RU2740539C1

RU2740539C1 - Railway wheel profile measurement method and device for implementation thereof

Info

Publication number: RU2740539C1
Application number: RU2020120566A
Authority: RU
Inventors: Сергей Алексеевич Бехер; Татьяна Викторовна Игумнова; Анатолий Анатольевич Больчанов; Антон Сергеевич Кочетков; Артем Антонович Попков
Priority date: 2020-06-15
Filing date: 2020-06-15
Publication date: 2021-01-15

Abstract

FIELD: measurement.

SUBSTANCE: invention relates to measurement equipment and is intended for measurement of surface profile of railway wheel. Method comprises scanning a wheel profile using a device. Method includes performing calibration and recording angular coordinates. Obtained information is processed in a hardware-software system which performs algorithmic processing of information in the form. Calibration is carried out by measuring a reference plane to obtain initial angles by measuring measures with reference values of wheel profile deviation. Coordinates of profile of rolling profile are corrected taking into account measured average height of profile irregularities determined by deformations of elastic element with strain gage fixed with possibility of contact with measured surface and connected to computer. Device comprises a movable part with a free end secured to move above the profile and in contact with it, and a post fixed at a right angle and a bracket for supporting the movable part. Movable part comprises one first lever and one second lever, wherein said levers are connected together at ends by first angular displacement sensor, besides, the first lever is connected to the bracket through the second sensor of angular displacements, and on the free end of the second lever the roller is fixed. Angular movement transducers are connected via microcontroller to computer. Device is equipped with a plane-parallel measure rigidly fixed on the post and fixed on the free end of the second lever with possibility of contact with the wheel profile during scanning with an elastic element with a resistive strain gage connected to the computer.

EFFECT: technical result is increased accuracy of measurements at control of geometrical parameters of railway wheel profile.

2 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к области контроля геометрических параметров сложных поверхностей, и предназначено для измерения профиля поверхности железнодорожного колеса.The invention relates to the field of measuring technology, in particular to the field of monitoring the geometric parameters of complex surfaces, and is intended to measure the surface profile of a railway wheel.

Профиль поверхности железнодорожного колеса представляет собой кривую, состоящую из сопряженных между собой поверхности гребня и поверхности катания. Данная кривая имеет и прямые участки (часть поверхности катания), и дуги окружности. Ширина железнодорожного колеса равна 135 мм, угол наклона рабочей поверхности гребня составляет 70°.The profile of the surface of a railway wheel is a curve consisting of mating surfaces of a ridge and a rolling surface. This curve has both straight sections (part of the rolling surface) and circular arcs. The width of the railway wheel is 135 mm, the angle of inclination of the working surface of the ridge is 70 °.

Известен способ измерения профиля железнодорожного колеса (см. «Методика выполнения измерений при освидетельствовании колесных пар вагонов колеи 1520 мм» РД 32 ЦВ 058-097, утв. 30.12.1997). Для контроля профиля поверхности катания колеса и фаски применяется максимальный шаблон черт. Т 447.003 КБ ЦВ ТУ 32 ЦВ 1804-95. Метод измерения контактный. Максимальный шаблон при измерении устанавливается поперек обода колеса на поверхность катания. О профиле поверхности судят по допускаемому зазору между профилем колеса и рабочей поверхностью шаблона. Отклонения профиля поверхности катания обода колеса от максимального шаблона оценивается с помощью плоских и цилиндрических щупов. Используют щупы с толщиной пластин-щупов 0,5 и 1,0 мм. Измерения выполняют в нескольких местах (не менее 3-х) по длине окружности.A known method of measuring the profile of a railway wheel (see "Technique for making measurements when examining wheelsets of wagons with a track of 1520 mm" RD 32 TsV 058-097, approved 12/30/1997). To control the profile of the rolling surface of the wheel and the chamfer, the maximum pattern is used. T 447.003 KB TsV TU 32 TsV 1804-95. Contact measurement method. The maximum gauge during measurement is set across the wheel rim on the rolling surface. The surface profile is judged by the allowable gap between the wheel profile and the working surface of the template. The deviations of the profile of the rolling surface of the wheel rim from the maximum template are estimated using flat and cylindrical feelers. Use styli with 0.5 and 1.0 mm thickness of the stylus plates. Measurements are performed in several places (at least 3) along the circumference.

