совпа-
дает с направлением оси пути. В этом случае точка М
совпадает с вершиной вектора т, представляющего собой
сумму векторов:
щ = a 4- b 4~ с 4~ d = in {(ах 4~ bx 4— Сх 4~ dx)-, (^y 4~ by 4~
+ Су + dy), (ciz Ьг-\- сг -|- d2)}, (3.33)
r-де а { ах, ауу аг }; b { ЬХу Ьуу Ьг ); с { сх> су, cj; d { dXy dyy dz } -
слагаемые вектора т и их проекции на оси координат.
При наличии объективных и субъективных погрешно-
стей координаты слагаемых векторов получат прираще-
ния, в результате которых точка М переместится относи-
тельно своего истинного места расположения и попадет
в вершину нового вектора т', который, в свою очередь,
равен
т‘ = т + 8, (3.34)
где 8 { 5Л., 8 8г } — вектор смещения.
Из (3.34) с учетом (3.33) находим:
о = т* — т = о {(Дй_г -J- ^Ьх 4“ ^Сх 4- Д dx)-,
(\С!у 4- Д^у 4- Дб?у 4" Д^у), (Дй2 4- Д^г “Ь Д^г 4- Д^/2)} =
= о {ох, By, 8г).
Максимальное абсолютное смещение при определении
места расположения точки М равно модулю вектора
| 8 | = 8Х 4- Оу 4~ Ог,
а его текущие значения лежат в сфере
(28J2 (28у)2 (2Ъгу1
с радиусом |б|.
122
Будем считать, что аппаратурные погрешности (с ин-
дексом А) измерения линейных размеров не превышают
1 мм (класс точности мерительного инструмента), а субъ-
ективные погрешности (с индексом С) измерения линей-
ных размеров равны 3—5 мм. При выполнении операции
совмещения оптической оси с найденной точкой, которая
проводится специальным устройством с пороговым элемен-
том за счет конечной чувствительности порогового эле-
мента, возникают дополнительные смещения в вертикаль-
ной и горизонтальной плоскостях. Экспериментальные ис-
следования на партии пороговых элементов показали, что
зона их нечувствительности составляет 0,1—0,12 В. При
возможных разбросах диаграммы направленности боло-
метров БП1-2 это соответствует дополнительному смеще-
нию б' = ?>' 7 мм:
у г
| б | = ( бу Оу ) “I- ( 4“ ° г) = 64 ММ.
Измерения и анализ теплотехнической модели буксы
показывают, что при смещении на расстояние 64 мм от
точки ориентирования аппаратуры температура задней
стенки корпуса буксы может измениться в среднем на
2°С, что соответствует изменению напряжения на выходе
приемо-усилительного тракта на 0,6 В или относительной
погрешности ориентирования бо=10%.
Погрешности от непостоянства параметров контроли-
руемого объекта. Эта группа погрешностей обусловлена
тем, что букса в момент контроля имеет случайные откло-
нения как в вертикальной, так и в горизонтальной плоско-
стях (погрешности смещения), а также тем, что время об-
зора буксы в условиях переменной скорости движения по-
ездов при контроле и различия габаритных размеров букс
разного типа не является постоянным (скоростные по-
грешности) .
Погрешности смещения. Эти погрешности возникают
из-за различия геометрических размеров корпусов букс,
123
колес, диаметров шеек осей, различной просадки пути,
допусков на ширину колеи и износ гребней колес и так
далее.
Вертикальные и горизонтальные смещения буксы при
движении вагона оценены в [29]. Здесь показано, что мак-
симальное смещение буксы скольжения может быть 100—
НО мм, а роликовой буксы — до 70 мм. Эксперименталь-
ные измерения показывают, что подобные смещения вызы-
вают изменение температуры контролируемой поверхно-
сти корпуса буксы на 2°С или изменение напряжения на
выходе приемо-усилительного тракта аппаратуры на
0,6 В, что соответствует относительной погрешности изме-
рения, равной 10% (6с1^10%).
Скоростные погрешности контроля букс. Данные по-
грешности обусловлены главным образом конечной инер-
ционностью приемника ИК-излучения. Для количествен-
ной оценки этого вида погрешности сравним напряжение
на выходе приемника ИК-излучения при разной скорости
движения поезда и одном и том же тепловом воздей-
ствии.
Приемник ИК-излучения представим в виде линей-
ного четырехполюсника с постоянной времени т, равной
постоянной времени приемника. Входное воздействие —
мощность ИК-излучения, воспринимаемую приемником, —
заменим некоторым эквивалентным напряжением, имею-
щим ту же форму, что и функция мощности ИК-излуче-
ния:
I «и W * при 0 < t ;
I ти
«1(/) = ] ... _ Л t \ ти , (3.35)
и И12(0 = 2«1,п 1 — — I при —
I ' ти ' £
[ «13 (/) = 0 при t > та,
где ти — длительность импульса теплового воздействия (время обзора
буксы).
124
Напряжение на выходе приемника найдем с помощью
интеграла Дюамеля:
t
и2 (0 = «1 (0) К (t) + f «1 (-<) К (t — х) dx, (3.36)
'о
где ti\ (0) — входное напряжение в начальный момент времени:
К (t) — переходная функция напряжения;
и[ (х) — первая производная функция входного напряжения.
Задачу определения выходного сигнала будем решать
отдельно для каждого интервала. В первый интервал вре-
мени (OsC/sS -^-J:
«21(0=^ 1^-41(3.37)
где т — постоянная времени RC-цепи (болометра).
^22 (0 — ^\т
Во второй интервал времени /
<-0,5ги
4-г------" 2-
2-4^е т +4ч1 + е
ьи '"и
В третий интервал времени (Оти)
2и,_ т ( _— \
«2з(^)=-г- 1-е Н
хи \ '
2/
ти
• (3.38)
(3.39)
и
е
На рис. 3.15 показаны импульсы на выходе болометра,
рассчитанные по полученным формулам для различной
скорости движения поездов. Постоянная времени боломет-
ра т принята равной 4 мс (болометр БП1-2). Здесь же по-
казаны входные воздействия. Сравнивая входные и выход-
ные сигналы, отмечаем, что последние «запаздывают» по
фазе и амплитуде. Можно показать, что «запаздывание»
по фазе
__£1
Д< = т(1 — е ’ ), (3.40)
125
а по амплитуде
2zz._ - —
4zz = —т(1 -е - ), (3.41)
ти
причем момент времени достижения выходным сигналом
максимума, найденный путем исследования выражения
(3.38) на экстремум, будет равен
ти
/ (zzmax) = - In (2е 2- — 1). (3.42)
По формулам (3.35) — (3.42) рассчитаны и построе-
ны на рис. 3.16 и 3.17 семейства кривых Uzm^uim=f (и) и
Тн2/тН1=/|(и). Они показывают результат скоростной по-
грешности, которая при колебании скорости движения
поездов от 10 до 90 км/ч не превышает бсг^15о/о.
Погрешности от мешающих внешних воздействий. Этот
вид погрешности складывается из температурных погреш-
ностей от наводимых э. д. с., атмосферных осадков, вибра-
ций и других факторов.
Рис. 3.15. Форма сигналов букс на входе (1) и выходе (2) приемника
ИК-излучения при скорости движения поезда:
1,2— 120 км/ч; 1', 2' — 60 км/ч; 1", 2" — 5 км/ч
126
Рис. 3.16. Скоростные погрешно- Рис. 3.17. Скоростные погрешно-
сти передачи амплитуд сигналов сти передачи длительностей сиг-
букс налов букс
Экспериментальные исследования напольных камер и
отдельных узлов аппаратуры в термокамере показали,
что температурные погрешности приемо-усилительного
тракта аппаратуры не превышают 8—10% (6im= 10%).
Расчет погрешности измерительного тракта аппаратуры
от действия атмосферных явлений, выполненный по мето-
дике, предложенной в [29], показывает незначительное
влияние этих факторов на напряжение сигнала (6ам^3%).
127
Еще меньшее влияние на сигнал оказывает вибрация, обус-
ловленная проходом поезда вблизи напольных камер, и
другие факторы.
Таким образом, определены все составляющие погреш-
ности приемо-усилительного тракта аппаратуры ПОНАБ.
Предполагая, что все источники погрешностей независи-
мы, среднее квадратичное отклонение результирующей
абсолютной погрешности приемо-усилительного тракта
аппаратуры
ав! = К^ = 0,21 В.
Это значит, что среднее значение абсолютной погреш-
ности приемо-усилительного тракта с вероятностью 0,97
не превышает 0,63 В, что соответствует относительной по-
грешности дт=С12%.
3.6. Коррекция скоростной погрешности
приемо-усилительного тракта аппаратуры
автоматического контроля букс
Так как частотная характеристика приемника ИК-излу-
чения ограничена (сверху), а буксовый узел во время
контроля перемещается относительно приемника, то в
процессе преобразования мощности ИК-излучения в элек-
трический сигнал неизбежны искажения, которые при
большом значении постоянной времени приемника и высо-
кой скорости движения поезда в момент контроля могут
быть значительными. Это неизбежно приводит к ограни-
чению скорости движения поезда в момент контроля, что
является крайне нежелательным. Повысить скоростные
возможности аппаратуры можно применением приемника
ИК-излучения с меньшей постоянной времени (что не
всегда возможно) или специальными мероприятиями.
Расширение скоростных характеристик приемника
ИК-излучения, а следовательно, и аппаратуры контроля
128
б)
x(t)
——о
y(t)
---о
Рис. 3.18. Эквивалентная схема болометра без коррекции (а) н с
коррекцией (б)
букс в целом можно выполнить с помощью простых инте-
грирующих цепей [41].
Представим приемник ИК-излучения эквивалентной
электрической схемой (рис. 3.18, а). Пусть постоянная вре-
мени этой цепи (T=RC) равна постоянной времени при-
емника. Таким образом, схема замещения приемника
представляет собой инерционное звено первого порядка,
передаточная функция которого
W) = tT7F’ (3-43)
где К — статистический передаточный коэффициент;
р— оператор Лапласа.
Возмущение, действующее па приемник ИК-излучения
в момент контроля буксы, можно представить в виде
треугольного импульса, описываемого выражением
— t При 0 t t„i2,
прит'5'<4: (М4>
гн 4 и ' 2 2
М+— (z—^„) при t>t„,
h \ 2 /
где А — амплитуда импульса воздействия;
£ — длительность импульса.
5-4947
129
Если допустить, что постоянная времени других эле-
ментов приемо-усилительного тракта аппаратуры контро-
ля букс много меньше постоянной времени приемника,
то задача исследования сведется к рассмотрению про-
хождения сигнала (3.44) через электрическую цепь с
заданной (3.43) передаточной функцией.
Проведем анализ с использованием преобразований
Лапласа. Для первого момента времени (от 0 до
изображения по Лапласу входного воздействия Xi (р) и
соответствующего ему выходного сигнала Yt(p) следую-
щие:
г1(^)=^(р)^(р)=г^^4-
Переходя от изображения по Лапласу Yi(p) к ориги-
налу Y[(t), получим
Г1(р)=У(^) = ^[^_7'(1-е"^)]. (3.45)
Ь и
Аналогично найдем выражения выходного сигнала для
второго и третьего интервалов времени:
Г2(0 = т^^-7'(1-е"^')]-
L и
л Л Ц" * 0,5/и
[г — 0,5/и — 7" (1 -е-“)]; (3.46)
Ги
у3(^) = ?А^Г/_7'(1_е_^)-^1 х — 0,5/и —
и L и J L
t— 0,5/и ОДА" Г
г|1 —е----—J —Г(1 —е—т~ . (3.47)
\ /J ги L /J
130
Таким образом, записаны выражения на выходе при-
емника ИК-излучения без применения корректирующих
цепей.
На рис. 3.19 показан построенный в соответствии с
выражением (3.44) импульс входного действия (1) и в
соответствии с выражениями (3.45) — (3.47) — сигнал на
выходе приемника ИК-излучения (2). Очевидно, что вы-
ходной сигнал существенно «запаздывает» относительно
входного воздействия.
В качестве корректирующего звена, сокращающего
время «запаздывания» выходного сигнала, может быть
использована простая интегрирующая цепь. Эквивалент-
ная схема замещения болометра с такой цепью показана
на рис. 3.18, б.
В этом случае передаточная функция цепи
U7K(p) =---“---1 + /,Г1 , (3.48)
1+pZ ‘ 1 + Р/7Г к 7
. R2
где 8 - --------;
Н Rl + R2
У, = Rl С1.
Принимая 1\=Т, что является необходимым условием
оптимального согласования приемника с корректирующей
цепью, выражение (3.48)
перепишем в виде
^к(р) = —(3-49)
1
Сравнивая выражения
(3.49) и (3.43), можем за-
ключить, что введение кор-
ректирующего звена приве-
ло к изменению статистиче-
ского передаточного коэф-
Рис. 3.19. Импульсы входного и
выходного воздействия приемни-
ка ИК-излучения
5*
131
фициента и постоянной времени в р раз, т. е. введение
коррекции эквивалентно применению приемника ИК-излу-
чения с меньшей чувствительностью и постоянной вре-
мени.
Применяя, как и в предыдущем случае, преобразова-
ния Лапласа, получим выражения выходного сигнала для
соответствующих моментов времени:
И
4и
(3.50)
4/W , л „г I . - °’5/" \
------з—1- t — 0,5Z„ — рГ 1 — е зг I
fn L X /
.(3.51)
Гкз(0
2.4/<3
- - 0,5/„ - р7' ^1 — е
2Л/С₽
( !~1и
t — tH — $Т 1 — е~ ₽т
(3.52)
Вид выходного сигнала, построенного в соответствии с
выражениями (3.50) — (3.52), также приведен на рис. 3.19,
(кривая 5). Как видно, время «запаздывания» выходного
сигнала заметно сократилось при одновременном умень-
шении амплитуды сигнала. Последнюю можно восстано-
вить, увеличив коэффициент усиления усилительного
тракта. При этом несколько возрастут шумы на выходе
усилителя. Однако при достаточно большом отношении
132
Рис. 3.20. Структурная схема приемо-усилительного тракта со скоро-
стной коррекцией
сигнала к шуму на выходе усилительного тракта это мо-
жет быть оправдано.
Приемо-усилительный тракт со скоростной коррекцией
может быть построен по структурной схеме рис. 3.20. Он
содержит приемник ИК-излучения ПИ, предварительный
усилитель ПУ, скоростной корректор СК, оконечный уси-
литель ОУ со стробирующим устройством СУ.
3.7. Коррекция температурной погрешности
измерительного тракта аппаратуры
автоматического контроля букс
Значительное влияние на качество распознавания пе-
регретых букс оказывает изменение температуры наруж-
ного воздуха от +55 до —60°С. При этом решающее зна-
чение имеют два фактора: изменение интегральной воль-
товой чувствительности приемника ИК-излучения и инте-
гральной плотности излучения корпусов букс в зависи-
мости от температуры наружного воздуха. Для снижения
влияния температуры наружного воздуха на чувствитель-
ность приемника напольные считывающие устройства ап-
паратуры оснащены системой термостатирования, обеспечи-
вающей поддержание плюсовой температуры внутри счи-
тывающего устройства даже при крайних значениях мину-
совой температуры наружного воздуха. Однако точность
регулирования температуры системой термостатирования
обычно невысокая (5—10°С), а верхняя граница диапазо-
на регулирования температуры внутри камеры находится
133
в пределах 25—30°С, что не позволяет полностью устра-
нить влияние температуры наружного воздуха на чувстви-
тельность приемника излучения, особенно в области
больших плюсовых температур.
С целью дальнейшего снижения влияния температуры
наружного воздуха в последних моделях аппаратуры об-
наружения перегретых букс введена двойная стабилиза-
ция температуры приемника. Помимо грубой системы тер-
мостатирования напольной камеры, вводится более точ-
ная система стабилизации температуры непосредственно
приемника ИК-излучения, причем точку стабилизации вы-
бирают в области верхних значений температуры наруж-
ного воздуха (40—50°С), что позволяет во всем рабочем
диапазоне температур иметь постоянную температуру
приемника.
Более сложной задачей является компенсация влияния
температуры наружного воздуха на интегральную плот-
ность излучения корпусов букс, которая при одном и том
же критерии аварийности существенно изменяется в ра-
бочем диапазоне температур наружного воздуха. Измене-
ние плотности излучения, а следовательно, и сигнала на
выходе измерительного тракта аппаратуры в свою оче-
редь существенно влияет на точность автоматического
распознавания перегретых букс. В этой связи возникает
необходимость автоматической коррекции коэффициента
передачи приемо-усилительного тракта по зависимости,
обратно пропорциональной зависимости Яь(Т) =f(TH3).
В первых моделях аппаратуры обнаружения перегре-
тых букс задача термокоррекции решалась автоматиче-
ским регулированием чувствительности приемника излу-
чения в диапазоне температур от точки стабилизации си-
стемы термостатирования напольной камеры (25—30°С)
до верхних значений температуры наружного воздуха
(50—55°С). Для этой цели в цепь питания болометриче-
ского моста вводились дополнительные резисторы, вклю-
чаемые последовательно с рабочим и компенсационным
134
плечами болометра. При повышении температуры наруж-
ного воздуха сопротивление плеч болометра уменьшается,
уменьшается напряжение на болометрическом мосту, что
в свою очередь приводит к снижению чувствительности
болометрического моста. При понижении температуры
наружного воздуха сопротивление плеч болометра увели-
чивается и соответственно увеличивается чувствительность
болометрического моста.
К недостаткам этой схемы коррекции в первую оче-
редь необходимо отнести незначительность диапазона
температур наружного воздуха, в котором регулируется
коэффициент передачи приемо-усилительного тракта.
Во-вторых для обеспечения требуемой точности коррек-
ции необходим индивидуальный подбор сопротивления
дополнительных резисторов для каждого болометра из-за
значительного разброса сопротивления плеч болометра.
Более совершенным техническим решением является
введение в измерительные тракты аппаратуры специально-
го устройства термокоррекции их коэффициента передачи,
управляемого датчиком температуры наружного воздуха.
Один из вариантов схемы устройства приведен на
рис.3.21. Схема включает в себя операционные усилите-
ли: дифференциальный — на микросхеме MCI и решаю-
щий — на микросхеме МС2. Сигнал от буксы с выхода
оконечного усилителя, нормированный по длительности,
поступает через контакты реле Р1 на делитель, состоя-
щий из датчика температуры наружного воздуха и ре-
зисторов R1 и R2, затем — на вход усилителя MCI.
При температуре наружного воздуха +20°С перемен-
ным резистором R1 выполняется балансировка схемы, и
сигнал на выходе MCI устанавливается равным нулю.
С выхода усилителя MCI сигнал подается на инвертирую-
щий вход решающего усилителя МС2, а на его прямой
вход поступает сигнал от буксы с выхода оконечного
усилителя. С изменением температуры наружного воздуха
изменяется сопротивление датчика 7?т, и на выходе уси-
135
лителя MCI появляется сигнал, пропорциональный вели-
чине изменения этого сопротивления. Решающий усили-
тель МС2 вычитает этот сигнал из входного сигнала на
втором входе МС2.
Наклон корректирующей характеристики определяется
коэффициентом передачи усилителя MCI, который регу-
лируется переключением резисторов R6—R10, включенных
в цепь обратной связи усилителя MCI. Поскольку воз-
никает задача введения устройства, корректирующего па-
раметры с разными знаками при температуре от 20 до
55°С и от +20 до —60°С, то при температуре 20°С цепи
делителя коммутируются контактами реле Р1. Для этой
цели обмотка реле Р1 подключена к источнику питания
через контакты термодатчика Rr, устанавливаемого на
открытом воздухе и настроенного на температуру 20°С.
Для обеспечения хорошей точности коррекции коэф-
фициента передачи измерительных трактов необходимо,
чтобы характеристика изменения сопротивления термодат-
чика Rt повторяла нелинейную зависимость иекомпенси-
Рис. 3.21. Схема измерительного тракта с термокоррекцией
136
Рис. 3.22. Зависимость амплитуды сигналов букс от температуры на-
ружного воздуха при различных коэффициентах передачи усилителя
на микросхеме MCI
рованного сигнала uc—f (Тив) для одного и того же кри-
терия аварийности букс (одинаковое значение температу-
ры шейки оси). Однако использование в качестве термо-
датчиков терморезисторов с нелинейной характеристикой
в значительной степени осложняет эксплуатацию аппарату-
ры, так как в этом случае потребуется индивидуальная
настройка схемы термокоррекции в широком диапазоне
температур. Поэтому в схеме применяется в качестве тер-
модатчика медное термосопротивление.
Полученные зависимости сигнала от букс при коррек-
ции коэффициента передачи измерительного тракта ап-
паратуры рассмотренным выше устройством приведены
на рис. 3.22. Кривые получены при различных значениях
сопротивления в цепи обратной связи усилителя М.С1.
Как видно из приведенных графиков, при оптимальной
коррекции (кривая 5) изменение амплитуды сигнала во
всем диапазоне температур наружного воздуха не пре-
вышает 10%.
4
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА АВТОМАТИЧЕСКОГО
РАСПОЗНАВАНИЯ ПЕРЕГРЕТЫХ БУКС
4.1. Основные задачи автоматического
контроля букс на ходу поезда
Система автоматического контроля букс (рис. 4.1)
представляет собой сложную динамическую систему, в
состав которой входят: объект контроля •— букса, аппара-
тура автоматического обнаружения неисправных букс и
исполнительный орган (например, обслуживающий персо-
нал, ремонтные бригады), выполняющий в соответствии с
показаниями аппаратуры профилактический ремонт букс.
Не затрагивая вопросов организации ремонта неисправ-
ных буксовых узлов, остановимся па вопросах аппаратур-
ного обнаружения и прежде всего на основных задачах,
возникающих и решаемых в процессе аппаратурного
контроля букс.
Первая задача состоит в изучении объекта контроля —
буксы. На этом этапе важно изучить конструктивные осо-
бенности буксовых узлов, условия их работы, признаки
(параметры), характеризующие техническое состояние
буксы, поведение этих параметров при различных режи-
мах движения поезда в условиях изменяющихся клима-
тических факторов. Выбор контролируемых параметров в
значительной мере определяет сложность аппаратуры об-
наружения неисправных букс, ее качественные показатели.
Важным параметром является температура шейки оси
колесной пары, о значении которой можно судить по тем-
пературе корпуса буксы или температуре различных эле-
ментов колесной пары.
138
Вторая задача заключается в установлении принципа
классификации букс. При необходимости выявления не-
исправных букс все множество контролируемых букс сле-
дует разделить на 2 подмножества (класса): исправные и
неисправные буксы. Если об исправности буксы судить
по температуре шейки оси колесной пары, то все мно-
жество букс (Б) необходимо делить на 2 класса: нормаль-
но греющиеся (Н) и перегретые (П) буксы. Иногда мо-
жет появиться необходимость деления множества контро-
лируемых букс на 3 класса: нормально греющиеся (Н),
перегретые (П) и сомнительно греющиеся (С) буксы.
Третья задача состоит в формировании словаря при-
знаков (кода), характеризующих контролируемый пара-
метр буксы и отражающих ее техническое состояние, т. е.
задачу формирования признаков можно формулировать
как задачу выбора наиболее рационального кода, соответ-
ствующего каждому состоянию контролируемой буксы.
При этом необходимо стремиться к тому, чтобы выбран-
ные признаки легко формировались и были по возмож-
ности инвариантны к действующим в измерительном кана-
ле помехам.
Составление алфавита признаков является исключи-
тельно важным этапом при проектировании аппаратуры
Рис. 4.1. Структурная схема системы автоматического контроля бук-
совых узлов при движении поезда
139
автоматического обнаружения перегретых букс ибо если
количество признаков определяет объем аппаратурных
затрат (затраты прямо пропорциональны числу признаков
в алфавите), то их качество (информативность) опреде-
ляет выходные характеристики аппаратуры.
Для сравнительной оценки качества признаков распоз-
навания греющихся букс необходимо установить критерии
качества. В зависимости от способа описания признаков
распознавания возможны различные критерии оценки их
качества [42—46]. В условиях вероятностного описания
классов наиболее удобным представляется критерий, ос-
нованный на сравнении статистических характеристик
признаков. В качестве критерия сравнительной оценки при-
знаков в этом случае целесообразно использовать вели-
чину
Kj = т1 [М2ц]/Мц1, (4.1)
где тг Ш2j Л — математическое ожидание дисперсии 7-го признака по
1 7 J классам;
М2п — дисперсия математического ожидания распределения приз-
наков при переходе от класса к классу.
В соответствии с определением
т. [№2,1] =2 Af2//p(li/),
z=i
где т— число классов распознавания;
р (йг) — априорная вероятность появления объекта, принадлежащего клас-
су
Дисперсия математического ожидания распределений
признаков при переходе от класса к классу
M2ji = ПЧ {{Ш]1 — Wi («ц)]2},
где ntji — математическое ожидание 7-го признака z-го класса объектов;
mi (тл) ~ математическое ожидание математических ожиданий значений
' /-го признака, принадлежащих разным классам.
140
Наилучшим следует считать тот из признаков, который
минимизирует отношение (4.1):
т ГЛГ2, ,1
мин Ki — _ 3 ‘ •
M2Ji
Если Ki<Ks, то качество признака Xt выше качества
признака Xs. Иными словами, лучшим из двух считается
признак распознавания, у которого больше «расстояние»
между математическими ожиданиями значений признака,
принадлежащих разным классам, и меньше дисперсия
этих признаков.
Четвертая задача заключается в аналитическом описа-
нии классов объектов распознавания (классов нормально
греющихся и перегретых букс) на языке выбранных при-
знаков. В рамках этой задачи необходимо выделить в
пространстве признаков области Di, i=l, 2, ..., т, соот-
ветствующие классам Qi, Q2, •••, Qm объектов распозна-
вания, найти априорные вероятности p(Q,) принадлеж-
ности объекта к классу Qy, функции плотности вероятно-
сти Wn (Xi, Х2, Хп) значений признаков распознава-
ния Xi, Х2, ..., Хп, принадлежащих классу Q,.
Если совокупность п признаков распознавания пред-
ставить в виде «-мерного вектора X={Xi, Х2, ..., Хп}
пространства признаков, то при правильном аналитическом
описании классов объектов распознавания граница (раз-
деляющая функция) между областями £)< соответствующих
классам Qy, выражается уравнением
Пятая задача состоит в составлении таких алгоритмов
логической обработки сформированных признаков, кото-
рые обеспечили бы оптимальное (в соответствии с вы-
бранным критерием оптимальности) решение задачи об-
наружения перегретых букс, т. е. критерий качества рас-
141
познавания греющихся букс должен достигать экстремаль-
ного значения.
Алгоритм принятия решения в пользу одного из клас-
сов состояний объектов распознавания зависит от метода
решения. Возможны 2 метода: метод решения с постоян-
ным размером выборки и метод последовательного ре-
шения.
В первом случае имеется п признаков (п=const)
Xi, Х2, .., Х„, которые принадлежат одному из классов со-
стояний Qj. Обозначим через Pt и гипотезы того, что
выборочные значения принадлежат априорно известным
распределениям Wn (Xi, Х2, -., X„/Qi) и Wn (Xi, X2, ...,
Xn/Qj), а через уч и yj— решения, состоящие в принятии
соответствующих гипотез. Установление правила решения
сводится к разделению «-мерного пространства признаков
(Xi, Х2, ..., Хп) на 2 непересекающиеся области А{ и
А ,-, т. е.
(Хг, Х2,..., Хп) е Аг -> р; (Хи Х2,..., Хп) е А, у.
Поскольку при классификации необходимо с помощью
разделяющей функции разграничить пересекающиеся об-
ласти пространства признаков в непересекающиеся обла-
сти классов состояний, неизбежны ошибки классификации.
Различают ошибки двух родов: вероятность «ложной
тревоги» (ошибка первого рода), т. е. вероятность при-
нятия решения о неисправности объекта в то время, как
он в действительности исправен [46]:
Pm = P{li/Hi} = P{(X1, Х2,..., Х„)ЕА//2/} =
= (•••[\¥п(Хг, X,,..., Xn/£li)dX1dX2,..., dXn (4.2)
Ai
и вероятность «пропуска» неисправного объекта (ошибка
второго рода), т. е. отнесение выборки к классу Q», хотя
она отражает Qj-й класс состояния:
142
PnP = P{v\Hj} = P{(X}, X2,..., Х„)еЛ|Пу} =
= bz"4Wn(Xb X2,..., Xn\Qj)dXr, dX2,.., cL¥„.(4.3)
Очевидно, что при заданном (постоянном) размере вы-
борки невозможно одновременно сделать сколь угодно ма-
лыми вероятности «ложной тревоги» и «пропуска». Можно
лишь изменять их соотношение, перемещая разделяющую
функцию. Оптимальное уравнение разделяющей функции
может быть получено на основе критерия Байеса, миними-
зирующего средний риск принятия неправильного реше-
ния. При использовании критерия Байеса разделяющая
функция
D(X„ Х2,...,Хп)
PPi)Wn(Xl, Х2...
Х2...Хп1^)
pPj)
р^)
ЦХг, Х2,
(4-4)
где P(Q;), Р (Qy) — априорные вероятности соответствующих классов со-
стояний;
A (Хр X,, ... , Хп) — функция правдоподобия;
Czz Cjj —матрица стоимостей потерь, у которой строки соот-
ветствуют гипотезам Hi и Hj , а столбцы — реше-
cji сц ниям 7Z и
Минимальное значение среднего риска
R = P(£ll)Cll + P(Qj)Cji + P(Qi) X
X (Си - Cn)Pm -P(Qi)(Cji - С„)(1 - Рпр),
где Рдт, Р — вероятности «ложной тревоги» и пропуска, определенные
с помощью разделяющей функции (4.4).
На различных этапах внедрения аппаратуры обнару-
жения неисправностей, когда априорная информация о
статистике контролируемых параметров еще недостаточна,
могут использоваться и другие критерии оптимальности
143
решения, которые являются частными случаями критерия
Байеса (критерий Неймана—Пирсона, Котельникова и др.).
Однако независимо от применяющегося критерия клас-
сификация по постоянному размеру выборки сводится к
следующему:
вычисляется отношение правдоподобия X (Хь ..., Хп)
при измеренном векторе признаков;
принимается или отвергается гипотеза Hi в зависи-
мости от того, над или под разделяющей функцией рас-
положена найденная точка.
При методе последовательной классификации коли-
чество признаков (размер выборки) может меняться.
Процедура принятия решения сводится к выполнению ус-
ловия
В< ..., Хп)< А.
Решение принимается в пользу гипотезы Hj, как только
будет выполнено неравенство
ЦХр..., Хп^А
и в пользу гипотезы Hj при выполнении неравенства
X (Хг,..., Хп)^В.
Если результат вычисления отношения правдоподобия
при п признаках попадает между останавливающимися
границами А и В, то формируется следующий (л+1)-й
признак и процедура вычисления повторяется.
Доказано [46], что останавливающие границы, обеспе-
чивающие заданные вероятности «ложной тревоги» и
«пропуска»,
144
Шестая задача состоит в выборе формы и средств
представления результатов логической обработки призна-
ков распознавания для того, чтобы в соответствии с при-
нятым решением тем или иным образом воздействовать
на контролируемый объект.
Таким образом, процесс автоматического обнаружения
неисправностей буксы на ходу поезда сводится к последо-
вательному выполнению следующих операций:
преобразование параметров контролируемого объекта
в форму, удобную для дальнейшей обработки;
формирование признаков (кода) состояния объекта;
классификация состояний объекта в соответствии с
определенными требованиями;
регистрация информации о состоянии объекта с указа-
нием его адреса.
Техническая реализация устройства, выполняющего
указанные операции в заданной последовательности, по-
казана на рис. 4.1. Преобразователь параметров преобра-
зует пространство состояний контролируемого объекта Е
в пространство электрических сигналов S, подлежащих
дальнейшей обработке:
Si = Q {Е/},
где Q — оператор преобразования пространства состояний объекта в про-
странство сигналов.
Формирователь признаков (кода состояния объекта)
преобразует пространство сигналов S в пространство
признаков X, характеризующих состояние объекта:
Xt — R.{Si]
где R — оператор преобразования пространства сигналов в пространство
признаков.
Классификатор на основе анализа признаков состояния
объекта выполняет функцию классификации, т. е. выра-
145
батывает сигнал, указывающий на принадлежность век-
тора признаков соответствующему классу состояний:
где L — алгоритм работы классификатора.
Регистратор, руководствуясь принятым классификато-
ром решением у», выдает информацию Iel о принадлеж-
ности состояния контролируемого объекта соответствую-
щему классу состояний, т. е.
Jel = Н (Т/),
где Н — оператор преобразования сигнала классификатора информатором
Таким образом, обобщенная аналитическая запись
процесса аппаратурного обнаружения неисправности
Лгг = Н{£ {R [Q (£/)]}}.
На этапе каждого из преобразований возможны иска-
жения, обусловленные погрешностями технических
средств, реализующих заданные операторы преобразова-
ний, и помехами, действующими в измерительном кана-
ле. Эти искажения необходимо учитывать при решении
задач автоматизации процесса обнаружения перегретых
букс на ходу поезда.
4.2. Признаки распознавания греющихся букс
Основным признаком, характеризующим уровень на-
грева буксы и вытекающим из сущности инфракрасного
метода контроля букс, является амплитуда (высота) сиг-
нала от того или иного элемента корпуса буксы или колес-
ной пары, которая несет информацию о температуре на-
грева контролируемого объекта. Статистические характе-
ристики этого признака приведены в п. 3.1.
146
Таблица 4.1
Признаки распознавания греющихся букс
Признак распознавания Обозначе- ние Математическое выражение
в физических величинах в амплитудах сигнала
Амплитуда сигнала АГ! дт и
Разность амплитуд сиг- налов двух соседних букс аг2 ДГ/+1- ДГ/ или Ui+l — Ui
I ДУ z+i — XT t | I Ui+l — Ui I
Разность амплитуд сиг- налов букс колесной пары *3 Д Т/л — ДГ in или И('л — Ufa
! ДГ/л — ДГ/п | ] Uin — Uin I
Сумма амплитуд сигна- лов двух соседних букс ДГ1 + ДГ z-]-i ZZ/ -{-
Отношение амплитуд сигналов двух соседних букс аг5 Д74/4-1. Д71 max AT i AT min ZZ Z+1. wniax LLl ^mln
Отношение амплитуд А-6 ДУ in . ДУ тах Ilin. «max
сигналов букс колесной пары ДГ in AT min uin «min
Разность амплитуд сиг- налов букс и средн ей амп- литуды сигналов букс ва- гона х7 ДГг - ДГср или | Д Г 1 — Д Уср | Ui — Мер | Ui — ucpi (
Сумма амплитуд сигна- лов букс одного вагона аг8 f ДУ/ S Ui i
Отношение амплитуд сигналов букс к средней амплитуде сигналов букс вагона Отношение амплитуд сигналов букс к средней амплитуде сигналов букс вагона, определенной без амплитуды максимального сигнала АГв АГ10 ДУг ДУ ср ду< ДУ® ср Hi McP Hi * &cp
147
Продолжение таблицы 4.1
Признак распознавания Обозначе- ние Математическое выражение
в физических величинах в амплитудах сигнала
Приращение амплитуды сигнала одной и той же буксы на заданном участке пути Хп ДПб- ДПа UIE — UiA
Темп роста амплитуды сигнала буксы на задан- ном участке пути ^"12 ДПб — ДПа ДПб ШБ — UIA Д^АБ
Анализ непрерывных функций распределения значений
признака Х\ для нормально греющихся и перегретых букс
показывает, что при значениях от 6 до 16 классы нор-
мально греющихся и перегретых букс пересекаются, соз-
давая неопределенность при распознавании греющихся
букс по этому признаку.
Кроме того, вероятностный характер связи между тем-
пературой шейки оси и амплитудой контролируемого эле-
мента буксы, а также подверженность амплитуды сигнала
влиянию различного рода помех заставляет разработчиков
аппаратуры автоматического контроля букс постоянно ис-
кать другие признаки, которые в совокупности с главным
признаком (амплитудой сигнала ) повышали бы качество
контроля букс. Эти признаки, как правило, являются ре-
зультатом определенной математической обработки ам-
плитуд сигналов букс вагона. Основные признаки, которые
применяются при распознавании греющихся букс, их
обозначения и математические выражения сведены в
табл. 4.1.
Как видно из приведенной таблицы, значительная
часть признаков распознавания формируется на основе
суммы или разности амплитуд сигналов букс вагона (при-
знаки Х2, Х4, Х7, Xs) или на основе отношения амплитуд
148
сигналов этих букс (признаки Х6, Хв, Хд, Хю). Признаки
Хп, Хю формируются на основе приращения амплитуды
сигнала (температуры буксы) одной и той же буксы,
измеренной в двух точках пути, причем признак Х12 яв-
ляется первой производной усредненного процесса нагре-
ва буксы при движении поезда по участку контроля.
Анализируя математические выражения признаков рас-
познавания, отмечаем, что для определения некоторых из
них (например, признаков Х2, Х3, Х4. Х5, Х6) достаточно
измерить амплитуды сигналов двух букс (соседних, или
расположенных на одной колесной паре). В то же время
определение таких признаков, как Х7-—Хю, требует вы-
полнения достаточно сложных вычислительных операций,
связанных с необходимостью измерения и запоминания
амплитуд сигналов букс всего вагона.
Для того чтобы перечисленными в табл. 4.1 признака-
ми можно было пользоваться при автоматическом обна-
ружении перегретых букс, необходимо располагать их
статистическими характеристиками, к числу которых от-
носятся непрерывные законы распределений плотностей
вероятностей признаков, их моменты.
Зная одномерные и многомерные непрерывные законы
распределений плотностей вероятностей амплитуд сигна-
лов букс вагона (см. п. 3.1), можно с помощью известных
из теории случайных процессов формул преобразования
плотностей вероятностей найти математическое выраже-
ние распределения плотности вероятности любого из при-
веденных признаков распознавания. Однако полученные
таким образом выражения, как правило, сложны, часто в
элементарных функциях не выражаются и использовать
их для инженерных расчетов без ЭВМ практически не-
возможно. В то же время статистическая обработка зна-
чений каждого из признаков позволяет с достаточной
точностью записать непрерывный закон распределения
плотности вероятности признаков с помощью известных
функций.
149
Разберем это на примерах определения непрерывных
функций распределения плотностей вероятностей значений
более простых признаков распознавания.
Признак отношения амплитуд сигналов двух букс.
Наиболее просто находится закон распределения признака
отношения амплитуд двух сигналов. Так, если отношение
амплитуд двух сигналов
то его можно представить в виде
Y = In X = In «2 — In «1.
Тогда закон распределения плотности вероятности ло-
гарифма отношения этих амплитуд [34]
ОО
ГГ1(Г)= j U72[ln«i(r + In «0] rf In «!,
—CO
где UZ2(lnzzi, In tii) — функция двумерного распределения плотности ве-
роятности логарифмов амплитуд сигналов двух букс.
Подставляя в это выражение функцию двухмерного
распределения Wz (lnub lnu2), после интегрирования и
преобразований получим
Хехр.
Но так как Х=е\ a Y=\nX, то пользуясь формулой
функционального преобразования случайных величин,
найдем:
150
1
U7i(X)
|2п аа1 аи2 X
2г12 1
+ 2
°а1 аи2 аа2
X ехр
(4-5)
Полученное выражение справедливо для перегретых
букс. Для букс, греющихся нормально, аи2 = аи1 и
6u2 = aui = a и тогда выражение (4.5) принимает вид:
ВД =
О при X е 1
1 Г (1пХ)2 1 при ^>0. (4.6)
—------== ехр------------i-----—
]/-. сХ]/1 - Гц L 4a2 (1- Г 12) J,
Таким образом, распределение плотности вероятности
отношений амплитуд сигналов букс подчиняется логариф-
мически-нормальному закону с параметрами
= аи2 — a.ui
ох = oui aa2
Зги
°ul °и2
1
2
au2
Если пренебречь корреляцией сигналов букс (ri2=0),
что в большей мере справедливо для сигналов от пере-
гретых букс и в меньшей мере для сигналов от нормально
греющихся букс, то формулы (4.5) и(4.6) соответственно
принимают вид:
__Pn X — ( аи2 — аЫ1)]2|
2 ( aal + “«2) J
(4.7)
151
для перегретых букс и
^(^) =
О при X с; 1;
ехр Г <1пЛ)2 1’ ПРИ %>° (4-8)
4а^ J
для нормально греющихся букс.
На рис. 4.2 показаны гистограммы распределений
плотностей вероятностей отношений сигналов нормально
греющихся и перегретых букс, расположенных с одной
стороны тележки вагона. На эти же рисунки нанесены
непрерывные функции распределений отношений сигна-
лов, рассчитанные по формулам (4.5), (4.6) (кривые 2)
и (4.7), (4.8) (кривые 3). Как следует из приведенных
Рис. 4.2. Гистограммы и непрерывные функции распределения плотно-
сти вероятности отношений сигналов двух нормально греющихся (а)
и перегретых (б) букс
152
кривых, полученные выражения непрерывных функций рас-
пределений плотностей вероятностей отношений сигналов
достаточно хорошо согласуются с эмпирическими данны-
ми. При этом наиболее точное совпадение теоретического
распределения с эмпирическим обеспечивается при учете
корреляции между температурами нагрева осматриваемых
букс, имеющей место в действительности. В [33] показа-
но, что в качестве выражений непрерывных функций рас-
пределения плотностей вероятностей значений признака
отношения амплитуд сигналов двух соседних букс вагона
могут использоваться выражения логарифмически-нор-
мальных распределений вида
О при —оо < X с- 0;
(In X - акХ)21, при %>0 (4.9)
]/2r. ZX X
с параметрами aix = 0,3; aiA = 0,187 — для нормально
греющихся букс и а2.х=1Д2, а2х: = 0,298 — для перегре-
тых букс. Законы распределений, рассчитанные по фор-
муле (4.9), приведены на рис. 4.2 (кривые 1). Как видно
из рисунка, кривые достаточно точно совпадают с эмпи-
рическими распределениями только в области больших
значений отношений для нормально греющихся букс и в
области малых значений отношений для перегретых букс.
Так как при аналитических исследованиях методов обна-
ружения перегретых букс точная аппроксимация теорети-
ческого и эмпирического распределений наиболее важна
именно в этих областях, то приведенным выражением
функции распределения значений признака отношения ам-
плитуд сигналов двух букс также можно пользоваться.
Связь между амплитудами сигналов соседних букс в вы-
ражении (4.9) учтена соответствующим подбором пара-
метров распределений. Анализ функций распределений
значений признака Х$ (Х6) показывает, что значения
этого признака классов нормально греющихся и перегре-
153
тых букс также имеют значительную область пересе-
чения.
Признаки разности и суммы амплитуд двух сигналов.
Непрерывную функцию распределения признака разности
амплитуд сигналов двух букс (Х?, Х3) также можно по-
лучить путем функционального преобразования законов
распределений случайных величин.
Если Xz = X=ii2—Ui, то, пользуясь выражением [34]:
ОО
W, (X) = f г2 [«! («1 н- АГ)] du,,
—ОО
где W2 [ai («1 + А-)] = W2 (и,, и2) — двухмерная функция распределения
амплитуд сигналов букс (3.17).
