EA012776B1 - Способ мониторинга параметров колесной пары и ее положения относительно рельсового пути - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для автоматизированного контроля технического состояния колесной пары рельсового подвижного состава в процессе ее эксплуатации. Заявлен способ мониторинга параметров колесной пары и ее положения относительно рельсового пути, заключающийся в том, что облучают световым излучением рабочую поверхность колеса, принимают рассеянное излучение от точек на облучаемой рабочей поверхности колеса, измеряют координаты этих точек и по полученным координатам восстанавливают законченный профиль колеса, который сравнивают с эталонным профилем колеса колесной пары. Новым является то, что во время измерения координат на рабочей поверхности колеса дополнительно измеряют его вертикальное перемещение относительно рельса и частотный спектр ударных нагрузок колеса о рельс, после чего используют дополнительно измеренные характеристики для выявления дефектов, связанных с неравномерным износом колеса, а затем, на основании всех измеренных параметров колеса делают вывод о возможности дальнейшей эксплуатации колесной пары.

Description

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для автоматизированного контроля технического состояния колесной пары рельсового подвижного состава в процессе ее эксплуатации.

Предшествующий уровень техники

В настоящее время в связи с ростом скоростей движения рельсового транспорта и ускоренным старением подвижного состава особенно актуальной становится задача объективного контроля за техническим состоянием железнодорожного подвижного состава. Одними из наиболее нагруженных узлов железнодорожного вагона, требующими постоянного контроля, являются колесные пары, изменяющие свои параметры в процессе эксплуатации. Проводимые периодические осмотры вагонов на станциях требуют значительных временных затрат, что существенно увеличивает время в пути. При этом при осмотрах присутствует элемент субъективизма, т.к. качество осмотра зависит от квалификации осмотрщика вагонов, количества обслуживаемого персонала и т.п. Для исключения элементов субъективизма, необходим постоянный автоматизированный мониторинг железнодорожного подвижного состава.

Кроме того, одним из наиболее важных параметров колесной пары является ее положение относительно рельсового пути, который практически не в состоянии обнаружить осмотрщик вагонов.

Известен способ выявления дефектов на поверхности катания колеса (см. авт.св. №1066866, кл. В61К 9/12), основанный на измерении вертикального виброускорения рельса. Известный способ позволяет производить оценку тех дефектов колеса, которые приводят к появлению ударных нагрузок о рельс, в частности, эллипсности колеса и дефектов поверхности катания колеса тормозного происхождения, таких как ползуны, наплывы, глубокие риски и выщербины.

Основным недостатком известного способа является сложность выявления дефектов поверхности катания колеса на низких скоростях. В основном это связано с тем, что чувствительность метода пропорциональна квадрату скорости, а значит, при скоростях до 30 км/ч резко снижается вероятность обнаружения дефекта.

Кроме того, известный способ не позволяет обнаруживать дефекты гребня колеса, что существенно ограничивает его возможности.

Известен способ измерения параметров качения колеса железнодорожного вагона (см. патент РФ № 2153432, кл. В61К 9/12), основанный на прокатывании колеса со скоростью маневрирования наружным краем поверхности качения по специальной стальной плите и облучении при этом плоским лучом света внутренней части поверхности катания колеса. Синхронно с облучением производят захват изображения светящегося профиля колеса при помощи телекамеры и после дальнейшей обработки полученного изображения на ЭВМ осуществляют визуализацию измеренного профиля на мониторе.

Известный способ позволяет автоматизировать процесс измерения параметров качения колеса, но при этом имеет два существенных недостатка.

Во-первых, для измерения используется специальная установка, которая механически удерживает колесо на стальной плите, захватывающей только наружную часть поверхности качения. Поэтому процесс измерения проходит на скорости маневрирования вагонов, а не в реальных условиях эксплуатации.

Во-вторых, известный способ не позволяет существенно ускорить время проведения технического осмотра по сравнению с традиционным способом осмотра состава осмотрщиками, хотя превосходит последний по степени объективности контроля.

Известен способ контроля поверхности катания колеса (ΌΕ, № 3611795, кл. О01В 11/24, 11/14), заключающийся в освещении в момент измерения поверхности катания колеса в процессе вращения, регистрацию фотоприемниками отраженного света в определенных точках пространства и обработке сигналов фотоприемников. Освещение и сканирование поверхности катания производят при помощи двух источников: неподвижного точечного и сканирующего при помощи зеркального барабана последовательность точек на поверхности катания перпендикулярно направлению движения, а регистрацию отраженного света осуществляют при помощи двух групп фотоприемников, расположенных в фиксированных точках пространства относительно оси вращения колеса и под определенными углами к поверхности катания колеса.