Недостатком указанного способа является низкая точность проведения оценки профиля поверхности катания колеса. То есть для контроля такого сложного с геометрической точки зрения объекта, как колесо, используют измерительный инструмент в нескольких точках по длине профиля, и в нескольких поперечных сечениях, что существенно снижает точность измерений из-за большой методической погрешности. Для того, чтобы контролировать необходимые параметры, требуется несколько средств допускового контроля. Кроме того, для их использования необходимо создавать специальные методики измерений, от которых будет зависеть достоверность результатов измерений.The disadvantage of this method is the low accuracy of assessing the profile of the rolling surface of the wheel. That is, to control such a geometrically complex object as a wheel, a measuring tool is used at several points along the length of the profile, and in several cross-sections, which significantly reduces the measurement accuracy due to a large methodological error. In order to control the required parameters, several tolerance controls are required. In addition, to use them, it is necessary to create special measurement procedures, on which the reliability of the measurement results will depend.

Известен способ измерения поверхности изделия (см. патент №2336492 МПК G01B 5/004, G01B 5/20, опубл. 20.10.2008, бюл. №29), при котором на координационно-измерительной машине определяют координаты центра сферического наконечника радиусом R измерительной головки при каждом его касании с поверхностью изделия и вычисляют координаты точек касания сферического наконечника с поверхностью изделия, причем дополнительно определяют координаты центра сферического наконечника радиусом r≠R, при условии его касания с поверхностью изделия в точках, идентичных точкам касания с поверхностью изделия сферического наконечника радиусом R, при условии расположения центра сферического наконечника радиусом г на минимальном расстоянии от центра сферического наконечника радиусом R, при этом вычисление координат точек касания с поверхностью изделия осуществляют по найденным координатам центров обеих наконечников.A known method of measuring the surface of the product (see patent No. 2336492 IPC G01B 5/004, G01B 5/20, publ. 20.10.2008, bull. No. 29), in which the coordinates of the center of the spherical tip with radius R of the measuring head are determined on the coordination measuring machine each time it touches the surface of the product and calculates the coordinates of the points of contact of the spherical tip with the surface of the product, and additionally determine the coordinates of the center of the spherical tip of radius r ≠ R, provided it touches the surface of the product at points identical to the points of contact with the surface of the product of the spherical tip of radius R , provided that the center of the spherical tip of radius r is located at a minimum distance from the center of the spherical tip with radius R, while the coordinates of the points of contact with the surface of the product are calculated using the found coordinates of the centers of both tips.

Недостатком известного решения является относительно низкая точность проведения измерений, потому что неровности, меньшие по размеру относительно характерного размера меньшего измерительного наконечника - радиуса r, не подлежат измерению.The disadvantage of the known solution is the relatively low accuracy of measurements, because irregularities that are smaller in size relative to the characteristic size of the smaller measuring tip - radius r, cannot be measured.