Запишем
Г1(Х) =-------1...... ( ---------
27l0u, %, 1 — Г12 -оо “1 (“1 +
Выражение (4.10) элементарными функциями не описы-
вается, а результат его численного интегрирования при
Oix=l,76; Ц2х = 3,1; о21Х = 0,12; а|х = 0,14 и различных
значениях коэффициента корреляции ri2 показан в виде
графика непрерывной функции распределения плотности
вероятности признака разности амплитуд сигналов
(рис. 4.3) (кривая 2). Полученные кривые хорошо согла-
суются с эмпирическими распределениями, полученными
путем статистической обработки экспериментальных дан-
ных. Более простое выражение функции распределения
154
Рис. 4.3. Гистограмма и непрерывные функции распределения плотно-
сти вероятности разности сигналов нормально греющихся (а) и пере-
гретых (б) букс
плотности вероятности разности амплитуд сигналов можно
получить в предположении независимости амплитуд сиг-
налов букс в вагоне методом характеристических функ-
ций [34].
Характеристическая функция логарифмически-нормаль-
ного распределения плотности вероятности амплитуд
сигналов букс обычно представляется в виде ряда [34]
оо
Qi«(VO = SxH-W>
v=0
где mv — начальные моменты распределения (см. табл. 3.2).
155
Это позволяет записать характеристическую функцию
признака разности амплитуд сигналов в виде
оо °° /л
Qx (ю=qU1 (ю QUl (-ю=2 2 w х
fir=0r=0 к'
X^y-(-W. (4.11)
Зная характеристическую функцию случайной величи-
ны X (признака разности амплитуд Х^), с помощью об-
ратного преобразования Фурье найдем функцию ее рас-
пределения:
1 00
= i f Qx (V)exp(—JVX)dV. (4.12)
—оо
Подставляя в (4.12) выражение характеристической
функции (4.11), после интегрирования и преобразований
получим функцию распределения плотности вероятности
разности амплитуд сигналов для перегретых букс:
— dn
где Н (Z) = (—1)" е 2 — (е 2 ) — полиномы Эрмита;
К, 1 — коэффициенты асимметрии и эксцесса (см. табл. 3.1);
2 2 —моменты распределения (3.1).
G . ст
“1 и2
156
Рис. 4.4. Функции распределения плотности вероятности суммы ампли-
туд сигналов двух нормально греющихся (1) н перегретых (2) букс
Правая часть выражения (4.13) представляет собой
первые 3 члена разложения функции (X) в ряд Грам-
ма-Шарлье по полиномам Эрмита. Для нормально грею-
щихся букс miu2 = miub (Ju2 = (Jui = Ox, К-^Къ и выра-
жение (4.13) с учетом симметричности функции распре-
деления относительно оси ординат преобразуется к виду:
W. (|Х|) = -1= ехр Г1 + -L- Н< (-Ш ] • (4.14)
а утл \ 4о2 / L 4!2 \a]/2./J
Ограничение ряда Грамма-Шарлье первыми тремя
членами разложения оправдано быстрой сходимостью ря-
да, обусловленной малыми значениями коэффициента
асимметрии. Функции распределения, рассчитанные по
формулам (4.13) и (4.14), приведены на рис. 4.3 (кривые
2). Аналогичным образом могут быть получены выраже-
ния функций распределения признака суммы амплитуд
сигналов двух (и более) букс вагона. Так, для суммы ам-
плитуд сигналов п букс функция распределения
(X - nmlx) '
U71(?f)=—1==-ехр
V п
— П/Wj Y'
2па2
3! 3 к
[X — пт, „
-L-//4 ——1*
4!п \ У а2 п
157
На рис. 4.4 приведены графики функций распределения
признака суммы двух сигналов, рассчитанные по формуле
(4.15). Значения моментов распределений амплитуд сиг-
налов взяты из табл. 3.1. При решении задач обнаруже-
ния перегретых букс по совокупности нескольких призна-
ков распознавания удобно, когда все оии имеют одинако-
вые по форме функции распределений значений этих при-
знаков. С этой целью для распределений указанных при-
знаков были подобраны такие параметры, которые позво-
лили с достаточной для практического применения точно-
стью аппроксимировать эмпирические распределения при-
знаков разности и суммы амплитуд двух сигналов букс
логарифмически-нормальными функциями распределения
с параметрами, приведенными в табл. 4.2. Здесь же при-
ведены моменты распределений и подобранные параметры
Рис. 4.5. Функции распределения
плотности вероятности признаков
Х9 и Хю нормально греющихся
(1) и перегретых (2) букс
функций распределений бо-
лее сложных признаков рас-
познавания, для которых
получение аналитических
выражений функций рас-
пределения с помощью фун-
кционального преобразова-
ния законов распределения
амплитуд сигналов букс
приводит к чрезвычайно
громоздким выражениям. В
качестве примера на рис.
4.5 показаны функции рас-
пределения признаков Х9
(сплошные линии) и Хю
(штриховые линии), в фор-
мировании которых прини-
мают участие амплитуды
сигналов всех букс одной
стороны вагона. Анализ
приведенных функций рас-
158
Таблица 4.2
Статистические характеристики признаков распознавания
греющихся букс
Признак распоз- । навания Вид функции распределения признака Параметры распределений Моменты распределений
Нормально греющиеся Перегретые Нормально греющиеся Перегре- тые
ап S а12 °Z2 тп тГ2 Ml2
Л1 Логарифмиче- ски-нормальиый 1,76 0,12 3,1 0,14 6,17 4,86 23,8 85,1
^2 Ряд Грамма- Шарлье; лога- рифма чески-нор- мальный -0,04 0,48 2,57 0,26 0 5,41 14,8 65,6
Ряд Грамма- Шарлье; лога- рифмически-нор- мальный -0,04 0,49 2,6 0,26 0 5,58 15,3 68,1
Л4 Ряд Грамма- Шарлье; лога- рифмически-нор- мальный 2,47 0,064 3,35 0,096 12,3 10,1 29,9 90,0
Логарифмиче- ски-нормальный 0 0,13 1,34 0,17 1,07 0,16 4,15 3,91
хй Логарифмиче- ски-нормальный 0 0,13 1,34 0,18 1,07 0,16 4,16 4,58
х7 Ряд Грамма- Шарлье; лога- рифмически-нор- мальный -0,7 0,7 2,3 0,3 0 3,04 11,58 46,9
xs Ряд Грамма- Шарлье; лога- рифмически-нор- мальный 3,18 0,035 3,72 0,05 24,7 22,0 42,3 100
Хд Логарифмиче- ски нормальный -0,02 0,035 0,79 0,07 1,0 0,04 2,28 0,36
х10 Логарифмиче- ски нормальный 0,08 0,035 1,1 0,07 1,1 0,04 з.п 0,69
159
Продолжение таблицы 4.2
Хи
Х12
Вид функции распределения признака Параметры распределений
Нормально греющиеся Перегретые
аи 2 аи а11 aZ2
Нормальный 1 (для нормально греющихся букс) Логарифми- чески -нормаль- ный (для пере- гретых букс) — — 2,6 0,16
Нормальный (для нормаль- но греющихся букс) Логарифми- чески -нормаль- ный (для пере- гретых букс) — — -2,13 1,6
2,4 6,3 16,9 36,1
0,025 0,002 0,41 0,3
Моменты распределений
Нормально греющиеся Перегретые
mZl ^Z2
пределения показывает, что, несмотря на имеющиеся у
значений этих признаков пересекающиеся области, авто-
матическое распознавание перегретых букс по признаку
Хю более предпочтительно, так как значение этого призна-
ка имеет заметно меньшую область пересечения. Признак
Хю также не свободен от недостатков ранее рассмотрен-
ных признаков.
Таким образом, табл. 4.2 содержит все основные ста-
тистические характеристики признаков распознавания гре-
ющихся букс, наиболее часто встречающихся в практике
аппаратурного контроля букс. Как следует из приведен-
ных графиков функций распределений значений рассмот-
160
ренных признаков, все они имеют значительные области
пересечения и потому не могут обеспечить безошибочного
распознавания греющихся букс аппаратурой контроля.
4.3. Анализ признаков распознавания
греющихся букс. Корреляция между признаками
Для правильного ориентирования в многообразии при-
знаков распознавания греющихся букс проведем их срав-
нительный анализ с точки зрения информативности и с
точки зрения возможности технической реализации. Наи-
более простым критерием качества признака распознава-
ния является отношение средней дисперсии признака
разных классов букс к дисперсии математических ожида-
ний признака, вычисленной также для букс разных клас-
сов. Математическое выражение этого критерия качества
признаков см. в п. 4.1. Вычисленные в соответствии с этим
критерием характеристики качества признаков распозна-
вания сведены в табл. 4.3. Лучшим по информативности
считается тот признак, для которого «критерий качества»
Лг, имеет минимальное значение.
Анализируя данные табл. 4.3, отмечаем, что «критерии
качества» разных признаков могут отличаться друг от
друга почти на порядок. Лучшим из анализируемых при-
знаков является признак XiQ (отношение амплитуды сиг-
нала контролируемой буксы к средней амплитуде сигна-
лов букс вагона, вычисленной без большей амплитуды).
Для этого признака Кц= 10. Значительное (по сравнению
с другими признаками) «расстояние» между математиче-
скими ожиданиями значений признака, принадлежащих к
разным классам букс («расстояние» между гипотезами),
повышает способность этого признака к распознаванию
греющихся букс. Худшим из рассматриваемых признаков
является признак Х8 (сумма амплитуд сигналов букс ва-
гона). Очевидно, дополнительная информация о состоянии
6—4947 161
букс, которую несут амплитуды сигналов букс вагона,
превышается «шумом» (неопределенностью), содержа-
щимся в каждом сигнале. Это подтверждается значением
«критерия качества» (Л'д=71,3), которое более чем в
7 раз превышает значение «критерия» признака Хю. Из
остальных признаков особого внимания заслуживает
признак Xi. Он, имея хорошие характеристики качества
(/Cji = 15,8), что уже позволяет выделить его из рассмат-
риваемых признаков распознавания, в то же время явля-
ется единственным из признаков, который несет информа-
цию об уровне нагрева буксы в момент контроля. Благода-
ря этому этот признак является основным признаком рас-
познавания во всех известных в настоящее время системах
автоматического контроля букс.
Таблица 4.3
Характеристика качества различных признаков распознавания
греющихся букс
Признак распознавания Характеристики качества
Математиче- ское ожидание дисперсий признака Дисперсия математи- ческого ожи- дания приз- нака Математиче- ское ожидание признака Критерий качества признака
Kji-W
Х1 4,90 310 6,18 15,8
х2 5,45 218 0,008 24,9
х3 5,62 233 0,009 24,1
X. 10,14 310 12,3 32,7
х$ 0,162 7,33 1,07 22,1
Xs 0,162 7,37 1,07 22,0
х7 3,08 134 0,006 21,1
х3 22,047 310 24,7 71,3
х9 0,04 1,84 1,0 20,7
xio 0,04 4,04 1,1 10,0
Хп 6,32 210 2,41 30,0
xi2 0,00218 0,148 0,025 14,7
162
Признаки, которые формируются из амплитуд сигна-
лов двух букс одной тележки вагона, имеют приблизи-
тельно одинаковые значения «критерия качества»
Aji« 22 ч-25. Однако и среди них можно выделить при-
знаки, которые являются более предпочтительными для
применения в аппаратуре контроля букс. Так, признаки
Х2, Хз и Хз, Х6 попарно имеют практически одинаковые
характеристики качества. Но реализация признаков Хз и
Х6 требует идентичности коэффициентов передачи измери-
тельных трактов аппаратуры, контролирующей буксы
обеих сторон поезда, что можно соблюдать не столь стро-
го при работе с признаками Х2 и Хз. В то же время,
сравнивая между собой признаки Х2 и Хз, предпочтение
следует отдать признаку Х5, который при прочих равных
условиях имеет несколько меньшее значение «критерия
качества» (/Qi = 22,1) и является более помехоустой-
чивым.
Несмотря на то что все признаки, сформированные
путем определенной обработки амплитуд сигналов букс
вагона (Х7—Хю), содержат информацию о «температур-
ном фоне» поезда (а это является важным для правиль-
ной классификации контролируемых букс), предпочтение
следует отдать признакам, полученным вычислением от-
ношения амплитуды сигнала контролируемой буксы к
среднему значению амплитуды сигналов букс вагона
(Хд, Хю)- Эти признаки также имеют лучшие характери-
стики качества и являются более защищенными от влия-
ния помех.
Анализ теплотехнических характеристик буксовых уз-
лов и режимов их работы при появлении разлцчных не-
исправностей показал, что одним из устойчивых признаков,
характеризующих техническое состояние буксы, является
скорость приращения температуры (интенсивность нагре-
ва) подшипника или сопряженных с ним элементов колес-
ной пары и буксового узла. Этот признак имеет неоспо-
римые достоинства. Так, только интенсивность нагрева
6* 163
буксы позволяет выявить образовавшиеся в буксе неис-
правности на ранней стадии их развития, снижает влия-
ние случайных факторов на процесс теплопередачи в
буксе и мощность ее ИК-излучения. Кроме того, только
сведения об интенсивности нагрева буксы позволяют от-
нести к нормально греющимся буксам буксы с относи-
тельно высоким, но не прогрессирующим нагревом (на-
пример, буксы с прирабатывающимися новыми подшипни-
ками). Среди рассматриваемых признаков сведения об
интенсивности нагрева содержат признаки АД и АД.
Сопоставляя их между собой, следует отдать предпочте-
ние признаку Х12, который, имея (более чем в 2 раза)
лучшие характеристики качества, в то же время учитывает
характер движения поезда (например, скорость, время
задержек и др.) на контролируемом участке. Для реали-
зации указанного признака распознавания необходимо
решить такие сложные технические задачи, как иденти-
фикация поезда в двух (или нескольких) точках участка
контроля, передача и хранение значительных объемов
данных контроля и др. Перегретые буксы с учетом при-
знака Х12 могут быть обнаружены только в системе
контроля букс с централизацией сбора хранения и обра-
ботки телеметрической информации [60].
Однако при выборе признаков недостаточно руководст-
воваться только характеристиками качества признаков.
Из теории статистического распознавания образов изве-
стно, что с целью повышения надежности (верности) рас-
познавания его необходимо осуществлять по нескольким
признакам. Этот принцип положен в основу современных
систем контроля букс. Для правильного выбора сово-
купности признаков, по которым целесообразно распозна-
вать перегретые буксы, важно располагать сведениями о
связях между парами различных признаков. Так как все
признаки распознавания греющихся букс представляют
собой случайные величины, то для характеристики связи
между ними достаточно определить коэффициенты кор-
164
реляции между всеми рассматриваемыми парами призна-
ков. Зависимость между парой признаков распознавания
и Х5 для нормально греющихся и перегретых букс
показана на рис. 4.6. Здесь точками показаны сопряжен-
ные значения соответствующей пары признаков. Анализ
приведенной зависимости показывает, что корреляция
между значениями признаков у перегретых букс значи-
тельно теснее, чем у нормально греющихся. Это можно
объяснить относительно более сильным влиянием «шу-
мов» (случайных факторов) на сигналы с малыми ампли-
тудами нормально греющихся букс. Для количественной
оценки коэффициентов корреляции воспользуемся выра-
жением [58]
1 "
~ 5 ~ mixt) ~ mlXj)
---;. *=1 . (4.16)
/ 1 П 1 л
у -F2Ж - т1Х1? -i- 2 - ^xj)2
г “ й=х “ й=1 1
где mlxi, m1Xj- — математические ожидания рассматриваемой пары приз-
наков (см. табл. 4.2).
165
Таблица 4.4
Коэффициенты корреляции между парами признаков распознавания
нормально греющихся букс
Приз-
НЭКИ
Коэффициенты корреляции Tij между парами признаков
распоз-
нава-
ния
х2
Хз
X.
Хз
Хз
Х7
Хз
Хз
Хи>
Хп
Xi2
1,0
0,5
1,0
0,4
0,6
1,0
0,4
0,5
0,5
1,0
0,3
0,7
0,5
0,5
1,0
0,3
0,5
0,7
0,5
0,5
1,0
0,4
0,4
0,4
0,5
0,5
0,5
1,0
0,4 0,3 0,3 0,3 0,3
0,4 0,5 0,5 0,3 0,3
0,4 0,5 0,5 0,3 0,3
0,5 0,4 0,4 0,3 0,3
0,5 0,5 0,5 0,3 0,3
0,5 0,5 0,5 0,3 0,3
0,5 0,7 0,5 0,3 0,3
1,0 0,5 0,6 0,3 0,3
1,0 0,7 0,3 0,3
1,0 0,3 0,3
1,0 0,7
1,0
Результаты расчетов, выполненных по формуле (4.16)
для нормально греющихся и перегретых букс, приведены
в табл. 4.4 и 4.5. Так как во всех случаях гц=Гц, ука-
занные таблицы заполнены только по диагонали. Как вид-
но из приведенных таблиц, коэффициенты корреляции
между парами признаков нормально греющихся букс ко-
леблются от 0,3 до 0,7, причем меньшие значения коэффи-
циентов корреляции имеют место между Xi и всеми дру-
гими признаками, а также между всеми признаками и
признаками, несущими информацию о скорости нагрева
буксы (Хп, Х12). Максимальные значения коэффициен-
тов корреляции признаков нормально греющихся букс
166
Таблица 4.5
Коэффициенты корреляции r/у между парами признаков
Приз-
наки
Коэффициенты корреляции между парами признаков распознавания
перегретых букс
распоз- нава- ния х, X, х4 х5 х. х7 х. х. х,0 хп X,,
Xi 1.0 0,7 0,7 0,7 0,6 0,6 0,6 0,6 0,5 0,4 0,4 0,4
х2 1,0 0,8 0,8 0,9 0,8 0,9 0,8 0,7 0,4 0,4 0,4
х3 1,0 0,8 0,8 0,9 0,9 0,8 0,7 0,4 0,4 0,4
х< 1,0 0,8 0,8 0,9 0,9 0,7 0,4 0,7 0,4
Хз 1,0 0,8 0,9 0,7 0,9 0,8 0,4 0,4
Хв 1,0 0,9 0,7 0,9 0,8 0,4 0,4
Х7 1,0 0,8 0,9 0,7 0,5 0,5
х3 1,0 0,8 0,7 0,4 0,5
Х9 1,0 0,9 0,4 0,4
Х10 1,0 0,4 0,4
.¥„ 1,0 0,9
х12 1,0
имеют пары признаков, образованных путем определенной
математической обработки одних и тех же амплитуд сиг-
налов (например, пары Х2—Хз; Х3—Х6; Х7—Хэ и др.).
Подобная картина, но более четко наблюдается у коэф-
фициентов корреляции пар признаков перегретых букс,
которые колеблются от 0,4 до 0,9. Очевидно, что совмест-
ное использование для распознавания греющихся букс
признаков с высокой степенью корреляции (г^ = 0,9) не-
целесообразно, так как «добавление» еще одного призна-
ка почти не добавляет сведений о греющихся буксах.
Так, нецелесообразно использовать совместно пары при-
знаков Х2—Х5', Х3—Xq", Хц—Х[2 и др.
167
Таким образом, анализ признаков распознавания гре-
ющихся букс, их статистических характеристик, видов не-
прерывных функций распределения их значений позволяет
заключить что:
поскольку множества значений всех признаков нор-
мально греющихся и перегретых букс, сформированных из
амплитуд сигналов букс, пересекаются, то греющиеся бук-
сы по этим признакам не могут распознаваться безоши-
бочно;
качество признаков распознавания греющихся букс
можно оценить с помощью «критерия качества», который
у известных признаков колеблется от 10 до 80, причем
лучшими с позиций этого критерия являются признаки
Xi, Лю, X1 о;
между признаками распознавания греющихся букс су-
ществует тесная (как правило, положительная) корреля-
ция, характеризуемая коэффициентами корреляции
0,3—0,7 — для нормально греющихся букс и 0,4—0,9 —
для перегретых букс;
из всех рассмотренных признаков распознавания наи-
более эффективными для применения в аппаратуре конт-
роля букс следует считать признак амплитуды сигнала
буксы (XJ, признак отношения амплитуды сигнала конт-
ролируемой буксы к средней амплитуде сигналов букс
вагона, вычисленной без максимального сигнала, а также
скорость (темп) нагрева буксы на контрольном участке
пути (Х12).
Невозможность реализации признака Хц в аппаратуре
контроля букс, функционирующей автономно, а также
сложность технической реализации формирователя при-
знака Хю ограничивают число признаков, целесообразных
для применения в аппаратуре. Это оправдывает примене-
ние в аппаратуре контроля букс в качестве дополнитель-
ных к признаку Xi одного из признаков отношения (Х5,
Х6) или разности (Х2, Хз) амплитуд сигналов двух со-
седних букс вагона.
168
4.4. Потенциальная информативность
различных признаков распознавания греющихся букс
Под информативностью признака распознавания грею-
щихся букс будем понимать его способность к правиль-
ной классификации букс, т. е. способность признака пра-
вильно классифицировать все множество контролируемых
букс Б на два подмножества (класса): нормально грею-
щихся (Н) и перегретых (П) букс (см. п. 4.1.) Если ап-
риорную вероятность появления нормально греющейся
буксы (класса Н) обозначить Р(Н), вероятность появле-
ния перегретой буксы (класса П) Р(П), а вероятность пра-
вильного отнесения нормально греющихся букс к классу
нормально греющихся букс Р(Н/Н) и вероятность пра-
вильного отнесения перегретой буксы к классу перегретых
букс Р(П/П), то вероятность правильной классификации
букс
Рпкб = Р(Н)Р(Н/Н)+ Р(П)Р(П/П).
Однако в практике аппаратурного контроля букс инфор-
мативность признака принято характеризовать вероят-
ностью ошибки при классификации букс. Если считать,
что вероятности правильного и неправильного отнесения
нормально греющихся (перегретых) букс к классу нор-
мально греющихся (перегретых) букс образуют полную
совокупность событий, то вероятность ошибки при авто-
матическом распознавании греющихся букс
Рош = Р (Н) [ 1 - Р (Н/Н)] + Р (П) [ 1 - Р (П/П)].
Вероятность [1—Р(Н/Н)] принято называть вероят-
ностью «ложной тревоги» РЛт, т. е. вероятностью ошибоч-
ного отнесения нормально греющейся буксы к классу пе-
регретых букс, а вероятность [1—Р(П/П)] — вероят-
ностью пропуска перегретой буксы, или вероятностью оши-
169
бочного отнесения перегретой буксы к классу нормально
греющихся букс. В этом случае
РОш = Р(Н)Рлт+Р(П)Рпр. (4.17)
Для того чтобы оценить, насколько полно реализова-
ны в аппаратуре контроля букс информативные возмож-
ности признака распознавания, необходимо знать его по-
тенциальную (предельную) информативность. Под по-
тенциальной информативностью признака будем считать
минимум ошибки при распознавании, которая может быть
достигнута в условиях отсутствия помех с использованием
максимального количества априорной информации о приз-
наке распознавания.
Если греющиеся буксы распознаются по признаку Xi,
то вероятность «ложной тревоги» при фиксированном по-
роге Xi0
Рлт(^/) = 7 WidXijdXi, (4.18)
Х/о
где 1Ги (Хг) — функция плотности вероятности признака класса нормаль-
но греющихся букс.
Вероятность пропуска перегретой буксы в соответст-
вии с определением
Pnp(Xt) = f Wi2(Xi)dXi, (4.19)
о
где „ (X,) — функция плотности вероятности признака класса перегре-
' тых букс.
Подставив в формулы (4.18) и (4.19) соответствующие
выражения одномерных функций распределения плотнос-
ти вероятности любого из признаков распознавания, пос-
ле интегрирования получим выражения для определения
зависимостей:
Рлт(^) = /1(^/); Рпр (^/) = /2 да-
170
Так, подставляя в (4.18) и (4.19) выражение соответ-
ствующих одномерных функций распределения признака
Xi (амплитуды сигнала), получим:
Рлт(^) = ^— $ Я"1 expf-^-^W; (4.20)
Т2" ап х"о L 2ац J
Pnp(X1)=¥=J— $ Х^ехрр^у^ф*!. (4.21)
1'2’со12 о L 2а12 -1
Интегралы в (4.20) и (4.21) в элементарных функци-
1п Xi — я1к
ях не выражаются, однако заменой переменных -----
°1К
приводятся к интегралам Лапласа [48]:
рлт (xj = 1 - ф (1пЛ|°|-^-1-)! (4.22)
Рпр (А\) = Ф (1пЛ1°~й12) . (4.23)
I ст12 /
1 Z 1
где Ф (Z) = [ ехр (_ JL di.
l^-Too \ 2 >
В тех случаях, когда функция распределения плотнос-
ти вероятности признака нормальна, вероятность «ложной
тревоги» и пропуска перегретой буксы также выражает-
ся функцией Лапласа, аргумент которой
/Лго - ntjj к
I ’
Зависимости, рассчитанные по формулам (4.17), (4.22),
(4.23), для некоторых из признаков приведены на рис.
4.7, 4.8. Анализ приведенных на этих рисунках кривых по-
казывает, что независимо от используемого признака рас-
познавания уменьшение вероятности пропуска перегре-
171
той буксы неизменно приводит к увеличению вероятности
ложной тревоги. Это указывает на существование у функ-
ций POw~fi(Xi) экстремума, где вероятность суммарной
ошибки имеет минимальное значение. Определим порого-
вое значение признака Хго, при котором вероятность сум-
марной ошибки минимальна. Этот оптимум может быть
найден в соответствии с критерием Котельникова (идеаль-
ного наблюдателя).
Подставляя в формулу (4.17) выражения вероятнос-
ти «ложной тревоги» и «пропуска» перегретой буксы, за-
пишем
ОО IQ
Рош(?О) = Р(Н) f Ц7п(^)^ + Р(П) f W^X-^dXi. (4.24)
*Z0 0
Взяв от (4.24) производную по признаку распознава-
d рош (xi)
ния ----------- и приравняв ее нулю, получим уравне-
ние, корнем которого является пороговое значение приз-
Рис. 4.7. Зависимость вероятности «ложной тревоги» (1), «пропуска»
(2) и суммарной ошибки распознавания (3) от пороговых значений
признаков Xi (а), Хг (б) и Х$ (в)
172
нала .иинимиаиру ю-
щее вероятность ошибки при
распознавании греющихся
букс по этому признаку.
Действительно,
Р(Н)ГП(^)-
-Р(П)иГ12(Лд) = 0, (4.25)
или
Х0(Лд0) = (4.26)
V «М*/) v
Р(П)
где Хо (Х/о) = >-о =_— функ-
ошибки распознавания от поро-
гового значения признаков Х$,
Хв, Х.о
ция правдоподобия.
Подставляя в (4.25) выражения соответствующих функ-
ций распределения плотности вероятности, получим на-
пример, для признака амплитуды сигнала уравнение ви-
да [53]
АОпад+ВхШ^о+С^О, (4.27)
где = а2п — а22 ;
=2 (°i2 ап ~ °п ai2);
о о о *) Х0
Cj = ап а12 — а12 ап — 2ап In а
Решая уравнение (4.27), найдем
%ю = ехр
—Bj ± У в2 — 4А1С1
(4.28)
Аналогичные формулы, в которых параметры ац,
62ij заменены моментами тг-у, Мц могут быть получены
при нормальных законах распределения плотности веро-
ятности значений рассматриваемого признака.
173
Таблица 4.6
Потенциальная информативность признаков распознавания
греющихся букс
Признак рас- познавания о с> ч С> 5 о £*
Xi 21,5 0,79 0,45 3,5 55 81
х2 13,1 0,80 0,50 3,8 50 80
х3 13,5 0,80 0,50 3,8 50 79
х< 31,5 0,45 0,62 4,17 38 84
х5 3,7 0,8 0,48 3,68 52 80
Хв 3,8 0,62 0,50 3,74 50 82
х7 11,4 0,70 0,57 4,1 43 79
хв 48,2 1,0 0,7 5,2 30 66
х9 2,25 0,41 0,50 3,6 50 87
xi0 2,19 0,93 0,12 1,65 88 86
хп 13,0 0,5 0,46 3,3 54 87
xi2 0,21 0,5 0,45 3,2 55 88
Результаты расчетов, выполненных по формулам (4.28),
(4.22) и (4.23), (4.17), для удобства их сопоставления
сведены в табл. 4.6.
Как следует из данных табл. 4.6 и приведенных на
рис. 4.7, 4.8 кривых, смещение порогового значения раз-
деляющей функции вправо (увеличение порогового зна-
чения) приводит к резкому уменьшению вероятности
«ложной тревоги» и более «ленивому» увеличению веро-
ятности пропуска перегретой буксы. Так, например, изме-
нение порогового значения разделяющей функции, умень-
шающее вероятность «ложной тревоги» на порядок, при-
водит к увеличению вероятности пропуска перегретой бук-
сы в зависимости от признака распознавания примерно в
1,5—3 раза. Это определяет ход кривой зависимости ве-
роятности суммарной ошибки распознавания от поро-
174
гового значения разделяю-
щей функции, которая ока-
зывается менее «чувстви-
тельна» к увеличению (по
сравнению с оптимальным)
порога распознавания, чем
к его уменьшению. Иными
словами, некоторое увели-
чение оптимального поро-
гового значения разделяю-
щей функции приводит к
меньшему увеличению ве-
роятности суммарной ошиб-
ки, чем его уменьшение, что
определяется формой зако-
на распределения значений
Рис. 4.9. Зависимость вероятно-
сти ошибки распознавания гре-
ющихся букс от соотношения
классов нормально греющихся и
перегретых букс
признаков распознавания и соотношением вероятности
классов нормально греющихся и перегретых букс.
Обращает внимание значение потенциальной инфор-
мативности признака Хю. Как следует из рис. 4.8, веро-
ятность суммарной ошибки, которую обеспечивает приз-
нак Хю в зоне оптимального порогового значения разде-
ляющей функции, почти в 2 раза меньше, чем для приз-
нака Х9, который формируется из амплитуд сигналов тех
же букс, что и признак Хю. В этом отношении признак
Хю обладает существенным преимуществом по сравнению
с другими признаками.
Заметим, что вероятность суммарной ошибки распоз-
навания греющихся букс ( в отличие от вероятности «лож-
ной тревоги» и «пропуска» перегретой буксы) зависит от
соотношения классов нормально греющихся и перегретых
букс (функции правдоподобия). График зависимости
Pom = f(^o) для признака Xi показан на рис. 4.9. Как вид-
но из этого рисунка, увеличение значения функции прав-
доподобия приводит к пропорциональному увеличению
вероятности суммарной ошибки.
175
Несмотря на то что рассмотренные показатели инфор-
мативности признаков достаточно полно и всесторонне
характеризуют потенциальные возможности как призна-
ков распознавания, так и аппаратуры обнаружения пере-
гретых букс в целом, на практике в условиях эксплуата-
ции аппаратуры сложилась другая система показателей,
по которым оценивается качество работы аппаратуры. К
ряду этих показателей относятся: «выявляемость» перег-
ретых букс (г]), «подтверждаемость» (достоверность) по-
казаний аппаратуры (р) и вероятность необоснованных
остановок поездов из-за ложных показаний аппаратуры
(а). Перечисленные показатели связаны с уже рассмот-
ренными показателями (Рлт, /’пр) и между собой.
Под «выявляемостью» перегретых букс принято счи-
тать выраженное в процентах отношение числа выявлен-
ных аппаратурой действительно (подтвержденных осмот-
ром) перегретых букс NB к общему количеству перегре-
тых букс Мфп, обнаруженных в поездах за определенный
интервал времени, т. е.
ТУ ту. _ дт / /у \
7] = —в- 100 = —-----2^ 100 = ( 1---2₽_ ] .
ЛГфп АГфп ДГфп )
где 7Упр — число пропущенных аппаратурой перегретых букс.
При большом числе проконтролированных букс отно-
шение Nnp/Мфп стремится к вероятности пропуска перег-
ретой буксы Рпр и выражение (4.29) можно записать в
виде
7] = (1-Рпр)Ю0. (4.30)
Соотношение (4.30) устанавливает связь между экс-
плуатационным показателем «выявляемое™» и «теорети-
ческим» показателем — вероятностью пропуска перегретой
буксы.
176
«Подтверждаемость» показаний — это отношение чис-
ла выявленных аппаратурой действительно перегретых
букс NB к общему числу букс, показанных аппаратурой
как перегретые Nn0K,
2V
-vno,<
100 =
”, + ^лт
юо,
(4.31)
где N — число нормально греющихся букс, показанных аппаратурой
как перегретые.
Результаты расчетов, выполненных по формулам
(4.30), (4.31) для всех рассматриваемых признаков, см. в
табл. 4.6.
Число выявленных аппаратурой перегретых букс
^ = Р(П)^0, (4.32)
где No — общее число букс, проконтролированных аппаратурой за опре-
деленный интервал времени.
Число ложных показаний аппаратуры
ДГЛТ = Р(Н)РЛТДГО. (4.33)
Подставляя (4.32) и (4.33) в (4.31), после преобразо-
ваний получим соотношение между показателями «под-
и «теоретическими» показателями ин-
тверждаемости»
формативное™:
₽ =
(1 - Рпр) 100
р
1 — р лт
ло
100.
г лт
(4-34)
Под вероятностью необоснованных остановок поездов
принято считать выраженное в процентах отношение чис-
ла ложно остановленных поездов Мло к общему числу про-
контролированных аппаратурой поездов Жп.'
а=^-. (4.35)
,/von
177
Число проконтролированных аппаратурой поездов
где т — среднее число букс в одном поезде (т 420).
Если предположить, что каждому ложному показанию
аппаратуры соответствует остановка поезда Nso—Nm, то
с учетом (4.33) выражение (4.35) принимает вид
а = Р(Н)^лтЛГ°ОТ ЮО = тР (Н) Рлт-100.
Так как Р(Н) ~ 1, то
а = тРлт-100, (4.36)
т. е. вероятность необоснованной остановки поездов зави-
сит от вероятности «ложной тревоги» и длины составов,
находящихся в обращении на контролируемом участке пу-
ти. Вероятность необоснованной остановки поездов может
быть выражена и через эксплуатационные показатели
«выявляемое™» и «подтверждаемости». Так, определяя
вероятность «ложной тревоги» из (4.34) и подставляя по-
лученное соотношение в (4.36), найдем
а = т^ЪО7].1ОО. (4.37)
Этой формулой удобно пользоваться при практических
расчетах.
Следует заметить, что соотношение (4.37) справедливо
лишь при малых значениях вероятности «ложной трево-
ги». При больших значениях вероятности «ложной тре-
воги» допущение о равенстве числа ложных показаний ап-
паратуры числу ложных остановок поездов нельзя считать
справедливым.
Зависимости т] и р от порогового значения призна-
ка распознавания Х5 приведены на рис. 4.10. Как видно
178
из приведенных графиков,
повысить «выявляемость»
перегретых букс аппара-
турой (изменением по-
рога распознавания) мож-
но только ценой снижения
«подтверждаемости» пока-
заний и, наоборот, повы-
сить «подтверждаемость»
показаний аппаратуры мо-
жно только снижением «вы-
являемое™» перегретых
букс.
Таким образом, анализ
потенциальной информа-
тивности различных при-
знаков распознавания гре-
ющихся букс показывает,
что, как и следовало ожи-
дать, обнаружение пере-
гретых букс по любому
Рис. 4.10. Зависимость «выявля-
емое™» перегретых букс (1)
«подтверждаемости» показаний
аппаратуры контроля (2) от по-
рогового значения признака рас-
познавания Х$
из рассмотренных приз-
наков не обеспечивает безошибочного их распознавания
даже при оптимальном (в смысле минимизации
ошибки при распознавании) значении разделяющей
функции.
Большей потенциальной информативностью обладают
признаки с лучшими характеристиками «критерия качест-
ва» (например, Xi, Хю и Xi2). Всякое стремление умень-
шить вероятность пропуска перегретой буксы (увеличение
показателя «выявляемое™») смещением порогового зна-
чения разделяющей функции неизбежно приводит к уве-
личению вероятности «ложной тревоги» (снижению «под-
тверждаемости» показаний аппаратуры).
179
4.5. Влияние критерия аварийности
на информативность признаков распознавания
и аппаратуры обнаружения перегретых букс
Для оценки информативности того или иного признака
или аппаратуры обнаружения перегретых букс в целом
важно знать не только вероятность пропуска аварийно
греющейся буксы при заданном (например, оптимальном)
значении функции, разделяющей нормально греющиеся и
перегретые буксы, но важно также знать вероятность
пропуска буксы с заданной температурой шейки оси.
Если рассматривать сопряженные пары значений тем-
пературы шейки оси и корпуса как множество точек на
плоскости АТш—АТ’к (рис. 4.11), то разделяющая клас-
сы нормально греющихся и перегретых букс функция
(штриховая линия) представляет собой прямую Д7’к =
Рис. 4.11. Геометрическая интерпретация пропуска перегретой бук-
сы с заданной температурой шейки оси
180
= f(ATw). В этом случае вероятность пропуска аппарату-
рой перегретой буксы с температурой шейки оси, превы-
шающей выбранный порог,
ос >п(А^ко)
Рп₽= ,f f Г2[1п(ДГк), 1п(ДГш)] X
1п(ДГшо) оо
X </1п(Д7\)сНп(Д7’ш)) (4.38)
где Д Тко — пороговое значение разности температуры задней стеики
корпуса буксы и окружающей среды (воздуха), при ко-
торой букса принимается за перегретую;
Д 7 шо — пороговое значение разности температуры шейки оси и
окружающего воздуха, при которой букса принимается
за перегретую;
1Г2 [In (ДГД| — двухмерная функция распределения температуры шеек
1п(ДГш)]/ и корпусов букс.
Подставляя в выражение (4.38) двухмерную функцию
распределения (1.38) и заменяя в подынтегральном выра-
жении переменную
’ 1п(Д7\) -а.
1
у! — г
Тк аТш
---- — Гт ---------------------
ат * 2 * * Sшк ат
1 к *ш
после однократного интегрирования получим
1 ~ Г1п(ДГш)-а ]2
S ехР -1----------------— X
1^°тш 1п(ДТшо) I 2атш
ХФ{Р 1п(ДТш)]}<Лп(ДТш),
где Ф (Z) — функция Лапласа, аргумент которой
Z = F [1п(ДТш)]==
-1п(ДГК0)-атк 1п(ДГш)-аТш
ат Гтшк ат
*К *Ш
(4.39)
1
~ Г у
АШК
181
Рис. 4.12. Зависимость вероят-
ности пропуска перегретой буксы
от критерия аварийности (Тш)
и значения разделяющей функ-
ции (ДТк)
Хотя интеграл (4.39)
также не может быть пред-
ставлен в элементарных
функциях, однако в связи
с тем, что подынтегральная
функция при больших ар-
гументах ДТш быстро схо-
дится, численное интегри-
рование его не представля-
ет затруднений.
На рис. 4.12 приведены
кривые, рассчитанные по
формуле (4.39). Расчеты вы-
полнены для разных кри-
териев аварийности (АЛпо)
при различных значени-
ях разделяющей функции
(АТко). Из приведенных
кривых видно, что вероят-
ность пропуска буксы с тем-
пературой шейки оси выше
заданного значения в зави-
симости от порога настрой-
ки аппаратуры АТК0 может
изменяться в широких пре-
делах. Изменение порога
настройки аппаратуры всего на 10 °C (по корпусу бук-
сы) приводит к увеличению вероятности пропуска букс с
температурой шейки оси выше заданного значения на
порядок. На рис. 4.13 показано, каким образом изменя-
ется «выявляемость» перегретых букс при разных кри-
териях аварийности буксы. Так, параметр «выявляемое™»
перегретых букс с температурой шейки от 140 °C и выше
(при /Нв = 20°С) может достигать 85—90%, в то время как
для перегретых букс с температурой шейки выше 100 °C
его значение составляет 60—65%.
182
При анализе систем контроля букс, в частности при
прогнозировании поведения пропускаемых аппаратурой
аварийно греющихся букс, возникает необходимость оп-
ределения вероятности пропуска букс в определенном диа-
пазоне температуры шеек осей:
Рп₽ (ДГmi:: Д7"ш ЬТшг) —
= —- --------- ехр
Т/2тт: ат , '
' тш 1п(ДТш1)
Х</1п(ДТш),
где <D(Z) — функция Лапласа с тем же аргументом, что и в (4.39).
Результаты расчетов, выполненных для различных ин-
тервалов температуры шеек осей колесных пар и при кри-
терии аварийности 7’Шо=100°С, сведены в табл. 4.7. Здесь
же приведены результаты эксперимента, проведенного на
одном из участков сети дорог.
Рис. 4.13. Зависимость «выявляемости» перегретых букс (2) и
их «пропуска» (1) от критерия аварийности (ГШо)
183
Вероятность пропуска букс
Таблица 4.7
Значение вероятности пропуска букс с температурой
шеек осей в интервалах, °C
пропуска перегре- той буксы 100-120 121-140 141-160 161-180 181-200 201-220 221 и выше
Теоретическая 0,26 0,52 0,16 0,051 0,007 0,001 0,001
Экспериментальная 0,27 0,48 0,18 0,06 0 0,2 0
Из таблицы видно, что совпадение теоретических и эк-
спериментальных данных наблюдается в широком интер-
вале значений температуры шеек осей (от 100 до 200°С).
Основная масса пропускаемых аппаратурой букс (до 75—
80%) с температурой шейки выше 100°С находится в на-
чальной стадии их аварийного нагрева (до 140°С). Ве-
роятность пропуска аппаратурой буксы с температурой
шейки оси выше 200°С менее 1%.
Таким образом, информативность признака распознава-
ния, так же как и аппаратуры контроля букс, зависит от
значения установленного критерия их аварийности: чем
выше этот критерий (ДТшо), тем меньше вероятность про-
пуска букс с температурой выше этого критерия и выше
параметр «выявляемое™» перегретых букс.
4.6. Влияние шумов на точность распознавания
греющихся букс
До настоящего времени информативность различных
признаков распознавания греющихся букс исследовалась
в идеализированных условиях при отсутствии мешающих
влияний шумов. При таком рассмотрении информатив-
184
ность признаков, а следовательно, и точность обнаружения
перегретых букс обусловлены исключительно статистичес-
кими характеристиками признаков распознавания. В ре-
альных условиях работы аппаратуры контроля букс ее из-
мерительный тракт и объект контроля подвержены вли-
янию шумов различного происхождения, что ухудшает ин-
формативность признаков распознавания.
Для оценки влияния шумов на информативность ис-
пользованных в аппаратуре контроля букс признаков рас-
познавания представим измерительный тракт аппаратуры
в виде канала связи, в котором действие помех сосредо-
точено на входе приемного (решающего) устройства. Та-
кое представление делает картину действия шумов на ин-
формационный параметр сигнала (щ) более наглядной и
позволяет при исследовании помехоустойчивости системы
пользоваться методикой, разработанной для исследования
систем связи [50]. Локализация действия шумов не отра-
жается на общности последующих рассуждений. На рис.
4.14, а показан общий вид схемы замещения измеритель-
ного тракта аппаратуры контроля букс. Здесь F — функ-
ционал преобразования информационного параметра сиг-
нала и шума. На рис. 4.14, б, в, г изображены частные
случаи эквивалентной схемы измерительного тракта аппа-
ратуры, соответствующие действию на информационный
параметр сигнала аддитивного (см. рис. 4.14, б), мульти-
пликативного (см. рис. 4.14, в) шумов, а также совмест-
ному действию в той или иной последовательности адди-
тивного и мультипликативного шумов (см. рис. 4.14, г. д).
Основные источники аддитивного шума — это собст-
венный шум болометра, тепловой шум приемо-усилитель-
ного тракта аппаратуры, наводки различного происхож-
дения, солнечная радиация и др.
В результате действия аддитивного шума на информа-
ционный параметр сигнала последний приобретает слу-
чайную добавку, которая суммируется со значением этого
параметра: и-1а = + &tii.
185
Источниками мультипликативного шума являются не-
постоянство коэффициента передачи приемо-усилительно-
го тракта, плотности среды, через которую происходит
лучистый теплообмен, конечное значение постоянной вре-
мени приемника ИК-излучения и др.
