Совершенствование диагностики контактной сети электрифицированных железных дорог на основе сквозных цифровых технологий

Актуальность темы исследования. Стратегия научнотехнологического развития холдинга «РЖД» на период до 2025 года на перспективу до 2030 года (Белая книга), утвержденная Распоряжением ОАО «РЖД» от 17 апреля 2018 г. № 769/р [1], предлагает повышение эффективности функционирования транспортного комплекса, определяет направления научно-технического развития ОАО «РЖД» и является базисом для разработки документов по реализации целей и задач. Основные направления научно-технологического развития хозяйства электроснабжения сопряжено ликвидацией «узких» мест, ограничивающих пропускную способность транспортных коридоров, обеспечением требуемой надежности устройств и элементов контактной сети и других систем, входящих в инфраструктурный комплекс железнодорожного транспорта и осуществляющих безопасность движения поездов [2-4]. Одним из целевых параметров Стратегии является использование сквозных цифровых технологий диагностики контактной сети. Рост скоростей движения поездов приводит к увеличению динамических воздействий на контактную сеть, увеличение веса поездов обуславливает существенное возрастание тяговых токов, вызывающих нагрев элементов контактной сети, что, в свою очередь, служит источником потери механической прочности конструкции контактной сети и нарушает ее геометрию. Известно, что при скоростях больше 160 км/ч не допускается использование контактной сети с контактными проводами с износом более 20% от номинального сечения, при этом, на других участках такая норма приемлема [5-7]. С учетом того, что на сети ОАО «РЖД» используется «совмещенное» движение скоростных и тихоходных поездов, норма «… не более 20%» должна соблюдаться повсеместно, а для этого необходим практически непрерывный контроль за износом проводов контактной сети. Особенно данная задача актуальна на участках, где возможно продление жизненного цикла контактной сети. Нарушение геометрии контактной сети приводит к выходу из строя устройств токосъема электроподвижного состава. Так, в 2022 г. из-за количество отказов технических средств, в результате которых допущены повреждения токоприемников (согласно информации системы КАСАНТ) составило 188 случаев, из них по причине контактного провода – 11% от общего количества случаев, разрегулировки контактной сети – 16% случаев. Всего отказов I, II, III категорий в устройствах контактной сети допущено 670, что составляет 45% от общего количества отказов, допущенных в устройствах электроснабжения. Контактная сеть выступает в качестве распределенной структуры, находится в условиях значительных динамических, вибрационных, температурных воздействий, следовательно, является сложнодиагностируемым объектом. Согласно Стратегии, основным мероприятием, направленным на снижение стоимости жизненного цикла объектов электроснабжения, является сокращение отказов технических средств и, соответственно, поездо-часов, задержек, посредством: – совершенствования мониторинга состояния устройств контактной сети; – внедрения новейших технологий и средств технической диагностики, в том числе для стационарных и мобильных средств, и перехода к ремонту устройств контактной сети по фактическому состоянию [1, 8]. Научные достижения, имеющиеся в данной области, требуют дальнейшего развития. В частности, не решены вопросы обеспечения инвариантности результатов измерения мобильных устройств геометрии контактной сети к колебаниям кузова вагона с измерительными видеокамерами, системного подхода на основе сквозных цифровых технологий. Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом госбюджетных научно-исследовательских работ, согласно «Приоритетным направлениям Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации», утвержденным Указом Президента Российской Федерации от 1 декабря 2016 г. №642, код научной темы ПН/2022 – 02/87, №122022200492-8. Целью диссертационной работы является научное обоснование и совершенствование контроля состояния контактной сети за счет комплексной диагностики контактной сети и использования сквозных цифровых технологий. Реализация поставленной цели предопределила необходимость решения следующих основных задач исследования: - проведение анализа современного состояния контактной сети как протяженной системы с неравномерно распределенными параметрами и сложнодиагностируемого объекта; - исследование современных методов диагностики и средств мониторинга контактной сети для классификации средств контроля и выявления тенденций совершенствования средств измерений; - совершенствование методики расчета фактической интенсивности отказов декомпозицией контактной сети для выявления ключевых параметров отказов; - разработка модели комплексной диагностики контактной сети, включающей мобильные и стационарные средства мониторинга, а также единый центр сбора и обработки диагностической информации, позволяющей рационально управлять процессом использования средств диагностики; - разработка методики контроля геометрии контактной сети на основе наземных и аэромобильных систем диагностики с оптоэлектронными сканерами элементов контактной сети для выявления возможностей бесконтактной диагностики; - техническая реализация принципов построения и методов технической реализации систем совершенствования диагностики контактной сети. Научная новизна полученных автором диссертации результатов исследования состоит в следующем: 1. Проведен статистический причинно-следственный поэлементный анализ отказов контактной сети, отличающийся тем, что расширен перечень элементов контактной сети, имеющих высокий показатель интенсивности отказов. 2. Разработана методика комплексирования измерительных систем мониторинга элементов контактной сети, включающая мобильные средства диагностики, стационарные устройства сбора и обработки информации, отличающаяся тем, что оптоэлектронными средствами осуществляется контроль элементов контактной сети, строится 3D модель и осуществляется диагностики геометрии контактной сети. 3. Предложен принцип разработки наземной мобильной системы мониторинга и съема информации, отличающийся тем, то в качестве первичного преобразователя информации используется стереовидеосистема, позволяющая осуществлять высокоточную съемку и позиционирование координаты съемки. 4. Разработан алгоритм управления автономной аэромобильной системой мониторинга, отличающийся тем, что позволяет комплексно осуществлять мониторинг контактной сети по многопараметрической оценке, включая мониторинг вибрации температуры, износа, зигзага контактного провода. Теоретическая и практическая значимость работы. В результате проведенных научно-практических исследований расширены функциональные возможности контактной сети, а именно: предложены комплексирование информационно-измерительных систем мониторинга; принцип построения наземно-мобильной бесконтактной стереовидеосъемки состояния элементов контактной сети и определение геометрических параметров; алгоритм построения автономной аэромобильной системы мониторинга и диагностики на базе БПЛА с дронопортом, что позволяет повысить коэффициент готовности контактной сети, снизить количество отказов и, соответственно, повысить эффективность перевозочного процесса за счет уменьшения отказов технических средств I и II категории, и тем самым повысить безопасность движения поездов. Разработанный и реализованный в работе принцип построения наземно-мобильной системы мониторинга позволяет провести оперативную видеосъемку контактной сети при нештатных ситуациях, что повысит оперативность устранения неисправностей. Предложенный и реализованный алгоритм автономной аэромобильной системы мониторинга контактной сети позволяет автоматически определять состояние несущего троса, струн, грузов компенсаторов, измерять толщину контактного провода с точностью до 1%, и габаритные размеры зигзага контактного провода до 2,5%.