Известен способ измерения профиля железнодорожного колеса (см. патент ЕР 0569469 В1, МПК G01B 21/20, В61К 9/02, опубл. 18.11.1993 Bulletin 1993/46), включающий сканирование профиля колеса с помощью устройства, содержащего подвижную часть со свободным концом, закрепленным с возможностью перемещения поверх профиля и неподвижную часть для поддержания подвижной части, содержащей один первый рычаг и один второй рычаг, которые соединяют вместе на концах посредством первого электронного соединения для кодирования углов, первый рычаг соединяют с неподвижной частью через второе электронное соединение для углового кодирования, а на свободном конце второго рычага закрепляют ролик, электронные соединения для кодирования углов подсоединяют к ЭВМ, осуществляют калибровку, регистрируют угловые координаты, полученную информацию обрабатывают в аппаратно-программном комплексе, осуществляющем алгоритмическую обработку информации в виде, удобном для дальнейшего использования, например, в экранно-графическом представлении отсканированного профиля.A known method of measuring the profile of a railway wheel (see patent EP 0569469 B1, IPC G01B 21/20, B61K 9/02, publ. 11/18/1993 Bulletin 1993/46), including scanning the wheel profile using a device containing a movable part with a free end fixed for movement over the profile and a stationary part for supporting a movable part containing one first arm and one second arm, which are connected together at the ends by means of a first electronic connection for coding angles, the first arm is connected to the stationary part through a second electronic connection for angle coding , and a roller is fixed at the free end of the second lever, electronic connections for coding angles are connected to a computer, calibration is performed, angular coordinates are recorded, the information obtained is processed in a hardware and software complex that performs algorithmic information processing in a form convenient for further use, for example, in screen-graphic view of the scanned profile.

Способ реализован с помощью устройства, содержащего подвижную часть со свободным концом, закрепленным с возможностью перемещения поверх профиля и находящуюся в контакте с ним, и закрепленные под прямым углом стойку и кронштейн для поддерживания подвижной части, при этом подвижная часть содержит один первый рычаг и один второй рычаг, причем указанные рычаги соединены вместе на концах посредством первого электронного соединения для кодирования углов, кроме того первый рычаг соединен с кронштейном через второе электронное соединение для углового кодирования, а на свободном конце второго рычага закреплен измерительный ролик, электронные соединения для кодирования углов подсоединены через микроконтроллер к ЭВМ. Подвижные части смонтированы с возможностью перемещения по нормали к той поверхности, профиль которой должен быть отсканирован. Угловые кодирующие устройства могут быть как одинаковыми, так и различными и каждый содержит светочувствительные диоды, которые освещаются источником света, размещенным в нем. Ролик выполнен из магнитного материала, а стойка содержит один или более постоянных магнитов. Выходные сигналы от угловых кодирующих устройств подаются на интерфейсную схему, например, типа ЕРМ5064, где сигналы обрабатываются и передаются на ЭВМ. Кроме того, стойка содержит устройство для калибровки, первая плоскость которого ориентирована в радиальном направлении колеса, а вторая плоскость - перпендикулярна ей, таким образом, производя калибровку и позиционирование измерительного ролика в пространстве для определения толщины обода колеса.The method is implemented using a device containing a movable part with a free end fixed for movement over the profile and in contact with it, and a rack and a bracket fixed at a right angle to support the movable part, while the movable part contains one first lever and one second a lever, wherein said levers are connected together at the ends by means of a first electronic connection for coding angles, in addition, the first lever is connected to the bracket through a second electronic connection for angle coding, and a measuring roller is attached to the free end of the second arm, the electronic connections for coding of angles are connected via a microcontroller to the computer. The moving parts are mounted with the ability to move along the normal to the surface, the profile of which is to be scanned. The angle encoders can be the same or different, and each contains light-sensitive diodes that are illuminated by a light source placed therein. The roller is made of magnetic material and the post contains one or more permanent magnets. The output signals from the angle encoders are fed to an interface circuit, for example, of the EPM5064 type, where the signals are processed and transmitted to a computer. In addition, the stand contains a device for calibration, the first plane of which is oriented in the radial direction of the wheel, and the second plane is perpendicular to it, thus calibrating and positioning the measuring roller in space to determine the thickness of the wheel rim.