В результате действия мультипликативного шума ин-
формационный параметр сигнала умножается на величи-
ну 1+АМ, пропорциональную величине шумового воз-
действия. Выражение, описывающее характер изменения
информационного параметра сигнала, в этом случае будет
иметь вид
Um = Hi (1 АЛТ/).
Если на измерительный тракт действуют обе разновид-
ности шумов, то выражение, которым можно описать ха-
рактер изменения информационного параметра сигнала,
Рис. 4.14 Схемы замещения измерительного тракта аппаратуры
контроля букс
186
зависит от последовательности действия аддитивного и
мультипликативного шумов. Если сначала действует ад-
дитивный шум, то
И/ам = (и/ 4" A W/) (1 4- ДЛ4»), (4.40)
а мультипликативный шум —
«4-ма = Hl (1 + АЛЬ) + Ди/. (4.41)
Вычитая из (4.40) выражение (4.41), получим
И/ам = И/ма + A«Z ДЛ4,
т. е. мультипликативный шум после действия аддитивно-
го шума приводит к большей флуктуации информационно-
го параметра. При малом уровне шумов, когда
<С«ь а 1, их влияние на информационный параметр
сигнала практически не зависит от последовательности
действия. Следует заметить, что если на измерительный
тракт аппаратуры воздействует несколько источников шу-
мов в любой последовательности, то результат их дейст-
вия может быть приведен к одной из рассмотренных схем.
Если, например, в измерительном тракте действуют
4 источника шумов, то результат их воздействия на
информационный параметр может быть описан выра-
жением
= Hi (1 4~ АТИ/экв) Ц- АИ<экв,
где ДЛ4г.экв= AMZ1+ДМ/2+AAfZ1 ДЛ4(-2;
д“гэкв = д“/1+ Дмг2.
Сравнивая полученное выражение с (4.41), отмечаем,
что они отличаются лишь величиной шумового воздейст-
вия. Это означает, что при анализе влияния шумов на ин-
формативность признаков распознавания греющихся букс
187
можно пользоваться любым из выражений (4.40) или
(4-41).
Оценим влияние каждого из шумов, а также результат
их суммарного действия на информативность основных
признаков распознавания греющихся букс. В качестве рас-
сматриваемых признаков остановимся на признаках Хъ
Х2, Х5. Будем считать, что на измерительный тракт воз-
действуют медленные шумы, т. е. такие шумы, энергети-
ческий спектр которых намного уже спектра телеметриче-
ского сигнала букс при любой скорости движения поезда.
Влияние аддитивного шума. В результате действия ад-
дитивного шума на признак Xi последний получает прира-
щение
Xla = th + Ди/ = + Д«/. (4.42)
Зная выражение закона распределения плотности ве-
роятности амплитуд сигналов букс и пользуясь формулой
функционального преобразования законов распределений
с учетом соотношения (4.42), запишем выражение закона
распределения признака амплитуды, подверженного влия-
нию аддитивного шума:
Подставляя полученное выражение в формулу вероят-
ности «ложной тревоги» (4.22) и «пропуска» перегретой
буксы (4.23) и применяя при интегрировании замену пе-
ln (Х1а — Ди,) — и.
ременных ------------------= t, после преобразований по-
лучим:
°1к
Г In (Х,л — Ди) — а
/^(*10=1-®' 1а 11
°11
. In (X.„ — Ди) — и19
Рпр (*1а) = Ф' ’ 12
(4-43)
(4.44)
°12
188
Рис. 4.15. Влияние аддитивного шума на вероятность ошибки при
распознавании греющихся букс по признаку Xi (а) и Х$ (б)
Рассчитанные по формуле (4.43), (4.44) и (4.17) кри-
вые представлены на рис. 4.15, а. Для большей универ-
сальности и наглядности они построены в зависимости от
Ли/ TZ
относительного уровня аддитивного шума 7 = —-—. Как
Z
следует из приведенных графиков, с ростом аддитивного
шума вероятность «ложной тревоги» растет (кривая 2), а
вероятность «пропуска» уменьшается (кривая 3). Тем не
менее вероятность суммарной ошибки (кривая 1) растет
независимо от соотношения вероятностей «ложной трево-
ги» и «пропуска» перегретой буксы.
Влияние аддитивного шума на признак разности ам-
плитуд сигналов можно охарактеризовать соотношением
Л^а = (tti + l 4* Ди) — (U; ДН<) =
которое свидетельствует об инвариантности (безразлич-
ности) этого признака к аддитивному шуму.
Более сложное влияние оказывает аддитивный шум на
признак отношения амплитуд сигналов. Так,
189
Путем несложных преобразований выражения (4.45)
получим
Диг
+ и, V [ „
= = + (4-46>
1 + м/
г 1 7
где <Ь = s—:— ; ® = 5—1,
' 1 + 7 ’ т 1 — 7 ’
т. е. под действием аддитивного шума признак Х5 получа-
ет как мультипликативное (в ф раз), так и аддитивное
(на <р) «приращения». Если закон распределения плотнос-
ти вероятности признака Хз записать в виде выражения
(4.9), то с учетом соотношения (4.46) методом функцио-
нального преобразования законов распределений случай-
ных величин запишем закон распределения плотности ве-
роятности признака Х5а:
1к (^5а) = ——- ехР X
Х1 {1п№.(1 + 1) 7)-Му
I 2алк J
Подставляя выражение (4.47) в формулы (4.20) и
(4.21) и применяя при интегрировании замену перемен-
ных
In [Х5а (1 + 7) - 7] - ахк
после интегрирования найдем:
fin [X.. (1 + 7) — 7] — ДуЛ
Рлт (*5а) = 1 - Ф 53 „ 7J-------I (4.48)
I аХ1 J
fin [Л-. (1 + 7) — 7] —
Рпр = ф ( 5 g 2 ----) • (4.49)
190
Рис. 4.16. Влияние аддитивного шума на эксплуатационные пока-
затели аппаратуры контроля букс по признаку Xt (а) и (б)
О количественном влиянии аддитивного шума на приз-
нак отношения амплитуд сигналов букс можно судить по
кривым, приведенным на рис. 4.15, б, которые рассчитаны
по формулам (4.48), (4.49) и (4.17). Как следует из полу-
ченных результатов, при распознавании греющихся букс
по признаку отношения амплитуд сигналов аддитивный
шум приводит к уменьшению вероятности «ложной трево-
ги» (кривая 3) и увеличению вероятности «пропуска» пе-
регретой буксы (кривая 2), так же как и вероятности сум-
марной ошибки распознавания (кривая 1).
Количественное влияние аддитивного шума на эксплу-
атационные показатели при распознавании греющихся букс
с помощью признаков Xi и Х5 показано на рис. 4.16. Уве-
личение аддитивного шума оказывает на рассматривае-
мые признаки противоположное действие: «выявляемость»
перегретых букс по признаку А) растет (кривая 7), а по
признаку Х5 уменьшается (кривая 1), в то время как под-
тверждаемость результатов уменьшается при распознава-
нии греющихся букс по признаку Xi (кривая 2) и увели-
чивается по признаку Х5 (кривая 2).
Влияние мультипликативного шума. Если на измери-
тельный тракт аппаратуры, контролирующей буксы по
191
признаку амплитуды сигнала, оказывает влияние мульти-
пликативный шум, то изменяются значения этого призна-
ка в соответствии с соотношением
^1м = ^1(1 + ДМ) = ^р,
где [л (1 + ДМ).
В этом случае закон распределения плотности вероят-
ности значений этого признака
1
у2п а1к Х1м
ехр
[ln*lM- (а1к + 1ПЮ]
9-2
(4.50)
Подставляя полученное выражение в (4.20), (4.21)
и применяя при интегрировании замену переменной
1п*1м~ <а1к+ Inp.)
-----------------— t, получим:
Г 1пЛ1к, — (а,, + In u.) 1
Рлт И1М) = 1 - ф [------------------------] : (4-51)
Г In Х,„ — (а,„ + In и.) ']
Рпр PGm) = Ф [--------------------------- J • (4.52)
На рис. 4.17 (кривые 1) показаны зависимости РЛт =
= Л(ц); Рпр=/г(и) и РОШ — /з (ц), рассчитанные по форму-
лам (4.51), (4.52) и (4.17).
Как следует из приведенных кривых, оптимальные (в
смысле минимального значения ошибки распознавания)
условия для обнаружения перегретых букс выполняются
при р=1, т. е. при отсутствии шума. Если мультиплика-
тивный шум увеличивает амплитуду сигнала, то вероят-
ность «ложной тревоги» возрастает при одновременном
уменьшении вероятности «пропуска» перегретой буксы.
Уменьшение амплитуды сигнала приводит к обратному эф-
фекту: увеличению вероятности «пропуска» перегретой бук-
сы и уменьшению вероятности «ложной тревоги».
192
вероятности ошибки при распознавании греющихся букс по при-
знаку Xi
Нетрудно показать, что на признак отношения муль-
типликативный шум не оказывает никакого влияния. Дей-
ствительно, под действием мультипликативного шума при-
знак Хь запишется в виде
т. е. признак Х5 инвариантен по отношению к мультипли-
кативному шуму.
Оценим теперь влияние мультипликативного шума на
признак разности амплитуд сигналов букс Х2. Под дейст-
вием мультипликативного шума происходит «деформация»
амплитуд сигналов букс, в результате чего такой же «де-
формации» подвергается признак Х2. Действительно,
+2М = tii+x (1 + Д.М) - lit (1+AM) = (1 +ДМ)^2 = (4.53)
7—4947 193
Соотношение (4.53) позволяет записать закон распре-
деления плотности вероятности значений этого признака:
wx2M =
expf-^L
(% + |ПР-)]2
0-2
Zc2K
Полученное выражение отличается от выражения (4.50)
лишь аргументом. Это позволяет записать формулы для
определения вероятности «ложной тревоги» и «пропуска»
перегретой буксы:
Р„ (Х„) - 1 - Ф ; (4.54)
(X,.)-ф [ (4.55)
Анализируя полученные выражения, отметим, что ха-
рактер влияния мультипликативной помехи на признак
разности амплитуд двух сигналов тот же, что и на приз-
нак амплитуды. Однако, учитывая, что значения этого
признака по абсолютному значению, как правило, меньше
значений признака амплитуды сигнала, заключаем, что при
одном и том же мешающем воздействии мультипликатив-
ного шума признак разности искажается в большей сте-
пени, чем признак амплитуды сигнала. Это подтвержда-
ется сответствующими зависимостями (см. рис. 4.17), рас-
считанными по формулам (4.54), (4.55) и (4.17). Влияние
мультипликативного шума на характер изменения эксплу-
атационных показателей «выявляемости» и «подтверждае-
мости» при контроле букс по признаку Х\ иллюстрируется
кривыми рис. 4.18.
Как следует из анализа кривых, изменение, например,
коэффициента передачи измерительного тракта аппарату-
ры контроля букс на ±10 % (Ар = 20 %) приводит к ко-
лебаниям «выявляемости» перегретых букс от 45 до 70 %
при одновременном применении «подтверждаемости» ре-
зультатов почти вдвое (от 90 до 45 %).
194
кого шумов на эксплуатационные показатели аппа-
ратуры контроля букс по признаку Х\
Влияние аддитивного и мультипликативного шумов.
Как было показано в начале этого параграфа, последова-
тельность совместного влияния на измерительный тракт
аддитивного и мультипликативного шумов практически не
сказывается на результатах этого влияния. Поэтому огра-
ничимся рассмотрением случая, когда на признак рас-
познавания воздействует сначала мультипликативный шум,
а затем аддитивный. Значение признака амплитуды
сигнала при этом
^1ма = _'Г AUj.
Пользуясь тем же методом, что и при рассмотрении
влияния на точность распознавания греющихся букс от-
дельных видов шумов, найдем:
Г1п — Ди) —(м„ 4- In и)]
Рлт (^1ма) = 1 - Ф ------------< 11 ; (4.56)
„ . Г In (Х,„„ — Дм) — (а,„ — In р) I _ .
Рпр (*1ча) = Ф —f----------------------— • (4.57)
L °12 J
7* 195
Зависимости P.m=fi (g, у); ^пР=Ь(м-> у); Рош =
=f3 (р, у), рассчитанные по формулам (4.56), (4.57) и
(4.13) для значений у=0,1 (кривые 2), у = 0,25 (кривые
3) и 7 = 0,4 (кривые 4), приведены на рис. 4.19. На рис.
4.20 для тех же значений относительного уровня аддитив-
ного шума приведены рассчитанные по формулам (4.30) и
(4.34) зависимости т| = ф1(ц, у) и р = ф2(ц, у). Анализ
приведенных графиков позволяет количественно оценить,
на сколько изменится информативность признака Xi при
суммарном воздействии на него обоих видов шумов. В
некоторых случаях отрицательный эффект воздействия на
признак Xi мультипликативного шума может «компенси-
роваться» действием аддитивного шума. Так, если, напри-
мер, уменьшение коэффициента передачи приемо-усили-
тельного тракта аппаратуры снижает ее «выявляемость»
на 10%, то наличие значительного аддитивного шума
(у=0,4) повышает «выявляемость» аппаратуры приблизи-
тельно на те же 10%, сохраняя тем самым неизменными
выходные характеристики аппаратуры. Очевидно, что по-
добное сочетание шумов — явление редкое. Опыт разра-
ботки и эксплуатации аппаратуры обнаружения перегре-
тых букс показывает, что основным видом шумов, оказы-
вающим влияние на точность работы аппаратуры, явля-
ются шумы мультипликативного происхождения. В аппа-
ратуре контроля букс, использующей в качестве признака
распознавания наиболее информативный признак — ам-
плитуду сигнала, требуется предусматривать специальные
меры по поддержанию высокой стабильности коэффициен-
та передачи приемо-усилительного тракта.
При действии рассматриваемых шумов на признак раз-
ности амплитуд сигналов букс последний сохраняет свои
свойства инвариантности относительно аддитивного шума
и тогда, когда аддитивный шум действует в сочетании с
мультипликативным. Действительно,
%2ма = p.Ui+i + Ди — v-tti — Ди = pJG.
196
Рис. 4.19. Влияние мультипликативного и аддитивного шумов
на вероятность ошибки при распознавании греющихся букс
по признаку Хз
Рис. 4.20. Влияние мультипликативного и аддитивного шумов
на эксплуатационные показатели аппаратуры контроля букс
по признаку
197
Признак Х2 реагирует только на мультипликативную
составляющую шума, влияние которой на признак разно-
сти амплитуд сигналов букс уже рассматривался. При дей-
ствии композиции шумов на признак отношения амплитуд
сигналов его аналитическое выражение приводится к виду
Следует заметить, что при малом уровне мультиплика-
тивных шумов (р,а?1) выражение (4.58) упрощается:
-^5ма = = ^5 Ф + ?
и становится одинаковым с выражением (4.46), отражаю-
щим влияние аддитивного шума на признак Х$. Такое же
выражение признака получается при первоначальном дей-
ствии на него аддитивного шума:
Пользуясь таким же методом, найдем:
Р„(ХИ1)_ 1 - Ф I.
р IV х_ ёГ, (1п[^5ма(7-ЬР-)—7] —
^пр — (А 5ма) — Ф — /
Расчеты, выполненные по полученным формулам, при-
ведены в виде кривых на рис. 4.19.
С ростом уровня аддитивного шума вероятность сум-
марной ошибки распознавания увеличивается, а выявляе-
мость перегретых букс уменьшается, причем оба парамет-
ра практически не зависят от уровня мультипликативного
198
шума. Это свидетельствует о высокой помехоустойчивости
признака отношения амплитуд сигнала в условиях доми-
нирующего действия мультипликативной помехи. Это ут-
верждение показывает, что при распознавании греющихся
букс по признаку отношения амплитуд сигналов колеба-
ния коэффициента передачи приемо-усилительного тракта
на 10—20 % практически не снижают потенциальной поме-
хоустойчивости аппаратуры.
Следует заметить, что полученные результаты могут
быть распространены на все другие применяющиеся в
практике контроля букс признаки распознавания, так как
последние, как правило, формируются на основе разности
или отношения амплитуд сигналов букс.
4.7. Влияние информации о типе подшипника
буксового узла на точность автоматического
распознавания греющихся букс
До настоящего времени информативность различных
признаков распознавания греющихся букс аппаратуры ав-
томатического контроля букс в целом исследовалась без
учета типа подшипника контролируемых буксовых узлов.
Опыт эксплуатации аппаратуры обнаружения перегретых
букс показывает, что это приводит к дополнительным по-
терям информационной способности аппаратуры, которые
выражаются в увеличении вероятности ошибки распозна-
вания греющихся букс, т. е. приводят к дополнительным
необоснованным остановкам поездов (из-за ложных пока-
заний аппаратуры) и пропускам аварийно греющихся букс.
Это происходит потому, что допустимый нагрев роликовых
букс в 1,5—2 раза выше букс скольжения, и при настрой-
ке аппаратуры на обнаружение перегретых букс скольже-
ния часть исправных, но имеющих повышенный нагрев
роликовых букс при автоматическом распознавании может
быть отнесена к классу перегретых букс.
199
Учитывая постоянно растущее число вагонов с ролико-
выми буксами, а также появление устройств автоматиче-
ского распознавания (селекции) букс по типу подшипника
[73—82], необходимо оценить влияние этих устройств на
вероятность принятия аппаратурой ошибочного решения о
техническом состоянии буксового узла, на выбор порого-
вого значения признака распознавания.
Решающее устройство аппаратуры автоматического
контроля букс классифицирует буксы на нормально грею-
щиеся и перегретые по критерию идеального наблюдателя
(Котельникова). В соответствии с этим критерием, если
разделяющая функция имеет пороговое значение Х-л., то
вероятность принятия ошибочного решения при распозна-
вании греющихся букс по признаку Xi определяется выра-
жением (4.17). Это выражение не учитывает разновидно-
сти типов контролируемых букс. В то же время, как отме-
чалось в п. 3.1, каждый из классов делится на 2 под-
множества: буксы скольжения и роликовые буксы.
Непрерывный закон распределения плотности вероят-
ности признака нормально греющихся букс в этом случае
[61]
Гп ИО = р (Нр) Г11р ИО + Р (Нс) Г11с ИО. (4.59)
где Р (Н ),( — вероятности появления роликовых букс и букс скольжения
Р(НС)] в классе нормально греющихся букс;
lFllp (^/),) — законы распределения плотности вероятности признака рас-
W (ХЛI' познавания (X/) нормально греющихся роликовых букс и
нс \ Ш букс скольжения,
а признак распознавания перегретых букс
Г12 (^z) = р (Пр) Г12Р Иг) + Р (Пс) Г12с (Xt), (4.60)
где Р(П ),( — вероятности появления роликовых букс и букс скольжения
Р(П )( в классе перегретых букс;
1У12р (X 1—законы распределения плотности вероятности признака рас-
W (X ) | познавания (X,) перегретых роликовых букс и букс сколь-
12с жения.
200
Подставляя выражения (4.59) и (4.60) в формулу
(4.17), получим вероятности ошибок распознавания с уче-
том того, что множества нормально греющихся и перегре-
тых букс состоят из подмножества букс с разного типа
подшипниками:
Рош(^) =р(Н) Р(нр).( +
+ Р(НС) f W^X^dXi +Р(П) Р(ПС)1 W^(Xi)dXi +
XiO
+ Р(Пр) [ UZ12p(Xi)^z
Взяв от полученного выражения производную и при-
равняв ее нулю, получим, уравнение
Р (Н) [Р (Нр) Г11Р (*,) + Р (Не) Г11£ ПО] -
- р (П) [Р (Пе) r12c (Xi) + р (Пр) uz12p ПО] = 0,
корнем которого является пороговое значение признака
Xi0, минимизирующее вероятность ошибок при условии,
что тип подшипника буксового узла не распознается.
Рассмотрим, каким образом повлияет на ошибку рас-
познавания перегретых букс селекция их по типу подшип-
ника. Предположим, что имеется устройство, которое оп-
ределяет тип подшипника буксы. В общем случае это мо-
жет распознаваться с некоторой ошибкой, причем ошибка
может зависеть от состояния буксового узла, например в
случае распознавания типа букс по их тепловым сигналам.
Обозначим: Рнср — вероятность того, что нормально
греющаяся роликовая букса отнесена к буксам скольже-
ния; Рнрс — вероятность того, что нормально греющаяся
букса скольжения отнесена к роликовым; Рпрс — вероят-
ность того, что перегретая букса скольжения отнесена к
роликовым; Рпср — вероятность того, что перегретая ро-
ликовая букса отнесена к буксам скольжения.
201
Предположим, что для каждого типа букс установлено
пороговое значение признака: Хм — для букс скольже-
ния и Хг-02 — для роликовых букс. В этом случае вероят-
ность «ложной тревоги» для роликовых букс Рлтр и букс
скольжения Рлтс:
РлтР(Х-!, %z2) = PHc₽ j°V11P(Xz)dX/+ J' lFnp(Xz)dXz;
^ZOl ^102
Рлтс (Хц, Xl2) = (1 - P„Pc) f Vllc (Xi) dXi +
XM
+ 1 Wn(Xi)dXi, (4.61)
X i02
а вероятность пропуска перегретой роликовой буксы
Рп-рр и буксы скольжения Рпрс-
PnpepGp Xi2)= fV12c(Xi)rfXz+Pn.Pc J r12c(*iMXz; (4.62)
-oo Xzoi
хм
РПрР(Х1г, X i2) = J U^12C (Xi) dXt-\-
— oo
+ (1-Pncp) J°V12P (Xi) dXi. (4.63)
XM
Найдем общую вероятность ошибочного решения:
Pool (Xii, Xi2) = PP P (Hp) PлтР (XZj, Xzz)"-!-
+ Ре P (Нс) Рлтс (Xtl, Xi2) + Pc P (Пс) PпРс (XZj, Xz2) -j-
+ PpP (Пр) Рпрр (Хц, Xi2). (4.64)
Подставив (4.61) и (4.62) в (4.64) и взяв от получен-
ного выражения частные производные по Хц, Х,2> получим
систему уравнений, корни которых представляют значения
202
X-ioi и Xim, минимизирующие вероятность ошибки распоз-
навания греющихся букс:
Рр Р (Нр) Р„ср ГПР (Х(-01) + Pc Р (Не) (1 -Рпре) WПС (Х/01)—)
-Ре Р (Пс) (1 -Рпрс) Г12с (Х,01) - Рр Р (Пр) Рпер W 12р (A”Zoi)i I
Рр Р(Нр) (1-Рнср) Г„р (Х/02) + Рс Р (Не) РнрсГпс (А'/02) ~
Рс Р (Пс) Рпре W 12с (X/0_>) — Рр Р (Пр) (1 —Pnep)U^ 12Р (АГZQ2)=0j
Полученная система уравнений позволяет находить оп-
тимальные значения порогов для обнаружения перегретых
роликовых букс Xioi и букс скольжения X,-02 в предполо-
жении, что вероятности ошибок селекции букс по их ти-
пам известны и постоянны.
Однако при некоторых способах определения типа под-
шипника, например, по среднему значению амплитуд теп-
ловых сигналов для каждого вагона, вероятность ошибоч-
ной селекции может зависеть от распределения плотности
вероятности признака для подшипников разных типов и
порогового значения этого признака Xjos-
В этом случае вероятности ошибок селекции букс по
их типам следующие:
°? */оз
Рнср= f Wa9(Xj)dXf, Рнрс== J rHC(Xy)<LVy;
*^/03 — оо
xjo3 00
Рпрс= J Wnc(Xj)dXj-, ^ncp= f Wnp(Xj)dXj,
—co X j 03
где lFIip(Xy),1 — распределения плотности вероятности признака селекции
W (X ) ? ™па подшипника для нормально греющихся и перегре-
пр V 7/J тых роликовых букс соответственно;
^нсРд),1
W )х \ I — то же для букс скольжения.
(4.65)
203
Кроме того, критерий идеального наблюдателя, по
которому предполагается, что потери не зависят от вида
ошибки, в некоторых случаях нельзя признать удовлетво-
рительным. Пропуск перегретой буксы скольжения при ус-
ловии, что тип подшипника определен верно, с меньшей
вероятностью приведет к аварии, чем при условии отнесе-
ния буксы скольжения к роликовым. Потери, вызванные
ошибками каждого вида, можно отразить с помощью весо-
вых коэффициентов (Ki—К8). Не останавливаясь на мето-
дике определения весовых коэффициентов и повторяя с
учетом (4.61) — (4.65) последовательность подстановок
получим выражение суммарной ошибки распознавания при
условии, что селекция букс по типу подшипника выполня-
ется вероятностным методом по признаку Xj:
ош (Хц, Х12, Х1з) = РрР (Нр) Kj J Гнр (Xj) dXj X
х у оз
X/02 со
X J ITnp(X)rfX/+ К2 f Wllp (Xi)dXt +
-Х/02
Г 00 '^/02
Хз f f W„c(Xj)dXj±
х /оз */oi
+ Х4 f UZnc (Xi) dXi + Pz P (Пс) X
*<02
х|к5 J°V12c(%<)d%<+Kjl - Г 1ГПС (%;•)</%J X
I 00 - *<03
X J°V12C (Xi) dx\ + Рр P (Пр) (к7 j0V12p (Xi) dXi +
*<01 J
+ Ks 1 - Г Wnp(Xj)dXj
<02
J' W12P(Xi)dXi . (4.66)
*/03
204
Взяв частные производные по всем переменным (Х,оь
Х,02 и Х.703) и приравняв их нулю, получим систему не-
линейных уравнений, корни которой являются пороговыми
значениями разделяющих функций, минимизирующими ве-
роятность суммарной ошибки при распознавании греющих-
ся букс:
ОО
^РрР(Нр)Гпр(^01) f UZHP(X7W7 +
*/03
ОО
+Кз р. р (Нс) Гпс (X/01) f И/) dXj -
*/03
-Рс P(HC)U711C (X(0i)!/C5
К с, 1-.| Wnc(X})dXj
* /03
-РрР(Пр){/<7-/С8
1 - J' UZnp(X/)dX7
*/03
Р₽ Р (Нр) г11Р (Х/02) К2 - /С, f 1ГНР (Xj) dXj +
*/оз
+ Рс Р (Нс) UZnc (Х/02) ГАГ4 — АГз 7 (Х}) dXj
L *703
-К6РсР (Пс) Г12С (Xi0,) 1 - J’ UZnc (Xj) dXj -
x J03
-Ks PpP(np)U71oP(A'Zo2)
1 - J rnp(X7)dX/
*/03
205
Кг РР Р (Нр) U7HP (Ху0з) Г Vnp (X/) dXt +
(4.67)
+К3 Ре Р (Не) 1ГНС (Хуоз) J UZ11C (Xt) dXi -
*/01
~К6 Ре Р (Пс) «7ПС (Хуоз) j’°V12c (Xi) dXi -
*/ol
— КцРрР (Пр) U7nP (Х/оз) J'°V12P (Xi) dXi = 0.
X i 01
Таким образом, получена система уравнений, позволя-
ющая одновременно находить оптимальные пороговые
значения признаков при обнаружении перегретых букс и
их селекции по типам подшипника.
На рис. 4.21 показана рассчитанная по формуле дина-
мика оптимального порога обнаружения перегретых букс
при увеличении числа роликовых букс в поездах и отсут-
ствии распознавания их по типу (кривая 1). Видно, как
по мере роста вероятности появления роликовой буксы оп-
тимальный порог распознавания смещается от оптималь-
Рис, 4.21. Влияние вероятности
появления роликовой буксы на
порог обнаружения перегретых
букс при отсутствии информации
о типе подшипника (1) и опти-
мальный порог обнаружения для
букс скольжения (2) и ролико-
вых букс (3)
206
ного порога обнаружения
перегретых букс скольже-
ния (кривая 2) к оптималь-
ному порогу обнаружения
перегретых роликовых букс
(кривая 3), которые не за-
висят от изменения соотно-
шений роликовых букс и
букс скольжения в поездах.
Проследим, как при этом
изменяется вероятность сум-
марной ошибки распознава-
ния греющихся букс. На
рис. 4.22 приведены рассчи-
танные по формулам (4.66),
(4.67) кривые зависимости
Poui = f(Pp). Вычисления с
помощью ЭВМ проводились
Рис. 4.22. Зависимость вероятно-
сти ошибки при обнаружении
перегретых букс от вероятности
появления роликовой буксы
для трех случаев:
селекция букс по типам подшипников не проводится
(кривая 1); селекция букс проводится безошибочно (кри-
вая 2); селекция букс проводится с некоторой ошибкой
(кривая 3).
В последнем случае признаком для определения типа
подшипника служила средняя температура корпусов букс
одного вагона [82]. Распределения плотности вероятности
этого признака для букс различных типов подчинены ло-
гарифмически-нормальным законам с параметрами:
арн = 0,77; асн = 3,2; арп = 1,51; асп = 3,3;
арн = 1,02; асн=0,53; орп=0,99; осп=0,51.
Весовые коэффициенты К\—К». при расчетах принима-
лись равными единице, т. е. предполагалось, что распозна-
вание проводится в соответствии с критерием «идеального
наблюдателя».
207
Рис. 4.23. Влияние весового ко-
эффициента Кб на вероятность
ошибки распознавания букс по
типам (контурные линии) и об-
наружение перегретых букс
(штриховые)
Анализ кривых показы-
вает, что хотя с увеличени-
ем процента роликовых букс
в подвижном составе ошиб-
ка при обнаружении пере-
гретых букс уменьшается,
тем не менее введение без-
ошибочной селекции букс
по типу позволяет дополни-
тельно уменьшить вероят-
ность принятия ошибочного
решения в среднем в 2,2 ра-
за. Определение типа под-
шипника по параметрам теп-
ловых импульсов увеличи-
вает вероятность ошибки
при распознавании грею-
щихся букс по сравнению с
безошибочной их селекцией
на 10—15 %. Изменением
соотношения весовых коэф-
фициентов можно сущест-
венно (более чем на поря-
док) уменьшить эту со-
ставляющую ошибки при
некотором (5—10 %) увеличении суммарной ошибки об-
наружения перегретых букс. Последнее утверждение ил-
люстрируется семейством кривых на рис. 4.23. Изменению
в пределах одного порядка подвергался коэффициент Л'в
в выражении (4.67).
Таким образом, результаты выполненных исследований
позволяют заключить, что при автоматическом обнаруже-
нии перегретых букс целесообразно проводить селекцию
букс по типу подшипника, поскольку учет информации о
типе буксы уменьшает вероятность ошибки при выявлении
перегретых букс почти в 2 раза.
208
4.8. Обнаружение перегретых букс
по двум признакам распознавания
Одним из направлений повышения информативности
аппаратуры автоматического контроля букс на ходу поез-
да является увеличение числа признаков, по которым про-
водится распознавание. Эффект от использования дополни-
тельных признаков зависит от их информативности и кор-
реляции как между собой, так и с используемыми при-
знаками. При этом эффект от применения одних и тех же
дополнительных признаков будет тем больше, чем больше
априорной информации о признаках учитывается при рас-
познавании (принятии решения). Оценим потенциальную
информативность аппаратуры обнаружения перегретых
букс по двум признакам, а также выигрыш, который мо-
жет быть получен за счет использования второго признака
по сравнению с аппаратурой, распознающей греющиеся
буксы по одному из рассматриваемых признаков.
Наиболее простая процедура распознавания требует
знания одного (или нескольких) значений признаков, при-
надлежащих к объектам разных классов. По этим значе-
ниям по определенным правилам находится выражение
разделяющей функции
d(X) = AXi + BXj + С = О,
которая обладает следующим свойством:
Г > 0 при X GE П;
d(X) „
v ' ( < 0 при х еН,
т. е. если при полученных в результате контроля значениях
признаков Xi и Xj разделяющая функция положительна,
то контролируемая букса принадлежит к классу перегре-
тых букс П. В случае если разделяющая функция отри-
цательна, то контролируемая букса принадлежит к клас-
су нормально греющихся букс Н.
209
Рис. 4.24. Геометрическая интерпретация методов распознавания
греющихся букс
При d(X) = 0 контролируемую буксу относят к любому
из классов (по договоренности). Так как в определении
уравнения разделяющей функции участвуют случайные
значения признаков разных классов, то вероятность ошиб-
ки при распознавании греющихся букс может колебаться
в широких пределах (рис. 4.24, а).
Более сложная процедура распознавания греющихся
букс требует знания эталонов или наиболее вероятных
значений признаков разных классов. Такими значениями
могут быть математические ожидания признаков. Буксы
классифицируют по минимуму расстояния измеренных
значений признаков до соответствующих эталонов (рис.
4.24, б). Здесь точки Oi (Xt, Yi) и О2 (Х2, ¥2) на плоскости
представляют собой математические ожидания соответст-
венно нормально греющихся и перегретых букс. Если в
результате контроля буксы сформированы текущие значе-
210
нпя признаков распознавания X, У, соответствующие точ-
ке Q (X, У) на этой же плоскости, то расстояние от этой
точки до эталона нормально греющихся букс
а до эталона перегретых букс
d2 = /(Х-Х2)2+(К-К2)2.
Если в результате вычисления расстояний d\ и d2 ока-
жется, что di<d2, то контролируемая букса относится к
классу нормально греющихся букс; при d\>d2 — к классу
перегретых букс. В конфликтных ситуациях (при d\=d2)
решение в пользу одного из классов принимается по пред-
варительной договоренности.
Процедура принятия решения «по минимуму расстоя-
ния» до эталонов позволяет обнаруживать перегретые бук-
сы с большей достоверностью, нежели предыдущая про-
цедура, однако то обстоятельство, что при применении
этой процедуры не учитываются вероятности классов
контролируемых букс, ее эффективность невысока (т. е.
вероятность суммарной ошибки распознавания достаточно
велика). Следующая процедура принятия решения осно-
вана на знании эталонных значений признаков, а также
вероятностей классов контролируемых букс (рис. 4.24, в).
Здесь, как и в случае распознавания «по минимуму рас-
стояния», точки О] (xi, z/i) и О2(х2, у2) соответствуют наи-
более вероятным эталонам контролируемых классов букс.
Суть рассматриваемой процедуры принятия решения сво-
дится к тому, что на отрезке 0\02 находится точка Q, де-
лящая этот отрезок в отношении, обратно пропорциональ-
ном функции правдоподобия (%о), а затем строится разде-
ляющая функция, проходящая через точку Q перпендику-
лярно отрезку О] 02. Такое смещение разделяющей функ-
ции в сторону перегретых букс учитывает реальные соот-
ношения между классами нормально греющихся и пере-
211
гретых букс и позволяет уменьшить вероятность суммар-
ной ошибки при автоматической их классификации.
Если отрезок OjO2 необходимо разделить в отно-
шении
Qi Q di ? 1Р (Н) >
QO2 4 Хр Р (П)
то координаты точки, делящей отрезок в заданном отно-
шении, можно вычислить с помощью соотношений:
Xi 4- ХХг
0 1 + Х
Ух + ХГ2
14-Х
(4.68)
а уравнение прямой, проходящей через точку (х0, У о) пер-
пендикулярно прямой О1О2, запишется в виде
(Уг — У1) (у — Уо) + (х2 — Ху) (х — х0) = 0. (4.69)
Подставляя в уравнение (4.69) значения координат
точки Q из (4.68), после преобразований получим уравне-
ние разделяющей функции
d (х, у) = Ay -J- Вх — С = 0, (4.70)
где А = у2 — V]:
В = х2 — л'ь
г [(Уа — У1) (Хр уг 4- Уг) 4- — xi) (Хо Xi + х2)]
14- Хо
При равновероятных классах объектов распознавания
уравнение разделяющей функции (4.70) примет вид
(У2 — У1)У+ (х2~ Х1)х — -±- [(Уг —У?)+ (^ — *?)] =0.
Еще одна процедура принятия решения при распозна-
вании греющихся букс основана на использовании одно-
мерных непрерывных законов распределений значений
212
признаков и вероятностей классов контролируемых букс.
Распознавание греющихся букс выполняется по каждому
из используемых признаков отдельно, а окончательное ре-
шение о принадлежности к одному из классов принима-
ется в соответствии с одной из логических операций: И
(когда окончательное решение принимается при совпаде-
нии решений по каждому из признаков распознавания),
ИЛИ (когда окончательное решение в пользу одного из
классов принимается при наличии такого решения хотя бы
по одному из признаков). Так как при распознавании по
любой из перечисленных логических операций число при-
знаков распознавания и априорная информация о них ос-
таются неизменными, то можно ожидать, что обе процеду-
ры с точки зрения вероятности суммарной ошибки будут
идентичны.
Геометрическая интерпретация способа распознавания
греющихся букс в соответствии с логической операцией
И показана на рис. 4.24, г. В этом случае вероятность
«ложной тревоги»
РЛТ(Х, У) = Р.„ (X) Рлт (Г),
а вероятность пропуска перегретой буксы
Рпр (X, Г) = Рпр (X) + РПр (Г) - Рпр (X) Рпр (У).
Тогда в соответствии с выражением (4.17) вероятность
суммарной ошибки
Рош(*', Г) = Р (Н) Рлт (X) РЛТ(Г) +
+ Р (П) [РПр (X) + Рпр (Г) - Рпр (X) Рпр (Г)]. (4.71)
Определим значения разделяющих функций по каждо-
му из используемых признаков распознавания, при кото-
рых суммарная ошибка распознавания по совокупности
обоих признаков была бы минимальной. Для этого иссле-
дуем функцию (4.71) на экстремум. Учитывая выражения
213
вероятностей «ложной тревоги» (4.18) и «пропуска» пере-
гретых букс (4.19), при распознавании греющихся букс по
одному признаку можем записать-
дР0Ш(*, Г)
дХ
^ош(^. У)
дУ
-Р (Н) Рлт (Г) 1Гп (X) 4- р (П) uz12 (X) -
-Р(П) Рпр(ПиМАЭ;
-Р (Н) Р„ (X) Wn (К) + Р (П) 1Г12 (Г) -
-Р(П)Рпр(Х)1Г12(Г).
дРои1(Х,У) дР0Ш(Х,У)
После операции --------- = 0 и---------=0
получим систему уравнений
>-0 [1 - -Рпр(П1 = ^„(Х) .
'’лтОЗ ^12w ’
М1-рпР(*)] (П
РЛТИ) ^12 (П
решая, которую, найдем оптимальные значения признаков
(разделяющих функций), минимизирующих суммарную
ошибку распознавания.
Сравнивая уравнение (4.72) с аналогичным уравнением
при распознавании греющихся букс по одному признаку
(4.26), отмечаем, что они отличаются коэффициентом
1 — Рпп (Г) 1 — Р„п (X)
K(Y) = ~p2{y) К И) = Р*(ХГ ’ на КОТ°РЫЙ
умножается значение функции правдоподобия.
Так как Д'(А')>1 и К (Y) > 1, то можно ожидать, что
оптимальные значения разделяющих функций при распо-
знавании греющихся букс по двум признакам и примене-
нии логической операции И будут смещены влево (в об-
214
ласть меньших значений разделяющих функций), т. е. при
распознавании греющихся букс по совокупности двух при-
знаков и окончательном принятии решения в соответствии
с логической операцией. И вероятность «ложной тревоги»
при распознавании в отдельности по каждому из призна-
ков будет возрастать с одновременным уменьшением ве-
роятности «пропуска» перегретой буксы.
По аналогии можно найти оптимальные пороговые
значения разделяющих функций при использовании логи-
ческой операции ИЛИ (рис. 4.24, д).
В соответствии с этим рисунком вероятности «ложной
тревоги» и «пропуска» перегретых букс:
Рлт (А', Г) = Рл, (X) + Р.„ (Г) - Р,т (X) Рлт (Г);
Рп₽ (X, Г) = Рпр (X) Рпр (Г),
а вероятность суммарной ошибки
Рош (X, Y) = P (Н) [Рлт (X) + Рлт (Г) - Рят (X) Рлт (Г)] +
+ Р(П)Рпр(Х)Рпр(Г).
Взяв частные производные и приравняв их нулю, най-
дем систему уравнений
(4-73)
корнями которой будут оптимальные значения порогов
при распознавании греющихся букс по двум признакам с
применением при окончательном принятии решения логи-
ческой операции ИЛИ. Так как коэффициенты К'(Х) и
K'(Y) меньше единицы, то при распознавании перегретых
215
букс по двум признакам с применением логической опера-
ции ИЛИ можно ожидать смещения порогового значения
разделяющей функции вправо (в область больших значе-
ний признаков распознавания). Это неизбежно приведет
к уменьшению вероятности «ложной тревоги» и увеличе-
нию вероятности «пропуска» перегретых букс по сравне-
нию с распознаванием греющихся букс по одному из
рассмотренных признаков.
Метод классификации букс по признаку распознава-
ния с минимальной апостериорной вероятностью ошибки
(МАВО) состоит в том, что для /-й реализации п призна-
ков (в частном случае п=2) определяется апостериорная
вероятность принадлежности буксы к каждому из клас-
сов, а окончательное решение принимается по тому из
признаков, для которого эта вероятность оказалась макси-
мальной, т. е. ошибка распознавания минимальная
[51, 56].
Апостериорную вероятность принадлежности буксы с
реализацией Хц признака Х{ к классу нормально греющих-
ся или перегретых букс можно определить по формулам
Байеса:
Р(Н/%/7)
Р(Н)Р(ХМ/Н)
Р (Н) Р (Xij/H) + Р (П) Р (X,-./П)’
Р(П/М/У)
Р(П)Р(ХО./П)
Р (П) Р (Х,.у./П) + Р (Н) Р (Хо/Н)
1-Р(Н/ад,
где Р(Н/Х;у),1—апостериорные вероятности гипотезы о принадлежности
Р(П/Х. ) буксы с 7-й реализацией признака Xi соответственно
J к классам нормально греющихся и перегретых букс;
Р(Х/7/Н),1 — условные вероятности того, что реализация Xij призна-
Р(Х- /П) 1 ка Xi окажется в классе нормально греющихся или
J перегретых букс соответственно.
Иллюстрация метода классификации букс по МАВО
по признакам Xi и А,- приведена на рис. 4.25. Если вы-
216
Рис. 4.25. Иллюстрация мето-
да распознавания букс по
минимизации апостериорной
вероятности ошибки МАВО
брать некоторое пороговое значение Хю признака Хг, то
все буксы с XijCXio, относятся к нормально греющимся, а
с реализацией Xij^>Xj0 — к классу перегретых. В каждом
решении о принадлежности буксы с реализацией Хц к
одному из классов имеется вероятность ошибки, т. е. име-
ется некоторая вероятность (рис. 4.25,а, сплошная линия)
принадлежности контролируемой буксы к другому классу.
Эта вероятность
_ ( Р (П/Х/у) при Хи <
^ош(Л;)-| р(Н/%..) при Хц>Хю.
При использовании второго признака распознавания
(например, Xi)
[ Р(П/А\) при XiK<Xi^,
Р(Н/Х/к) при X iK> Х/о.
На плоскости в координатах признаков (Xi, Xi) каж-
дой контролируемой буксе принадлежит точка (например,
Д), которой соответствует сопряженная пара реализаций
признаков (Xij, Хц). На рис. 4.25, б показаны также веро-
ятности ошибок классификации, соответствующие указан-
217
ным значениям признаков распознавания. Так как по
каждому из признаков букса может быть отнесена к раз-
ным классам, то окончательное решение принимается по
тому признаку, который дает меньшую вероятность ошиб-
ки. Так как Рот(Хц)>Рот(Хц), то решение о принадлеж-
ности буксы с сопряженной парой признаков распознава-
ния Xij, Xij к классу нормально греющихся букс прини-
мается по признаку Хц. По аналогии букса с сопряжен-
ной парой реализаций признаков (XzKj XiK), попадаю-
щей в точку В, относится к классу перегретых букс, при-
чем это решение принимается по признаку XiK, так как
Рош (Xi к) <Рош (^zK) •
Уравнение разделяющей функции можно вывести из
условия равенства риска (вероятности ошибки) в конф-
ликтной ситуации, т. е. по одному из признаков букса
принадлежит к классу нормально греющихся, а по друго-
му — к классу перегретых букс:
р(Н/хг) = Р(П/х,).