Известный способ позволяет производить контроль поверхности катания колеса во время движения вагона, но для получения воспроизводимых достоверных значений, пригодных для практического применения, необходимо жестко фиксировать фотоприемники относительно тележки вагона. Фактически указанный способ пригоден лишь для измерения параметров поверхности катания колес конкретного вагона, а не всех вагонов состава.

Кроме того, известный способ не позволяет измерять параметры гребня колеса, что также существенно ограничивает его возможности.

Известен способ мониторинга геометрических параметров колесной пары и ее пространственного положения относительно пути (см. патент РФ 2180300, кл. В61К 9/12, 2002 г.), заключающийся в том, что колесо облучают источником света и принимают картину отраженных световых пятен, устанавливают излучатели и фотоприемники для левого и правого колес симметрично относительно участка пути, формируют симметричные совокупности световых лучей для левого и правого колес в горизонтальных и вертикальных плоскостях с числом параллельных лучей в каждой плоскости не менее двух, причем вза

- 1 012776 имное расположение лучей в совокупностях определяется размерами элементарных конических поверхностей и диаметров колес, модулируют синфазно совокупности световых лучей для левого и правого колес, облучают рабочие поверхности катания и гребней левого и правого колес, контролируют высоту лучей над головками рельсов, преобразуют пространственные совокупности полученных световых пятен в информацию о геометрических параметрах отдельных фрагментов профилей левого и правого колес, в том числе об угле конусности элементарных поверхностей, сопрягают отдельные фрагменты профилей с учетом мгновенных значений высоты лучей в полные профили рабочих поверхностей колес, идентифицируют пары синфазных световых пятен левого и правого колес, полученных от симметричных световых лучей, приведенных к одной высоте, по взаимному пространственному смещению световых пятен в каждой паре с учетом угла конусности элементарных поверхностей, судят о геометрических параметрах колесной пары и ее пространственном положении относительно пути.

Основным недостатком известного способа является сложность его технической реализации при движении состава. Это связано с тем, что измерение параметров колеса производят путем преобразования пространственных совокупностей полученных световых пятен в информацию о геометрических параметрах отдельных фрагментов профилей левого и правого колес, сопряжением отдельных фрагментов профилей с учетом мгновенных значений высоты лучей в полные профили рабочих поверхностей колес. Проводить указанные измерения и восстановление профиля колеса невозможно в реальном времени, а значит, необходимы специальные участки дорог для мониторинга параметров колесных пар.

Кроме того, в известном способе мониторинга осуществляют прием отраженного излучения световых пятен. Известно, что отраженный световой сигнал во многом зависит от поверхности отражения. Если поверхность отражения загрязнена, то отраженный сигнал практически будет отсутствовать. При этом необходимо учесть и то обстоятельство, что принимать отраженный сигнал нужно в строго заданном месте. Изменение наклона отражающей поверхности (выработка на колесе) приведет к отклонению отраженного светового пятна.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению, является взятый в качестве прототипа способ мониторинга параметров колесной пары и ее положения относительно рельсового пути (см. патент РФ № 2266226, кл. В61К 9/12, 2005 г.), который заключается в том, что облучают световым излучением рабочую поверхность колеса и по принятому излучению определяют профиль колеса и положение колесной пары относительно рельсового пути, при этом в качестве принятого излучения используют рассеяное излучение от точек на облучаемой рабочей поверхности колеса, измеряют координаты этих точек и по полученным координатам формируют законченный профиль колеса, который сравнивают с эталонным профилем колеса колесной пары, а по результатам сравнения делают вывод о возможности дальнейшей эксплуатации колесной пары.

Основным недостатком известного способа является то, что он эффективно регистрирует дефекты поверхности колеса, связанные лишь с равномерным износом поверхности катания и гребня колеса, но практически не обнаруживает дефекты, связанные с неравномерным износом, такие как ползуны, наплывы, глубокие риски и выщербины. Это связано с тем, что профиль колеса восстанавливают по точкам, лежащим на освещаемой линии рабочей поверхности. Если дефект не попадет непосредственно на освещаемую линию, то он и не будет выявлен, а, следовательно, вероятность его обнаружения ничтожна мала.

Раскрытие изобретения

В основу изобретения поставлена задача расширения функциональных возможностей заявляемого способа за счет дополнительного обнаружения неравномерных дефектов колеса независимо от их локализации на его рабочей поверхности.