Последовательность измерений начинается с перемещения двух рычагов таким образом, чтобы угловые кодирующие устройства проходили через их начальную или контрольную точку в устройстве для калибровки, и, таким образом, в специализированной программе вычисляется их начальный угол. После этого компьютер выдает четкий сигнал, например, акустический сигнал, и измерительное колесо (ролик) сканирующего устройства перемещается вдоль профиля для его сканирования и регистрации точек профиля в одном поперечном сечении. Начальная или контрольная точка угловых кодирующих устройств размещается в плоскости измерения профиля колеса. При определении начальной точки, рассчитывается также толщина обода колеса. Как только сканирование профиля в одной плоскости завершено, устройство можно переместить либо на новое место на соответствующем колесе, либо на другое колесо или деталь для нового сканирования.The measurement sequence begins by moving the two levers so that the angle encoders pass through their start or reference point in the calibration device, and thus their start angle is calculated in a specialized program. The computer then issues a clear signal, such as an acoustic signal, and the measuring wheel (roller) of the scanning device moves along the profile to scan it and register profile points in one cross section. The origin or reference point of the corner encoders is placed in the measurement plane of the wheel profile. When determining the starting point, the thickness of the wheel rim is also calculated. Once the profile scan in one plane is complete, the device can be moved either to a new location on the corresponding wheel, or to another wheel or part for a new scan.

Недостатком способа, принятого за прототип, является низкая точность проведения измерений. При контроле таким способом неровности, меньшие по размеру относительно характерного размера измерительного ролика, не подлежат измерению, кроме того при достижении максимального значения шероховатости поверхности, геометрия неровностей начинает влиять на точность измерений вне зависимости от высокой точности применяемых измерительных угловых кодирующих устройств.The disadvantage of the method taken as a prototype is the low accuracy of measurements. When checking in this way, irregularities that are smaller in size relative to the characteristic size of the measuring roller cannot be measured, in addition, when the maximum surface roughness is reached, the geometry of irregularities begins to affect the measurement accuracy, regardless of the high accuracy of the used measuring angular encoders.

Основной задачей изобретения является повышение точности измерений при контроле геометрических параметров профиля железнодорожного колеса.The main objective of the invention is to improve the accuracy of measurements when monitoring the geometric parameters of the profile of the railway wheel.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе измерения профиля железнодорожного колеса, включающем сканирование профиля колеса с помощью устройства, содержащего подвижную часть со свободным концом, закрепленным с возможностью перемещения поверх профиля и неподвижную часть для поддержания подвижной части, содержащей один первый рычаг и один второй рычаг, которые соединяют вместе на концах посредством первого датчика угловых перемещений, первый рычаг соединяют с неподвижной частью через второй датчик угловых перемещений, а на свободном конце второго рычага закрепляют ролик, датчики угловых перемещений подсоединяют к ЭВМ, осуществляют калибровку, регистрируют угловые координаты, полученную информацию обрабатывают в аппаратно-программном комплексе, осуществляющем алгоритмическую обработку информации в виде, удобном для дальнейшего использования, например, в экранно-графическом представлении с указанием параметров геометрии колеса, калибровку проводят путем измерения эталонной плоскости для получения начальных углов, проводят измерения мер с эталонными значениями отклонения профиля, осуществляют корректировку координат поверхности профиля катания с учетом измеренной средней высоты неровностей профиля колеса, определяемой по деформациям упругого элемента с тензорезистором, закрепленного с возможностью контакта с измеряемой поверхностью и подсоединенного к ЭВМ.The problem is solved due to the fact that in the method for measuring the profile of a railway wheel, which includes scanning the profile of the wheel using a device containing a movable part with a free end fixed with the possibility of movement over the profile and a stationary part for supporting the movable part containing one first lever and one the second lever, which are connected together at the ends by means of the first angular displacement sensor, the first lever is connected to the stationary part through the second angular displacement sensor, and a roller is fixed at the free end of the second lever, the angular displacement sensors are connected to the computer, carry out calibration, register the angular coordinates obtained information is processed in a hardware-software complex that performs algorithmic processing of information in a form convenient for further use, for example, in a screen-graphic representation with an indication of the parameters of the wheel geometry, calibration is carried out by measuring the reference p flatness to obtain the initial angles, measurements are taken of measures with reference values of the profile deviation, the coordinates of the rolling profile surface are corrected taking into account the measured average height of the wheel profile irregularities, determined by the deformations of an elastic element with a strain gauge, fixed with the possibility of contact with the measured surface and connected to the computer.