В этом случае
Р(П) 12 =
P(H)J ~Р(Х;/П)Р(Х,/П)
(4-74)
Но так как
Р (XilU) = (Xi) dXr, Р (Xz/H) = U7n (Xi) dXr,
P (Xz/П) = UZ12 (Xt) dXi', P (Xi/П) = UZ12 (Xi) dXi,
то с учетом соотношения (4.74) получим выражение
.„(W) .
из которого можно вывести уравнение разделяющей
функции в виде Xi=f(Xi). В качестве примера такая функ-
ция показана на рис. 4.25, б.
218
Все рассматриваемые до сих пор процедуры принятия
решения при распознавании греющихся букс по двум при-
знакам не учитывали корреляции между признаками, а
также двухмерных функций распределения значений сово-
купности признаков, по которым проводится распознава-
ние. Следующая процедура принятия решения, основанная
на критерии идеального наблюдателя (критерии Котель-
никова), требует знания коэффициента корреляции и двух-
мерных функций распределения значений совокупности
признаков.
Вероятность «ложной тревоги» при распознавании гре-
ющихся букс по известной двухмерной функции распреде-
ления значений признаков нормально греющихся букс
1F2i (Хь Xi) можно определить по формуле [53]
Рлт(Хг, %/)= J Т Г21(Хг, XijdXidXi, (4.76)
-00 XL = /(Х;)
а вероятность пропуска перегретой буксы — по известной
двухмерной функции распределения значений признаков
перегретых букс W22(Xi, Xi) — по формуле
=о Х1 = '(Xi)
Рпр (Xi, Xi) = J f W22(Xi, Xi)dXidXt. (4.77)
— 00 —00
Подставляя (4.76) и (4.77) в (4.17), получим выраже-
ния суммарной ошибки распознавания греющихся букс по
совокупности двух признаков:
Pom(Xi, XZ)=P(H)=7 f W12(Xi, Xi)dXidXP +
-ooXz = /(*z)
oo /(-^i)
+Р(П)]’ f W22(Xi, Xp)dXidXi. (4.78)
219
Исследуя это выражение на экстремум, получим соот-
ношение
х ^21(^о *z)
° ЗДЛ)’
из которого можно определить уравнение разделяющей
функции в виде Х[ — [(Х{).
Без учета корреляции между признаками (г=0) соот-
ношение (4.79) трансформируется в соотношение
. «МЖ1(ХЛ
Ло-------------
(4-79)
WW)
которое отличается от соотношения (4.75) тем, что зна-
чение функции правдоподобия в нем не возведено в квад-
рат. Это сказывается на положении разделяющей функ-
ции и в конечном счете на вероятности суммарной ошиб-
ки при распознавании. Влияние коэффициента корреляции
между признаками на информативность при распознавании
греющихся букс по методу Котельникова и методу МАВО
показано на рис. 4.26 и 4.27. На первом из этих рисунков
показана зависимость POm=f (%ф)> где %ф — «фиктивное»
отношение правдоподобия, связанное с реальным соотно-
шением Хф=уХо, при различных значениях коэффициентов
корреляции между признаками нормально греющихся
(гХун) и перегретых (гхуп) букс. Анализ приведенных
кривых показывает, что при использовании метода МАВО
зависимости РОш=/(Хф) имеют ярко выраженные экстре-
мумы для каждого сочетания коэффициентов корреляции
(Гхун, гХуп), причем меньшие значения вероятности ошиб-
ки соответствуют меньшим значениям коэффициентов кор-
реляции между признаками распознавания. Кривые, при-
веденные на рис. 4.27, позволяют судить о выигрыше, ко-
торый может быть получен за счет использования второго
признака распознавания при различных сочетаниях ко-
220
познавания греющихся букс от %ф при различных коэффициентах
корреляции между признаками:
метод Котельникова;-------метод МАВО
221
Рис. 4.27. Зависимость ошибки
распознавания греющихся букс
от коэффициентов корреляции
между признаками:
------ метод Котельникова;-----ме-
тод МАВО
эффициентов корреляции
между признаками. Этот
выигрыш характеризуется
Т^ош (1)
коэффициентом К=Ъ—
^ош (2)
где Рош (1) и Р ОШ (2) —
соответственно вероятности
ошибок распознавания гре-
ющихся букс по одному и
двум признакам. При ис-
пользовании двух слабо кор-
релированных признаков
рассматриваемые методы
распознавания греющихся
букс дают существенное (в
5—10 раз) снижение веро-
ятности ошибки. При отно-
сительно тесной связи меж-
ду признаками (гхун =
= гхуп=0,8) этот выигрыш
составляет всего лишь
20—30 %.
В обоих случаях распоз-
навание по методу Котель-
никова позволяет получить вероятность ошибки в 1,2—1,4
раза меньшую, чем по методу МАВО.
Так как распознавание греющихся букс по двум при-
знакам в соответствии с критерием идеального наблюда-
теля требует максимальной (по сравнению с другими рас-
смотренными процедурами принятия решения) информации
о признаках распознавания, можно ожидать, что этот ме-
тод обладает максимальной информативностью, т. е. поз-
воляет получить минимальное значение суммарной ошиб-
ки. Это можно проиллюстрировать на примере распозна-
вания греющихся букс по двум признакам и Xs (рис.
4.28), где показаны кривые разделяющих функций, рас-
222
Рис. 4.28. Кривые разделяющих
функций при распознавании гре-
ющихся букс по двум призна-
кам Xi и Х5:
1 — по минимуму расстояния до
эталонов; 2 — по схеме И; 3 — по
схеме ИЛИ} 4 — по методу МАВО;
5 — по методу Котельникова
считанные по соответствующим формулам для всех рас-
смотренных процедур распознавания греющихся букс.
Вероятности ошибок распознавания, рассчитанные для
полученных значений разделяющих функций, сведены в
табл. 4.8.
Анализ результатов подтверждает вывод о том, что
эффективность процедуры распознавания греющихся букс
тем выше, чем больше информации о признаках исполь-
зуется при распознавании.
Таблица 4.8
Вероятности ошибок распознавания греющихся букс
по двум признакам
Способ распознавания Рлт.101 Р пр Р0Щ . 10*
По минимуму расстояния 0,92 0,38 3,20
до эталонов
По схеме И 0,88 0,35 2,98
По схеме ИЛИ 0,64 0,38 2,92
По методу МАВО 0,39 0,32 2,31
По методу Котельникова 0,21 0,29 1,95
223
4.9. Обнаружение перегретых букс
по нескольким признакам распознавания
Дальнейшее повышение информативности аппаратуры
контроля буксовых узлов может быть достигнуто увеличе-
нием числа признаков распознавания до трех и более.
При этом наряду с теми процедурами принятия решения
о техническом состоянии контролируемого буксового узла,
которые были рассмотрены при двухпризнаковом распоз-
навании, появляется возможность реализовать метод «го-
лосования» [52, 54]. Суть метода состоит в том, что по
каждому из используемых признаков устанавливается
пороговое значение Х{0, затем по реализации каждого
признака принимается решение о принадлежности буксы
к одному из классов нормально греющихся или перегретых
букс, и если в (где п — число признаков распоз-
навания, а и/2—величина, округленная с избытком до це-
лого числа) случаях принято решение о принадлежности
буксы к классу перегретых, то окончательное решение при-
нимается о принадлежности контролируемой буксы к это-
му классу. В противном случае контролируемая букса счи-
тается нормально греющейся.
Поскольку по каждому из признаков решение о техни-
ческом состоянии буксы принимается независимо от реше-
ний, принимаемых по другим признакам, то вероятность
«ложной тревоги» и «пропуска» перегретой буксы при ис-
пользовании трех признаков
Лт (*ь Xj, Xk) = Рлт (Xi) Рлт (Xj) + Рлт (Xi) Р„ (Xk) +
+ ^лт (Xj) Рлт (Xk) - 2РД, (Xi) Р„ (Xj) Рлт (Xk); (4.80)
Рпр (Xi, Xj, Xk) = PnP (Xi) Pnp (Xj) + PnP (X>) Pnp (Xk) +
+ Pnp (Xj) Pnp (Xk) - 2Pnp (Xi) Pnp (Xj) Pnp (Xk), (4.81)
где Рлт(^/),)—вероятности «ложной тревоги» и «пропуска» перегретой
Рпр (ЛГ;) j буксы при принятии решения по признаку Xi.
224
Подобные выражения для определения вероятностей
«ложной тревоги» и «пропуска» перегретой буксы могут
быть получены и для большего числа признаков распозна-
вания (п>3). При этом, если число признаков четное, то
одному из них (например, с минимальным значением апо-
стериорной вероятности ошибки) присваивается право
«решающего голоса». Вероятность суммарной ошибки рас-
познавания Рош (Xt, Xj, Хь) зависит от вида и параметров
функций распределения Wi(Xi), Wi(Xj), W\(Xk), а также
от разделяющих функций (пороговых значений признаков
Xio, Xj0> Xh0). Пороговые значения, минимизирующие
Рош (Х{, Xj, Хк), можно определить из выражения (4.17)
после подстановки в него формул (4.80), (4.81), раскрытия
переменных РЛт(Х) и Рпр(Х) и исследования на экстремум
dPoui<Xi> Xi . Xk>
путем частных производных ------дХ-------> приравни-
вая их нулю, и решения полученной таким образом систе-
мы уравнений
^п(^)
uz12(*z)
^12 (^)
^и(^)
^12 (**)
= Х0/С(Хг,
Хк)\
Х>);
Xj),
>
(4.82)
= KK(Xh
где Ху) =
Рпр (хд + -РПР (xj) ~ 2^ПР (xi) Pnf (xj)
РЛч (*/) + Рт (*/) - (х i) Рт (xj)
Так как во всех случаях К (Xi, XJ>1, то процедура
«голосования» при распознавании греющихся букс приво-
дит к смещению разделяющих функций по каждому из
признаков в области меньших значений этих признаков по
сравнению с теми значениями разделяющих функций,
8—4947 225
которые обеспечивали минимизацию ошибки при распо-
знавании по каждому из рассматриваемых признаков.
При использовании для распознавания греющихся
букс по трем и более признакам процедуры, минимизиру-
ющей апостериорную вероятность ошибки, разделяющая
функция с учетом выражений (4.80) и (4.81) может быть
найдена из соотношения
Сп
/—I
^и(^)
IF12(*z) ’
о
где п — число признаков распознавания;
С2п — биномиальный коэффициент.
В частности, при распознавании греющихся букс по
трем признакам соотношение для определения разделя-
ющей функции
^11 (**)
^12(^)^12(^)^12(^) ’
(4.83)
т. е. для получения уравнения гиперповерхности, разделя-
ющей области нормально греющихся и перегретых букс
при использовании метода МАВО, необходимо в соответ-
ствии с соотношением (4.83) располагать одномерными
функциями распределения значений всех признаков для
нормально греющихся и перегретых букс.
Если использовать при распознавании греющихся букс
по трем признакам метод Котельникова, то уравнение
разделяющей функции
(X,, х., ХЛ
Хо = , (4.84)
1Г32(^, Х), Хь)
где IF31 (Xz, Ху, Xft), W73,(XZ, Ху, Xft) — трехмерные функции рас-
пределения плотности вероятности значений совокупности признаков
соответственно для нормально греющихся и перегретых букс.
226
Если число признаков распознавания больше трех, то
соотношение для определения разделяющей функции при
распознавании по методу Котельникова
. НМ*/-*;........*п)
Л о === ----------------- ♦
....Х„)
где Wnl(-Xh Xj, , Хп)у W„2(X{ Xj, ... , Xnj — «-мерные функции
распределения совокупности используемых при распознавании призна-
ков соответственно для нормально греющихся и перегретых букс.
Для определения информативности, которую может
обеспечить любой из рассматриваемых методов распозна-
вания греющихся букс по совокупности трех признаков,
запишем исходные выражения вероятностей «ложной тре-
воги» и «пропуска» перегретой буксы исходя из общих вы-
ражений соответствующих вероятностей (4.2) и (4.3)
ОС СО СО
Pm(Xi, Xj, Xk) = J П' U731(XZ> Xj, Xk)dXi, dXj, dXk;
XiXj xh
xt Xj xk
Pnp (Xi, Xj, X.) = J J f W32 (Xi, Xj, Xk) dXi, dXj, dXk. .
— 00 — 00 — 00
(4.85)
Анализ формулы (4.85) показывает, что для определе-
ния вероятностей «ложной тревоги» и «пропуска» при рас-
познавании греющихся букс по трем (равно как и по п)
коррелированным признакам необходимо вычислять трех-
кратные (при п признаках n-кратные) определенные инте-
гралы, что весьма затруднительно даже при использова-
нии ЭВМ ввиду больших затрат машинного времени. По-
этому такую задачу можно решать с известной степенью
приближения (вычислять многократные интегралы при-
ближенно, но с достаточной для инженерных расчетов
точностью) или для частных случаев (например, пренебре-
гая корреляцией между признаками распознавания).
8* 227
Оценим эффективность рассмотренных процедур при-
нятия решения, предполагая, что перегретые буксы рас-
познаются по трем признакам, плотности вероятностей
значений которых для нормально греющихся и перегретых
букс распределены по логарифмически-нормальным зако-
нам. Такое предположение позволяет обобщить полученные
результаты на многие признаки распознавания греющихся
букс, так как функции распределения большинства из них
могут быть описаны логарифмически-нормальными зако-
нами.
Подставляя соответствующие выражения одномерных
законов распределения плотности вероятности признаков
распознавания греющихся букс в систему уравнений (4.82),
преобразуем ее:
At (InXz)2+ Bi In Xi + Ci = 0;'
Aj (In Xj)2 + B} In X] + C} = Q-,
Ak (In XkY + Bk In Xk + Ck = 0;.
(4.86)
где ^z=a^—; Bt = 2 ( az> «z, - aZi «Zj) ;
Решая полученную систему уравнений (4.86), найдем
разделяющие функции для каждого из используемых при-
знаков распознавания, минимизирующих суммарную ошиб-
ку при использовании метода «голосования»:
(-В. ±Ув'г.-4А,С1\
d(Xi, Xj, Xk) = -----— ) • (4.87)
Как следует из выражения (4.87), разделяющие функ-
ции при распознавании греющихся букс по трем призна-
кам с использованием метода «голосования» представляют
228
Рис. 4.29. Разделяющая функция
(гиперповерхность) при распоз-
навании греющихся букс по кор-
релированным признакам Xt = X,
X2 = Z, X$ = Y
/г
собой плоскости, параллельные двум осям ординат и про-
ходящие через точки Л)о на третьей оси ординат.
Если выражения одномерных законов распределения
плотности вероятности значений признаков распознавания
подставить в выражение (4.83), то после преобразований
получим уравнение разделяющей функции, минимизиру-
ющее ошибку распознавания греющихся букс при исполь-
зовании метода МАВО:
d(Xi,
(In Xk — aft2)2
O„2
(ln^-aZ1)2 (lnXy-g/1)2
2^ 2o2,
_ (n**- ^)2 ln хз °zi . = 0.
°£2 °J2 °fe2
В случае распознавания греющихся букс по трем кор-
релированным признакам с использованием метода Ко-
тельникова разделяющая функция может быть получена
подстановкой трехмерных функций распределения плотно-
сти вероятности совокупности значений признаков распоз-
229
навания в соотношение (4.84). В этом случае после преоб-
разования найдем уравнение разделяющей поверхности:
................ 1 Г Dn (ln xi ~ ai^'1 , Da (ln xj ~ ал)2 ।
d(Xi, Xh —
“2 Г 2
°<2 °/2
Dkk Qn Xk ~ afe2)2 ! 2Djj Cn Xl aiz) 0n Xj ~ Я j'l)
T 2 “I “
°й2 °<2 °>2
2Dik (ln Xj—a^) (In Xk—ak2) 2Djk (ln Xj~aj2) (ln дУ/г~а^2)
°/2 °Й2
'jl °Й2
Dkk (ln Xk ~ afel)2
2D L а? 41
2РИ (In *1 - «д) (In Xj - ah) t 2Dik (In Xt - Дд)(1п Xk - akl)
o,-, O,‘.
2Djk (ln Xj~an) (ln Xk~ak
°J1 ° kl
°<1 a*l
°r-1 &/l
In Xo 11 71 fel
U a- ° • Ofco
°;
O;„ a
0. (4.88)
Разделяющая функция, рассчитанная по формуле
(4.88), приведена на рис. 4.29.
4.10. Синтез решающих устройств
аппаратуры автоматического контроля букс
Задача синтеза решающего устройства аппаратуры рас-
познавания греющихся букс сводится к определению
структуры этого устройства, обеспечивающей реализацию
полученного алгоритма функционирования в соответствии
с выбранным критерием распознавания. Решающее устрой-
ство (рис. 4.30, а) содержит элементы памяти ЭП, пред-
назначенные для запоминания исходных сигналов от букс
Ui, и2, ..., Uk; формирователь Ф, формирующий на основа-
нии запомненных сигналов признаки (код) Х\, Х2, Xi
230
Рис. 4.30. Структурная схема решающего устройства, классифици-
рующего греющиеся буксы:
а — на несколько классов; б — на два класса; в — по одному признаку
на два класса
распознаваемых объектов; функциональный преобразова-
тель F, реализующий функцию зависимости F(Xi, Х2,Xi)
между признаками распознавания, и пороговый элемент
П, которым полученная в результате функционального пре-
образования реализация F(X.i, Х2,...,Хг) сравнивается с
функцией d (Хц Х2, Xi), разделяющей распознаваемые
классы Qi, £2г, й» объектов.
Если при распознавании греющихся букс последние
разделяются на 2 класса (Н и П), то решающее устрой-
ство выполняют по схеме рис. 4.30, б. Оно на основании
сигналов от букс, образующих 2 пересекающихся множе-
ства (от нормально греющихся и перегретых букс), клас-
сифицирует буксы на 2 непересекающихся множества:
Н (нормально греющихся) и П (перегретых) букс.
231
Рассмотрим принципы синтеза решающих устройств,
классифицирующих буксы по одному, двум и трем приз-
накам распознавания.
Синтез решающих устройств по одному признаку рас-
познавания. Из поступающих на вход решающего устройст-
ва (рис. 4.30, в) сигналов от греющихся букс формирова-
телем Ф формируется признак Xi, по которому выпол-
няется распознавание. Это может быть любой из
признаков, рассмотренных в п. 4.2. Как показано в п. 4.4,
разделяющая функция при распознавании по одному при-
знаку d(Xi) =Хг0. Это позволяет, минуя операцию функ-
ционального преобразования, подавать сформированный
по сигналам от букс признак на пороговый элемент П,
пороговое значение которого определяется подаваемым
на его второй вход значением разделяющей функции Л\о.
В качестве пороговых элементов могут использоваться
компараторы, триггеры Шмидта, нуль-органы и другие уст-
ройства, которые формируют на своем выходе сигнал при
превышении значением сформированного признака значе-
ния разделяющей функции.
Наиболее сложным звеном решающих устройств, рас-
познающих буксы по одному признаку, является формиро-
ватель признака распознавания. Рассмотрим принципы
формирования различных признаков распознавания грею-
щихся букс.
Если в качестве признака распознавания используется
амплитуда сигнала от буксы, то формирователь признака
может быть выполнен в виде усилительного элемента, до-
водящего амплитуду сигнала перегретой буксы до значе-
ния, при котором «срабатывает» пороговый элемент. При
распознавании букс по разности амплитуд сигналов от
двух букс (с одной стороны поезда или расположенных
на одной оси) в качестве формирователя могут быть ис-
пользованы дифференциальные усилители, сигналы на вы-
ходе которых пропорциональны разности амплитуд сигна-
лов на входе усилителей.
232
Признаки отношения амплитуд сигналов от двух букс
обычно формируются методом «неявного деления». Условие
контроля перегретой буксы при использовании признака
отношения, например, сигнала с большей амплитудой к
сигналу с меньшей амплитудой
X = > п. (4.89)
иш1п
Выполнение операции деления амплитуд двух сигна-
лов схемным путем при условии, что обе амплитуды могут
изменяться в широком диапазоне значений, достаточно
сложно. В то же время неравенство (4.89) можно предста-
вить в виде
Wmax — «Мщщ > 0. (4.90)
Техническая реализация решающего устройства, дейст-
вующего в соответствии с условием (4.90), не представля-
ет затруднений (рис. 4.31, а). Амплитуды сигналов конт-
ролируемых букс по мере поступления попарно запомина-
ются элементами памяти ЭП, а затем различителем сигна-
лов РС «сортируются». Сигнал с большей амплитудой
(«max) поступает на один из входов сумматора С, на вто-
рой вход которого приходит сигнал с меньшей амплитудой
(»min), предварительно усиленный в п раз (numiQ) усили-
телем Ус и инвертированный (— numtn) инвертором И НВ.
В качестве порогового элемента II в этой схеме использу-
ется нуль-орган, который «вырабатывает» сигнал на вы-
ходе при выполнении условия (4.90). Таким образом, по-
явление сигнала на выходе решающего устройства свиде-
тельствует о том, что одна из двух контролируемых аппа-
ратурой букс перегрета и, следовательно, должна быть от-
несена к классу П.
Формирователь, реализующий признак отношения ам-
плитуд сигнала каждой буксы к среднему значению ампли-
туды сигналов букс одной стороны (или тележки) вагона
233
а)
Цг>-]эп к-
Г-1 и.
PC
'max
Ус(п)
В)
Щ>-
«2>~
эп
эп
(Щ !/тах)
!!<,>-
ЭП
nUmln
^mln
С
ИНВ *
U&- эп
Ц<
U2
Зз
Ц4
Рис. 4.31. Структурная схема решающего устройства при распоз-
навании греющихся букс по признакам Х6 (а), Х9 (б) и Xt0 (в)
>
с
б)
Hi
“3
Ус(£)
>
«3
а4
(рис. 4.31, б), также содержит элементы памяти ЭП, сум-
матор амплитуд сигналов С, усилитель с заданным коэф-
фициентом усиления Ус, пороговые элементы 77 и логи-
ческую схему ИЛИ.
Условие отнесения контролируемой буксы к классу
перегретых букс при использовании рассматриваемого при-
знака распознавания
или
k
к 1=1
(4-91)
234
Условие (4.91) для сигналов от всех контролируемых в
вагоне букс проверяется пороговыми элементами, в каче-
стве которых используются компараторы. Сигналы на вы-
ходе последних появляются в том случае, если при ампли-
тудах сигналов контролируемых букс выполняется
неравенство (4.91). Появление сигнала на выходе лю-
бого из компараторов «повторяется» на выходе схемы
ИЛИ.
Формирователь (рис. 4.31, в) также позволяет сфор-
мировать признак отношения амплитуды сигнала каждой
буксы к среднему значению амплитуды сигналов несколь-
ких (или всех) букс вагона, вычисленному без максималь-
ной амплитуды. В п. 4.3 было показано, что такой признак
обладает повышенной в сравнении с другими признаками
распознавания информативностью.
Условие перегретой буксы при использовании этого
признака распознавания
И,
Х => п
Ul - “max
или
U-1 _ j XJ W; — Wmax.
Формирователь, помимо уже известных элементов па-
мяти, сумматора и пороговых элементов, содержит дискри-
минатор (детектор) максимальной из рассматриваемых
амплитуд сигналов Z)max и схему вычитающего устрой-
ства В.
На один из входов компаратора П поступают напряже-
ния, равные амплитудам сигналов контролируемых букс
в вагоне (ыь и2, и3, щ), а на вторые входы компарато-
ров — напряжение, равное средней амплитуде сигналов
букс вагона, вычисленной без максимальной из амплитуд.
235
Как и в предыдущей схеме, перегретая букса отмечается
появлением сигнала на выходе любого компаратора и на
выходе логической схемы ИЛИ.
В настоящем параграфе рассмотрены лишь некоторые,
но наиболее сложные по структуре схемы решающих уст-
ройств, распознающих греющиеся буксы по одному при-
знаку. Схемы решающих устройств с использованием дру-
гих признаков распознавания более просты и могут быть
составлены без особого труда.
Синтез решающих устройств по двум признакам распоз-
навания. Структура решающего устройства, выполняющего
распознавание по двум признакам, определяется тем, ка-
кая априорная информация может быть использована при
распознавании.
В п. 4.8 было показано, что если di — расстояние от
эталона нормально греющихся букс до измеренной точки
в плоскости признаков х, у, a d2 — расстояние от этой
точки до эталона перегретых букс, то при dx<d2 контро-
лируемая букса относится к классу нормально греющихся
букс, при dt>d2 — к классу перегретых букс. Но при
di<d2 d2 < d2. Последнее неравенство и положено в ос-
нову схемы решающего устройства (рис. 4.32, а). Элемен-
тами памяти ЭП запоминаются несколько (ub ..., щ) ам-
плитуд сигналов от букс, с помощью которых формиру-
ются признаки контролируемой буксы X и У. Сигналы,
соответствующие этим признакам, поступают на суммато-
ры С, на вторые входы которых подаются постоянные от-
рицательные напряжения, соответствующие признакам эта-
лона нормально греющихся букс X\Yi и признакам этало-
на перегретых букс X2Y2. Если полученные на выходах
сумматоров, сигналы возвести квадраторами КВ в квад-
рат, а затем попарно просуммировать, то на выходе пер-
вого сумматора будем иметь квадрат расстояния до этало-
на нормально греющихся букс
6?? = (Х-А’1)2+(У-У1)2,
236
Рис. 4.32. Структурная схема решающего устройства при распоз-
навании греющихся букс по минимуму расстояния до эталона (а)
и по минимуму расстояния до эталона с учетом вероятности клас-
сов (б)
а на выходе второго — квадрат расстояния до эталона пе-
регретых букс
^ = (Х-Х2)2+(Г-Г2)2.
Сигналы, амплитуды которых равны d~ и d2r посту-
пают на входы порогового элемента П, в качестве которо-
го использован аналоговый компаратор. При d|<d2 сиг-
нал появляется на выходе Н, что означает, что контро-
лируемая букса отнесена к классу нормально греющихся
букс.
В основу схемы (рис. 4.32, б) положено уравнение раз-
деляющей функции (4.70). Если коэффициент усиления
усилителя, на вход которого подается сигнал, соответствую-
щий признаку X, выбрать равным В (В — Хъ—XJ, а усили-
теля, на вход которого подается сигнал, соответствующий
признаку У1—A (A = Y2—Yi), то на выходе сумматора бу-
дем иметь AyA-B-x—С. В этом случае в качестве порого-
вого элемента используется нуль-орган. Если при изме-
ренных значениях признаков будет иметь место неравен-
ство AyA-Bx—С>0, то контролируемая букса относится
237
Рис. 4.33. Структурные схемы логических решающих устройств
аппаратуры распознавания греющихся букс:
а — со схемой Я; б — со схемой ИЛИ
к классу перегретых, при Av-\-Bx—C<G — к классу нор-
мально греющихся.
Решающие устройства, схемы которых приведены на
рис. 4.33, позволяют распознавать греющиеся буксы по
каждому из двух сформированных признаков X, Y отдель-
но, а окончательное решение принимать выполнением логи-_
ческой операции И (рис. 4.33, а) или ИЛИ (рис. 4.33,6).
Значения опорных напряжений Хо, Yo находятся при реше-
нии системы уравнений (4.72) или (4.73).
Наиболее сложным звеном решающих устройств, вы-
полненных по схеме рис. 4.34, а, является функциональ-
Рис. 4.34. Структурные схемы решающих устройств при рас-
познавании греющихся букс по критерию Котельникова:
а — обобщенная схема; б — с логарифмическими усилителями; в — с
гиперболической разделяющей функцией
238
ный преобразователь F, который преобразует поступаю-
щие на его входы пропорциональные сформированным при-
знакам распознавания сигналы в соответствии с имеющей-
ся между ними функциональной зависимостью. Как сле-
дует из (4.79) эта зависимость нелинейна и выражается
уравнением 2-й степени. Конкретный вид этой зависимос-
ти определяется двухмерными функциями распределения
плотности вероятности значений используемых признаков.
Так, например, в [52] показано, что если в качестве при-
знаков распознавания используется амплитуда сигнала
(Xi = X) и отношение амплитуд сигналов двух соседних
букс вагона (Xs = iz), то при логарифмически-нормальных
законах распределения значений признаков распознавания
эта зависимость
где
Y - ехп/Д (-У) ± Т[Д т-4А(Х)С(Х) 1 ,
Г — ехр| 2Л(Х) J (4-У2)
2 [ (1 — Ггху) °2х С1 — г?ху) °1у J
( 1 In а,
. „2 ’
11~Г1ХУ
In Й2у
2
°2У
(InX— In «2х)2
1Y
„2
°1у
Г1ХУ (1п-У — 1пд1у)
1
— i _ ,2
1 r2XY
= V-
t — 12XY
(ln«2r)2-
а1Х °1У
r2XY (1п — 1п д2х) ) .
°2Х °2У J J
Г2XY (1п — 1п д2х) I*1 Д2У
2о2Х
1
f 9 2
2a2y
ГiXy (1П X — In in
1 — Г1ХУ
(‘nfljy)2'
°2Х °2У
’(In X — 1па1х)2
а1У
2а?
9 2 Т
2о1Х
, ^0 °2Х °2У
-1П ----------
°1У >
2ХУ
1XY
239
Вид зависимости (4.92) см. на рис. 4.28. Очевидно, что
построить функциональный преобразователь, в точности
реализующий функции (4.92), сложно. Задача может быть
существенно упрощена, если эту зависимость аппроксими-
ровать более простой, но достаточно точно повторяющей
требуемую функцию зависимостью.
На рис. 4.34, б показан вариант решающего устройст-
ва, которое построено на искусственном искажении отно-
шения амплитуд сигналов букс при увеличении их значе-
ний. Отношение двух сигналов в этом случае
ил
max t
У “min
где а — искусственно вводимый показатель степени.
Условие, при котором контролируемая букса относится к
классу перегретых букс:
где т = const.
При правильном подборе показателя степени а может
быть достигнуто хорошее совпадение квазиоптимальной
кривой (4.93) с оптимальной. Для синтеза структурной схе-
мы, реализующей решающее правило (4.93), удобно про-
логарифмировать обе части неравенства:
a In и max — In и
mln In т. (4.94)
Структурная схема устройства, реализующая решающее
правило (4.94), содержит: элементы памяти амплитуд сиг-
налов букс ЭП; дискриминатор амплитуд сигналов DC,
который различает большую и меньшую амплитуды срав-
ниваемых сигналов; функциональные преобразователи F,
логарифмирующие поступающие на их входы сигналы;
усилитель с коэффициентом усиления а; инвертор ИНВ;
сумматор амплитуд С и пороговый элемент 77.
240
В качестве порогового элемента использован компара-
тор, на второй вход которого подано постоянное напряже-
ние, пропорциональное значению In т.
Недостаток рассмотренной схемы заключается в необ-
ходимости логарифмирования, что влечет за собой приме-
нение в качестве функциональных преобразователей лога-
рифмических усилителей, сложных в настройке и требую-
щих специальной подборки нелинейных элементов.
Более простая и надежная схема решающего устройст-
ва может быть получена при аппроксимации кривой разде-
ляющей функции (4.161) равносторонней гиперболой
= (4.95)
Здесь центр гиперболы смещен в точку О'(пг, п), а ее
асимптоты совпадают с новыми осями координат, уравне-
ния которых Y = n; Х = т.
Для составления алгоритма, позволяющего синтезиро-
вать решающее устройство, запишем уравнение (4.95) в
впде
Y----— т = п.
X
(4.96)
Подставляя в равенство (4.96) вместо X и Y соответст-
венно Umax и Umax/Umin, после преобразования получим:
/ - 1 \ . т
— Umax I 1--— 1 “Г Umln ~г Umax —-~
Это правило реализовано решающим устройством
(рис. 4.34, в), нашедшим широкое применение в отечест-
венной аппаратуре обнаружения перегретых букс ПОНАБ-3.
Если значение напряжения на выходе сумматора ока-
зывается больше или равно значению-------, то порого-
241
вый элемент формирует сигнал, означающий, что контро-
лируемая букса должна быть отнесена к классу перегре-
тых букс.
Пользуясь искусственными приемами, подобными опи-
санным, можно составить структурные схемы решающих
устройств, распознающих греющиеся буксы по любым двум
признакам, рассмотренным в п. 4.2.
Синтез решающих устройств по трем и более призна-
кам распознавания. В заключение этого раздела рассмот-
рим варианты синтеза схем решающих устройств, выпол-
няющих распознавание по трем признакам (X, Y, Z).
Схема решающего устройства (рис. 4.35, а) содержит
элементы памяти ЭП, формирователь признаков Ф, функ-
циональный преобразователь F, реализующий функцию
Z=F(X, У), и пороговый элемент 77, на один из входов
которого поступает сигнал, являющийся результатом функ-
ционального преобразования сформированных признаков
распознавания, а на второй — сигнал, пропорциональный
значению признака Z. Если первое из поступающих на
вход порогового элемента напряжение оказывается больше
второго, т. е. имеет место неравенство Z—F(X, Y)Z^Z, то
на выходе порогового элемента появляется сигнал, озна-
чающий, что контролируемая букса отнесена к классу пе-
регретых букс.
Функция Z=F(X, У) реализуется на основе априорной
информации о совместном распределении плотности ве-
роятности совокупности трех рассматриваемых признаков
распознавания. Можно заранее предположить, что реали-
зация такой функции функциональным преобразователем
будет сопряжена со значительными техническими труднос-
тями, причем, как показывает опыт проектирования по-
добных схем, трудности и расход элементов возрастают бо-
лее чем на порядок при добавлении каждого последующего
признака распознавания. Этим объясняется тот факт,
что при многопризнаковом распознавании разработчики
идут путем применения различных квазиоптимальных ме-
242
Рис. 4.35. Структурные схемы решающих устройств аппаратуры
распознавания греющихся букс по трем признакам:
а; б — метод Котельникова; в — метод МАВО; г — метод «го-
лосованняэ
243
тодов обработки исходных сигналов. Одна из таких схем
решающего устройства показана на рис. 4.35, б. Здесь
вместо одного сложного функционального преобразовате-
ля, преобразующего признаки распознавания в трехмер-
ном пространстве, применены два функциональных преоб-
разователя, выполняющих преобразования в плоскостях
х, у и z, у. Подобные функциональные преобразователи
были рассмотрены при синтезе схем решающих устройств,
осуществляющих распознавание по двум признакам. Сигнал
на выходе решающего устройства, означающий, что конт-
ролируемая букса отнесена к классу перегретых букс, по-
является при появлении сигналов на выходах обоих поро-
говых элементов [52].
Структурная схема решающего устройства, реализую-
щего метод МАВО (рис. 4.35, в), содержит элементы па-
мяти ЭП; формирователь признаков распознавания (X,
У, Z); функциональные преобразователи F—F3, реализу-
ющие функции, соответствующие апостериорным вероят-
ностям Р (П/Х), Р (П/У),Р(Н/У) и P(H/Z); пороговые
элементы П1—ПЗ, на входы которых попарно подаются
сигналы с выходов функциональных преобразователей;
схемы совпадения &i—&3 и сборку 1. На выходе П1 по-
явится сигнал, если Р(П/Х) >Р(Н/У), на выходе П2—ес-
ли Р(П/Х) >P(H/Z), а на выходе ПЗ — если Р (П/У) >•
>P(H/Z). Соответственно на выходах схем совпадений
появятся сигналы, если Р(П/Х) >Р(Н/У) и Р(П/Х)>
>Р (Н/Z); Р (П'Х)>Р (Н/У) и Р (П/У)>Р (H/Z);
Р (П/Х) >Р (Н/Z) и P(H/Y)>P(H/Z). Появление сигнала
на выходе одной схемы совпадения означает, что контро-
лируемая букса отнесена к классу перегретых букс.
Исходной информацией при реализации функций апос-
териорных вероятностей является априорная информация
о распределениях плотности признаков для классов нор-
мально греющихся и перегретых букс.
Независимо от числа используемых признаков распоз-
навания функциональные преобразователи реализуют каж-
244
дый раз функцию на плоскости (в двухмерном пространст-
ве), поэтому техническая реализация этого метода значи-
тельно проще, чем метода Котельникова.
Еще более простыми средствами может быть реализо-
вано решающее устройство, осуществляющее при распоз-
навании греющихся букс мажоритарный метод (метод
«голосования») [54]. Схема устройства (рис. 4.35, г) содер-
жит элементы памяти ЭП, формирователь признаков рас-
познавания Ф, пороговые элементы П1—ПЗ, схемы сов-
падения &i—&3 и сборку 1. На входы пороговых эле-
ментов подаются сигналы, пропорциональные значениям
признаков распознавания, и пороговые напряжения, т. е.
каждым пороговым элементом перегретая букса распозна-
ется по одному из используемых признаков распознавания.
Если значение какого-либо из признаков превысит поро-
говое напряжение, то на выходе соответствующего поро-
гового элемента появится сигнал, означающий, что по это-
му признаку контролируемая букса отнесена к классу пе-
регретых букс.
Этот сигнал появится в том случае, если не менее чем
два значения признаков из трех превысят уровни порого-
вых напряжений. Достоинством этой схемы является от-
сутствие сложных нелинейных функциональных преобра-
зователей. Однако, как это показано в п. 4.9, полученная
простота схемы решающего устройства снижает и инфор-
мационные возможности аппаратуры контроля букс по
трем признакам распознавания.
Если в качестве решающего устройства использовать
ЭВМ, то не видно принципиальных затруднений для реа-
лизации любого из рассмотренных способов принятия ре-
шения.
При этом затраты машинного времени при реали-
зации метода Котельникова и метода МАВО практичес-
ки одинаковы, в то время как на реализацию метода «го-
лосования» машинного времени потребуется почти на по-
рядок меньше.
245
5
ПЕРЕДАЧА И РЕГИСТРАЦИЯ ДАННЫХ
ПРИ АВТОМАТИЧЕСКОМ КОНТРОЛЕ БУКСОВЫХ УЗЛОВ
5.1. Основные требования к аппаратуре связи
в системах контроля букс поездов
Работа современных систем контроля букс (техничес-
кого состояния поездов) в пути следования связана с не-
обходимостью передачи, приема и обработки значительных
объемов информации. Аппаратура связи систем автома-
тического контроля букс призвана обеспечить заблаговре-
менное извещение работников линейных пунктов о состоя-
нии буксовых узлов прибывающего поезда с тем, чтобы
своевременно выполнить операции по приему поезда на
станцию, организовать осмотр и ремонт неисправных букс
с минимальной затратой времени.
Задачи аппаратуры связи в системах контроля поез-
дов, принципы ее построения определяются структурой
этих систем. Варианты принципов построения систем кон-
троля букс отличаются расположением устройств обра-
ботки телеметрической информации по отношению к кана-
лу связи. В первом варианте (рис. 5.1, б) телеметричес-
кая информация в виде сообщения с датчиков контроля
Д после предварительной обработки (нормирования)
поступает на вход передатчиков П многоканальной аппа-
ратуры передачи сообщения (АПС) и далее через линию
связи и приемник Пр АПС — на устройство обработки
информации УОИ, откуда данные контроля выдаются на
регистратор. Во втором варианте (рис. 5.1, а) вся телемет-
рическая информация обрабатывается в непосредственной
близости от места ее зарождения. С выхода устройства
246
обработки информации данные контроля через передат-
чик и приемник аппаратуры передачи данных выдаются на
регистратор. В случае когда система контроля строится
по принципу системы ТИ, с помощью аппаратуры связи
ведется передача и прием телеметрических сигналов, т. е.
непрерывного ряда значений измеряемой физической ве-
личины (температуры буксы, неровности колеса и др.), а
также сигналов управления (наличие на участке контро-
ля поезда, отметка оси, вагона и др.). Источниками сооб-
щений в таких системах являются различные датчики, ко-
торые преобразуют контролируемые физические величины
в электрические сигналы. При построении системы по
принципу системы ТС с помощью аппаратуры связи в ко-
довом виде передаются данные о состоянии и месте рас-
положения в поезде неисправного контролируемого объек-
та. В таких системах источником сообщений является ус-
тройство обработки информации, которое хранит набор
возможных кодовых комбинаций или программ управле-
ний. Таким образом, сообщения, передаваемые в систе-
Рис. 5.1. Принципы построения аппаратуры автоматического конт-
роля букс
247
мах контроля поездов, должны иметь дискретный и непре-
рывный характер.
Аппаратура связи в системах контроля технического
состояния поездов должна быть универсальной и обеспечи-
вать передачу информации не только о состоянии букс,
но также и других объектов контроля (колес, габарита
и пр.).
Сообщения, подлежащие передаче при построении сис-
темы контроля по принципу системы ТИ, и их характери-
стики приведены в табл. 5.1.
Как следует из анализа данных, приведенных в табл.
5.1, сообщения, подлежащие передаче в системах ТИ, зна-
Таблица 5.1
Характеристики основных сообщений, подлежащих передаче
в системах ТИ
Объект контроля Измеряемая физическая величина Предел изме- рения физи- ческих параме тров Допустимая I погрешность передачи сообщений, % Ширина спектра сообщения, Гц
Буксовый узел » » Колесная пара » » Вагон Колесная пара Физическая по- движная единица Поезд Температура элементов корпуса буксы Температура элементов колесной пары Динамическая сила дей- ствия колеса на рельс Ускорение в рельсе от взаимодействия с колесом Наличие волочащейся детали Наличие колесной пары в заданной точке пути Наличие подвижной единицы в зоне контроля Наличие поезда на уча- стке контроля 0-80 °C 0-80 °C 5-50 т 15-200 g Есть—нет То же » » 5 5 5 5 80 100 200 500 3 700 3 3
248
Таблица 5.2
Состав макета данных, подлежащих передаче в системах ТС
Вид информации Число де- сятичных знаков Макси- мальное число Число ДВОИЧНЫХ разрядов Примечание
Номер поезда 4 9999 16/28
Время конт- роля 4 23-59 13/28
Номер вагона 3 199 9/21 1 1/7 / Передаются на каждую
Сторона поез- да 1 1 обнаруженную неисправ- ность
Контрольная программа 1 1 1/7
чительно отличаются по динамическому диапазону и спек-
тральным характеристикам. Это создает определенные тру-
дности при проектировании аппаратуры связи, предназна-
ченной для передачи данных контроля. С целью упроще-
ния аппаратуры связи, унификации ее оборудования
практически во всех системах контроля технического
состояния поездов сообщения, подлежащие передаче под-
вергаются предварительной обработке, в ходе которой они
нормируются (например, приводятся к одинаковой дли-
тельности) .
В системах, построенных по принципу систем ТС, ин-
формация передается в кодовом виде. Для определения
основных требований к аппаратуре передачи данных этих
систем будем исходить из макета подлежащих передаче
данных, который приведен в табл. 5.2. Число двоичных
разрядов, необходимых для передачи всех видов инфор-
мации, рассчитано для случая неравномерного кодирова-
ния (числитель) и равномерного кодирования с передачей
каждого знака 5-элементным кодом стартстопным мето-
дом (знаменатель).
249
Средний объем данных (в бит), который необходимо
передавать при контроле поездов [60]:
^р=^п+^Рпер^, (5.1)
где Л'пп — объем постоянной части передаваемого макета данных, бит;
7УД — объем информации о вероятных дефектах;
N6 — число букс в поезде;
Рпер —’ вероятность появления в макете данных сигнала о буксе, ии-
р формацию о которой необходимо передать, т. е. вероятность
появления сигнала, превышающего заданный порог настройки
аппаратуры.