Указанная задача в способе мониторинга параметров колесной пары и ее положения относительно рельсового пути, заключающемся в том, что облучают световым излучением рабочую поверхность колеса, принимают рассеянное излучение от точек на облучаемой рабочей поверхности колеса, измеряют координаты этих точек и по полученным координатам восстанавливают законченный профиль колеса, который сравнивают с эталонным профилем колеса колесной пары, достигается тем, что во время измерения координат на рабочей поверхности колеса дополнительно измеряют его вертикальное перемещение относительно рельса и частотный спектр ударных нагрузок колеса о рельс, после чего используют дополнительно измеренные характеристики для выявления дефектов, связанных с неравномерным износом колеса, а затем на основании всех измеренных параметров колеса делают вывод о возможности дальнейшей эксплуатации колесной пары.

Указанное выполнение способа, позволяет в автоматизированном режиме выявлять не только дефекты поверхности колеса, связанные с равномерным износом поверхности катания и гребня колеса, но и дефекты, связанные с неравномерным износом, такие как ползуны, наплывы, глубокие риски и выщербины.

С целью обеспечения высокой надежности измерений вертикального перемещения колеса относительно рельса в любых погодных условиях (снег, дождь, град, метель), а также в условиях повышенной загрязненности рельсового пути угольной пылью и грязью используют магнитоэлектрические датчики, установленные на длине развертки рабочей поверхности колеса под его гребнем.

- 2 012776

Для измерения частотного спектра ударных нагрузок колеса о рельс используют контактные механические и/или пьезоэлектрические, и/или магнитоэлектрические датчики, установленные на длине развертки рабочей поверхности колеса.

Заявляемый способ мониторинга параметров колесной пары и ее положения относительно рельсового пути позволяет объективно контролировать параметры равномерного и неравномерного износа поверхностей катания колесной пары и ее гребней при ее движении по рельсовому пути в реальном времени, что не имеет аналогов в измерительной технике, используемой на железнодорожном транспорте.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 представлен рисунок устройства для реализации заявляемого способа в части выявления дефектов равномерного износа колеса. Устройство включает колесную пару 1 с колесами 2, находящуюся на рельсовом пути 3; оптический дальномер 4 для наружной стороны колеса со сканирующим лучом 5, оптический дальномер 6 для внутренней стороны колеса со сканирующим лучом 7; блок обработки информации 8, соединенный с компьютером 9.

На фиг. 2 представлен рисунок, поясняющий принцип формирования профиля колеса, используемый для выявления дефектов равномерного износа колеса.

На фиг. 3 представлен рисунок для реализации заявляемого способа в части выявления дефектов неравномерного износа колеса. Устройство включает колесо 2 с ободом 10, под которым расположен магнитоэлектрический датчик 11, установленный на скобе 12; датчик ударных нагрузок 13.

На фиг. 4 представлены графики зависимости вероятности выявления дефекта неравномерного износа колеса от скорости движения состава различными методами: 14 - методом измерения высоты гребня колеса; 15 - методом измерения ударных нагрузок колеса о рельс.

На фиг. 5 представлены графики сигналов с выхода магнитоэлектрического датчика: 5а - сигнал 16 эталонного колеса; 5б - сигнал 17 дефектного колеса (дефекты в виде ползунов и наваров высотой 0,1-0,2 мм).

На фиг. 6 приведены фрагменты развертки сигнала с датчика ударных нагрузок: 18 - сигналы дефектов, допустимые для дальнейшей эксплуатации; 19 - сигналы дефектов, недопустимые для дальнейшей эксплуатации; 20 и 21 - пороговые значения амплитуды сигналов.

На фиг. 7 представлен реально снятый график профиля внутренней поверхности колеса.

На фиг. 8 представлен реально снятый график профиля наружной поверхности колеса.

Лучший вариант осуществления изобретения

Заявляемый способ мониторинга осуществляется следующим образом. При движении по рельсовому пути 3 колесная пара 1 попадает в поле зрения оптических дальномеров 4 и 6, которые своими световыми лучами 5 и 7 сканируют наружный и внутренний профиль колеса 2 (см. фиг. 1 и 2). Оптический дальномер 6, сканируя лучом 7, формирует текущую координату Υ₁ внутренней поверхности колеса 2, а оптический дальномер 4, сканируя лучом 5, формирует текущую координату Υ₂ его наружной поверхности. Сигнал от оптического дальномера 6 используется в качестве базового сигнала, необходимого для привязки начала координат оптического дальномера 4, т.к. внутренняя поверхность колеса выбрана в качестве базовой поверхности для определения координат его наружного профиля. Перед началом измерений производят юстировку оптических дальномеров, т.е. производят точное определение координаты Х₀ (расстояние между оптическими дальномерами 4 и 6), которую вносят в качестве исходной координаты в блок обработки информации 8. Перед началом измерений текущих координат для каждого из колес состава из блока 8 по сигналу первого (по ходу поезда) магнитоэлектрического датчика 11 поступает сигнал на включение оптических дальномеров. Сигналы с оптических дальномеров 4 и 6 в виде набора текущих координат точек сканируемых поверхностей колес поступают на блок обработки информации 8, где из них формируют законченный профиль поверхности колеса (см. фиг. 7 и 8). После определения указанных профилей их сравнивают с эталонными сигналами, записанными в память компьютера 9 и делают выводы о наличии или отсутствии дефектов равномерного износа колеса, запрещающих дальнейшую эксплуатацию колесной пары. Указанное сравнение полученных и эталонных профилей без дополнительных измерений позволяет получить информацию о положении колесной пары относительно рельсового пути. Для этого сравнивают начальные координаты колес, например Υ₁ правого колеса с Υ₁ левого колеса. Если один из полученных профилей «обгоняет» другой, значит, присутствует элемент перекоса оси 1.