Вероятность появления сигнала, превышающего задан-
ный порог:
Рпер Р(Н)Р„ + Р(П)Рп, (5.2)
где Р Рп— соответственно вероятности попадания в макет данных сиг-
налов нормально греющихся и перегретых букс.
При заданном пороге обнаружения перегретых букс
ДТко вероятности попадания в макет данных сигналов от
нормально греющихся и перегретых букс:
00
Рн= J U7n(ATK)d(ATK); (5.3)
дгко
00
Рп= f W„(bTK)d(bTK), (5.4)
дгко
где UZjj (Д7’к)1—функции распределений плотностей вероятностей прира-
щу /ДТ’ ) [ щений температуры корпуса нормально греющихся и
12 k к/ ) перегретых букс.
В соответствии с макетом данных табл. 5.2 Л/пп=30, а
Л^д=10. На рис. 5.2 показаны рассчитанные по формулам
(5.2), (5.3) и (5.4) вероятности появления неисправностей
250
при контроле букс, инфор-
мацию о которых необходи-
мо передавать. Пользуясь
этими данными, по формуле
(5.1) вычислим зависимости
Mcp=f (АТ’к) для поездов, со-
держащих соответственно
400, 800 и 1600 букс (при-
близительно 50, 100 и 200 ва-
гонов). Результаты расче-
тов, выполненные для слу-
чая неравномерного кодиро-
вания, приведены на рис.
5.3. Полученные кривые
(сплошные линии) характе-
ризуют средние объемы дан-
ных, подлежащих передаче.
В то же время для определе-
ния требуемой скорости пе-
Рис. 5.2. Вероятность попадания
в макет данных информации из
множества нормально греющихся
букс (1), перегретых (2), сум-
марного (3)
редачи данных необходимо располагать сведениями о мак-
симальных объемах данных, подлежащих передаче. Макси-
мальный объем данных
AZ max —• N ПП 4“ AZ Д /Сб max,
(5.5)
где А"6 1пах — максимальное число букс в составе, информацию о которых
необходимо передавать.
Максимальным числом букс Мб max будем считать та-
кое число, которое может появиться в составе с вероят-
ностью Pk(Ng) ^е. Вероятность того, что в поезде, содер-
жащем Мб букс, имеется Кб букс с сигналами, превышаю-
щими заданный порог:
Рк (М>) = CKN Р*ер (1 - Рпер)"-* (5.6)
Задаваясь PK(N^) <е<5-10-5, получим максимальное
число букс Кб max в поезде, информацию о которых потре-
251
буется передавать. Результаты расчетов, выполненных по
формуле (5.5), приведены на рис. 5.3 (штриховые линии).
Анализ кривых показывает, что при высоких порогах
настройки аппаратуры (AjTKo>18 °C) результаты расче-
тов по формулам (5.1) и (5.5) не отличаются друг от
друга, т. е. средние объемы подлежащих передаче данных
становятся равными максимальным объемам. При линей-
ном уменьшении порогового значения объем информации
растет по закону, близкому к экспоненциальному.
Таким образом, в зависимости от выбранного порогово-
го значения \ТК0, которое зависит от конкретных эксплу-
атационных условий, объем информации о техническом сос-
тоянии поезда может отклоняться почти на 2 порядка.
При ручной обработке данных контроля этот объем не
должен превышать 150—
Рис. 5.3. Средние и максималь-
ные объемы данных, подлежащие
передаче при автономных режи-
мах работы аппаратуры контро-
ля букс:
1-/V6 =400; 2-1У6= 800; 3 - N6 = 1600
200 бит, что при неравно-
мерном кодировании позво-
ляет получить информацию
о месте расположения в по-
езде десяти «больных» ваго-
нов. В случае применения
равномерного кодирования
и стартстопного метода пе-
редачи данных объем под-
лежащих передаче двоичных
разрядов возрастет пример-
но в 3 раза.
Для того чтобы рассчи-
танные объемы данных пе-
редать станционному об-
служивающему персоналу,
необходимо выбрать такую
скорость передачи, которая
обеспечила бы за время хо-
да от постового оборудова-
ния до предвходного сигна-
252
ла прием данных контроля, из-
вещение дежурного по станции
о необходимости остановки поез-
да (в случае обнаружения в нем
перегретых букс) и выполнение
всех операций, связанных с оста-
новкой поезда в пределах стан-
ции.
В аппаратуре контроля букс,
построенной по принципу аппа-
ратуры ТС, передачу данных мо-
жно начать после окончания про-
цедуры контроля или во время
контроля по мере обнаружения
перегретых букс. В первом слу-
чае максимальное время, затра-
чиваемое на передачу данных,
, - ^mln —“ ^max
*тах < -------77---------- (О./)
v max
где /-min — минимально допустимое удале-
ние постового оборудования от
входного сигнала,.км;
1П — длина поезда, км;
^тах— максимальная скорость дви-
жения поезда по участку, км/ч;
ti — время выполнения операций
по изменению порядка приема
поезда (/i®0,01 ч=0,6 мин).
Рис. 5.4. Максимально до-
пустимое время, которое
можно затратить на пе-
редачу информации в за-
висимости от скорости дви-
жения поезда и удаления
постового оборудования
Результаты расчетов, выполненные по формуле (5.7)
для различных значений Lmin, показаны на рис. 5.4. Ана-
лиз кривых показывает, что при высокой скорости движе-
ния поезда по участку контроля (V> 100 км/ч) на передачу
данных может быть затрачено не более 20 с.
В табл. 5.3 показано время, необходимое для переда-
чи заданного объема информации (в битах) при различ-
ных скоростях передачи.
253
Таблица 5.3
Длительность передачи данных
Объем пере- дачи, бит Длительность передачи, с, при скорости, Бод Объем пере- дачи, бит Длительность передачи, с, при скорости, Бод
50 100 200 600 1200 50 100 200 600 1200
15 000 450 225 ПО 36 18 1 300 40 20 10 3,3 1,6
7 000 210 105 57 19 9,5 500 15 7,5 3,7 1,5 0,6
2 500 75 37 18 6 3,0 200 10 3,0 1,0 0,6 0,25
Как следует, из приведенной таблицы, необходимый для
нормального функционирования системы контроля букс
объем данных (200—500 бит в зависимости от принятого
в аппаратуре передачи данных способа кодирования) мо-
жет быть передан со скоростью 50 Бод.
Если передача данных в системе контроля букс начи-
нается во время их контроля (по мере обнаружения пере-
гретых букс), то время, лимитирующее скорость переда-
чи данных, определяется временем контроля одного ваго-
на. За это время необходимо успеть передать данные кон-
троля предыдущего вагона. При неравномерном кодирова-
нии объем этих данных составляет Мд= 10 бит (см. табл.
5.2), а при равномерном — Л’д = 28 бит. Время контроля
одного вагона при высокой скорости движения поезда ко-
леблется в пределах 350—400 мс. Очевидно, что за это
время со скоростью передачи 50 Бод можно успеть пере-
дать данные контроля одного вагона только при неравно-
мерном кодировании.
В случае равномерного кодирования необходимый объ-
ем данных может быть передан при скорости передачи
В >100 Бод. Для передачи данных со скоростью 50 Бод
в аппаратуре передачи данных должен быть предусмотрен
254
буферный накопитель, согласующий скорости поступления
и передачи данных. Допустимую достоверность передачи
данных оценим исходя из предположения, что искажение
любой элементарной посылки в сообщении приводит к при-
нятию ошибочного решения. Так как в реальных системах
контроля букс не каждое искажение посылки в сообщении
приводит к принятию аппаратурой контроля ошибочного
решения, то полученную таким образом оценку допусти-
мой достоверности передачи можно считать завышенной.
Если вероятность искажения элементарной посылки рав-
на Р„, а среднее число элементарных посылок в сообще-
нии, определенное по формуле (5.1), равно Ncp, то вероят-
ность возникновения ошибки в сообщении при его пе-
редаче
Рошп= 1 -(1
Потребуем, чтобы вероятность ошибки при передаче бы-
ла хотя бы на порядок меньше вероятности ошибки при
распознавании греющихся букс Рош, вычисленной по фор-
муле (4.17), т. е. потребуем выполнения условия
1_(1_ри)"срС0,1/>оШ. (5.8)
Из (5.8) получим выражение для определения допус-
тимой вероятности искажения элементарной посылки:
I
ри [1 - (1 - о,1рошЛ₽].
Вероятность принятия ошибочного решения в поезде,
состоящем из 50 вагонов, РОщ~ 1 • 10-1.Если задаться зна-
чением Afcp=200 бит, то при передаче данных контроля
поезда допустимая вероятность искажения элементарной
посылки может быть РИС 1 • Ю-5.
При организации систем централизованного контроля
букс, в которых данные контроля со всех линейных пунк-
255
тов контроля обрабатываются аппаратурой центрального
пункта контроля, объем передаваемых данных возрастает
в 5—10 раз при одновременном сокращении допустимого
времени передачи. Результаты расчетов, выполненных по
аналогичной методике, показали, что требуемые для нор-
мального функционирования системы контроля данные
должны передаваться в центральный пункт со скоростью
600—1200 Бод. При этом необходимо обеспечить вероят-
ность ошибки по элементу P„cU-10~5.
5.2. Помехи в линейных цепях и каналах связи
системы контроля букс
Для оценки погрешности передачи результатов изме-
рений физических параметров контролируемых объектов,
вероятности ошибки при передаче данных о состоянии и их
месте расположения необходимо располагать сведениями
о параметрах линейных цепей и каналов связи, предназна-
ченных для передачи указанной информации, т. е. необхо-
димо знать характеристики помех этих линий и каналов
связи. Так как в системах контроля букс для передачи
данных контроля используются физические (кабельные и
воздушные) цепи и НЧ и ВЧ каналы, то характеристики
помех рассматриваются отдельно для физических цепей и
каналов телефонной связи.
Помехи в линиях связи аппаратуры контроля букс. Для
передачи данных контроля технического состояния букс и
других объектов подвижного состава от поста контроля
до пункта их обработки и регистрации используются глав-
ным образом кабельные и реже воздушные линии связи.
Эти, как правило, специально проложенные линии, или
цепи существующих линий связи, обладают рядом специ-
фических особенностей. Во-первых, линии связи аппара-
туры контроля букс относятся к разряду коротких линий
(1,5—20 км). Значительная часть трассы этих линий про-
256
ходит по территории станций в непосредственной близос-
ти от полотна железной дороги. Отмеченные особенности
затрудняют применение существующих методик [65] для
расчета мешающего влияния токов контактной сети и ли-
ний электропередачи на кабельные и воздушные линии
связи аппаратуры контроля букс. Помехи в линиях связи
аппаратуры контроля букс носят преимущественно ад-
дитивный характер и качественно представляют собой
смесь периодической (дискретных) и хаотической состав-
ляющих:
«П (0 = Мпд (0 + «пх (0> (5-9)
п
где ипд(/) = У, ak sin (u>k £-|-<рА) — периодическая составляющая помехи;
А=1
“пх (0 ~ хаотическая составляющая помехи;
aftj <pfe — соответственно амплитуда, круговая частота и фаза k-vi гар-
монической составляющей помехи.
Дискретные составляющие помехи являются гармони-
ками токов контактной сети и линий электропередачи.
Так как рассматриваемые помехи носят случайный харак-
тер, то для их количественного описания достаточно знать
энергетический спектр (спектральную плотность мощнос-
ти) и закон распределения плотности вероятности мгновен-
ных значений помехи.
Как видно из рис. 5.5, огибающие амплитудных спект-
ров имеют ярко выраженный спад на отрезке от нуля до
600—900 Гц. В линиях связи на участках с тягой на по-
стоянном токе ярко выражены гармоники, кратные часто-
те 300 Гц (1-я гармоника выпрямленного тока). Наряду
с этим в спектре выражены гармоники с частотами, крат-
ными 100 и 200 Гц. В цепях связи на участках, электри-
фицированных переменным током, имеется значительное
число гармоник, кратных частоте тягового тока 50 Гц. По-
мехи в воздушных линиях связи аппаратуры контроля
букс по своему спектральному составу не отличаются от
9—4947 257
Рис. 5.5. Дискретные составляю-
щие и огибающие спектров по-
мех в кабельных линиях связи на
участках с тягой на переменном
(1), постоянном (2) токе и в
воздушных линиях связи (3)
помех в кабельных линиях
связи и лишь превышают
последние по напряжению в
3—4 раза. Хаотическая сос-
тавляющая помех в рассма-
триваемых линиях связи в
тональном диапазоне час-
тот имеет равномерный
энергетический спектр с
плотностью, примерно рав-
ной 3-10“3 мкВт/кГц для
кабельных линий связи и
3-10~2 мкВт/кГц для воз-
душных линий связи.
Графики спектральной
плотности суммарной поме-
хи в кабельных линиях свя-
зи аппаратуры контроля
букс показаны на рис. 5.6.
Распределение плотности
вероятности мгновенных
значений напряжения хаоти-
ческой составляющей по-
мехи описывается нормальным законом со средним
значением, равным нулю, и средним квадратичным откло-
нением (эффективным значением напряжения), мХэф = 3-т-
4-10 мВ для кабельных и их эф=204-50 мВ воздушных ли-
ний связи. Закон распределения плотности вероятности
мгновенных значений суммарной помехи [61]:
1 i-l 71ГИп
и7!(ип)=— 1-|-2 2 cos-j—ехр
4/11 I Г=1
"2'ЛЧ\ П г (акпг\
ai /
(5.10)
где Ах « А + Зах = А + 3«х эф; А = 2 ak ;
й=1
JQ (v) — функция Бесселя первого рода нулевого порядка.
258
Результаты расчетов, вы-
полненных по формуле
(5.10) для кабельных линий
связи по значениям аь, при-
веденным на рис. 5.5 (кри-
вая 1), показаны на рис.
5.7. Как видно из приведен-
ных графиков, уже при
п>10 распределение мгно-
венных значений напряже-
ния помехи практически не
отличается от нормального.
Помехи в телефонных кана-
лах железнодорожной связи. Для
передачи информации от аппара-
туры контроля букс могут ис-
пользоваться высокочастотные ка-
налы как отделенческой, так и
дорожной телефонной связи. При
этом поскольку данные контроля
могут передаваться иа расстоя-
ние от 40 до 800 км (в пределах
диспетчерского круга), то резуль-
таты анализа помех приводятся
для телефонных каналов соответ-
ствующей протяженности, образо-
ванных различными системами
ВЧ связи на кабельных и воздуш-
ных цепях электрифицированных
участков дорог.
По характеру воздействия на
сигнал в каналах связи различа-
ют аддитивную и мультиплика-
тивную помехи. По физическим
свойствам аддитивные помехи
подразделяют на флуктуационные,
селективные и импульсные.
Флуктуационные по-
ме х и в телефонных каналах свя-
зи определяются главным образом
9*
50 450 850 1250 1650 20502450 2850 4,Ги,
Рис. 5.6. Спектральная плотность
суммарной помехи в кабельных
линиях связи аппаратуры конт-
роля букс на участках с тягой на
переменном (1), постоянном (2)
токе и в цепях воздушных ли-
ний (3)
— 80—ВО—40—20 0 20 40 ип,*В
Рис. 5.7. Распределение плотно-
сти вероятности мгновенных зна-
чений напряжения помех
259
тепловыми шумами, линейными и нелинейными переходами между
каналами. При математическом описании флуктуационную помеху
представляют случайной нормально распределенной величиной иПф(О>
первый начальный момент (среднее значение) которой равен нулю
(т1[ипф]=0), а центральный момент второго порядка
00
М* [«пф] = J Мпф («пф) <Чф = т1 [мпф]
—00
выражает мощность помехи. Среднее квадратичное отклонение
аипф £Мпф1 ипф эф
представляет собой действующее значение напряжения флуктуацион-
ной помехи.
На рис. 5.8. показаны усредненные зависимости напряжения
флуктуационных шумов в точке относительного уровня +4,34 дБ
(+0,5 Нп) от протяженности каналов ВЧ, образованных с помощью
различных систем на воздушных, кабельных и радиорелейных линиях
связи. Как видно из графиков, уровень флуктуационных шумов зависит
Рис. 5.8- Зависимость флуктуа-
ционных шумов от протяженно-
сти ВЧ телефонного канала, об-
разованного аппаратурой:
1 — КВ-12; 2 — ВЗ-З; 3 — К-60П;
4 — Р600; 5 — ВЗ-Зс; 6 — В12-3
от протяженности канала связи и
типа линии связи. Уровень шума
в каналах на стальных воздуш-
ных цепях в 2,5—3 раза выше
уровня шума в каналах на цвет-
ных цепях.
Энергетический спектр флук-
туационных шумов равномерен
во всем диапазоне эффективно пе-
редаваемых частот телефонного
канала.
Селективные помехи
в ВЧ каналах проводной связи
определяются в основном проса-
чиванием несущих, контрольных
и контрольно-измерительных час-
тот. Влияние селективных помех
больше сказывается в НЧ кана-
лах. Здесь основным источником
селективных помех являются выс-
шие гармоники тока контактной
сети. При математическом описа-
260
нии такую помеху представляют в виде суммы гармонических состав-
ляющих со случайной начальной фазой
п
«пс = l?ftsin
*=1
где а^, (Os, ф/< — соответственно амплитуда, круговая частота и
начальная фаза й-й гармоники помехи.
Закон распределения плотности вероятности мгновенных значе-
ний напряжения селективных помех [34]
“ Т.ГП _ " •
1 + 2 2 cos —2LC П J
г=1 А л=1 0
Действующее значение напряжения селективных помех, равное
среднему квадратичному отклонению функции распределения мгновен-
ных значений напряжения помех,
«псэф <511>
Измерения каналов связи показали, что практически во всех теле-
фонных каналах имеется от 3 до 12 гармонических составляющих по-
мех с действующими значениями напряжений от 0,5 до 10 мВ в точке
с относительным уровнем 4-4,34 дБ. Суммарное действующее значение
селективных помех, вычисленное по формуле (5.11), равно 2,5 мВ.
Импульсные помехи представляют собой один из основных
факторов, приводящих к возникновению ошибок при передаче дискрет-
ной информации. Статистические исследования [62—72] показывают, что
10—20 %, а иногда до 50 % ошибок при передаче дискретной инфор-
мации вызваны импульсными помехами. Появление импульсных по-
мех в каналах связи может быть вызвано: перегрузками ВЧ систем
связи; кратковременными перерывами в линейных трактах; переры-
вами в цепях питания; грозовыми разрядами; профилактическими ра-
ботами иа магистрали и т. д.
Импульсные помехи достаточно полно характеризуются распре-
делением амплитуд (ипИ) и интенсивностью потока (Хи).
В [62] показано, что функция распределения амплитуд импульсных
помех, действующих в телефонных каналах ТЧ, описывается гипер-
болическим законом вида
= 74^?-' <512’
где с, а и у — константы.
261
Если вместо unH в формулу (5.12) подставить отношениеЛ=
мс
то, как показано в [62], для телефонных каналов ТЧ а=2,5; у=4;
с=111,6.
Статистические измерения показывают, что интенсивность потока
импульсных помех в каналах связи (число помех в единицу време-
ни) — величина случайная и зависит от типа канала, его протяжен-
ности, загрузки и т. д. Для железнодорожных телефонных каналов
связи интенсивность импульсных помех определяется приближенным
выражением [64]
где /„ — протяженность канала связи, км.
Мультипликативная помеха в канале связи может проявляться
только при передаче и обусловлена главным образом флуктуацией
остаточного затухания канала связи. Причины, вызывающие снижение
уровня сигнала в канале, могут быть следующими: неисправность ав-
томатической регулировки уровня, переключения при эксплуатации,
замена ламп н транзисторов, плохие контакты, ошибочные действия об-
служивающего персонала и т. п.
Статистика показывает, что 50—70 % ошибок при передаче дис-
кретной информации являются следствием кратковременных перерывов
связи (снижение уровня сигнала более чем на 17,5 дБ). К кратковре-
менным перерывам относятся перерывы длительностью до 300 мс
(определение МККТТ). Более длительные перерывы классифицируются
как отказы в работе каналов связи.
Таблица 5.4
Параметры распределения кратковременных перерывов
в телефонных каналах связи
Протяженность канала, км Константы распределения кратковременных перерывов
с,, отн. ед. 1 Х1, - с е2, отн. ед. 1 X 2 t — с
До 100 0,995 0,31 0,005 0,14
100-200 0,991 0,25 0,01 0,08
200-500 0,970 0,21 0,03 0,03
500-800 0,700 0,19 0,3 0,001
262
Интегральная функция распределения перерывов в ВЧ каналах
хорошо аппроксимируется гиперэкспоиенциальным распределением вто-
рого порядка вида [63]
P(/) = eie-x‘z +е2 ех,/,
(5.13)
где еь е2, Хь Х2—константы.
Экспериментальные данные, приведенные в ряде источников, по-
зволяют записать значения приведенных констант для телефонных
каналов различной протяженности (табл. 5.4)
Остальные помехи, действующие в телефонных каналах связи
(«плавание» остаточного затухания и др.), при передаче по ним дис-
кретной информации не оказывают практического влияния на достовер-
ность передачи и поэтому в настоящем разделе не рассматриваются.
5.3. Методы передачи аналоговых сигналов
и их погрешность
Наиболее простым методом передачи аналоговых (не-
прерывных) сообщений является метод непосредственной
передачи. В этом случае сообщение С (t) и сигнал, пере-
даваемый в линию Sft), связаны соотношением
S (/) = АС (О,
где А — некоторая постоянная.
Однако непосредственная передача сообщений часто
оказывается невозможной или неэффективной. Это обус-
ловлено тем, что, во-первых, энергетический спектр сооб-
щения обычно сосредоточен в области низких частот, т. е.
в области, в которой наиболее проявляется действие помех
(например, токов контактной сети, линий электропередачи
и т. п.). Во-вторых, при непосредственной передаче сооб-
щений линия связи в одно и то же время может быть ис-
пользована для передачи лишь одного сообщения, а в сис-
темах контроля букс, как видно из табл. 5.1, одновремен-
но необходимо передавать несколько сообщений.
263
Перечисленные недостатки метода непосредственной
передачи сообщений обусловили применение для передачи
аналоговых сообщений в системах контроля различных пе-
реносчиков сообщений г (ай ₽г, ..., hi, t), где ai,
Хг — постоянные параметры переносчика i-ro канала. В
этом случае по закону изменения сообщения модулирует-
ся один из параметров переносчика. Модуляция при пере-
даче сообщения позволяет согласовать спектр сигнала с
возможностями канала связи, повысить точность передачи
сообщения, повысить эффективность использования линий
связи уплотнением ее несколькими каналами связи. Раз-
деление сигналов приемным устройством обеспечивается
использованием в качестве переносчиков линейно-незави-
симых (ортогональных) сигналов.
Широкое применение при передаче аналоговых сигна-
лов в системах контроля букс нашли методы амплитудной
(AM), частотной (ЧМ), кодово-импульсной (КИМ) моду-
ляции. Так как при передаче аналоговых сигналов аппа-
ратура связи является частью измерительного тракта сис-
темы телеконтроля, то в качестве критерия оценки точнос-
ти передачи непрерывных сигналов удобно воспользовать-
ся понятием «относительная средняя квадратичная пог-
решность» передачи измеренной величины.
Поскольку эффективное или среднее квадратичное на-
пряжение шумов на выходе приемника представляет собой
среднюю квадратичную ошибку измерения (s), то относи-
тельная средняя квадратичная погрешность измерения оп-
ределяется отношением эффективных напряжений шума к
сигналу
g__ иш эф _ е
~ мс эф ~ УТ\ '
где Рс — средняя мощность сигнала на выходе приемника.
Рассмотрим основные методы передачи аналоговых
сигналов и оценим их погрешность.
264
(5-14)
Передача аналоговых сигналов методом амплитудной
модуляции. При амплитудной модуляции пропорциональ-
но сообщению изменяется амплитуда переносчика. Ампли-
тудно-модулированный сигнал i-ro канала
«z (О = С/(/) г (X/,/),
где X; — разделительный параметр.
В системах с частотным разделением каналов раздели-
тельным параметром переносчика является частота. Поэ-
тому переносчик (несущую частоту) можно записать в
виде
г (Хг, /) == cos (о>; t + %,). (5.15)
Передаваемое сообщение, как правило, представляет
собой случайную функцию, которую для удобства анали-
за аналоговых систем связи можно разложить в ряд по
ортогональным функциям:
о,
С (0 = 2 «ncos(QzZ + <р ).
£2 Z=£2X
Так как исходное сообщение представляет собой слож-
ное периодическое колебание в спектре частот Qi—Q2, то,
пользуясь правилом суперпозиции, AM-колебание можно
записать в виде
. о,
-р (0=«ш cos 2 cos [(o>-2z) /+(<рш-?ш)]+
£2,
£2.
+ -2-«ш2>о<с05[(а>+ (5Л6)
где т&. — глубина амплитудной модуляции по Z-й составляющей модули-
рующего сигнала с амплитудой uQi
При линейной AM 1.
Из выражения (5.16) видно, что спектр AM-сигнала со-
стоит из несущего колебания и двух боковых полос, сим-
265
метричных относительно несущей частоты. Ширина спект-
ра AM-колебания в этом случае равна удвоенной макси-
мальной частоте (Fmax) спектра сообщения: Af = 2Fmax.
Рассмотренный способ формирования канального АМ-
сигнала является наиболее простым. При передаче требу-
ется модулятор, генератор несущей частоты и полосовой
фильтр. Исходное сообщение из AM-сигнала восстанавли-
вается в приемнике за счет взаимодействия в демодулято-
ре несущей частоты с боковыми полосами частот. При ис-
пользовании в качестве демодулятора линейного детектора
выходное напряжение равно абсолютному значению вход-
ного АМ-сигнала:
«д (0 = I (01 •
Если канальный AM-сигнал, описываемый выражени-
ем (5.16), поступает на вход детектора без искажений, то
напряжение на его выходе
9
Ид(0 = «ш[1 + 'гаСО8 (Ш + ?п)] Т
9 / 1
1 2*2 + 1 C°S 2k Х
X («>/ + ?J] = -|- {1 + т cos (Ш + ?£2) - J] ^(2 X
X [cos (2Ы + 2£®J + т cos [(2Аш — £2) t + <pQ — 2£<pJ +
+ m cos [(2Ao) + 2) t + + 2&pJ j.
Как видно, спектр сигнала на выходе линейного детек-
тора содержит колебание с частотой исходного сообщения
Q, четные гармоники несущей частоты 2^со и частоты вида
2Aci)±Q. Если со^>£2 или при сложном исходном сообще-
нии ®3>Qmax, то сообщение легко выделяется фильтром
нижних частот и будет равно
<?(/) =
и.
^гпах
1 + Zj
cos (0,1t-\- <рш)
2
266
Следует заметить, что квадратичный детектор с харак-
теристикой Ид(О = [°СО]2 Для демодуляции АМ-сигнала
непригоден, так как возникающие при детектировании про-
дукты нелинейности нельзя устранить фильтром нижних
частот.
Оценим точность передачи телеметрических сигналов
при использовании в канале связи AM. Искажение сооб-
щения при воспроизведении происходит как от аппаратур-
ных погрешностей (неравномерности амплитудно-частот-
ной и фазочастотной характеристик канала, его нелиней-
ности и др.), так и от шумов в канале связи. При пра-
вильном конструировании аппаратуры аппаратурные
погрешности могут быть сведены к минимуму и точность
передачи будет определяться уровнем шумов в канале. Бу-
дем считать, что все шумы, действующие в канале связи,
приведены ко входу приемника. Если на входе приемника
действует сигнал, определяемый выражением (5.16), (с Qj=
= Q), то на выходе приемника в отсутствие шумов напря-
жение сигнала
«C = Mo,ffZCOS(2Z+ ?£})’
а его эффективное значение
/ПИ
«с эф = • (5-17)
Г
Эффективное напряжение шумов на выходе приемни-
ка
Чш эф — аш— 1/ f Gmi.f'jdf,
' О
где Ош (/) — спектральная плотность мощности шума;
Р — полоса частот приемника.
Учитывая, что при передаче двух боковых полос и не-
сущей частоты ширина полосы частот приемника Fm равна
267
удвоенной максимальной частоте сообщения Fmax, при
равномерной спектральной плотности мощности шума No
Иш эф — ^тах.
(5.18)
Подставляя выражения (5.17) и (5.18) в формулу
(5.14), найдем относительную среднюю квадратичную по-
грешность передачи непрерывного сигнала с помощью ам-
плитудной модуляции:
= /2^тах = J_ 1 /2/?тах ^0
т у Рс
где Рс — мощность сигнала на выходе приемника.
Если мощность сигнала на выходе приемника выра-
зить через пикфактор сообщения
где Кп = | С (Z)max | ( | yr'»l [С2 (Z)] | ) 1 — пикфактор сообщения,
ТО 8ам = /й 1 V2/?maxjVoA'n.
Как следует из полученных формул, погрешность при
передаче аналоговых сообщений методом AM обратно про-
порциональна индексу амплитудной модуляции (погреш-
ность минимальна при т=1), напряжению сигнала в ли-
нии и пропорциональна пикфактору сообщения и корню
квадратному из ширины спектра передаваемого сообщения
и напряжению шума на входе приемника.
Передача аналоговых сигналов методами угловой мо-
дуляции. Под угловыми методами модуляции обычно под-
разумевается модуляция частоты (частотная модуляция—
ЧМ) или фазы (фазовая модуляция — ФМ) гармоничес-
268
кого переносчика по закону передаваемого сообщения.
Предполагая, что, как и при амплитудной модуляции, не-
сущая частота и сообщение представляют собой гармони-
ческие колебания, описываемые выражениями (5.15) и
(5.16), а также учитывая, что фазы и частоты колебания
связаны соотношением
t
Ш = f (0 dt,
о
запишем ЧМ-колебание
v (t) = «ш cos [со01 + &чм j С (/) dt\ =
= cos р>0* + Deos (Ш+ + , (5.19)
где D — =------—----— индекс частотной модуляции,
а ФМ-колебание
v (/) = cos [соо t + Афм С (/)] =
= «wcos[<»0/ + <f>0+ A?mcos(m+<f>o)], (5.20)
где Д<рт = кф1Л — индекс фазовой модуляции.
Выражения (5.19) и (5.20) позволяют записать ЧМ- и
ФМ-колебания соответственно в виде суммы гармоничес-
ких составляющих [67]:
v (/)чм = /0 (D) cos («/ + фт) + 21k (D) cos X
l Й = 1
00 4
Х[^+^(Ш+?Й)]+ 2(-1)%Р)с05[«>/-А(Ш+?й)] , (5.21)
k=l J
где Ik (D) — функция Бесселя fe-го порядка первого рода;
269
v (0ФМ = ко (Дс?т)cos W + + 2 Ik (Д?т) X
I &=1
X cos + <рш + k (2/-|- <pn + -g-)] 4-
+ ft2(—1) Ik (д?т)COs[+ ?ш — k [pt + ?й + "g")]} • (5-22)
Анализ выражений (5.21), (5.22) позволяет заключить,
что спектры ЧМ- и ФМ-колебаний даже при модуляции
одним гармоническим колебанием состоят из бесконечно-
го количества дискретных составляющих, расположенных
симметрично относительно несущей частоты (рис. 5.9).
Если теоретически бесконечные спектры ЧМ- и ФМ-коле-
баний ограничить составляющими, амплитуды которых не
превышают 0,01 амплитуды немодулированной несущей
частоты, то реальная полоса частот одного канала
Д_/ = 2nF щах»
где п — номер последней учитываемой боковой составляющей;
/гтах — максимальная частота первичного сообщения.
Как следует из выражений соответствующих спектров
(5.21), (5.22), с ростом модулирующей частоты ширина
спектра ФМ-колебания растет пропорционально этой ча-
стоте, а ширина спектра ЧМ-колебания растет значи-
тельно медленнее. Поэтому при передаче аналоговых сиг-
налов предпочтение отдают методу ЧМ.
Оценим погрешности, возникающие при передаче ана-
логовых сигналов методами ЧМ и ФМ. Эффективное на-
D=
а>
а>/ ш
а>0-52 ше а> ш0
Рис. 5.9. Спектр частотно-модулированного колебания
270
Рис. 5.10. Структурная схема приемника ЧМ-сигналов
пряжение на входе детектора (рис. 5.10)_ независимо от
модулирующей функции всегда «вх = «ш/У2, а напряжение
на его выходе пропорционально мгновенной частоте
сигнала со,:
«вых д — 0ЧО/ — Ot + D cos -ф- -|—2~) J —
= а<о0 -ф- aQ£) (sin Qi -ф- -|—g-j >
где а — коэффициент пропорциональности.
Напряжение полезного сигнала
«вых д = a2Z).
(5.23)
Напряжение шума на входе детектора определяется
полосой пропускания фильтра на входе приемника:
/о>.+ До) / ю.-ф-Дсо
— j Gn(">)rfo)= V — f Nod<a = 4:No^f,
71 со.-Дсо < 311 co.—До>
где G (со) — спектр плотности мощности шума и/ (Z).
Напряжение шума на выходе детектора найдем в пред-
положении, что сообщение равно 0. В этом случае коле-
бание на входе детектора представляет собой смесь несу-
щей частоты и шума:
иш cos о>01 -ф- т (t). (5.24)
271
Представляя шум (/) на входе детектора (на вы-
ходе полосового фильтра) через квадратурные составляю-
щие, выражение (5.24) запишем в виде
[ыш + /гс (/)] cos о>01 + ns (t) sin <o01 — E (/) cos [o>01 + ф (/)],
где £ (i) = V lMo> + nc (OF + ns (0;
ns (0
В случае малого шума при »пс (/) и (i)
Но мгновенная частота входного колебания
= -^7 [wo t + Ф (0] = »о + Ф (0 = “о — ‘
Тогда напряжение на выходе детектора
«д (/) = аю; •-= а [о>0 — ns (5.25)
Из выражения (5.25) составляющая выходного шума
будет
По (0 = — ans (5.26)
Известно [36], что спектры плотности мощности функ-
ции и ее производной связаны соотношением
G 'ns (^) = m2Sns (o’).
С учетом этого соотношения, а также с учетом филь-
трации выходного напряжения фильтром нижних частот
ФНЧ получим выражение спектра плотности мощности
шума на выходе ФНЧ
Gn (o’) = 2a2fNo • (5.27)
272
Из выражения (5.27) можно определить напряжение
шума на выходе ФНЧ приемника ЧМ-сигнала:
_ 1 /2а2 ? 2Я — 2a“m 1 /95П
«твых-]/ ]/ — • (5-28)
Выражения
грешность при
щью ЧМ:
с помо-
(5.23) и (5.20) позволяют определить по-
передаче аналоговых сигналов
“вых ш _ 2ют । ° <S>m
“вых ~ V
Если учесть, что иш =У2 К”1; com = Fmax = Q,
жение (5.29) можно записать в виде
К25гаахЛГ0Я-*
йчм==-----FyT—‘
§чм
3-2^
(5.29)
то выра-
Как следует из полученных выражений, погрешность
при ЧМ-передаче обратно пропорциональна девиации ча-
стоты (индексу частотной модуляции), т. е. ширине
спектра частот, эффективному значению напряжения
ЧМ-сигнала и пропорциональна напряжению шума на вхо-
де приемника, пикфактору исходного сообщения и корню
квадратному из ширины спектра сообщения.
Выражение погрешности при ЧМ получено в предполо-
жении малого шума. При значительном шуме, когда
справедливо условие (t), uM^ns (t), в сигнале
на выходе частотного детектора не содержится составляю-
щих, пропорциональных передаваемому сообщению [67].
Как и в случае малого шума, напряжение на выходе
детектора
«двых (/)=а—- (О+р (/)] = а [о>о Н (/) р (/)]• (5.30)
где H(t) — шумовая; Р(7) — информационная составляющие сигнала.
273
В полученном выражении сведение о передаваемом
сообщении заключено в составляющей оф (t).
Анализ информационной составляющей выходного сиг-
нала [67] показывает, что она содержит случайный мно-
житель, а это свидетельствует о том, что в выходном ко-
лебании отсутствуют какие-либо составляющие сигнала,
пропорциональные исходному сообщению, т. е. напряже-
ние на выходе детектора представляет собой шум.
Это явление принято называть «пороговым эффектом»
(рис. 5.11).
Для анализа метода передачи аналоговых сигналов с
помощью ФМ заметим, что последняя может рассмат-
риваться как частный случай ЧМ. Действительно, выра-
жение (5.22) можно записать
[(* d
О)01 + Кфм — [ с (/)] dt,
т. е. если при передаче исходное сообщение предвари-
тельно продифференцировать, затем модулировать несу-
Рис. 5.11. Иллюстрация «порого-
вого эффекта» при передаче с
помощью ЧМ
щую по частоте, то при на-
личии на выходе приемника
ЧМ-колебания идеального
интегратора можно восста-
новить исходное сообщение.
Такой прием позволяет при
анализе ФМ пользоваться
результатами, полученны-
ми при анализе ЧМ. Так,
шум на выходе детектора
ЧМ-сигнала, определяемый
выражением (5.26), после
идеального интегратора
(Z)
Нш вых (0 —--’
274
а спектр плотности его мощности при белом шуме в ка-
нале
Напряжение шума на выходе приемника после низко-
частотной фильтрации
4,2 No
„2
= aF2MFmax^.
Функция напряжения сигнала на выходе частотного
детектора
^вых — &/СфМ С (/).
Отсюда эффективное значение напряжения на выходе
детектора (с учетом интегратора) при гармоническом
сообщении и глубине модуляции, равной 100%,
Мвых эф — O-D,
а погрешность при передаче аналоговых сигналов мето-
дом ФМ
/2^ГтахЛ-2
Как и в случае с ЧМ, погрешность при передаче мето-
дом ФМ зависит от девиации частоты, уровня шумов,
пикфактора сообщения и ширины его спектра.
Приведенные результаты приобретают большую на-
глядность при их сравнении.
275
5чм Wam или S й '"am /с. О1\
Та • 8чи“<’лмДуз’' (5-31)
а 2*Ь_^L, „ли 8ф„_8дм2Л1.
°АМ D D
Эти соотношения показывают, какой выигрыш в пог-
решности может быть получен при использовании ЧМ и
ФМ по сравнению с передачей по методу AM. Максималь-
ный выигрыш в погрешности ЧМ по сравнению с AM мо-
жет достигать значения ]/3Z). Этот выигрыш достигается
за счет расширения полосы передаваемых частот при ЧМ
и только в случае, если уровень сигнала на входе прием-
ника ЧМ-сигналов превышает значение, до которого име-
ет место «пороговый эффект», т. е. Mc>wcnop. Установле-
но [67], что пороговое напряжение сигнала при частотной
модуляции
йс пор ~ max {d+Vd-y i),
т. е. амплитуда сигнала должна быть не менее чем в 4 ра-
за больше эффективного напряжения шума в полосе при-
емника ЧМ-сигналов.
Кроме того, из соотношения (5.31) видно, что выиг-
рыш в погрешности при ЧМ достигается при выполнении
условия D>y~0,6. Такое значение индекса частотной мо-
дуляции является граничным между узкополосной (при
^чм’С!) и широкополосной (при Ачм^>1) ЧМ. Следова-
тельно, узкополосная ЧМ, занимая полосу частот, одина-
ковую с AM, не обеспечивает заметного улучшения пог-
решности при передаче аналоговых сигналов.
Передача аналоговых сигналов методами импульсной
модуляции. Теоретической основой импульсных методов
передачи непрерывных сигналов является теорема Котель-
никова, в соответствии с которой любой сигнал с ограни-
276
ченным спектром частот (до Лпах) полностью определяет-
ся мгновенными значениями этого сигнала, следующими
равномерно через интервалы tonp^.~F---. В системах сви-
тах
зи могут применяться следующие виды импульсной моду-
ляции: амплитудно-импульсная модуляция (АИМ), широ-
тно-импульсная модуляция (ШИМ), время-импульсная
модуляция (ВИМ), кодово-импульсная модуляция (КИМ)
и др.
В системах контроля наиболее широкое применение
нашли КИМ-методы передачи.
При КИМ весь диапазон возможных значений переда-
ваемого сигнала разбивается на конечное число разре-
шенных уровней и вместо непрерывного сигнала через оп-
ределенные интервалы времени передаются разрешенные
уровни, к которым ближе всего находятся значения сиг-
нала (отсчеты) в моменты опроса. Разность между уров-
нями отсчетов и дискретными (разрешенными) уровнями
образует помеху — шумы квантования, которые образуют-
ся при передаче и неустранимы на приеме. Отсчеты пере-
даются кодовыми группами, состоящими из двоичных сиг-
налов. Такой метод передачи обладает высокой помехо-
устойчивостью и потому часто применяется в различных
телемеханических системах.
Для передачи сообщения с полосой частот Fmax часто-
ту дискретизации по времени необходимо выбрать в соот-
ветствии с соотношением F!i'>2Fmix. Если каждая соот-
ветствующая определенному уровню отсчета кодовая груп-
па состоит из т импульсов (разрядов), то в секунду не-
обходимо передать 2tnFmsx импульсов длительностью
1
'и - ос ’
на что требуется полоса частот канала mFmax. Получен-
ную таким образом импульсную последовательность мож-
277
но передавать по линии непосредственно или с помощью
частоты-переносчика, т. е. с помощью AM, ЧМ и т. д. По-
лоса частот канала при использовании К.ИМ-АМ должна
быть 2mFmax, а при КИМ-ЧМ — 4mFmax. Оценим погреш-
ность, вызываемую КИМ.
При большом числе уровней квантования можно счи-
тать все значения шумов квантования, лежащих в преде-
лах одного шага квантования А, равновероятными:
VT(e) =
1 д
-^при
Л д Д
О при-----2~ > s > ~2~ ’
Следовательно, эффективное напряжение шумов кван-
тования
кв эф----
А -.1 г А.
Т Г 2
f s2W(s)de = 4- f
д ' Д A
2 J L 2
Напряжение сигнала на выходе канала с КИМ найдем
исходя из соотношения между максимальным уровнем от-
счета и пикфактором сообщения. Амплитуда максималь-
ного отсчета (любой полярности)
Д(Л—1)
V'niax — “ »
где L — число уровней квантования.
Если L»l, то Стах^Ар. Зная пикфактор квантуемо-
го сообщения, напряжение сигнала на выходе канала с
КИМ
b.L
МСЭФ-2Х'
278
Так как непрерывный сигнал восстанавливается из пос-
ледовательности отсчетов фильтром нижних частот с ча-
стотой среза Fc = Fmax, то погрешность при передаче на
|/"раз,
выходе ФНЧ должна уменьшиться в
Fa — частота дискретизации.
где
Таким образом, погрешность при передаче аналоговых
сигналов по методу КИМ
, Г 9 F
Вким = тр/-з-
Из полученных соотношений видно, что, выбрав доста-
точно большое число уровней квантования L (или большее
число импульсов в кодовой комбинации), КИМ может
обеспечить сколь угодно малую погрешность передачи не-
прерывных сигналов. Однако, помимо шумов квантова-
ния, на передаваемую кодовую последовательность дейст-
вуют имеющиеся в каналах связи помехи, мешающее влия-
ние которых может повышать погрешность КИМ. Мешаю-
щее действие зависит от вероятности ошибочного приема
импульса кодовой последовательности, или, иными слова-
ми, от способа передачи кодовой последовательности.
В [67] показано, что с учетом возможных искажений ко-
довой последовательности каналом связи погрешность
КИМ
8ким = 8х 8,Л,
у 1 _L р^2
где Ъ" — —j--—— — коэффициент, учитывающий действие помех в кана-
ле связи (6" > 1);
Р — вероятность искажения элементарного импульса в кодовой после-
довательности при передаче сигналов КИМ.
Ошибка при передаче дискретных сигналов может прои-
зойти лишь при достижении помехой определенного (поро-
279
гового) уровня. В [67, 69] показано, что пороговое значе-
ние отношения напряжений сигнала и помехи
Л“ф“2“й:“4К'"г'
где g = /?д/2/?тах — коэффициент, показывающий, во сколько раз частота
дискретизации непрерывного сигнала больше удвоен-
ной максимальной частоты сообщения.
5.4. Методы передачи дискретных сигналов,
их помехоустойчивость
Для передачи дискретных сигналов (данных контроля)
в автоматизированных системах контроля технического со-
стояния поездов (в частности, буксовых узлов) нашли при-
менение методы амплитудной (AM), частотной (ЧМ), фа-
зовой (ФМ) и относительной фазовой манипуляции
(ОФМ).
Рассмотрим реальные системы передачи дискретных
сигналов и оценим их помехоустойчивость.
Передача дискретных сигналов методом амплитудной
манипуляции. Общее выражение АМ-сигнала
и (t) = Е (t) иж sin (wc t + <рс),
где Е (t) — модулирующая функция.
Если модулирующую функцию
f 1 при (п— 1) т0 с / «S /гс0;
£(/) = (
I 0 при цт0 sg / (п-\-1) т0,
где то — длительность элементарной посылки;
п — номер посылки,
280
представить рядом Фурье
1 , 2 v sin (2*- 1)£И
с «” 2 + I 2£ — 1
k=i
1 п
где £2 = 2nF = 2- -=— = — = пВ — круговая частота манипуляции,
ZTo То
то спектр AM-сигнала (рис. 5.12) при передаче «то-
чек» будет
и (t)/M = Е (f) иыс sin ((ос t + <рс) = sin (о>с t -ф <?с) +
оо
+ 2 cos {[“с - (2А - 1) Q] t + ?с} -
Й=1
00
--Т12 cos ([“с + (2А - 1) Q] / + ?с| •
Как следует из рисунка, около 90% всей мощности АМ-
сигнала заключено в полосе частот AF = 2F = B, охваты-
вающей несущую частоту и боковые частоты, образуемые
первой гармонической составляющей частоты F. Для удов-
летворительной передачи формы модулирующего колеба-
ния необходимо, чтобы ширина полосы канала, пропу-
скающего AM-сигнал, была AFam = 6F=3B (при передаче
модулирующего сигнала импульсами постоянного тока
аналогичное качество передачи может быть получено при
ДК=ЗГ=1,5 В). Применяя в приемнике АМ-сигналов
специальные методы уменьшения влияния искажение фрон-
тов элементарных посылок (например, интегральный при-
ем) на достоверность приема, удается обеспечить качест-
венный прием при AFam~1,1—1,2 В. Оценим помехоустой-
чивость метода реального (некогерентного) приема двоич-
ных АМ-сигналов.
281
0,64
AM
о,зг o,32
0,045 °’\
Li_________l__________I___
<oc-7Si a>c-5S7 coc-352
coc-Q <oc a>c+S2
°’1f. 0,064 0,046
____I_______L______L_l_
(i>c+3Q a)c+5Q
ФМ
0,64
0,22
0,03 °’178 I
j_________I________I________L
и>с-7ш шс-5ш <i>c~3Q a>c-Q
0,64
0,22
| 0,128 Ц09
<i)c+Q o)c+3Q a>c + 5a)
ЧМ
0,57 0,57
0,45
0, 257
0,015 °'07
_L_i____I_____I___L_
<dc-3Q a>c~S2
0,257
°>07 0,015
_L__J____1___J_____j__
wc a>e+S2 a>c+3S2
Рис. 5.12. Сравнение амплитудных спектров АМ-, ЧМ-и ФМ-колебаиий
Приемник AM-сигналов представляет собой последова-
тельно соединенные полосовой фильтр, амплитудный детек-
тор и пороговый элемент. Если напряжение на выходе де-
тектора превышает некоторый пороговый уровень Ео, то
фиксируется сигнал «1» («нажатие»); если это
напряжение ниже Ео, то фиксируется сигнал «О»
(«пауза»).
Очевидно, что ошибки при приеме возможны, если:
при передаче сигнала «1» напряжение смеси сигнала и
флуктуационной помехи на выходе приемника исп будет
ниже порогового значения Ео [обозначим эту вероятность
Р(0/1)];
282
при передаче сигнала «О» напряжение флуктуацион-
ных помех окажется больше Ео [вероятность такой ошиб-
ки обозначим Р (1/0)].
Найдем эти вероятности. Известно [67], что плотность
вероятности огибающей суммы синусоидального сигнала и
флуктуационной помехи на выходе детектора подчиняется
обобщенному закону Рэлея:
(9 9 \ / ч
(5.32,
23п / \ °п /
где исп — мгновенное значение огибающей смеси сигнала с помехой;
9
— дисперсия напряжения помехи;
Jo — модифицированная функция Бесселя нулевого порядка.
Распределение плотности вероятности огибающей! шу-
мы можно получить, приняв Wmc = 0. В этом случае
ип / И2
^1(ип) = —ехр —
(5.33)
Из выражений (5.32) и (5.33) нетрудно получить ве-
роятности ошибок при приеме:
Е.
P(0/l) = JX(ucn) d«cn;
о
/-*(1/0) = f Wx^njdun.
Ё,
(5.34)
Подставляя в (5.34) соответственно (5.32) и (5.33),
после интегрирования получим
Рош AM = <0/1)+^(V0)] =4 [е"А* F (Zo й)+е"^], (5.35)
Ей z° — _
где Zo = — ; h = ; F (Zo h) = f Хе 2 Jo (X У2Л) dX.
Зп °п 'о
283
Поскольку величина вероятности ошибки оказывается
зависимой от порогового значения Eq(Zo), то можно най-
ти оптимальное значение порога, при котором вероятность
суммарной ошибки приема будет иметь минимальное зна-
чение.
Исследуя (5.35) на экстремум относительно параметра
Zo, получаем уравнение Jo(Zo ОПТ /2Л)=еЛ*,
откуда при больших h Zo опт « -т= >
г
что соответствует Ео опт = ~2~ амс
или при малых значениях hEoonj ~ рЛ2ап.
Если обозначить Еоопт/«мс = 2, то зависимость
Zf(h) показывает, что Z неограниченно возрастает
при уменьшении отношения
Рис. 5.13. Помехоустойчивость
различных методов передачи дис-
кретной информации
сигнала к помехе, а при
возрастании этого отноше-
ния — уменьшается, асим-
птотически стремясь к */г-
Зависимость POuiAM=f(h)
показана на рис. 5.13. Ме-
тод передачи данных с по-
мощью AM прост в реали-
зации и применяется при
достаточно большом отно-
шении сигнала к помехе.
В каналах с мультиплика-
тивными помехами такой
метод передачи данных не-
эффективен из-за трудности
выбора оптимального по-
рога.
Передача дискретных
сигналов методом частот-
ной манипуляции. При ча-
284
стотной манипуляции частота генератора несущего коле-
бания манипулируется относительно своего среднего зна-
чения (Ос- ЧМ-сигнал
И (/)чм = ^мс COS ф,
(5.36)
где
здесь
ф = J [о>с + Е (0 Д<о] dt,
£(0 = {
1 при (tl— 1) т0 С. / /гс0;
— 1 при /гс0 / С («+1) т0
(5.37)
двуполярная манипулирующая функция, представленная
рядом Фурье:
£('>=42
sin (26 - 1)Ш
26- 1
(5.38)
Подставляя (5.38) в (5.36), после преобразований по-
лучим выражение спектра ЧМ-сигнала:
«(()чм = амс —[—sin(—d)coswc* +
л (D \ 2 /
— cos Dj [cos (wc — 2) t — cos (wc + 2) <] —
- sin £)) [cos (u>c — 2£2) t + cos (o>c + 2£2) t] —
D
D—32
cos(-^-[cos(o>c—32)/+cos (wc-f-32)/]4- ...}, (5,39)
До)
где D = — — индекс модуляции;
Д<о = (a>i — <о0)/2 — девиация частоты;
®1, “о — соответственно частоты «1» и «О».
285
Из формулы (5.39) видно, что амплитуды гармоник
ЧМ-сигнала зависят от значения индекса модуляции, при-
чем чем меньше индекс модуляции, тем в меньшей поло-
се частот сосредоточена основная энергия ЧМ-сигнала.
Удовлетворительная с точки зрения помехоустойчивости
эффективная полоса при узкополосной ЧМ, которая при-
меняется в аппаратуре вторичного уплотнения ВЧ-телефо-
нирования,
ДР,Ф чм — 2F — 2,2—2,4 В.
Оценим помехоустойчивость реальных систем переда-
чи дискретных сигналов с помощью ЧМ (см. рис. 5.10).
В приемнике применены детекторы фильтрового типа, на-
строенные на частоты coi и <о0, соответствующие посылкам
«1» и «0». Дифференциальная схема сравнивает напряже-
ния на выходах фильтровых детекторов. Полярность вы-
ходного напряжения зависит от значений сравниваемых
напряжений. В отсутствие помех принятой посылке «1»
соответствуют неравенства им > и<& и «вых>0; посылке
«0» — неравенства иы0>иш\ и иВых<0.
Выше отмечалось, что плотность вероятности огибаю-
щей суммы отрезка синусоидального сигнала и флуктуа-
ционной помехи описывается обобщенным законом Рэлея
(5.32), а плотность вероятности огибающей напряжения
помехи распределена по простому закону Рэлея (5.33).
Ошибка на выходе приемника возникает в том случае, ког-
да значение огибающей помехи ип на выходе фильтрового
детектора, через который в данный момент сигнал не про-
ходит, превышает значение огибающей смеси исп на выхо-
де другого фильтрового детектора, т. е. Р0Ш=Р(ып>Мсп).
Если предположить, что вероятности обоих символов в
сообщении равны Р(0)=Р(1) и условные вероятности их
переходов из одного в другой также равны, т. е. Р(0/1) =
= Р(1/0), то вероятность ошибки
Рош = Р(1)Р(0/1) + Р(0)Р(1/0) = Р(1/0) = Р(0/1).
286
Как следует из принципа работы приемника ЧМ-сиг-
налов, в нем нет порогового значения Ео, превышение ко-
торого значением огибающей напряжения помех приводит
к ошибке. Огибающая напряжения помех здесь сравнива-
ется с огибающей напряжения смеси сигнала и поме-
хи «сп, которая может принимать любые текущие зна-
чения.
Если вероятность превышения помехой смеси сигнала
и помехи
00
.[ Wx(un)dun,
^СП
где 1Г1 (zzn) — распределение плотности вероятности огибающей помехи
на выходе детектора,
то вероятность ошибки
Рош чм — j* IT"i (^сп) dtt^n J i (^п) dun. (о.40)
О “сп
Подставляя в (5.40) выражения (5.32) и (5.33), после
интегрирования получим
где «с эф — эффективное значение напряжения сигнала.
Зависимость POiL 4M — f(h) показана на рис. 5.13. Как
следует из кривых вероятностей ошибки, при одном и том
же отношении сигнала к помехе помехоустойчивость при
ЧМ существенно выше, чем при AM. Важным достоинст-
вом метода передачи данных по методу ЧМ является от-
сутствие фиксированных пороговых значений, установка и
поддержание которых в условиях действия мультиплика-
тивных помех сложны.
287
Ч (Офм =
Передача дискретных сигналов методом фазовой ма-
нипуляции. Фазоманипулированный сигнал
итсsin(о>сZ?с+ Е) ПРИ (п— 1)т0^^гат0;
zzTC sin(a>cZ-J- <рс — 3) при /гт0^/^(ц-|-1)т0 ' ’ }
или после тригонометрических преобразований с введени-
ем двуполярного манипулирующего сигнала (5.37)
и (/)фм = «мс COS 3 sin (wc t + <pc) +
+ £’(Z)MMeSin0cos((i)cZ+ <pc). (5.42)
Если E(t) представить в виде (5.38), то после ряда
преобразований для угла манипуляции 2Н = л получим
2 °°
Ч (7)фМ = —2 2k — 1 S*n I [01с щ (2^ — 1) t + ?с } —
Й=1
2 °°
-4^2 2^-rsin! hc-(2^-l)2]/+?c I- (5.43)
Й==1
Из этого выражения следует, что спектр ФМ-сигналов
содержит боковые составляющие, отстающие на частотные
интервалы, кратные частоте манипуляции. При угле ма-
нипуляции фазы, отличном от л, в спектре ФМ-сигнала
появляется и несущее колебание.
Составляющие спектра ФМ-сигналов показаны на рис.
5.12. Как следует из этого рисунка и выражений (5.42) и
(5.43), для передачи ФМ-сигналов требуется такая же
полоса частот, как для передачи сигналов AM, т. е.
ДГэффм « 2.2F = 1,1 В.
Оценим помехоустойчивость этого метода передачи ди-
скретных сигналов, для чего помеху, действующую на вхо-
де высокочастотного тракта приемника, представим в виде
288
квадратурных составляю-
щих, одна из которых сов-
падает с сигналом:
Ип (f) == X (f) COS <1>с t -|-
Y (/)sino>ct
Рис. 5.14. Структурная схема
приемника ФМ-сигналов
В [68] показано, что
случайные амплитуды этих
составляющих распределены
нормально с одинаковыми
дисперсиями <?п=ыпэФ- Рассмотрим работу приемника
ФМ-сигналов (рис. 5.14). Приходящий ФМ-сигнал прохо-
дит через полосовой фильтр, средняя частота которого
совпадает с несущим колебанием ФМ-сигнала, поступает
на вход фазового детектора, который совместно с генера-
тором опорного напряжения Г образует синхронный де-
тектор СД. Таким образом, прием ФМ-сигналов по своему
принципу является когерентным приемом. Так как опорное
напряжение синфазно с сигналом, то квадратурная со-
ставляющая в образовании ошибок не участвует, чем до-
стигается более высокая помехоустойчивость этого мето-
да передачи дискретных сигналов по сравнению с AM и
даже ЧМ.
Если сигнал на входе описывается выражением (5.41),
то в образовании ошибок участвует только составляющая
помехи Xf/Jcoscoc^ и выражение смеси сигнала и помехи
будет иметь вид
1 [Ммс Ч-А (/)] cos юс
“Сп{/)==1 [««c + AWOSWct
Как следует из этого выражения, ошибка возникает в
том случае, если фаза напряжения ucn(t) окажется про-
тивоположной фазе напряжения переданного сигнала.
10-4947 289
Полагая Р(0)=Р(1) и Р(0/1) =Р(1/0), вероятность
ошибки при приеме ФМ-сигналов
Рошфм = 0,5 [Р(0/1) + Р (1/0)] = 0,5 f UZi (X) dX =
«ТС
= 0,5 1
“МС / V2\
-2$757exphz
О г п ' п /
Ф (FW] >
где Wi (X) — функция распределения плотности вероятности синфазной
составляющей напряжения помехи.
Помехоустойчивость ФМ значительно выше, чем при
ЧМ и AM (см. рис. 5.13). Большим достоинством ФМ яв-
ляется сочетание высокой помехоустойчивости со сравни-
тельно узким спектром сигнала. Следует, однако, заме-
тить, что случайные флуктуации фазы сигнала могут при
применении ФМ привести к так называемой «обратной»
работе, т. е. к приему инвертированного сигнала.
Методом, устраняющим явление «обратной работы»,
является метод передачи дискретных сигналов по методу
относительной фазовой манипуляции ОФМ, суть кото-
рого сводится к тому, что фаза принимаемого сигнала
сравнивается не с фазой опорного колебания, а с фазой пре-
дыдущей посылки. Известны 2 метода приема ОФМ сиг-
налов: метод сравнения фаз, когда сравниваются фазы двух
недетектированных посылок (ОФМ1), и метод сравнения
полярности (ОФМ2), когда фазы следующих друг за дру-
гом посылок сравниваются на выходе фазового детектора.
Можно показать, что вероятность' ошибки при ОФМ[
Р ош офм, === 0,5 ехр ( /ц),
а при ОФМ2 _
Р ош офм, == 0,5 [1 — Ф2(К2/г)].
Зависимости Рош офм, =f(/0; РОшофм,=^(Л), приведен-
ные на рис. 5.13, показывают, что помехоустойчивость обо-
290
их методов ОФМ лишь незначительно отличается от по-
мехоустойчивости при ФМ. Метод ОФМ является одним
из наиболее перспективных методов передачи дискретных
сигналов, так как он обладает достоинствами метода ФМ
и свободен от его недостатков.
Влияние импульсных помех на помехоустойчивость раз-
личных методов передачи дискретных сигналов. Так как
данные контроля технического состояния поездов, как пра-
вило, передаются по проводным линиям и каналам связи,
в которых, помимо флуктуационных шумов, действуют
специфические помехи (см. п. 5.2), то важно оценить их
влияние на помехоустойчивость рассмотренных выше мето-
дов передачи дискретных сигналов.
Вероятность появления в канале связи
ошибки от действия импульсных помех
[71, 72]
РОш и J n(h)W (й) dh, (5.44)
—00
где X — плотность потока импульсных помех (среднее количество в еди-
ницу времени);
ДF — полоса пропускания канала, Гц;
h — отношение амплитуд помехи и сигнала;
п (Л) — среднее число ошибок, приходящихся на одну импульсную поме-
ху заданной амплитуды;
W (h) — распределение плотности вероятности отношения амплитуд помехи
и сигнала.
В системах, использующих AM, ЧМ и ФМ, при им-
пульсных помехах менее уровня сигнала сбоев в передаче,
как правило, не происходит, т. е. n(h)=O. Это позволяет
сузить пределы интегрирования в выражении (5.44), пе-
реписав его в виде
“гр/“с
Роши=^ f ti(h)W (Ji)dh, (5.45)
где игр — граничное значение напряжения, до которого телефонный канал
можно рассматривать как линейную систему.
10*
291
Закон распределения плотности вероятности величины
h описывается выражением (5.18). Для определения зави-
симости n(h)=f(h) воспользуемся результатом, получен-
ным экспериментальным путем [70]
п (А) = kh, (5.46)
где k — коэффициент, соответственно равный 9,01 для AM; 7,14 для ЧМ
и 3,33 для однократной ФМ и ОФМ.
Подставляя (5.12) и (5.43) в (5.45), после интегрирова-
ния и преобразований получим
о 2Х ( 1 [- 1 1 -| (
ош и ~ Д^ Ь - 1 L (« + ^ГП1П)!3-1 (а + +
+ АГ________1_____________1____11.
з Lp+wraax)₽ e+wmln)M/
Влияние кратковременных перерывов на
помехоустойчивость различных методов передачи дискрет-
ных сигналов можно оценить, если условиться, что, начи-
ная с какой-то определенной длительности перерыва,
условная вероятность ошибок в канале становится рав-
ной 0,5. В этом случае вероятность ошибок, возникаю-
щих вследствие перерывов в передаче дискретных сиг-
налов,
* гр
ош п — Т^пер
f f (t) ? (f) dt + 0,5 У f(f)d(t)
^mln *гр
(5-47)
где Рпер — вероятность перерыва в канале;
/min ~ минимальная длительность перерыва, вызывающего ошибку;
t — граничная длительность перерыва, выше которой вероятность
ошибки равна 0,5;
f (t) — плотность вероятности перерывов;
? (О — Условная вероятность ошибки при перерывах различной дли-
тельности.
292
Закон распределения плотности вероятности кратко-
временных перерывов описывается выражением (5.13). В
[63] определена экспериментальная зависимость <р(7) =
= которая может быть аппроксимирована выраже-
нием
®(0 = 0,б[1 — ехр , (5.48)
где то — длительность элементарной посылки при заданной скорости
передачи.
Граничная длительность перерывов при используемых
в системах контроля методах передачи дискретных сигна-
лов обычно не превышает утроенной длительности элемен-
тарной посылки (£Гр«Зто). Подставляя (5.13) и (5.48) в
(5.47), после интегрирования и преобразования получим
Р0Ш п = 0,5Рпер (1 — а1 Н- ®2 аг)>
Ml - ехр [—(*> + 1) Зто])
где Xi + 1
Х2 {1 — ехр [— (Х2 + 1) Зт0])
0!р = 1,1 1 •
х2 + 1
Полагая возникновение ошибок в канале связи от дей-
ствия различных помех событиями независимыми, вероят-
ность результирующей ошибки найдем как результат
суммирования вероятностей ошибок от каждого вида
помех:
п
Рош == Рош Z.
1=1
Полученный таким образом результат суммарной веро-
ятности ошибки в дискретном канале можно считать при-
ближенным, так как в реальных каналах связи источники
различных помех могут действовать одновременно.
293
5.5. Технические средства передачи
аналоговых телеметрических сигналов
Аналоговые телеметрические сигналы передаются в си-
стемах контроля технического состояния поездов, кото-
рые построены по принципу систем телеизмерения. В этом
случае устройства передачи аналоговых сигналов обеспе-
чивают передачу информации от места ее зарождения
(постовое оборудование) до станции, на которой располо-
жено станционное оборудование. При этом передаваемые
сообщения представляют собой последовательность нор-
мированных по длительности импульсных сигналов, ам-
плитуда которых может изменяться в широких пределах.
В то же время в системах контроля букс, построенных по
принципу систем ТИ, имеется необходимость передавать
различного рода управляющие сигналы. К числу таких
сигналов относятся сигналы счета осей, вагонов, сигнал
наличия поезда на участке контроля и т. п.
Аппаратура передачи аналоговых телеметрических и
управляющих сигналов систем контроля букс строится,
как правило, по принципу аппаратуры многока-
нальной телефонной связи с частотным разделением
каналов.
К аппаратуре передачи аналоговых телеметрических
сигналов относится аппаратура французской компании
CSEE (рис. 5.15). Аппаратура содержит 3 идентичных
разделенных по частоте канала передачи сообщений, в
которых для передачи применена амплитудная модуляция
с несущими частотами 2460, 2580 и 2700 Гц. Как видно
из приведенного ряда, несущие частоты отстоят друг от
друга на 120 Гц. Первый и третий каналы используются
для передачи нормированных тепловых сигналов от букс.
По второму каналу передается сигнал наличия поезда на
участке контроля. Этот же сигнал используется для конт-
роля состояния двухпроводной физической цепи, соединя-
ющей передающее и приемное оборудование.
294
г..
’ лтр
гУс ПФ
ПЯ-ГШ
Отрепье
цепи 2
на.ложе-а
ния
Сигналы
от букс 1
(леВ.)
фПр1 Ус ДМ ФНЧ 1
ФП2
ФПрЗ Ус ДМ фНУ
’^лТр^Лф' фПр2 Ус ДМ фНЧ
Ш-Н
Рис. 5.15. Структурная схема аппаратуры передачи аналоговых сиг-
налов фирмы CSEE (Франция)
Сигналы м фпз
от букс з
(npaB.'j °-
Распределение спектра частот во французской аппара-
туре передачи сообщений показано на рис. 5.15.
Информационные сигналы и служебный телефонный
разговор разделяются вилкой фильтров, состоящей из
полосового ПФ (от 2400 до 2760 Гц) и режекторного
ЗФ, настроенного на несущую частоту среднего канала
(2580 Гц) фильтров. Для поддержания требующейся в
аппаратуре диаграммы уровней на передающем конце
предусмотрен групповой усилитель ГУс, который одновре-
менно усиливает информационные сигналы всех трех ка-
налов. В каждом индивидуальном канале имеется гене-
ратор соответствующей несущей частоты Г, преобразова-
тель (модулятор) сигналов М и полосовой канальный
фильтр ФП. На приемном конце в каждом канале,
кроме полосового фильтра ФПр, имеется индивидуальный
усилитель Ус, который компенсирует затухание линии
связи, демодулятор ДМ и фильтр нижних частот ФНЧ,
выделяющий полезные продукты преобразования из демо-
дулированного сигнала.
295
В исходном состоянии на вход второго канала подает-
ся постоянное напряжение (отсутствие поезда на участке
контроля), которое обеспечивает передачу в линию коле-
бания частотой 2580 Гц. После демодуляции этого сигна-
ла на выходе второго канала образуется постоянное на-
пряжение, которое держит под током реле-повторитель.
Через замкнутые контакты этого реле проходит цепь оп-
тической сигнализации исправности линии связи, а через
разомкнутые контакты этого реле — цепь питания двига-
теля регистрирующего устройства (самописца). При по-
явлении на участке контроля поезда шунтируется рельсо-
вая цепь наложения, отпускает реле-повторитель на при-
емном конце аппаратуры, после чего включается питание
двигателя самописца. С этого момента аппаратура конт-
роля готова к работе, т. е. может регистрировать тепло-
вые сигналы при их поступлении на входы соответствую-
щих каналов. После ухода поезда с участка контроля
снова срабатывает реле-повторитель, и схема аппаратуры
возвращается в исходное состояние. Исключение режек-
торным фильтром части тонального спектра из сигнала
служебного телефонного разговора практически не сказы-
вается на разборчивости речи.
Для передачи телеметрических сигналов и сигналов
управления в американских системах контроля букс ком-
пании Servo Corporation of America используется много-
целевая аппаратура передачи телеметрических сигналов.
Аппаратура «набирается» из типовых индивидуальных ка-
налов, несущие частоты которых расположены через
170 Гц, начиная от 935 до 12 495 Гц.
Для передачи телеметрических сигналов и сигналов уп-
равления в аппаратуре контроля букс используются лю-
бые 4 канала (рис. 5.16). Как и во французской аппарату-
ре, здесь применено частотное разделение каналов. Име-
ются принадлежащая каждому каналу индивидуальная
часть на передаче и приеме, а также групповые устройст-
ва, через которые проходят сигналы всех каналов.
296
Сигналы
от букс °—
(лев) о-И
I
П АИМ-ШИМ
ПШИМ-АИМ
фПр2 ОА
П АИМ-ШИМ
ГУС ЛТр
(г-1955Гц -g]-g]--------------gp
ПШИМ-АИМ
Сигналы
счета
осей i-In
П АИМ-ШИМ
Сигнал
наличия0—
поезда SJ/T
\(3-2125Ги,
ФПЧ
фШ ОА ЧД
JiUR-JE?
1 ‘-LxO'H
ПШИМ-АИМ
ПАИМ-ШИМ
ПШИМ-АИМ
Рис. 5.16. Структурная схема аппаратуры передачи аналоговых сиг-
налов фирмы Servo Corporation of America
Аппаратура универсальна в том отношении, что может
быть использована как для передачи аналоговых сигналов,
так и для передачи дискретных сигналов. При передаче
аналоговых сигналов в аппаратуре предусмотрено двой-
ное преобразование телеметрических сигналов. При пере-
даче дискретных сигналов или сигналов управления си-
стем контроля букс в аппаратуре переключателем П ус-
танавливается режим одинарного преобразования сигна-
лов. Как видно из рисунка, первый и второй каналы ис-
пользованы для передачи телеметрических сигналов букс
левой и правой сторон поезда (переключатели П в ниж-
нем положении), по третьему каналу передаются сигналы
счета осей, а по четвертому — сигнал наличия поезда на
участке контроля.
При передаче аналоговых сигналов на вход подаются
колоколообразные сигналы, амплитуды которых пропор-
циональны температуре контролируемых букс. Далее эти
сигналы преобразователем П АИМ-ШИМ преобразуются в
297
широтно-импульсные, у которых длительность импульса
пропорциональна амплитуде поступившего на вход пре-
образователя сигнала, и поступают на следующую ступень
преобразования, где они преобразуются в частотно-моду-
лированные сигналы. Таким образом, на первой ступени
преобразования АИМ-сигналы преобразуются в сигналы
ШИМ, которые затем преобразуются в ЧМ-сигналы.
На приемном конце происходят обратные преобразо-
вания сигналов. Так, выделенный канальным фильтром
ФПр ЧМ-сигнал проходит через ограничитель амплитуд
ОА и поступает на частотный дискриминатор, на выходе
которого получается ШИМ-сигнал. Последний подается
на преобразователь 77 ШИМ-АИМ, на выходе которого
имеем колоколообразный сигнал, с точностью до погрешно-
сти повторяющий переданный. Такой метод передачи сиг-
налов обладает высокой по сравнению с методом AM по-
мехоустойчивостью, т. е. позволяет передать сигнал с
меньшей относительной погрешностью.
При передаче сигналов счета осей (третий канал) или
сигнала наличия поезда (четвертый канал) входные сиг-
налы, представляющие собой последовательность прямо-
угольных импульсов (сигналы счета осей) или перепад на-
пряжения (сигнал наличия поезда), минуя преобразовате-
ли 77 АИМ-ШИМ, сразу поступают на частотные модуля-
торы.
5.6. Технические средства передачи
дискретных сигналов
Необходимость передачи дискретных сигналов, как пра-
вило, возникает в системах автоматического контроля букс
(или других узлов подвижного состава), построенных по
принципу систем телесигнализации.
Рассмотрим на примере отечественной системы конт-
роля букс принципы построения аппаратуры передачи ди-
скретных сигналов. В аппаратуре ПОНАБ-3 применена
298
последовательная передача данных контроля методом ча-
стотного манипулирования по одному каналу. Передача
ведется на частоте 1350 Гц со скоростью 50 Бод. Передат-
чик построен по традиционной схеме (рис. 5.17): устрой-
ство накопления и подготовки данных УНПД, электрон-
ный передатчик кода ЭПК, устройство преобразования
сигналов У ПС и линейное устройство ЛУ.
УНПД содержит накопитель данных, образованный
двумя регистрами сдвига RG1 и RG3, реверсивным реги-
стром RG2, а также счетчиками вагонов СТ1 и СТ2 и
«больных» вагонов СТЗ. Счетчик вагонов образован двумя
двоично-десятичными декадами (СТ1 — счетчик единиц,
СТ2 — счетчик десятков) и считает вагоны до 99. Регист-
ры сдвига содержат по 5 ячеек памяти. Подготовка дан-
ных к виду, удобному для передачи, выполняется кодиру-
ющим устройством СД, на которое поступает информация
с дешифратора стороны поезда DC и схем опроса счетчи-
ков СОС1—СОСЗ. Правильная последовательность функ-
ционирования передатчика предусмотрена схемой управ-
ления СУ. В состав УНПД входят также 2 формирователя
F1 и F0.
Необходимость в буферном накопителе (RG1—RG3)
обусловлена несоответствием скорости выдачи информа-
ции на печать и скорости ее поступления. Скорость выда-
чи информации оператору определяется типом использу-
емого регистрирующего устройства. В аппаратуре
ПОНАБ-3 в качестве регистрирующего устройства исполь-
зуется цифропечатающая электроуправляемая машинка
типа ЭУМ-23ДП, скорость выдачи информации которой
составляет 160 мс на один знак. Это значит, что инфор-
мация о «больном» вагоне (четыре знака) будет отпечаты-
ваться за 640 мс.
В то же время интервал между моментами поступления
информации о «больных» вагонах (который зависит от
скорости движения контролируемого поезда) может быть
почти в 2 раза меньше (300—350 мс).
299
Рис. 5.17. Структурная схема передатчика данных аппаратуры ПОНАБ-3
Работа передатчика начинается с поступления в схему
управления СУ счетного импульса ИСВ. Схемой управле-
ния формируется импульс отметки вагона ОВ, который
фиксируется счетчиком вагонов СТ1, СТ2. При одновре-
менном поступлении ИСВ и сигнала тревоги с правой ТП
или с левой ТЛ стороны ИСВ заносится в счетчик ваго-
нов, а сигналы ТП и ТЛ — в соответствующие регистры
сдвига RG1 или RG3. Занесением информации в ячейки
регистров сдвига управляет СУ через реверсивный ре-
гистр RG2. Так как в исходном состоянии накопитель был
свободен, то сигнал записи информации о стороне вагона
с перегретой буксой запоминается первой ячейкой памя-
ти регистра сдвига RG1 (RG3). Схемы управления при
этом вырабатывают сигнал сдвига влево. Единица в RG2
перемещается на один шаг влево, подготавливая к запол-
нению вторые ячейки памяти регистров сдвига RG1 (RG3).
Сигналы с RG1 (RG3) поступают на дешифратор сто-
роны DC и формирователь F1, на выходе которого появ-
ляется импульс отметки «больного» вагона ОБВ. Послед-
ний через СУ фиксируется счетчиком «больных» ваго-
нов СТЗ. Начиная с этого момента, схемой управления вы-
рабатывается такая последовательность управляющих ко-
манд, которая обеспечивает передачу четырех стартстоп-
ных комбинаций, соответствующих четырем десятичным
знакам. Первые 2 знака соответствуют номеру «больного»
вагона (например, 56), третий знак указывает сторону по-
езда, с которой расположена перегретая букса (знак «+» —
правая, «—» •— левая, «х» — с обеих сторон), четвертый
знак соответствует пробелу. Последний необходим для
удобства считывания информации. В ЭПК эта кодовая
комбинация преобразуется в последовательную стартстоп-
ную комбинацию, которая в виде прямоугольных импуль-
сов поступает на модулирующий вход УПС, осуществляя
частотную модуляцию несущей частоты 1350 Гц. В конце
передачи первой цифры ЭПК подает команду конца пере-
дачи комбинации КПК, которая, поступая на СУ, форми-
301
рует команду СЧ-2 для опроса через СОС2 счетчика еди-
ниц. Кодовая комбинация, соответствующая этой цифре,
вновь формируется CD, поступает в ЭПК, после чего по-
является команда Запуск ЭПК, и эта комбинация анало-
гично комбинации, соответствующей первой цифре, пере-
дается с помощью УПС через ЛУ в линию связи. Вновь
вырабатывается команда КПК, по которой с СУ поступа-
ет команда СЧ опроса дешифратора стороны нагрева.
В соответствии с метками на полях DC видно, что при пе-
регретой правой буксе сигнал появляется на выходе 3, ле-
вой — на выходе 2 и обеих — на выходе 1. После коди-
рования информации сторона нагрева оси также в виде
стартстопной кодовой последовательности «уходит» в ли-
нию, а по команде КПК схема управления вырабатывает
команду Пробел, которая кодируется и передается в ли-
нию вслед за комбинацией стороны поезда. После прихода
в СУ четвертой команды КПК вырабатывается команда
сдвига вправо, которая двигает информацию во всех трех
регистрах. Если за время передачи сообщения о «больном»
вагоне следующей информации не поступало, то RG2 воз-
вращается в исходное состояние, а информация о стороне
вагона, хранящаяся в соответствующем регистре сдви-
га RG1 (RG3), стирается. Точно таким же образом может
быть передана информация о десяти «больных» вагонах в
поезде.
После поступления на СУ команды Конец поезда КП
необходимо передать сведения о числе вагонов в нем, чис-
ле вагонов с перегретыми буксами, знак функциональной
исправности (Р) или неисправности (Н) аппаратуры, а
также ряд служебных команд. В этом случае опрашивает-
ся старшая декада СТ1, младшая декада СТ2 и в линию
«уходят» две кодовые комбинации, соответствующие чис-
лу вагонов в поезде. После прихода в СУ команды КПК
формируется команда опроса дешифратора. Появление
сигнала на нулевом выходе формирует команду Про-
бел, которая кодируется и передается в линию. После сле-
302
Занесение кода
Рис. 5.18. Структурная схема электронного передатчика ко-
да аппаратуры ПОНАБ-3
дующей команды КПК с помощью команды СЧ-3 опраши-
вается счетчик числа «больных» вагонов и в линию «ухо-
дит» комбинация, соответствующая числу «больных» ва-
гонов в поезде. В следующий момент на кодирующее уст-
ройство поступает команда функциональной исправности Р
(или неисправности Н) аппаратуры. Эта команда кодиру-
ется и обычным порядком в виде стартстопной последова-
тельности «уходит» в линию. По команде Начальная ус-
тановка НУ все узлы передатчика принудительно уста-
навливаются в исходное состояние для исключения воз-
можности передачи ошибочного кода.
Электронный передатчик кода, входящий в состав пе-
редающего оборудования аппаратуры ПОНАБ-3, выпол-
няет функцию преобразования поступающего на его входы
параллельного кода в последовательный стартстопный код.
Сформированный ЭПК последовательный код имеет тра-
диционную структуру стартстопного телеграфного кода и
содержит стартовую посылку, 5 кодовых и стоповую по-
сылки. Так как данные в ЭПК аппаратуры ПОНАБ-3 пе-
редаются со скоростью 50 Бод (В-50), длительность эле-
ментарной посылки равна 20 мс (тэ = 0,02 с).
В состав ЭПК (рис. 5.18) входят: тактовый генера-
тор G, регистр сдвига RG, делитель частоты СТ2 иустрой-
303
ство управления, состоящее из триггера управления ТУ и
логической схемы совпадения И. Параллельный код под-
лежащего передачи числа поступает по шинам занесения
разрядов кода в триггеры регистра сдвига RG и фиксиру-
ется ими. В следующий момент времени из схемы управ-
ления УНПД поступает команда Запуск ЭПК, по которой
в «единичное» положение устанавливается триггер ТУ.
При этом схема совпадения подготавливается к работе и
прямоугольные импульсы с выхода тактового генерато-
ра G через схему совпадения поступают на делитель ча-
стоты СТ2. Делитель частоты разделен на две части, пер-
вая из которых имеет коэффициент деления 1/32, а вто-
рая — 1/8. Каждый импульс с первой части делителя по-
дается на шину сдвига регистра сдвига, сдвигая информа-
цию в RG на один шаг. Частота следования импульсов
сдвига определяется частотой тактового генератора. Так
как последняя равна 1600 Гц, то частота следования им-
пульсов сдвига равна 50 Гц. Таким образом параллель-
ный код преобразуется в последовательный. В момент дей-
ствия восьмого импульса сдвига появляется сигнал на
выходе второй части делителя частоты, который устанавли-
вает триггер управления в исходное («нулевое») состоя-
ние. Схема совпадения при этом закрывается, и дальней-
шее поступление тактовых импульсов на делитель частоты
прекращается. Этот момент времени считается концом цик-
ла передачи одной кодовой комбинации, и в схему управ-
ления УНПД с выхода делителя частоты СТ2 поступает
команда конца передачи кода КПК, по которой в ЭПК за-
прашивается очередной знак.
В качестве устройства преобразования сигналов в пе-
редающем оборудовании аппаратуры ПОНАБ-3 использу-
ется передатчик ЧМС (рис. 5.19 а), который состоит из
манипулятора М, генератора несущей частоты Г, предва-
рительного усилителя У, полосового фильтра ПФ и усили-
теля мощности УМ. Манипулятор в соответствии с уров-
нем управляющего сигнала изменяет частоту генератора.
304
Приемник ЧМС
6)
Вх >---- А
ПФ
ЧД
Вых
Рис. 5.19. Структурная схема передатчика (а) и приемника
(б) ЧМС
Манипулирующий сигнал представляет собой однополяр-
ные импульсы постоянного тока. При отсутствии сигналов
на входе манипулятора (исходное состояние передатчика)
генератор через усилитель, полосовой фильтр и усилитель
мощности генерирует в линию колебание частотой 1305 Гц.
При поступлении на вход манипулятора импульса поло-
жительной полярности генерируемое генератором колеба-
ние скачкообразно изменяется на 1395 Гц. Таким образом,
в линию связи импульсная последовательность передается
комбинацией колебаний, частоты которых отличаются от
средней частоты канала на ±45 Гц.
В качестве линейных устройств используются вводно-
изолирующие щитки типа ЩВИ-66Э с изолирующими тран-
сформаторами и разрядниками типа РВН-250. Последние
предохраняют аппаратуру и обслуживающий персонал от
грозовых разрядов.
В состав приемного оборудования аппаратуры ПОНАБ-3
(рис. 5.20) входят: линейное устройство ЛУ, аттюню-
атор А, устройство преобразования сигналов, в качестве
которого используется приемник ЧМС, электронный
приемник кода ЭПрК, регистрирующее устройство, в ка-
честве которого используется печатающее устройство
ЭУМ-23ДП, и вспомогательные контрольные устройства
ВКУ (устройство контроля уровня сигнала в канале КУК,
305
устройство контроля наличия поезда на участке контро-
ля КНП и устройство наличия в поезде перегретых
букс КН Б).
ЧМ-сигнал поступает на вход линейного устройства,
которое согласует сопротивление физической линии связи
с входным сопротивлением приемника. Так как протяжен-
ность линии связи между постовым и станционным обору-
дованием аппаратуры ПОНАБ-3 может быть различна и,
следовательно, вносимое ею затухание также может быть
различным, в схеме приемника предусмотрен аттюню-
атор А, с помощью которого устанавливается постоянный
уровень ЧМ-сигнала на входе приемника ЧМС. Схема КУК
контролирует этот уровень и состояние линии связи. В слу-
чае ее обрыва или короткого замыкания в устройстве КУК
срабатывает реле, и оператору поступают оптический (за-
горается лампа) и акустический (звонит звонок) сигналы.
Приемник ЧМС преобразует ЧМ-сигнал в импульсы по-
стоянного тока, которые в виде последовательных старт-
стопных комбинаций поступают на вход ЭПрК Последний
преобразует последовательный код в параллельный, кото-
рый дешифрируется и отпечатывается ЭУМ-23ДП в виде
знака на рулонной бумаге. Смена полярности сигнала на
выходе приемника ЧМС в момент появления поезда на
участке контроля возбуждает реле в устройстве КНП; оно
срабатывает, блокируется и замыкает цепи питания уст-
ройств сигнализации. Аналогично работает устройст-
во КПБ при появлении на выходе ЭПрК сигнала Перегре-
тая букса.
Приемник ЧМС (рис..5.19, б) содержит аттюнюатор А,
полосовой канальный фильтр ПФ, усилитель, состоящий
из предварительного усилителя ПУ и усилителя-ограничи-
теля УО, частотный дискриминатор ЧД и формирователь
сигналов прямоугольной формы Ф. ЧМ-сигнал с выхода
ЩВИ приходит на аттюнюатор, которым обеспечивается
требуемый уровень сигнала на входе канального фильтра-
С выхода аттюнюатора сигнал поступает на полосовой
306
приемника данных аппаратуры электронного приемника кода ап-
ПОНАБ-3 паратуры ПОНАБ-3
фильтр, который «задерживает» сигналы соседних кана-
лов. После фильтра сигнал «своего» канала через усили-
тельные каскады (ПУ и ОУ) поступает на ЧД, где преоб-
разуется в последовательность импульсов постоянного то-
ка. Формирователем Ф из этих импульсов формируются
прямоугольные импульсы, соответствующие переданной ко-
довой комбинации.
В состав электронного приемника кода (рис. 5.21) вхо-
дят: тактовый генератор G, делитель частоты СТ1 ре-
гистр сдвига RG1, регистр памяти RG2U дешифратор пере-
гретых букс DC и устройство управления, объединяющее
триггер управления ТУ, схему совпадения и две схемы
временной задержки DI, D2.
307
В соответствии с назначением ЭПрК (см. рис. 5.17)
преобразует поступающую на его вход информацию в ви-
де последовательного кода в параллельный код и хранит
ее до прихода очередной кодовой комбинации. Кроме то-
го, приемник вырабатывает сигнал наличия перегретой
буксы в поезде, сигнал блокировки реле в устройстве кон-
троля наличия поезда и сигнал управления работой реги-
стрирующего устройства. Работа ЭПрК начинается с по-
ступления на его информационный вход стартстопной ко-
довой комбинации. Эта комбинация одновременно посту-
пает на регистр сдвига и триггер управления. Триггер сра-
батывает от стартовой (первой) посылки, подготавливая
к работе схему совпадения. С этого момента тактовые им-
пульсы с выхода генератора G начинают поступать на пер-
вую ступень делителя частоты СТ1. Первый импульс на
выходе этой ступени делителя появляется через 10 мс с
момента начала стартовой посылки и используются в ка-
честве импульса сдвига в регистре сдвига RG1. Так как
длительность стартовой посылки составляет 20 мс, то сиг-
нал сдвига попадает точно на середину стартовой посыл-
ки, что повышает помехоустойчивость приемника в це-
лом. Так как первая ступень делителя имеет коэффициент
деления 1/32, то на частоте тактового генератора 1600 Гц
импульсы сдвига в RG1 поступают с интервалом 20 мс.