Одновременно с выявлением дефектов равномерного износа колеса производят выявление дефектов неравномерного износа колеса. Для этого с ряда последовательно установленных магнитоэлектрических датчиков 11 установленные на длине развертки рабочей поверхности колеса 2 под его гребнем 10 поступают сигналы 17. По времени задержки сигналов 17 с двух установленных друг за другом на заданном расстоянии датчиков 11 компьютер 9 определяет скорость движения состава и согласно графикам 14 и 15 (фиг. 4) и выбирает, какому из двух методов измерения следует отдать предпочтение. При скоростях до 35 км/ч наиболее точным является метод измерения высоты гребня колеса, а при скоростях более 35 км/ч - методом измерения ударных нагрузок колеса о рельс. При использовании метода измерения высоты гребня колеса сигнал 17 сравнивается с эталонным сигналом 16, записанным в память компьютера 9, и по форме отклонения (горб, выемка или уплощенный участок кривой 17) определяется вид дефекта

- 3 012776 наплыв, ползун, глубокая риска или выщербина. На скоростях выше 35 км/ч используется метод измерения ударных нагрузок колеса о рельс, для чего сигналы с датчика 13 после компьютерной обработки выводятся в виде непрерывной ломаной линии (фиг. 6), на которой отмечены предельно допустимые значения амплитуд 20 и 21. В случае превышения сигналами (сигнал 19) указанных предельных значений амплитуды данная колесная пара для дальнейшей эксплуатации признается не годной.

Таким образом, после получения компьютером 9 всех данных о конкретной колесной паре: наличие или отсутствие дефектов, связанных с равномерным износом и препятствующих ее дальнейшей эксплуатации; наличие или отсутствие дефектов, связанных с неравномерным износом и препятствующих ее дальнейшей эксплуатации; наличие или отсутствие дефектов, связанных с положением колесной пары относительно рельсового пути и препятствующих ее дальнейшей эксплуатации, делается окончательный вывод о годности или негодности указанной колесной пары.

Техническая применимость

Проведенные натурные испытания макета устройства, реализующего заявляемый способ, полностью подтвердили его работоспособность и применимость для мониторинга параметров колесных пар подвижного состава и их положения относительно рельсового пути в диапазоне скоростей от 5 до 90 км/ч. В качестве магнитоэлектрических датчиков был использованы индуктивные датчики по патенту РФ на полезную модель №48172. В качестве датчика ударных нагрузок колеса о рельс использовались пьезоэлектрические датчики марки АП-6 (производитель Россия).

Claims (3)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Способ мониторинга параметров колесной пары и ее положения относительно рельсового пути, заключающийся в том, что облучают световым излучением рабочую поверхность колеса, принимают рассеянное излучение от точек на облучаемой рабочей поверхности колеса, измеряют координаты этих точек и по полученным координатам восстанавливают законченный профиль колеса, который сравнивают с эталонным профилем колеса колесной пары, отличающийся тем, что во время измерения координат на рабочей поверхности колеса дополнительно измеряют его вертикальное перемещение относительно рельса и частотный спектр ударных нагрузок колеса о рельс, после чего используют дополнительно измеренные характеристики для выявления дефектов, связанных с неравномерным износом колеса, а затем, на основании всех измеренных параметров колеса, делают вывод о возможности дальнейшей эксплуатации колесной пары.
2. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для измерения вертикального перемещения колеса относительно рельса используют магнитоэлектрические датчики, установленные на длине развертки рабочей поверхности колеса под его гребнем.
3. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для измерения частотного спектра ударных нагрузок колеса о рельс используют контактные механические и/или пьезоэлектрические, и/или магнитоэлектрические датчики, установленные на длине развертки рабочей поверхности колеса.