С каждым импульсом сдвига на выходе первой ступени
делителя принимаемая кодовая информация продвигается
по ячейкам памяти регистра сдвига RG1. В момент дейст-
вия стоповой посылки (седьмого импульса сдвига) появ-
ляется сигнал на выходе второй ступени делителя СТ1, ко-
торым триггер управления ТУ устанавливается в исходное
состояние. В этот же момент времени сигнал со второго
плеча последнего (выходного) триггера делителя частоты
поступает на две транзисторные задержки D1 и D2.
С выхода первой из них снимается команда на переза-
пись информации с регистра сдвига RG1 в регистр па-
мяти RG2.
308
Потенциалы, соответствующие коду принятого знака, с
единичных выходов триггеров регистра памяти RG2 через
усилители У1—У5 поступают на реле дешифратора печа-
тающего устройства. Принятый знак дешифрируется, вы-
бирается соответствующий ему соленоид и посылается в
этот соленоид импульс тока. Максимальное время сраба-
тывания реле в ЭУМ-23ДП 30 мс. Это означает, что им-
пульс печати длительностью 50 мс должен быть задержан
как минимум на 30 мс. Эта задержка обеспечивается
устройством D2.
Потенциалы принятого кода поступают также на вхо-
ды дешифратора DC. При приеме любого из знаков «+»,
«—», «х» на выходе дешифратора появляется сигнал пере-
гретой буксы, который возбуждает реле в схеме устройст-
ва контроля наличия в поезде перегретой буксы. Сигнал
на втором выходе DC появляется вместе с отпечатывани-
ем знака функциональной исправности (неисправности)
аппаратуры, т. е. в момент окончания выдачи на печать
данных контроля поезда. Этим сигналом разблокируется
реле в схеме устройства контроля наличия поезда, после
чего прекращается сигнализация наличия поезда на уча-
стке контроля. Таким образом происходит накопление,
подготовка, передача и прием дискретной информации в
аппаратуре ПОНАБ-3.
5.7. Устройства вывода информации в аппаратуре
контроля букс
Устройства сигнализации и регистрации информации в
аппаратуре контроля букс предназначены для оповещения
обслуживающего персонала о наличии и месте располо-
жения в поезде обнаруженных аппаратурой неисправных
буксовых узлов.
Из регистрирующих устройств, нашедших наиболее
широкое применение в аппаратуре контроля букс, можно
309
назвать самопишущие приборы, печатающие устройства и
электронные указатели.
В качестве устройств сигнализации, устанавливаемых,
как правило, у лиц, ответственных за организацию дви-
жения поездов на участке установки аппаратуры контро-
ля букс, используются сигнальные лампы, звонки.
Самопишущие регистрирующие устройства. Самопишу-
щие регистрирующие устройства предназначены Для ре-
гистрации импульсных сигналов переменной амплитуды,
пропорциональной мощности ИК-излучения букс. Такая
форма вывода информации используется в аппаратуре
контроля букс, построенной по принципу систем телеизме-
рения. Широко применяются самописцы в зарубежных
системах контроля букс. Самопишущие приборы имеют,
как минимум, 2 одинаковых канала записи для регистра-
ции сигналов от букс, расположенных с обеих сторон
контролируемого поезда.
В аппаратуре контроля букс ПОНАБ-3 применяются
самописцы Н-327 и Н-328, которые используются в кон-
трольных режимах работы аппаратуры.
Каждый измерительный канал самопишущего прибора
(рис. 5.22) имеет измерительную систему ИС, усилитель
регистрируемых сигналов УРС и пишущую систему ПС.
В качестве измерительного устройства в отечественных
самописцах используется поляризованная электромагнит-
ная система с подвижным сердечником. Принцип ее дей-
ствия основан на взаимодействии потока системы и под-
магничивания СП и потока управления, создаваемого вы-
ходным током усилителя. Пишущая система соединена с
измерительной системой механической связью. Пишущее
устройство выполнено в виде «пера» (капилляра) с кана-
лом, подводящим краситель.
Усилитель самописца УС построен по принципу моду-
ляции входного сигнала с последующей демодуляцией и
состоит из модулятора М, усилителя переменного тока У,
демодулятора Д, усилителя постоянного тока УПТ, гене-
310
----► Электрическая связь
Рис. 5.22. Структурная схема самопишущего прибора
ратора прямоугольных импульсов Г и звена частотнозави-
симой отрицательной обратной связи ЧОС.
Входной сигнал модулируется модулятором М в пере-
менное напряжение частотой 10 кГц, усиливается усилите-
лем У, а затем демодулируется демодулятором Д. Моду-
лятор и демодулятор управляются общим генератором
прямоугольных импульсов Г.
Для перемещения диаграммной бумажной ленты с тре-
буемой скоростью в приборе используется лентопротяж-
ный механизм, снабженный редуктором и синхронным
электродвигателем ЭД. Скорость протяжки может изме-
няться скачком в диапазоне от 1 до 250 мм/с.
Сравнительный анализ технических характеристик оте-
чественных и зарубежных самопишущих устройств пока-
зывает, что их общим недостатком является ограничен-
ность частотных характеристик, не позволяющая регистри-
ровать сигналы букс на высоких скоростях движения по-
ездов (свыше 180—200 км/ч). Кроме того, форма пред-
ставления сигналов букс в виде штрихов на диаграммной
бумаге не позволяет оперативно расшифровать результа-
ты контроля, особенно при большом количестве подвиж-
ных единиц в поезде.
311
Указанными недостатками можно объяснить тот факт,
что в новых модификациях систем контроля букс разра-
ботчики чаще используют в качестве регистрирующих
устройств электронные указатели.
Электронные регистрирующие указатели. Достижения
микроэлектронной техники позволили создать компактные
электронные регистрирующие указатели (ЭРУ), которыми
снабжается аппаратура контроля букс с целью оптической
индикации адресов обнаруженных аппаратурой неисправ-
ных буксовых узлов.
В системах контроля букс ЭРУ работают параллельно
с самопишущими приборами, облегчая труд оператора при
расшифровке телеметрических сигналов букс, записанных
на ленту. Электронные указатели «запоминают» и по тре-
бованию оператора индицируют на цифровом индикаторе
номера осей (не более трех) с перегретыми буксами и об-
щее число осей с перегретыми буксами в составе. Кроме
того, оптическими сигнальными устройствами отмечается
сторона поезда, с которой обнаружена перегретая букса.
Электронный регистрирующий указатель содержит
(рис. 5.23): счетчики для фиксации номеров трех осей с
перегретыми буксами СТ1—СТЗ, счетчики числа осей в
поезде СТ4, счетчик числа осей с перегретыми букса-
ми СТ5, дешифраторы DC1—DC5, ячейки памяти для за-
поминания стороны поезда с перегретой буксой ЯП1—ЯП6,
коммутаторы К, цифровые индикаторы И1, И2, оптичес-
кие сигнальные индикаторы ИЗ, И4, логические элементы
И и ИЛИ У/—У11.
В исходном состоянии «открыты» счетчики СТ1—СТ4 и
ячейки памяти ЯП1 и ЯП4. При контроле поезда импуль-
сы счета осей ИСО фиксируются счетчиками СТ1—СТ4.
При появлении первого сигнала тревоги в счетчик СТ5 за-
носится «единица», после чего с выхода дешифратора DC5
поступает сигнал запрета на логическую схему У1. Схе-
ма У1 закрывается, и счетчик СТ1, переставая считать,
фиксирует номер оси с первой перегретой буксой.
312
Рис. 5.23. Структурная схема электронного регистрирующего
указателя
Индикатор и!
313
После появления второй перегретой буксы останавли-
вается счетчик СТ2, фиксируя номер оси со второй пере-
гретой буксой. Номер оси с третьей перегретой буксой (ес-
ли такая имеется в поезде) фиксируется счетчиком СТЗ.
Счетчик СТ4 считает оси до конца поезда, и, таким обра-
зом, после прохода поезда этим счетчиком запоминается
общее число осей в поезде.
Для индицирования имеющихся в памяти ЭРУ данных
контроля необходимо нажать последовательно 4 кнопки
коммутатора К. После нажатия первой кнопки на цифро-
вой индикатор И1 выводится номер оси первой перегретой
буксы, а также загорается сигнальный индикатор ИЗ или
И4 в зависимости от того, с какой стороны поезда была
расположена первая перегретая букса. При нажатии чет-
вертой кнопки на индикаторе И1 появляется общее число
осей в поезде. Число перегретых букс в поезде (но не бо-
лее семи) указывается индикатором И2, минуя коммута-
тор. Достоинством электронных указателей является их
быстродействие.
Общим недостатком всех электронных указателей яв-
ляется отсутствие документальной записи, подтвержда-
ющей результат контроля поезда. Этот недостаток можно
устранить, используя в качестве регистратора информации
печатающие устройства.
Печатающее устройство электромеханического типа.
Имеется много разновидностей печатающих устройств
электромеханического типа, которые можно использовать
для вывода информации в системах контроля букс. Печа-
тающие устройства по принципам записи информации
можно разделить на 3 класса: устройства последователь-
ного действия; устройства параллельно-последовательного
и последовательно-параллельного действия; устройства па-
раллельного действия.
В устройствах последовательного действия строки ин-
формации записываются последовательной печатью зна-
ков. Общее время печати одной строки при этом склады-
314
вается из времени печати всех знаков строки и времени
перемещения между знаками- Скорость печати в этих
устройствах колеблется от 5 до 50 знаков/с.
В устройствах параллельного действия все знаки стро-
ки печатаются одновременно. Бумага относительно шриф-
тоносителя перемещается только построчно. Скорость пе-
чати в этих устройствах зависит от длины строки (числа
знаков в строке) и может колебаться от нескольких сотен
до нескольких тысяч знаков в секунду.
Устройства параллельно-последовательного и последо-
вательно-параллельного действия можно рассматривать
как частный случай устройств параллельного действия-
Эти устройства одновременно за один цикл печатают все
одноименные знаки в строке. Одна строка печатается за
число циклов, равное числу разноименных знаков одной
строки информации. Скорость печати устройств подобного
типа выше скорости устройств последовательного дейст-
вия, но ниже скорости устройств параллельного дей-
ствия.
В аппаратуре ПОНАБ-3 для регистрации данных кон-
троля букс в поездах применяется электроуправляемая пи-
шущая машина типа ЭУМ-23ДП. Это печатающая машина
ударного типа с релейно-диодным дешифратором пяти-
значного кода с числом печатаемых на рулоне знаков 23
(цифры от 0 до 9 и 13 символьных знаков). Машина вы-
полнена в виде настольного прибора, в ней реализован ме-
тод автоматической последовательной печати. Знаки пе-
чатаются при подаче импульса тока (импульса печати) в
один из печатающих электромагнитов. Техническая ско-
рость печати 7 знаков/с. Максимальное число отпечатан-
ных знаков в строке может быть 95. Возврат каретки с
переводом строки осуществляется при срабатывании одно-
го из электромагнитов электродвигателем, который на
время печати отключается. Время возврата каретки 1 с.
На входные контакты разъема машины поступают
(рис. 5.24): переменное напряжение 220 В для питания
315
Рис. 5.24. Структурная схема
электрической части печатающего
устройства последовательного
действия (ЭУМ-23Д)
однофазного электродвига-
теля машины, 5 потенци-
алов, соответствующих при-
нятой кодовой комбинации,
нулевой потенциал импуль-
са печати ИП длительно-
стью 50 мс и постоянное
напряжение питания релей-
но-диодного дешифрато-
ра 30 В.
Электрическая часть ма-
шины содержит электродви-
гатель ЭД, кодовые реле
Р1—Р5, коммутатор К, об-
разованный контактами ко-
довых реле, электромагниты
ЭМ1—ЭМ.27 с развязываю-
щими диодами Д1—Д27,
контакт KJ включения элек-
тродвигателя и контакт К2
отключения (блокировки) электромагнитов на время воз-
врата каретки. При подаче нулевых потенциалов кода с
усилителей У1—У 5 ПрК (см. рис. 5.21) на контакты 1—5
разъема .машины срабатывают кодовые реле, которым со-
ответствует «единица» кода в регистре памяти ЭПрК- Кон-
тактами реле коммутатора К замыкается электрическая
цепь одного из электромагнитов ЭМ1—ЭМ27. Затем на
входной разъем машины поступает нулевой потенциал
ИП, и по электромагниту, цепь которого подготовлена
коммутатором, потечет импульс тока. Электромагнит сра-
ботает и отпечатает нужный знак.
Электромагнит Возврат каретки при срабатывании раз-
мыкает контакт К2 и замыкает контакт К.1. Электродви-
гатель включается автоматически, так как при полном
возврате каретки машины контакты К1 нарушают цепь
питания электродвигателя-
316
Описанное печатающее устройство из-за невысокой
скорости печати может использоваться в аппаратуре кон-
троля букс, действующей по принципу аппаратуры теле-
контроля, когда объем регистрируемой информации огра-
ничивается сведениями о месте расположения в поезде не-
исправных букс и общих данных на поезд. В тех случаях,
когда аппаратура контроля строится по принципу аппара-
туры телеизмерения, объем регистрируемой информации
существенно увеличивается и печатающие устройства по-
следовательного действия не успевают отображать всю не-
обходимую информацию в ограниченные интервалы вре-
мени. В подобных случаях, как правило, применяются пе-
чатающие устройства параллельного действия.
Рассмотрим принцип построения устройств параллель-
ного действия на примере отечественного печатающего
устройства типа МП-16, нашедшего применение в аппара-
туре контроля технического состояния поездов.
Малогабаритное печатающее устройство МП-16
(МПУ-16) (рис. 5.25) предназначено для построчной пе-
чати на рулонной бумажной ленте информации, поступа-
ющей параллельным способом из систем контроля (мож-
но из ЭВМ). Знаки печатаются на рулонной бумажной
ленте шириной 56 мм со скоростью не менее 25 строк/с.
Число печатаемых в строке знаков 16 (от 0 до 9 цифровые
и 6 символьных). Печать основана на электромеханичес-
ком принципе, при этом отпечатки на бумажной ленте по-
лучаются путем ударов печатающих молоточков через
красящую ленту по вращающемуся литерному барабану-
Печатающие молоточки приводятся в действие электромаг-
нитами печати. Красящая лента движется двумя электро-
магнитными муфтами, поочередная работа которых обес-
печивает реверсивное движение красящей ленты. Протяж-
ка (или транспорт) бумажной ленты на один интервал
(шаг) выполняется электромагнитом транспорта. Все ме-
ханические узлы печатающего устройства приводятся в
движение электродвигателем.
317
Все электронное оборудование печатающего устройства
выполняет функции управления исполнительными элемен-
тами печатающего механизма в соответствии с сигналами,
поступающими от источника информации, и функции фор-
мирования сигналов печатающего механизма, посылаемых
к источнику информации для синхронизации печати. Ра-
бота устройства имеет циклический характер, связанный с
построчным способом печати. Одной отпечатанной строке
соответствует один цикл печати, который разделен на 2
интервала: интервал печати, в течение которого печатают-
ся знаки во всех разрядах строки; интервал транспорта, в
течение которого бумажная лента продвигается на один
шаг. Интервал печати состоит из 16 позиций печати (по
числу одноименных знаков на шрифтоносителе). Интервал
транспорта эквивалентен интервалу в 10 позиций печати.
318
Печатающим устройством можно управлять с пульта
управления (команды Пуск, Стоп и Прогон) или из схе-
мы источника информации (аналогичные по назначению
команды Вкл. ЭД, Выкл. ЭД, Вкл. тр.).
Работа устройства начинается с момента поступления
в схему управления печатью СУП команды на включение
электродвигателя Вкл. ЭД (Пуск). В СУП вырабатывает-
ся сигнал, запускающий электродвигатель. Запуск элект-
родвигателя может произойти лишь в том случае, если
схема управления печатью «получила» сигнал готовности Г
из схемы транспорта бумаги. В случае отсутствия (обрыва)
бумаги или ее неправильной заправки в печатающее уст-
ройство сигнал не вырабатывается и электродвигатель не
запускается. После набора двигателем номинальных обо-
ротов со схемы двигателя в СУП поступает сигнал номи-
нальных оборотов НО, по которому включается генератор
синхросигналов цикла печати ГСС. Последний в опреде-
ленной последовательности генерирует сигналы начала Н
и конца К печати, синхронизирующие С и позиционные П
сигналы. Сигнал Н «запрашивает» очередное слово в ре-
гистре печати /?бПеч, синхросигналы С посылаются в ис-
точник информации (схему сравнения кодов ССД) на
каждой позиции печатающего барабана, соответствующей
литерному знаку, сообщая о моментах времени возможно-
го приведения в действие печатающих электромагнитов.
Позиционные сигналы П поступают в ССК на каждой по-
зиции печатающего барабана в виде четырехразрядного
двоичного кода, соответствующего знаку, который находит-
ся в данный момент в положении возможной печати. Сиг-
нал конца цикла К. используется для возвращения реги-
стра печати в исходное состояние, т. е. для его подготовки
к регистрации очередного слова.
В схеме сравнения кодов 16 раз за цикл печати сравни-
ваются четырехразрядные кодовые комбинации знаков ре-
гистра печати с кодовыми комбинациями, поступающими
из ГСС. В случае совпадения всех разрядов сравниваемых
319
кодовых комбинаций в момент поступления из ГСС синхро-
сигналов С в ССК формируются импульсы печати, кото-
рые, проходя через соответствующие усилители блока
усилителей печати, возбуждают печатающие электромаг-
ниты. Последние приводят в движение молоточки, кото-
рыми бумажная лента через красящую ленту прижимает-
ся к шрифтоносителю.
Таким образом, за один оборот литерного барабана
(шрифтоносителя) отпечатывается одна строка (слово)
информации. В следующий момент в СУП поступает
команда включения транспорта бумаги ВТБ. Механизм
транспорта бумаги включается и протягивает бумажную
ленту на один шаг. С началом следующего оборота литер-
ного барабана по сигналу Н в регистр печати заносится
очередное слово, подлежащее регистрации на бумажную
ленту.
В процессе работы электродвигателя, когда красящая
лента механизма транспорта красящей ленты подходит к
концу, в СУП поступает сигнал конца красящей лен-
ты ККЛ, по которому этим устройством вырабатывается
сигнал на включение реверса механизма транспорта кра-
сящей ленты. Последняя начинает протягиваться в обрат-
ном направлении.
Устройства печати параллельного действия других ти-
пов, отличаясь от описанного конструкцией, имеют тот же
принцип построения электронной части печатающего уст-
ройства МП-16.
6
ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ МОДЕЛЕЙ
АППАРАТУРЫ КОНТРОЛЯ БУКСОВЫХ УЗЛОВ
6.1. Принципы построения аппаратуры ПОНАБ-3
Аппаратура автоматического обнаружения перегретых
букс в поездах типа ПОНАБ-3 является второй промыш-
ленной моделью, нашедшей широкое распространение на
отечественных железных дорогах. Как и первая промыш-
ленная модель типа ПОНАБ-2, аппаратура ПОНАБ-3 по-
строена по принципу систем телесигнализации и реализует
наиболее распространенный в мировой практике способ
контроля исправности буксовых узлов железнодорожного
подвижного состава по уровню инфракрасной энергии, из-
лучаемой корпусом буксового узла в окружающее про-
странство. Имея много общего в структурном построении,
в конструктивном и схемном исполнении отдельных функ-
циональных устройств с зарубежными моделями и отечест-
венной моделью ПОНАБ-2, аппаратура ПОНАБ-3 обла-
дает и рядом отличительных признаков.
В первую очередь отличительные особенности построе-
ния ПОНАБ-3 касаются аппаратуры передачи и регистра-
ции данных контроля (аппаратуры АПД). Если во всех
других моделях аппаратуры в процессе контроля переда-
ется непрерывный ряд сообщений о состоянии контроли-
руемого объекта (передача с перегона на станцию сигна-
лов от букс, сигналов счета осей и др.), т0 в аппаратуре
ПОНАБ-3 сообщение о наличии и расположении перегре-
той буксы в поезде передается только в момент ее обна-
ружения.
11-4947 321
Применение такого способа передачи сообщений поз-
волило в значительной степени повысить помехозащи-
щенность аппаратуры за счет резкого снижения объе-
мов передаваемой информации на один проконтролиро-
ванный поезд.
Применение в ПОНАБ-3 нового способа передачи сооб-
щений потребовало разработки и включения в состав ап-
паратуры устройств автоматического контроля ее исправ-
ности, так как при отсутствии в контролируемом поезде
перегретых букс обслуживающий персонал должен иметь
уверенность в том, что в момент контроля устройства ап-
паратуры находились в исправном состоянии. Устройства
автоконтроля ПОНАБ-3 обеспечивают выдачу на реги-
стрирующее устройство информации о результатах про-
верки аппаратуры после прохода каждого поезда через
участок контроля.
В аппаратуре ПОНАБ-3 применяется удобная форма
представления результатов контроля, обеспечивающая до-
кументальность регистрируемых данных. Результаты кон-
троля выводятся на печатающее устройство, а места рас-
положения перегретых букс в поезде указываются не
в осях или условных вагонах, как это имеет место в дру-
гих моделях аппаратуры, а в физических подвижных еди-
ницах (указание порядкового номера физической подвиж-
ной единицы).
С этой целью в состав аппаратуры введено устройство
для автоматического распознавания физических подвиж-
ных единиц независимо от их осности.
Аппаратура ПОНАБ-3 обеспечивает регистрацию боль-
ших объемов данных на один проконтролированный поезд.
Помимо регистрации данных о расположении перегретых
букс в поезде, аппаратурой регистрируются также дан-
ные об общем числе вагонов в поезде и числе перегретых
букс.
Аппаратура ПОНАБ-3 имеет в своем составе рельсовую
цепь наложения для надежного управления ее работой
322
в момент контроля поезда, дополнительные средства за-
щиты напольных камер от заносов снегом, средства конт-
роля уровня сигнала в канале связи и др. В состав аппа-
ратуры включен ряд специальных вспомогательных уст-
ройств для ее настройки и контроля при эксплуатации.
Структурное построение аппаратуры ПОНАБ-3
(рис. 6.1) обусловлено в первую очередь предъявляемы-
ми к ней технико-эксплуатационными требованиями, вы-
бранным способом контроля, принятыми методами и сред-
ствами для реализации основных функциональных уст-
ройств аппаратуры.
В состав напольного оборудования входят: напольная
камера левая НКЛ, напольная камера правая НКП, дат-
чики прохода колес Д1—Д4, рельсовая цепь наложения
РЦН и 2 соединительные муфты СМ.
Каждая напольная камера размещается с внешней сто-
роны рельса под углом 13° к оси пути и содержит узко-
направленную оптическую систему, приемник инфракрас-
ного излучения (болометр), предварительный усилитель
сигналов, запирающую заслонку и другие элементы кон-
струкции.
Оптическая система напольной камеры ориентируется
в зону встречи ее с корпусом буксового узла (зона стро-
бирования), выбираемую в промежутке между датчиками
Д1 и Д2.
Датчики Д1—Д4 устанавливаются с внутренней сторо-
ны одного из рельсов и вырабатывают электрические си-
гналы при проходе колесных пар подвижных единиц в зо-
не их размещения. Расстояния от напольной камеры до
датчика Д1 и между датчиками Д1—Д2 выбираются из
условия обеспечения требуемой зоны стробирования, а ме-
жду датчиками Д1 и ДЗ — из условия обеспечения рабо-
ты устройства распознавания физических подвижных
единиц.
Сигналы от датчиков подаются через соединительные
муфты СМ к устройствам постового оборудования-
11* 323
324
Рис. 6.1. Структурная схема аппаратуры ПОНАБ-3
Рельсовая цепь наложения предназначена для выработ-
ки команд управления в момент появления и удаления
поезда из зоны контроля ПОНАБ-3 и размещается вблизи
напольных камер.
Постовое оборудование ПОНАБ-3 включает в себя блок
управления БУ, 2 усилителя сигналов от букс У (правой
и левой сторон), 2 устройства логической обработки си-
гналов от букс УЛОС, 2 формирователя сигналов от дат-
чиков прохода колес ФС1 и ФС2, блок отметчика вагонов
БОВ, блок управления передачей БУП, блок запоминаю-
щего устройства БЗУ, блок счета вагонов БСВ, электрон-
ный передатчик кода ЭПК, и передатчик частотно-модули-
рованных сигналов ПЧМС.
Блок БУ вырабатывает сигналы управления работой
напольных камер, блока БУП и других устройств аппа-
ратуры при проходе поезда по участку контроля и форми-
рует программу сигналов для автоматической проверки
исправности устройств после удаления поезда с участка
контроля.
Усилители У обеспечивают необходимое усиление си-
гналов от букс, поступающих на их входы с предваритель-
ных усилителей. Сигналы с выходов усилителя поступают
на входы УЛОС, где их логически обрабатывают для вы-
деления сигналов от перегретых букс.
Формирователь ФС1 предназначен для выработки
строб-сигнала на время прохода каждой колесной пары
между датчиками Д1 и Д2, а также для формирования
сигнала на блок БОВ в момент прохода колесной пары
над датчиком Д1.
Формирователь ФС2 вырабатывает и подает на вход
блока БОВ сигналы в момент прохода колесных пар над
датчиком ДЗ.
Блок БОВ распознает при движении поезда по сигна-
лам с датчиков Д1 и ДЗ физические подвижные единицы
независимо от их осности и вырабатывает сигнал отметки
прохода физической единицы в момент, когда последняя
325
колесная пара подвижной единицы находится над датчи-
ком ДЗ.
Блоки БУП, БЗУ, БСВ, ЭПК и ПЧМС входят в состав
аппаратуры передачи данных. Блок БСВ предназначен
для подсчета числа вагонов, прошедших по участку кон-
троля.
Функции управления работой передающей части
АПД выполняет блок БУП. Блок ЭПК формирует кодо-
вые комбинации при передаче информации и посылает их
на вход ПЧМС. Блок БЗУ согласует скорости поступле-
ния сигналов на АПД и передачи кодовых комбинаций
в канал связи.
В состав станционного (регистрирующего) оборудова-
ния входит приемник частотно-модулированных сигналов
Пр ЧМС, электронный приемник кода ЭПрК, блок конт-
роля БК, печатающее устройство ПУ, пульт оператора
770 и устройства сигнализации УС, устанавливаемые у
дежурного по станции.
Электронный приемник кода предназначен для приема
кодовых комбинаций и выдачи их на печатающее устрой-
ство.
Блок БК контролирует уровень сигнала в канале
связи и наличие поезда на участке размещения напольно-
го оборудования, а также управляет работой схемы пуль-
та оператора.
Подробное описание работы аппаратуры ПОНАБ-3
приведено в [31].
6.2. Аппаратура обнаружения перегретых букс
компании SERVO CORPORATION OF AMERICA (США)
Модель 7788 аппаратуры этой компании была разработана в се-
редине 50-х годов и за последующие 2 десятилетия претерпела незна-
чительные изменения, касающиеся в основном элементной базы и кон-
структивного оформления. Аппаратура обнаруживает перегретые бук-
сы по температуре задней стенки корпуса буксы, причем для каждой
326
Линия
связи
Рис. 6.2. Структурная схе-
ма аппаратуры обнаруже-
ния перегретых букс ком-
пании Servo
22
19
20
16
21
р51 Станционное
j 1—1 оборудование
буксы определяется превышение температуры корпуса буксы над тем-
пературой окружающего воздуха. Оборудование аппаратуры условно
делится на напольное, постовое и станционное.
Аппаратура построена по типовой схеме, рассмотренной в разде-
ле 1.1.
В состав напольного оборудования (рис. 6.2) входят: два считы-
вающих устройства 1 с приемными капсулами 2, содержащими боло-
метры, оптические системы и предварительные усилители, узлом за-
слонки 3 и устройствами обогрева 4; датчики прохода колесных пар
5—8, крайние из которых (5, 8) служат для определения направле-
ния движения поезда, включения аппаратуры и открытия заслонок, а
средние (6, 7) — для образования зоны стробирования; кабельная
соединительная коробка 9.
В качестве приемника ИК-излучения в аппаратуре применен тер-
морезисторный болометр с постоянной времени около 2 мс. Узкона-
правленная оптическая система позволяет получить угол зрения при-
емника 3°, а оптические фильтры — полосу прозрачности от 2 до 16
мкм. В приемной капсуле, помимо оптической системы и болометра,
размещена плата предварительного усилителя.
Ось оптической системы ориентирована на заднюю стенку корпуса
буксы под углом 35° в вертикальной плоскости по отношению к плос-
327
кости пути и под углом 5° в горизонтальной плоскости относительно
оси пути.
Весь объем приемной капсулы заполнен сухим газом (азотом) и
герметизирован. Это способствует стабилизации характеристик измери-
тельного тракта аппаратуры при изменении климатических условий.
Узел заслонки выполнен на основе электромагнитного поворотного
устройства, затрудняющего открытие заслонки снаружи.
Нагревательные элементы укрепляются на корпусе напольной ка-
меры и призваны поддерживать постоянной (+38°С) температуру
внутри напольной камеры, а также растоплять снег, скапливающийся
на крышке камеры.
В качестве датчиков прохода колес в аппаратуре применены маг-
нитные педали. Датчик крепится к рельсу с внутренней стороны колеи.
Так как сигнал на выходе обмотки датчика пропорционален скорости
изменения магнитного потока, то датчик подобного типа устойчиво ра-
ботает при скорости движения поезда, превышающей 8 км/ч.
В состав постового оборудования входят: импульсные усилители
тепловых сигналов 12, 13, блок контроля направления 10, испытатель-
ное устройство 11 и блоки электропитания болометра и постового обо-
рудования (блоки питания на структурной схеме не показаны).
Назначение импульсных усилителей — усиление и формирование
сигналов с амплитудой, пропорциональной температуре корпуса бук-
сы. Усилители транзисторные, причем выходные каскады выполнены
на высоковольтных транзисторах. Вход усилителя в исходном состо-
янии шунтирован ключом и открывается только на время прохода ко-
леса между датчиками, образующими зону опробирования. Этим ис-
ключаются сигналы от посторонних нагретых частей поезда.
В усилителях предусмотрена возможность ввода в телеметриче-
ский сигнал опорного напряжения, которое позволяет подсчитывать
оси вагонов контролируемого поезда. Формирование импульсных сиг-
налов по длительности делает их не зависимыми от скорости движе-
ния поезда.
Устройство контроля направления выполняет 2 основные функ-
ции: определяет направление движения поезда и вырабатывает коман-
ды управления, обеспечивающие последовательность взаимодействия
блоков и узлов аппаратуры.
При контроле поезда устройством контроля направления выраба-
тываются стробирующие импульсы, а после окончания контроля —
команды на закрытие заслонок, включение обогревателей и остановки
двигателя самописца.
Испытательный блок предназначен для проверки усилительного
тракта аппаратуры, ее регистрирующего оборудования. В режиме
проверки испытательный блок подключается ко входу импульсных уси-
лителей и имитирует тепловые сигналы и сигналы датчиков прохода
колес.
328
Станционное оборудование аппаратуры модели 7788 комплектуется
трехканальным самописцем 16, блоком обработки данных 17, цифро-
вым индикатором (электронным указателем) 18 и устройствами сигна-
лизации 22, 23. Три канала самописца 19, 20, 21 предназначены для
записи тепловых сигналов букс левой и правой сторон поезда, а так-
же для отметки перегретых букс в поезде. Достоинством самописца
является возможность реверса направления движения леиты. Это об-
легчает работу обслуживающего персонала, экономит расход бумаж-
ной ленты, позволяет повторно возвращать для просмотра записанную
информацию. Бумажная лента перематывается механически. При пра-
вильной настройке аппаратуры нормально греющаяся букса скольже-
ния вызывает отклонение пера самописца на 1,5—2,5 мм, а аварийно
греющиеся буксы — на 9—25 мм.
Блок обработки данных формирует сигнал «тревоги» в случае
превышения выбранного порогового значения амплитудой сигнала бук-
сы левой или правой стороны вагона или при превышении порогового
значения разностью амплитуд сигналов букс одной колесной пары.
Для этой цели в блоке обработки данных имеются 2 компаратора.
Сигналы «тревоги» с выходов компараторов «собираются» по схеме
ИЛИ и поступают в цифровой регистратор, в котором одновременно
тремя счетчиками подсчитываются оси контролируемого поезда. По
сигналу отметки перегретой буксы счетчики поочередно прекращают
счет и, таким образом, запоминают номер оси с перегретой буксой.
Подключая переключателем цифровой индикатор к каждому из счет-
чиков, оператор имеет информацию о номерах трех осей с перегре-
тыми буксами. Сторона поезда, на которой обнаружена перегретая
букса, отмечается загоранием соответствующего оптического индика-
тора. При появлении на входе цифрового регистратора сигнала «тре-
воги» включается генератор, который вырабатывает акустический
сигнал.
Если число перегретых букс в поезде больше трех, то сведений
об их расположении в поезде не выдается.
Служебная связь между постом и станцией организуется по от-
дельной физической двухпроводной линии связи с применением теле-
фонных аппаратов 14, 15.
Низкая помехозащищенность передачи телеметрической информа-
ции по физическим линиям связи, необходимость для этой цели боль-
шого количества проводов, стремление более эффективно применять
аппаратуру обнаружения перегретых букс с учетом многообразия экс-
плуатационных условий послужили поводом к разработке специализи-
рованной аппаратуры передачи данных Servosig FM carrier, предна-
значенной для передачи и приема данных контроля буксовых узлов.
Конструктивно аппаратура выполнена в виде двух самостоятельных
устройств (передающего и приемного), каждое из которых имеет от-
дельный блок электропитания. В аппаратуре активно использована
329
часть спектра телефонного канала, имеющая относительно низкий уро-
вень шумов (1200—3050 Гц). В этом диапазоне частот размещается
до 11 каналов с несущими частотами 1275, 1445, 1615 и т. д. до 2975
Гц через каждые 170 Гц. Сообщения каждого канала передаются в
линию по методу частотной модуляции ЧМ одной из перечисленных
несущих частот. Девиация частоты в канале составляет 40 Гц. При
передаче аналоговых сигналов (тепловых сигналов букс) последние
предварительно преобразуются в широтно-импульсные сигналы ШИМ,
а затем с помощью ЧМ передаются в линию.
Выходной уровень сигнала по каждому из каналов 0 дБ на на-
грузке 600 Ом.
Настройка и проверка комплекса аппаратуры, ее калибровка мо-
гут быть выполнены с помощью функционального генератора, имити-
рующего нагретое тело, и приспособления для его установки.
Функциональный генератор содержит нагревательный элемент,
перед которым вращается диск с отверстием. Температура нагрева-
тельного элемента может регулироваться.
Приспособление для установки функционального генератора пред-
ставляет собой цилиндрический стержень, укрепленный на опорной
стойке.
Модель аппаратуры ОПБ 8808 разработана в начале 70-х годов
и явилась дальнейшим развитием и совершенствованием базовой мо-
дели аппаратуры 7788.
Основной отличительной особенностью этой модели аппаратуры
является напольное считывающее устройство, которое крепится не-
посредственно к рельсу н сканирует часть буксы, расположенную меж-
ду боковиной рамы тележки и колесом.
Такая ориентация считывающих устройств позволила: сократить
расстояние между приемником ИК-излучения и объектом контроля и
тем самым повысить чувствительность измерительного тракта аппа-
ратуры; связать вертикальные перемещения колеса (за счет проседа-
ния рельса при проходе подвижного состава) с перемещениями счи-
тывающих устройств и этим повысить точность сканирования; полу-
чить одинаковые по амплитуде сигналы от роликовых букс и букс
скольжения и тем самым повысить достоверность распознавания гре-
ющихся букс автоматическими устройствами; уменьшить (за счет
большего угла по отношению к горизонту) время сканирования и тем
самым повысить помехозащищенность измерительного тракта.
Модель 8808 аппаратуры ОПБ выполнена полностью на интег-
ральных микросхемах.
Представляет интерес конструктивное оформление напольных счи-
тывающих устройств (рис. 6.3, а) и их крепление к рельсу (рис. 6.3, б).
Корпус напольной камеры 3 (см. рис. 6.3, а) с двумя симметричными
выступами и впадиной между ними крепится к основанию 4 винтами
2. Дугообразные внутренние грани корпуса способствуют созданию
330
Рис. 6.3. Конструктивное оформление и крепление напольного считы-
вающего устройства аппаратуры модели 8808
аэродинамического эффекта в момент прохода поезда, что позволяет
отбрасывать снег от входного окна 1. Этому способствуют и наклон-
ные плоскости углубленной поверхности корпуса.
Напольная камера 1 (см. рис. 6.3, б) крепится к рельсу 2 спе-
циальным кронштейном 5 и прижимным устройством 4, скрепленными
между собой болтом 3.
В напольной камере предусмотрена защита оптической системы от
загрязнения. Это достигается применением специального фильтрующе-
го устройства и особенной конфигурации направления потока
ИК-излучения от буксы к приемнику ИК-излучения. В осенне-зимний
период влага, попадающая в трубки фильтрующего устройства, выте-
кает в отстойник, предохраняя отражательное зеркало и лиизу от
покрытия влагой. Это же фильтрующее устройство предохраняет
оптику от пыли в сухое время года. Периодическое опускание фильт-
ра в масляный раствор повышает его пылеулавливающую способность.
Приемная капсула герметизирована и расположена на амортизирован-
ной платформе, что предохраняет ее от влияния вибраций, возникаю-
щих в момент прохода поезда. В напольной камере имеется заслонка
с приводом и устройства обогрева.
Модель аппаратуры 8000 является одной из модификаций модели
7788 н представляет собой полностью автоматическую аппаратуру с
выводом результатов контроля на путевое табло, устанавливаемое в
непосредственной близости от постового оборудования аппаратуры.
Оно состоит (рис. 6.4) из двустороннего экрана 7, на котором флюо-
ресцентными источниками света могут высвечиваться три цифры.
Сверху на табло расположены три (также двустороннего действия)
электрических фонаря 8.
Путевое табло специальными зажимами укрепляют на мачте 9.
Оно извещает поездную бригаду о месте размещения в поезде пер-
331
Рис. 6.4. Внешний вид и функцио-
нальная схема включения путе-
вого табло аппаратуры модели
8000
вой (по ходу движения поезда)
перегретой буксы. Адрес перегре-
той буксы указывается в осях от
хвоста поезда. Загорающийся од-
новременно с экраном фонарь
указывает на сторону поезда с
перегретой буксой (левый — бук-
са слева; правый — справа). Ес-
ли в поезде оказывается больше
одной перегретой буксы, то заго-
рается средний фонарь, а мигаю-
щий свет одного из крайних фо-
нарей указывает сторону поезда
с этой буксой.
Устройство автоматической
обработки данных обнаружива-
ет перегретые буксы и указывает
их местонахождение. Это устрой-
ство содержит решающий блок 6
и блок основной аппаратуры 5, к которому подключаются наполь-
ные камеры 1, 2 и датчики прохода осей 3, 4. При контроле по-
езда до момента появления первой перегретой буксы оси в уст-
ройстве обработки данных не подсчитываются. По сигналу
с напольных камер 1, 2 о появлении перегретой буксы включается
блок счета осей, который запоминает число осей от перегретой бук-
сы до хвоста поезда. Спустя несколько секунд после прохода поез-
дом участка контроля «загорается» экран и соответствующий фонарь
путевого табло. Если перегретые буксы в поезде не обнаружены, то
на экране табло «загорается» информация «ООО». Спустя 90 с после
высвечивания информации на табло последнее отключается. Описыва-
емая модель аппаратуры облегчает работу поездной бригады и дела-
ет применение аппаратуры обнаружения перегретых букс более эф-
фективным.
6.3. Аппаратура обнаружения перегретых букс
компании General Electric (США)
Аппаратура обнаружения перегретых букс компании Genera!
Electric (GE) разработана в конце 50-х годов. В настоящее время
на железных дорогах США и Канады эксплуатируется около 800
компл. этой аппаратуры. В указанной аппаратуре также использован
принцип улавливания и преобразования в электрические сигналы
энергии ИК-излучения, испускаемой задней стенкой корпуса буксы.
332
При этом температура задней стенки корпуса буксы измеряется на
фоне температуры окружающей среды, т. е. измерительный тракт ап-
паратуры реагирует на превышение температурой корпуса буксы тем-
пературы окружающей среды (воздуха). Однако, несмотря на общ-
ность принципов, аппаратура компании GE имеет ряд оригинальных
отличительных признаков, к которым следует отнести применение вы-
сокоскоростного затвора, открывающего приемник ИК-излучения
только на время контроля каждой буксы; формирователей тепловых
сигналов, делающих аппаратуру инвариантной к скорости движения
поезда; температурной компенсации, уменьшающей влияние темпера-
туры окружающей среды на параметры измерительных сигналов.
В состав напольного оборудования (рис. 6.5) входят два считы-
вающих устройства (напольные камеры) 1 и датчик прохода колес-
ных пар 6.
Особый интерес представляет напольное считывающее устройство
этой аппаратуры. Оно объединяет в одном литом корпусе четыре не-
зависимых устройства: приемную капсулу с болометром 2, оптиче-
ской системой и предварительным усилителем, высокочастотный за-
твор 3, защитную заслонку 4 и обогревательные элементы 5.
Верхняя крышка напольной камеры защищена тепловым экраном,
уменьшающим действие солнечной радиации на температуру внутри
напольной камеры.
Аэродинамическая конструкция носового конуса камеры предо-
храняет от снежных заносов входное окно камеры, уменьшает влияние
пыли на работу измерительного тракта аппаратуры. Нагревательные
Рис. 6.5. Структурная схе-
ма аппаратуры обнаруже-
ния перегретых букс ком-
пании GE
333
элементы, расположенные в носовой части камеры, предохраняют вхо-
дное окно камеры от обледенения.
Оптическая система состоит из трех германиевых линз, покрытых
тонким слоем сернистого цинка с целью улучшения условий пропус-
кания ИК-лучей.
Высокочастотный механический затвор установлен между первой
и второй линзами на фокусном расстоянии. Механизм управления за-
твором обеспечивает его открытие только на мгновение, когда в поле
обзора болометра находится букса. Возможность ошибочных показа-
ний, вызванных рассеянным солнечным светом, тормозными колодка-
ми и другими греющимися предметами, почти исключается.
Применение высокочастотного затвора имеет еще одно важное до-
стоинство. «Носителем» температуры окружающего воздуха в проме-
жутках между активным сканированием букс является обратная сто-
рона затвора. Это обеспечивает сравнение температуры буксы с бо-
лее постоянным эталоном и позволяет избежать ошибок в распозна-
вании, когда «носителем» температуры окружающего воздуха явля-
ется рама вагона.
В качестве датчиков прохода колесных пар в аппаратуре исполь-
зована магнитная педаль, прикрепляемая к шейке внутренней сторо-
ны рельса.
Постовое оборудование аппаратуры включает датчики временных
интервалов 7, усилители-формирователи 8, 9 и передающий комплект
аппаратуры передачи данных 10.
Датчики временных интервалов по сигналам путевой педали фор-
мируют команды на открытие затвора на время контроля каждой
буксы, открытие входной заслонки и отключение электропитания на
время контроля поезда, включение двигателя самописца станционного
оборудования.
Время сканирования каждой буксы определяется временем откры-
тия высокочастотного затвора и будет тем больше, чем медленнее ско-
рость движения поезда.
Для того чтобы тепловые сигналы не зависели от скорости поез-
да, в усилителях-формирователях происходит их формирование по дли-
тельности. Таким образом, тепловые сигналы, поступающие на вход
АПД, представляют собой последовательность прямоугольных импуль-
сов постоянной длительности (13 мс) с амплитудой, пропорциональной
степени нагрева задней стенки корпуса буксы. Для удобства подсчета
тепловых сигналов (определения номера оси с перегретой буксой) сиг-
налы с малыми амплитудами заменяются опорным напряжением.
Аппаратура передачи данных представляет собой стандартное мно-
гоканальное устройство, передающее сообщения с помощью частотной
модуляции в диапазоне звуковых частот (от 935 до 12 500 Гц). Шири-
на одного канала и расстояние между несущими частотами определя-
ются девиацией частоты, которая может принимать 3 значения:
334
±85 Гц (расстояние между несущими частотами 340 Гц), ±125 Гц
(расстояние между несущими частотами 510 Гц) и ±240 Гц (рассто-
яние между несущими частотами 1000 Гц).
Для передачи аналоговых сигналов в передатчике и приемнике
АПД предусмотрены преобразователи амплитуды тепловых сигналов
в ШИМ-сигнал (на передаче) и обратно (на приеме).
В состав станционного оборудования входят двухканальиый само-
писец 13, блок тревоги 12, приемный комплект АПД 11 и устройства
сигнализации 16, 17.
Каналы самописца 14, 15 регистрируют сигналы от букс левой и
правой сторон поезда.
Блок тревоги по одному из признаков распознавания -греющихся
букс (амплитуда сигнала буксы или разность двух сигналов букс од-
ной колесной пары) сигнализирует (акустическая и оптическая сигна-
лизация) о наличии в поезде перегретой буксы.
Вспомогательное оборудование аппаратуры включает ориентирный
угольник, пиковый вольтметр, калибратор.
Ориентирный угольник предназначен для установки и
периодических проверок правильности ориентирования оптической оси
приемной капсулы.
Пиковый вольтметр предназначен для проверки линейности
измерительного тракта, его калибровки, проверки диаграммы напря-
жений во всех точках аппаратуры.
Калибратор представляет собой переносное устройство, пред-
назначенное для установления однозначности между превышением тем-
пературы нагретого тела над температурой окружающего воздуха и
амплитудой теплового сигнала на выходе измерительного тракта ап-
паратуры. Калибратор содержит источник тепла, который может
принимать 4 дискретных значения температуры. Это позволяет про-
верять линейность амплитудной характеристики измерительного тракта
аппаратуры в широком динамическом диапазоне.
В последние годы компанией General Electric созданы новые уст-
ройства, совершенствующие аппаратурный контроль букс и расширя-
ющие функциональные возможности аппаратуры. К числу таких уст-
ройств относится вычислительное устройство и устройство преобразо-
вания данных.
Вычислительное устройство (В У) предназначено для
автоматического распознавания греющихся букс по телеметрической
информации, поступающей иа него с выхода измерительного тракта
аппаратуры обнаружения перегретых букс. Цель автоматизации про-
цесса распознавания греющихся букс (уход от необходимости рас-
шифровки лент самописца) — исключение из цепи операций по аппа-
ратурному контролю букс, подверженному фактору усталости человека
(оператора), создание предпосылок для выдачи результатов контроля
на печать и их передачи на центральный пункт контроля. К особен-
335
ностям ВУ следует отнести: высокую скорость работы; возможность
автоматической оценки состояния букс с точностью, не уступающей
высококвалифицированному оператору; небольшую стоимость; возмож-
ность распечатки данных как на месте контроля, так и на любом рас-
стоянии; возможность сопряжения ВУ с аппаратурой обнаружения
перегретых букс, выпускаемой компанией GE, а также с любой дру-
гой аппаратурой подобного назначения. Алгоритм обработки данных
вычислительным устройством составлен по результатам решений опе-
ратора при анализе многочисленных лент самописца.
ВУ определяет состояние буксы по трем признакам: абсолютному
значению амплитуды сигнала буксы, отношению амплитуд сигналов
букс одной колесной пары и по отношению амплитуды сигнала каж-
дой буксы к среднему значению сигналов букс каждой стороны ва-
гона. При использовании относительных признаков установлены 2 по-
роговых значения, соответствующих двум разным степеням нагрева
букс. Превышение двух порогов по каждому из признаков означает,
что букса «горячая», превышение только одного порога — букса «теп-
лая». Превышение сформированным признаком любого из пороговых
значений сопровождается акустической и оптической сигнализацией.
Применение относительных признаков вместо ранее применявшихся
разностных (разность амплитуд сигналов букс колесной пары) улуч-
шает условия распознавания букс при наличии в поезде букс разно-
го типа (роликовых и скольжения), повышает достоверность обнару-
жения перегретых букс. Применение признака отношения амплитуды
сигнала каждой буксы к среднему значению амплитуд сигналов букс
одного вагона исключает погрешности при обнаружении перегретых
букс, возникающие за счет неодинакового действия на буксы разных
сторон поезда таких факторов, как ветер, дождь, солнечная ра-
диация.
Необходимость вычисления среднего значения амплитуд сигналов
букс одного вагона требует умения различать сигналы одного вагона
от другого. С этой целью в ВУ введено устройство, различающее и
размечающее физические подвижные единицы в поезде. Принцип ра-
боты устройства отметки вагонов основан на том, что расстояние меж-
ду тележками разных вагонов меньше расстояния между тележками
одного вагона. Логические устройства в отметчике вагонов выполня-
ют операции подсчета, запоминания и сравнения числа осей при про-
ходе одного вагона и выдают отметку (импульс) при проходе каждой
физической подвижной единицы. В вычислительном устройстве преду-
смотрена возможность самоконтроля. Оно может выдавать тревожную
сигнализацию в случае потери телеметрической информации в любом
из каналов, а также в случае перекрытия каким-либо предметом вход-
ного окна напольной камеры.
Устройство преобразования данных (УПД) пред-
назначено для преобразования в стандартный последовательный код
336
(USASCJJ) данным обработки телеметрической информации вычисли-
тельным устройством с целью вывода их на цифропечатающее устрой-
ство в месте установки УПД или передачи на централизованный пункт
контроля. В преобразователе предусмотрен накопитель, способный
хранить информацию о четырех буксах на один поезд. Если число
перегретых букс больше четырех, то в памяти информация о «теп-
лой» буксе заменяется информацией о «горячей» буксе.
Данные могут передаваться сразу же после прохода поездом уча-
стка контроля. При этом УПД может выдать на печать следующую
информацию: расположение в поезде «теплых» или «горячих» букс с
указанием номера вагона и стороны поезда с такой буксой; указание,
по какому признаку обнаружена «теплая» или «горячая» букса; об-
щее число вагонов контролируемого поезда; название (или код) стан-
ции, перед которой расположено постовое оборудование аппаратуры
обнаружения перегретых букс. Вся указанная информация для боль-
шой надежности печатается 3 раза.
6.4. Аппаратура обнаружения перегретых букс
компании CSEE (Франция)
Аппаратура обнаружения перегретых букс компании CSEE раз-
работана в начале 60-х годов и построена по принципу аппаратуры
телеизмерения с выдачей телеметрической информации на самописец.
Основная особенность этой аппаратуры — измерение абсолютного зна-
чения температуры задней стенки корпуса букс и применение в каче-
стве приемника ИК-излучения активного селективного фотодиода, ко-
торый состоит из пластинки сурьмянистого индия, помещенной в поле
постоянного магнита (фотогальваномагнитный эффект). Подобный при-
емник не требует источников питания (под действием ИК-излучения
он сам является источником э. д. с.), практически безынерционен (по
стоянная времени менее 0,2 мкс) и низкоомный.
В состав напольного оборудования (рис. 6.6) входят считываю-
щие напольные камеры 1, 2, датчик прохода колесных пар 4, укреп-
ленный на рельсе 3, рельсовая цепь наложения 8 (электронная педаль)
и электронный блок 5, который размещен на стативе постового обору-
дования.
Благодаря поименению в аппаратуре безынерционного приемника
ИК-излучения разработчики аппаратуры предусмотрели механическую
модуляцию теплового потока частотой 5 кГц. В качестве модулятора
используется пластмассовый диск с отверстиями, который приводится
во вращение синхронным электродвигателем. Оптическая система, со-
стоящая из двух линз плавикового шпата и тонкой пластинки мышь-
яковистого индия, совместно с избирательным приемником ИК-излу-
337
чения образует избирательную систему с высокой пропускной способ-
ностью в диапазоне волн от 0,4 до 8 мкм. Малое сопротивление при-
емника ИК-излучения (У?<50 Ом) позволило уйти от традиционного
в аппаратуре обнаружения перегретых букс решения и вынести пред-
варительные усилители из напольных камер в постовое оборудование
без ухудшения отношения сигнал/шум на выходе приемо-усилительного
тракта. Для выравнивания температуры внутренней поверхности диска
модулятора с температурой фона (неба) на оптической оси в поле
«зрения» приемника ИК-излучения установлено компенсационное со-
противление, через которое проходит регулируемый реостатом ток.
Вспомогательное оборудование напольной камеры объединяет си-
стему обогрева, которая состоит из двух U-образных нагревательных
элементов (по 100 Вт каждый) и терморегулятора, и узел заслонки,
предназначенный для защиты оптической системы от внешних воздей-
ствий (пыль, сиег и т. п.). Датчик прохода колесных пар представляет
собой высокочастотный транзисторный генератор с разомкнутым маг-
нитопроводом резонансного контура. При появлении в зоне действия
датчика (около 30 см) реборды колеса генерация срывается и фор-
мируется сигнал прохода колесной пары. Датчик, построенный на та-
ком принципе, позволяет формировать сигнал прохода колес при ско-
рости движения поезда 0—200 км/ч.
Рельсовая цепь наложения работает на частоте 8,7 кГц и пред-
назначена для своевременного открытия заслонок и запуска двигате-
лей модуляторов напольных камер при подходе поезда к участку конт-
роля.
338
Предварительные усилители 6, 7 постового оборудования соедиие
вы с напольными камерами коаксиальным кабелем. С выходов пред-
варительных усилителей тепловые сигналы поступают на регулируемые
аттенюаторы 9, которые выравнивают чувствительность приемников
ИК-излучения обеих камер.
В блоке аттенюаторов происходит и температурная компенсация;
необходимость в которой объясняется как теплотехническими харак-
теристиками буксовых узлов, так и применением в аппаратуре изби-
рательного приемника ИК-излучения.
В блоке запоминающих устройств 10 происходит преобразование
тепловых сигналов переменной длительности и амплитуды в прямо-
угольные импульсы постоянной длительности (ти=17 мсек) с ампли-
тудой, пропорциональной температуре поверхности буксы. Сигналы
управления формируются блоком 13.
Сформированные в блоках 10, 13 импульсы передаются телеграф-
ным передатчиком 11 на трех частотах: 2580, 2460 и 2700 Гц. Первая
частота выполняет функции управления, а вторая и третья использу-
ются для передачи с помощью амплитудной модуляции значений
амплитуд тепловых сигналов соответственно левой и правой стороны
поезда.
В приемнике станционного оборудования 16 происходит разделе-
ние по частоте принимаемых АМ-сигналов, их детектирование. Им-
пульсы постоянной длительности и с амплитудой, пропорциональной
температуре буксы, записываются на бумажную ленту двухдорожеч-
иого самопишущего регистратора 18, управляемого устройством 19.
Параллельно с регистратором эти же импульсы поступают в блок
автоматической сигнализации 20, который по признаку абсолютного
значения амплитуды теплового сигнала или по разности амплитуд двух
сигналов букс одной колесной пары определяет в составе перегретую
буксу.
Служебная телефонная связь в аппаратуре организуется с по-
мощью режекторно-полосовых фильтров 12, 15, к которым подключа-
ются телефонные аппараты 14, 17.
Французская компания CSEE провела доработку модели аппара-
туры обнаружения перегретых букс, описанную в настоящем разделе,
и внесла значительные изменения в структурные, принципиальные схе-
мы и конструкцию аппаратуры. Изменения в структурном построении
аппаратуры см. рис. 6.6 (новые функциональные блоки заштри-
хованы).
В состав оборудования введены путевые педали 24 и 25, датчик
температуры наружного воздуха 22, релейный блок 21 и указатель
перегретых букс 23. Наряду с этим модернизированы считывающие
устройства 1, 2, путевая педаль, аппаратура передачи данных (пере-
датчик 11, канальные фильтры 12, 15); приемник 16, само-
писец 18.
339
Применение двух дополни-
тельных педалей 24 и 25 позволи-
ло выполнить схему исключения
из контроля локомотивов и схему
контроля направления движения
поезда. Изменена схема управле-
ния заслонкой напольной камеры.
Если по какой-либо причине по-
езд останавливается на участке
контроля, то спустя 40—60 с по-
сле его остановки заслонки на-
польных камер закрываются. В
аппаратуре повышена достовер-
ность передачи телеметрической
информации. Это достигнуто при-
менением частотной модуляции.
Для увеличения отношения
сигнал/шум в напольную камеру
введен предварительный усили-
тель.
Рис. 6.7. Диаграмма работы ре-
шающего устройства аппаратуры
компании CSEE
В аппаратуре предусмотрен автоматический контроль исправности
отдельных функциональных узлов, автоматизирован процесс обра-
ботки и выдачи данных о расположении в поезде перегретых букс.
При этом решение о состоянии буксового узла принимается блоком
автоматической сигнализации, выходная характеристика которого при-
ведена на рис. 6.7. Как следует из приведенного рисунка, в зоне I
сигнал тревоги вырабатывается по двум признакам распознавания: по
амплитуде теплового сигнала или по разности амплитуд сигналов букс
одной колесной пары. В зоне II греющиеся буксы распознаются толь-
ко по амплитудному признаку (при амплитуде сигнала, превышающей
30 мм на ленте самописца). В зависимости от степени нагрева буксы
(в какой из двух зон принимается решение) по сигналу тревоги вклю-
чается акустическая сигнализация одного из двух типов.
При выработке сигнала тревоги первого или второго уровня авто-
матически выдается на указатель перегретых букс информация о числе
осей с головной части поезда до перегретой буксы и о стороне поез-
да, с которой расположена эта букса. Устройство позволяет регист-
рировать информацию о расположении трех перегретых букс в одном
поезде. После прохода поезда по участку контроля устройством фикси-
руется общее число осей в поезде, что позволяет проводить счет осей
до перегретой буксы с хвостовой части поезда. Устройство фиксирует
также общее число перегретых букс в поезде. Показания счетчиков
указателя перегретых букс сбрасываются автоматически при появлении
следующего поезда в зоне контроля напольных устройств аппара-
туры.
340
6.5. Аппаратура обнаружения перегретых букс
компании Hawker siddeley dunamies
engineering (Англия)
Аппаратура компании HSDE построена на принципах аппарату-
ры телесигнализации. Вся первичная телеметрическая информация об-
рабатывается постовым оборудованием, а на регистрирующее обору-
дование поступает лишь информация о целеуказании.
В аппаратуре реализован метод относительного определения тем-
пературы корпуса буксы.
В состав напольного оборудования (рис. 6.8) входят считывающие
устройства (напольные камеры 1, 2) и датчики прохода колес 3, 4.
Напольная камера состоит из приемной капсулы с оптической си-
стемой, приемником ИК-излучения и предварительным усилителем
тепловых сигналов, устройства обогрева и механизма заслонки. Все
оборудование напольной камеры размещено в литом металлическом
корпусе с герметично закрывающейся крышкой. Напольные камеры
монтируются на специальных фундаментах, установленных в призму
железнодорожного полотна.
Датчики прохода колес, действующие на электромагнитном прин-
ципе, размещаются попарно на специальной металлической плите-
платформе, которая устанавливается у рельса с внутренней стороны
пути. Такое размещение датчиков способствует более тбчной фиксации
времени контроля одной буксы. Задняя стенка корпуса буксы скани-
руется под углом 45° к горизонту.
В постовое оборудование входят импульсные усилители 5, 6 и
блок обработки телеметрической информации 7.
Напольное I
оборудование I
Рис. 6.8. Структурная схе-
ма
ния
аппаратуры обнаруже-
перегретых букс ком-
пании HSDE
I Постовое
I оборудование
Станционное
оборудование
Линия связи
341
Усилителями выполняется операция стробирования, исключающая
попадание в обработку паразитных сигналов от других нагретых де-
талей поезда.
Блоком обработки телеметрической информации запоминаются ам-
плитуды сигналов двух букс одной колесной пары, по которым после
прохода колесом второго (по ходу движения поезда) датчика прохода
колес принимается решение о техническом состоянии буксы. При при-
нятии решения, помимо признака «амплитуда сигнала», формируется
признак «сумма амплитуд сигналов» букс одной колесной пары. По-
следний признак способствует уменьшению ложных показаний при
контроле букс с подшипниками качения. Результат обработки теле-
метрической информации кодируется четырьмя уровнями амплитуды
импульсного сигнала и передается к станционному оборудованию по
двухпроводной линии связи. На каждую проконтролированную буксу
передается импульс, 4 уровня которого означают: 1-й — колесо без
нагретой буксы; 2-й — перегретая букса слева; 3-й — перегретая
букса справа; 4-й — обе буксы колесной пары перегреты.
Непосредственная передача импульсных сигналов ограничивает
дальность передачи, которая не должна превышать 5 км.
В станционное оборудование входит регистратор 8 и телефонный
аппарат. 10. От импульсов прохода колес начинают работать 4 меха-
нических счетчика осей регистратора. По сигналу первой перегретой
буксы останавливается первый счетчик, по сигналу второй перегретой
буксы — второй счетчик, по сигналу третьей перегретой буксы — тре-
тий счетчик. При этом соответствующей лампочкой указывается сто-
рона поезда, на которой обнаружена перегретая букса.
Документальная запись результатов контроля при такой форме
регистрации отсутствует, что создает эксплуатационные неудобства.
Служебная связь организуется по отдельной физической цепи с
применением аппаратов 9, 10.
6.6. Аппаратура обнаружения перегретых букс МН2
национального предприятия TESLA (ЧССР)
Отличительной особенностью этой аппаратуры по сравнению с за-
рубежными моделями является выдача информации о техническом со-
стоянии букс контролируемого поезда иа цифропечатающее устройство.
Аппаратура построена по принципам аппаратуры телесигнализации.
Температура задней стенки корпуса буксы измеряется по отношению
к температуре рамы вагона (температуре окружающего воздуха).
В состав напольного оборудования (рис. 6.9) входят два наполь-
ных считывающих устройства 1 и два датчика прохода колес-
ных пар 2, 3.
342
Рис. 6.9. Структурная схе-
ма аппаратуры обнаруже-
ния перегретых букс пред-
приятия Tesla
В качестве приемника ИК-излучения используется фотосопротив-
ление с оптическим фильтром до 2,5 мкм.
Постовое оборудование аппаратуры ОПБ МН2 содержит блок
управления 4, усилители тепловых сигналов 6, 7, классификатор гре-
ющихся букс 8 и центральные часы 5. Сюда не входит передающий
комплект аппаратуры передачи данных 9.
Блок управления по сигналам датчиков прохода колес формирует
команды, обеспечивающие последовательность взаимодействия всех
блоков и узлов аппаратуры.
Классификатор греющихся букс подсчитывает оси контролируемого
поезда и по амплитудному значению сигнала принимает решение о
техническом состоянии букс (классифицирует буксы на перегретые и
нормально греющиеся). Решение, принимаемое классификатором, вме-
сте с сигналами отметки времени от центральных часов подаются на
вход передатчика АПД 9 и далее по двухпроводной кабельной линии
связи к станционному оборудованию.
В комплект станционного оборудования, помимо приемника АПД
10, входит цифропечатающее устройство ЦПУ 11 и блок сигнализа-
ции 12 с акустической 13 и оптической 14 сигнализацией.
В процессе контроля поезда на бумажную ленту автоматически
печатается время прохода поезда (например, 16.41), число осей в по-
езде (например, 128), номер оси с перегретой буксой с обозначением
L (левая) или Р (правая) сторона поезда. Например, запись РО78
означает, что на 78-й оси с правой стороны греется букса.
343
ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Галлахер К. А. Обнаружение перегретых букс. — Rail-
way Sistems Control, 1971, т. 2, № 6, с. 22—26.
2. В и м м е р Дж. Д. Детекторы греющих букс, установленные
через 30 миль. — Railway Signal and Comrr.us, 1966, т. 59, № 7,
с. 22—23.
3. Опыт применения устройств контроля перегретых букс на ж. д.
США и Канады. — Railway Sistems Control, 1971, т. 2, № 10, с. 10,
13—17.
4. Тахара Харукико и др. Система обнаружения греющих-
ся букс. — Sumitomo Electr. Rev, 1968, № 98, с. 47—58.
5. А. с. 197669 (СССР). Способ обнаружения греющихся
букс железнодорожного вагона. В. И. Самодуров, П. С. Шайдуров. —
Заявл. 23.03.66 (1064572/27—11). Опубл. 01.07:67: МКИВ61к Бюл:
Открытия. Изобрет. Пром, образцы. Товар, знаки, 1967, № 13, с. 50.
6. А. с. 235092 (СССР). Способ логической обработки ин-
формации при автоматическом обнаружении греющихся букс. В. И.
Самодуров, В. Г. Свалухии. — Заявл. 28.09.67 (1187713/27—11).
Опубл. 28.05.69. НКИ 20i; 41/30. Бюл. Открытия. Изобрет: Пром: об-
разцы. Товар, знаки, 1969, № 5, с. 24.
7. А. с. 228063 (СССР). Устройство автоматического обна-
ружения перегрева вагонных букс. В. И. Самодуров, В. Г. Свалухин.
Заявл. 15.07.67 (1172604/26—24). Опубл. 13.03.69: НКИ 20 d, 13/03:
Бюл. Открытия. Изобрет. Пром, образцы. Товар, знаки, 1968, № 31,
с. 31.
8. Ножевников А. М. Устройство для выявления перегретых
букс подвижного состава на французских ж. д. — Бюл. технико-эко-
номической информации, 1968, № 6, с. 51—55.
9. Шайдуров П. С., Квицинский А. С., Сендеров
Г. К- Устройства для автоматического обнаружения греющихся
букс. — Ж.-Д- трансп., 1968, № 4, с. 54—56.
10. Орлов М. В., А лехов В. П. Своевременно выявлять грение
букс в поездах, — Ж.-Д- трансп., 1970, № 8, с. 47—50.
344
11. Самодуров В. И., Шайдуров П. С. Прибор для бес-
контактного обнаружения перегретых букс (ПОНАБ-2). — Автома-
тика, телемеханика и связь, 1972, № 1, с. 3—5.
12. Ножевииков А. М. Устройства для автоматического вы-
явления перегретых букс. — Ж.-Д- трансп., 1972, № 8, с. 51—53.
13. Лозинский С. Н., Ломовцева М. Н., Автоматический
контроль вагонов в пути следования. — Ж.-Д- трансп., 1979, № 11,
с. 32—36.
14. Б ер зии В. А. Зарубежный опыт эксплуатации устройств об-
наружения перегретых букс. — Ж.-Д- трансп. за рубежом, 1977, № 7,
с. 44—49.
15. Орлов М. В. Исследование температурного режима буксового
узла грузовых вагонов. — Вестник ВНИИЖТ, 1962, № 2, с. 34—37.
16. Поляков А. И. Тепловой баланс вагонной буксы. — Тр.
ВНИИЖТ, 1970, вып. 405, с. 80—88.
17. Петров В. А., Цюренко В. Н. Натяги и зазоры в роли-
ковых подшипниках букс вагонов. М.: Транспорт, 1978. 40 с.
18. Стромский П. П. Определение потерь на трение осей в
подшипниках по тепловому балансу буксы.—Вестник ВНИИЖТ, 1973,
№ 4, с. 19—22.
19. Я ц ы н о А. Т., Ц у р к а н И. Г.. Гольштейн М. Г.
Исследования влияния вязкости осевых масс на работу подшипников
скольжения. — Тр. ВНИИЖТ, 1970, вып. 400, с. 115—128.
20. Образцов В. Л., Самодуров В. И., Лозинский
С. Н. О перспективах применения информационно-логических систем
контроля в вагонном хозяйстве. — Тр. УЭМИИТ, 1970, вып. 29,
с. 14—30.
21. Берзин В. А., Миронов Э. Г., Лозинский С. Н. Ис-
следование термодинамических процессов в вагонных буксах с под-
шипниками скольжения. — Вестник ВНИИЖТ, 1977, № 4, с. 25—27.
22. О б р а з ц о в В. Л., О р л о в М. В., С а м о д у р о в В. И.
Совершенствование технического обслуживания буксовых узлов с
применением аппаратуры ПОНАБ-2. — Тр. ВНИИЖТ, 1978, вып. 587,
с. 37—54.
23. Исаченко В. П., Осипова В. А., С у ком ел А. С. Теп-
лопередача. 2-е изд. М.: Энергия, 1969. 440 с.
24. Бомбардиров П. П. Вагонные буксы с подшипниками
скольжения. М.: Транспорт, 1979. 127 с.
25. О с а д ч у к Г. И., Ф а р а ф о н о в Е. С. Холодильное обору-
дование вагонов и кондиционирование воздуха. М.: Транспорт, 1974.
304 с.
26. Цуркаи И. Г., Казарновский С. Н., Колотухин
И. Н. Смазочные и защитные материалы. М.: Транспорт, 1974. 152 с.
27. Козел к ин В. В., Усольцев И. Ф. Основы инфракрасной
техники. М.: Машиностроение, 1974. 336 с.
345
28. К р и к с у н о в Л. 3. Справочник по основам инфракрасной
техники. М.: Сов. радио, 1978. 400 с.
29. Шайдуров П. С. Исследование вопросов автоматического
выявления перегретых букс железнодорожных вагонов. Кандидатская
диссертация. М.: ВНИИЖТ, 1970, 205 с.
30. Информационные характеристики некоторых элементов колес-
ной пары и буксового узла/С. Н. Лозинский, В. И. Самодуров,
Е. Е. Трестман, П. С. Шайдуров, В. С. Шалда. — Тр: ЦНИИ МПС;
вып. 494, с. 10—16.
31. Л о з и н с к и й С. Н., А л е к с е е в А. Г., Карпенко П, Н.
Аппаратура автоматического обнаружения перегретых букс в поездах.
М.: Транспорт, 1978. 160 с.
32. Шайдуров П. С. Выбор углов ориентации оптики приемных
устройств приборов обнаружения перегретых букс. — Тр. ЦНИИ
МПС, 1973, вып. 494, с. 17—23.
33. Самодуров В. И., Трестман Е. Е., Сен дер о в Г. К-
Статистические характеристики некоторых признаков инфракрасных
сигналов букс движущихся поездов. — Вестник ВНИИЖТ, 1971,
с. 36—39.
34. Л е в и н Б. Р. Теоретические основы статистической радиотех-
ники. М.: Сов. радио, 1966. 728 с.
35. Трестман Е. Е., Самодуров В. И. Определение энерге-
тического спектра последовательности тепловых сигналов от букс про-
ходящих поездов. — Тр. ЦНИИ МПС, 1973, вып. 494, с. 23—29.
36. Г у р е в и ч М. С. Спектры радиосигналов. М.: Связьиздат,
1963. 312 с.
37. Лозинский С. Н., Алексеев А. Г., Хлебников И. Я.
Требования к аппаратуре контроля букс и реализация их в ПОНАБ-3.—
Тр. ЦНИИ МПС, 1973, вып. 494, с. 51—59.
38. Трестман Е. Е. и др. Совершенствование техники обнару-
жения перегретых букс в поездах. — Тр. Уральского отделения
ВНИИЖТ, 1976, вып. 20, с. 18—25.
39. Л а п л е ш М. Обнаружение греющихся букс. Бюл. Междуна-
родной ассоциации железнодорожных конгрессов, 1968, № 5,
с. 30—48.
40. Т р е с т м а и Е. Е., Миронов Э. Г., Ло зинский С. Н.
Оценка погрешности бесконтактного определения температуры корпу-
сов букс по инфракрасному излучению. — Тр. ВНИИЖТ, 1979, вып.
609, с. 15—27.
41. Миронов Э. Г., Бродников И. У. Приемо-усилительный
тракт со скоростной коррекцией и стробированием на базе интеграль-
ных микросхем. — Тр. VIII НТК Уральского отделения ВНИИЖТ,
1976, с. 31—36.
42. Горелик А. Л., Скрипкин В. А. Методы распознавания.
М.: Высшая школа, 1977. 222 с.
346
43. Барабаш Ю. Л., Барский Б. В. Вопросы статистической
теории распознавания. М.; Сов. радио, 1967. 400 с.
44. Переезда В. П. Автоматическое распознавание образов.
М.: Энергия, 1970. 92 с.
45. Патрик Э. Основы теории распознавания образов. М.: Сов.
радио, 1980. 408 с.
46. Левин Б. Р. Теоретические основы статистической радио-
техники. М.: Сов. радио, 1968. 503 с.
47. Самодуров В. И., Т р е с т м а н Е. Е. О потенциальной
информативности аппаратуры автоматического обнаружения перегре-
тых букс в движущихся поездах. — Тр. ЦНИИ МПС, 1973, вып.
494, с. 30—38.
48. Градштейи И. С., Рыжик И. М. Таблицы интегралов,
сумм, рядов и произведений. М.: Изд. Физико-математической лите-
ратуры, 1963. 110 с.
49. Трестман Е. Е., Самодуров В. И., Лозинский С. Н.
Влияние критерия аварийности на информативность аппаратуры обна-
ружения перегретых букс. — Тр. ЦНИИ МПС, вып. 494, с. 38—43.
50. Г и т л и ц М. В. Магнитная запись в системах передачи ин-
формации. М.: Связь, 1978. 304 с.
51. Шмерман X. Б., Трестмаи Е. Е. Влияние информации о
типе подшипника на автоматическое распознавание греющихся букс.—
Вестник ВНИИЖТ, № 8, 1977, с. 23—26.
52. Ш м е р м а н X. Б., Трестмаи Е. Е. Исследование методов
обработки информации при выявлении перегретых букс. — Тр.
ВНИИЖТ, 1979, вып. 609, с. 27—38.
53. Трестман Е. Е., Самодуров В. И. Обнаружение пере-
гретых букс подвижного состава по двум признакам распознавания.—
Тр. ЦНИИ МПС, 1973, вып. 494, с. 43—51.
54. А. с. 332482 (СССР). Устройство для автоматического распоз-
навания греющихся букс. Е. Е. Трестман, В. И. Самодуров, В. Л.
Образцов. — Заявл. 14.05.70 (1438743/18—24). Опубл. 14.03.72 МКИ
608 в 19/00. Бюл. Открытия. Изобрет. Пром, образцы. Товар, знаки,
1972, № 10, с. 201.
55. А. с. 432029 (СССР). Устройство автоматического обнаруже-
ния перегретых букс подвижного состава. В. И. Самодуров Е. Е.
Трестмаи. — Заявл. 10.09.71 (1695915/27—11). Опубл. 15.06.74 МКИ
В61к9/06. Бюл. Открытия. Изобретения. Пром, образцы. Товар, знаки,
1974, № 22, с. 47.
56. А. с. 578212 (СССР). Устройство автоматического распознава-
ния греющихся букс. Е Е. Трестман. X. Б. Шмерман. — Заявл.
04.06.73. (1926113/27—11).’ Опубл. 30.10.77 МКИ В61к9/04. Бюл. От-
крытия. Изобрет. Пром, образцы. Товар, знаки, 1977, № 40, с. 49.
57. А. с. 390672 (СССР). Устройство автоматического обнаружения
перегретых букс ж.-д. подвижного состава. Е. Е. Трестман, В. И. Са-
347
модуров, А. И. Лихачев. — Заявл. 01.10.71 (1703375/27—11). Опубл.
11.07.73 МКИНОЗк 19/30. Бюл. Открытия. Изобрет. Пром, образцы.
Товар, знаки, 1973, № 30, с. 192.
58. Смирнов Н. В., Дудин-Б арковский И. В. Курс тео-
рии вероятностей и математической статистики. М.: Наука, 1965. 511 с.
59. А. с. 677971 (СССР). Способ контроля перегретых букс. Е. Е.
Трестман, С. Н. Лозинский, М. В. Орлов. — Заявл. 14.05.76
(2359927/27—11). Опубл. 05.08.79. МКИ В61к9/04. Бюл. Открытия.
Изобрет. Пром, образцы. Товар, знаки, 1979, № 29, с. 69
60. Тр е с т м а и Е. Е. Принципы построения системы цент-
рализованного сбора и обработки информации при комплексном конт-
роле технического состояния подвижного состава в пути следования,—
В кн.: Совершенствование методов и средств автоматизации производ-
ственных процессов на ж.-д. транспорте. — Тр. VIII НТК Уральского
отделения ВНИИЖТ, 1976, с. 9—18.
61. Трестман Е. Е. Исследование помех в кабельных линиях
связи аппаратуры ПОНАБ. — Тр. ВНИИЖТ, 1979, вып. 609,
с. 67—72.
62. Бомштейн Б. Д., Киселев Л. К., Моргачев Е. Т. Ме-
тоды борьбы с помехами в каналах проводной связи. М.: Связь, 1975,
248 с.
63. Шварцман В. О., Зубовский Л. И., Пугач А. Б.
Каналы передачи данных. М.: Связь, 1970, 304 с.
64. Андрионов В. П., Фереферов Ю. С., Марский А. Г.
Передача данных на железнодорожном транспорте. М.: Транспорт,
1974. 208 с.
65. Ратнер М. П. Индуктивное влияние электрифицированных
железных дорог на электрические сети и трубопроводы. М.: Транспорт,
1966, 241с.
66. Гойхмаи Э. Ш., Лосев Ю. И. Передача информации в
автоматизированных системах управления. М.: Связь, 1971. 169 с.
67. 3 ю к о А. Г. Помехоустойчивость и эффективность систем
связи. М.: Связьиздат, 1963. 320 с.
68. П е т р о в и ч Н. Т. Передача дискретной информации в ка-
налах с фазовой манипуляцией. М.: Сов. радио, 1965. 263 с.
69. .111варцман В. Д., ЕмельяиовГ. А. Теория передачи
дискретной информации. М.: Связь, 1979. 424 с.
70. П у р т о в Л. П. Основные закономерности распределе-
ния ошибок в дискретных каналах связи. Электросвязь, № 2, 1967,
с. 38—49.
71. Гуров В. С., Емельянов Г. А., Етрухин Н. Н. Пере-
дача дискретной информации и телеграфия. М.: Связь, 1974. 323 с.
72. Блох Э. Л., Попов О. В., Турин В. Я. Модели источни-
ка ошибок в каналах передачи цифровой информации. М.: Связь,
348
73. А. с. 326442 (СССР). Способ распознавания типа подшипников
колесной пары вагона в поезде при его движении. В. Л. Образцов —
Заявл. 26.10.70 (1488587/27—11). Опубл. 22.02.72 МКИ G01 в 9^00.
Бюл. Открытия. Изобрет. Пром, образцы. Товар, знаки, 1972, № 4,
с. 143.
74. А. с. 384716 (СССР). Селектор букс по типу подшипника на
подвижном составе./В. Л. Образцов, П. С. Шайдуров — Заявл.
12.04.71 (164369/27—11). Опубл. 24.06.74. МКИ В611 125/02 Бюл. От-
крытия. Изобрет. Пром образцы. Товар, знаки, 1974, № 25, с. 58.
75. А. с. 759374 (СССР). Устройство для автоматического распоз-
навания букс по типу подшипника./С. Я. Быков, В. Л. Образцов —
Заявл. 16.01.78 (2571241/27—11). Опубл. 3.09.80. МКИ В61 125/02.
Бюл. Открытия. Изобрет. Пром, образцы. Товар, знаки, 1980, № 32,
с. 71.
76. А. с. 498196 (СССР). Способ распознавания типа буксы ко-
лесной пары вагона при движении поезда./Е. Е. Трестман, С. Н. Ло-
зинский. — Заявл. 4.12.73 (1974720/27—11). Опубл. 05.07.76 МКИ
В61к9/06. Бюл. Открытия. Изобрет. Пром, образцы. Товар, знаки,
1976, № 1, с. 57.
77. А. с. 514-741 (СССР). Устройство для распознавания букс по
типу подшипника./В. А. Берзин, Е. Е. Трестман, С. Н. Лозинский- —
Заявл. 14.01.75 (2099261/11). Опубл. 25.05.76 МКИ В61к9/06. Бюл.
Открытия. Изобрет. Пром, образцы. Товар, знаки, 1976, № 19, с. 39.
78. А. с. 569471 (СССР). Устройство для распознавания букс по
типу подшипника./Н. И. Горлач, С. Н. Лозинский, Е. Е. Трестман—
Заявл. 19.12.75 (2301173/11). Опубл. 25.08.77 МКИ В61к9/06. Бюл.
Открытия. Изобрет. Пром, образцы. Товар, знаки, 1977, № 31, с. 42.
79. О б р а з ц о в В. Л., Быков С. Я., Ш а й д у р о в П. С.
Оптико-электронное распознающее устройство для коррекции порога
обнаружения перегретых букс по типу подшипника. — Тр. ВНИИЖТ,
1979, вып. 609, с. 48—58.
80. О возможности распознавания типа букс по тепловым сигна-
лам/Е. Е. Трестман, X. Б. Шмерман, Н. И. Глазкова, С. Н. Лозинский —
Тр. ВНИИЖТ, 1979, вып. 609, с. 58—66.
81. А. с. 743910 (СССР). Селектор букс по типу подшипника/
Е. Е. Трестман, С. Н. Лозинский, Э. Г. Миронов. — Заявл. 02.07.74
(2042320/27—11). Опубл. 30.06.80 МКИ В61к9/04 Бюл. Открытия.
Изобрет. Пром, образцы. Товар, знаки, 1980, № 24, с. 70.
82. А. с. 749719 (СССР). Селектор букс по типу подшипника под-
вижного состава./ С. Н. Лозинский, Е. Е. Трестман, А. Г. Алексеев. —
Заявл. 31.05.74 (2029551/27—11). Опубл. 23.07.80 МКИ В61к9/04 Бюл.
Открытия. Изобрет. Пром, образцы. Товар, знаки, 1980, № 27, с. 76.
349
ОГЛАВЛЕНИЕ
От авторов ...................................................3
1. КОНТРОЛЬ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ БУКС В ЭКСПЛУАТАЦИИ
1.1. Общие сведения по аппаратурному контрою букс ... 5
1.2. Особенности конструкции и причины перегрева букс . . 13
1.3. Температурный режим буксовых узлов с подшипниками
качения и скольжения.........................................19
1.4. Критерии работоспособности буксовых узлов в эксплуатации 44
1.5. Взаимосвязь между температурой элементов буксового
узла и колесной пары.........................................47
2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КОНТРОЛЯ БУКСОВЫХ УЗЛОВ
МЕТОДАМИ ИНФРАКРАСНОЙ ТЕХНИКИ
2.1. Основные зоны инфракрасного излучения .... 54
2.2. Характеристики инфракрасного излучения букс ... 58
2.3. Влияние различных факторов на мощность инфракрасного
излучения букс ..............................................52
2.4. Методы измерения .......................................67
2.5. Приемники инфракрасного излучения букс .... 70
2.6. Выбор контролируемых элементов буксового узла и углов
ориентации оптических систем приемников .... 76
3. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ БУКСОВЫХ УЗЛОВ ПРИ КОНТРОЛЕ
3.1. Статистические характеристики телеметрических сигналов
букс . ..........................................85
3.2. Энергетические характеристики телеметрических сигналов
букс . ..........................................99
3.3. Оценка требуемой точности измерения температуры буксы
по инфракрасному излучению .................................105
3.4. Принцип построения измерительного тракта аппаратуры ав-
томатического контроля букс.................................108
350
3.5. Основные погрешности измерительного тракта аппаратуры
автоматического контроля букс................................118
3.6. Коррекция скоростной погрешности приемо-усилительного
тракта аппаратуры автоматического контроля букс . . 128
3.7. Коррекция температурной погрешности измерительного
тракта аппаратуры автоматического контроля букс . 133
4. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА АВТОМАТИЧЕСКОГО
РАСПОЗНАВАНИЯ ПЕРЕГРЕТЫХ БУКС
4.1. Основные задачи автоматического контроля букс на ходу
поезда ......................................................138
4.2. Признаки распознавания греющихся букс .... 146
4.3. Анализ признаков распознавания греющихся букс. Корре-
ляция между признаками.......................................161
4.4. Потенциальная информативность различных признаков рас-
познавания греющихся букс....................................169
4.5. Влияние критерия аварийности на информативность при-
знаков распознавания и аппаратуры обнаружения перегре-
тых букс.....................................................180
4.6. Влияние шумов на точность распознавания греющихся букс 184
4.7. Влияние информации о типе подшипника буксового узла
на точность автоматического распознавания греющихся
букс ..........................................199
4.8. Обнаружение перегретых букс по двум признакам распо-
знавания ......................................209
4.9. Обнаружение перегретых букс по нескольким признакам
распознавания ..................................224
4.10. Синтез решающих устройств аппаратуры автоматического
контроля букс . •............................................230
5. ПЕРЕДАЧА И РЕГИСТРАЦИЯ ДАННЫХ ПРИ АВТОМАТИЧЕСКОМ
КОНТРОЛЕ БУКСОВЫХ УЗЛОВ
5.1. Основные требования к аппаратуре связи в системах кон-
троля букс поездов...........................................246
5.2. Помехи в линейных цепях и каналах связи системы контро-
ля букс......................................................256
5.3. Методы передачи аналоговых сигналов и их погрешность . 263
5.4. Методы передачи дискретных сигналов, их помехоустой-
чивость .....................................................280
5.5. Технические средства передачи аналоговых телеметриче-
ских сигналов................................................294
5.6. Технические средства передачи дискретных сигналов . . 298
5.7. Устройства вывода информации в аппаратуре контроля
букс ..........................................309
351
6. ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ МОДЕЛЕЙ
АППАРАТУРЫ КОНТРОЛЯ БУКСОВЫХ УЗЛОВ
6.1. Принципы построения аппаратуры ПОНАБ-3 321
6.2. Аппаратура обнаружения перегретых букс компании
Servo corporation of America (США) 326
6.3. Аппаратура обнаружения перегретых букс компании Gene-
ral Electric (США)........................................332
6.4. Аппаратура обнаружения перегретых букс компании CSEE
(Франция) ...................................337
6.5. Аппаратура обнаружения перегретых букс компании Haw-
ker siddetey dunamics engineering (Англия) .... 341
6.6. Аппаратура обнаружения перегретых букс МН2 националь-
ного предприятия Tesla (ЧССР).............................342
Использованная литература ................................... 344
Ефим Елиезарович Трестман, Степан Николаевич Лозинский,
Валентин Леонидович Образцов
АВТОМАТИЗАЦИЯ КОНТРОЛЯ БУКСОВЫХ УЗЛОВ В ПОЕЗДАХ
Переплет художника Ю. Н. Егорова
Технический редактор Н. Д, Муравьева
Корректор Г. А. Попова
ИБ № 1693
Сдано в набор 17.08.82. Подписано в печать 10.03.83. Т-03088.
Формат 70X108‘/»s. Бум. тип. № 1. Гарнитура литературная. Высокая печать.
Усл. печ. л. 15,4. Усл. кр.-отт. 15,66. Уч.-изд. л. 16,49. Тираж 6000 экз.
Заказ 4947. Цена 2 р. 10 к.
Изд. № 1-4-1/6 № 9831
Издательство «ТРАНСПОРТ», 107174, Москва, Басманный туп., 6а.
Ордена Трудового Красного Знамени типография изд-ва «Волжская коммуна»,
443086ГСП, г. Куйбышев, проспект Карла Маркса, 201.