Для решения технической задачи, устройство для измерения профиля железнодорожного колеса, содержащее подвижную часть со свободным концом, закрепленным с возможностью перемещения поверх профиля и находящуюся в контакте с ним, и закрепленные под прямым углом стойку и кронштейн для поддержания подвижной части, содержащей один первый рычаг и один второй рычаг, причем указанные рычаги соединены вместе на концах посредством первого датчика угловых перемещений, закрепленным на свободном конце второго рычага с возможностью контакта с профилем колеса при сканировании, первый рычаг соединен с кронштейном через второй датчик угловых перемещений, а на свободном конце второго рычага закреплен ролик, датчики угловых перемещений подсоединены через микроконтроллер к ЭВМ, снабжено упругим элементом с тензорезистором, подсоединенным к ЭВМ, закрепленным с возможностью контакта с профилем колеса при сканировании.To solve a technical problem, a device for measuring the profile of a railway wheel, containing a movable part with a free end, fixed for movement over the profile and in contact with it, and a rack and a bracket fixed at right angles to support the movable part containing one first lever and one second lever, and the said levers are connected together at the ends by means of the first angular displacement sensor, fixed at the free end of the second lever with the possibility of contact with the wheel profile during scanning, the first lever is connected to the bracket through the second angular displacement sensor, and at the free end of the second lever is fixed roller, angular displacement sensors are connected through a microcontroller to a computer, equipped with an elastic element with a strain gauge connected to the computer, fixed with the possibility of contact with the wheel profile during scanning.

Сущность изобретения поясняется графическим изображением, где на фиг. 1 представлена схема реализации способа измерения профиля железнодорожного колеса, на фиг. 2 - способ установки устройства на железнодорожное колесо в изометрии, на фиг. 3 - исходное положение устройства при реализации способа, на фиг. 4 - конечное положение устройства при реализации способа, на фиг. 5 - график зависимости, полученной при измерении мер с эталонными значениями отклонения профиля, на фиг. 6 - экранное изображение результата измерения и расчета геометрии профиля колеса: кривая 1 - стандартизированный профиль колеса, кривая 2 - профиль, полученный заявляемым способом при сканировании эталонного образца профиля, кривая 3 - профиль бракованного колеса, полученный заявляемым способом; на фиг. 7 - электрическая схема устройства.The essence of the invention is illustrated by a graphical representation, where Fig. 1 shows a diagram of the implementation of the method for measuring the profile of a railway wheel, FIG. 2 is a perspective view of a method for mounting the device on a railway wheel; FIG. 3 - the initial position of the device when implementing the method, Fig. 4 - the final position of the device when implementing the method, FIG. 5 is a graph of the dependence obtained when measuring the measures with the reference values of the profile deviation, in Fig. 6 - screen image of the result of measuring and calculating the geometry of the wheel profile: curve 1 - standardized wheel profile, curve 2 - profile obtained by the claimed method when scanning a reference sample of the profile, curve 3 - the profile of the defective wheel obtained by the claimed method; in fig. 7 is an electrical diagram of the device.

Устройство для измерения профиля железнодорожного колеса содержит стойку 1, жестко закрепленный на стойке под прямым углом кронштейн 2, на котором смонтирована подвижная сканирующая система 3. Стойка 1 содержит постоянные магниты 4 для закрепления на колесе, опорные элементы 5, закрепленные под прямым углом относительно стойки, плоскопараллельную меру 6 и ручку 7 для фиксации и установки устройства на колесо. Подвижная сканирующая система 3 содержит датчик угловых перемещений 8, жестко закрепленное на кронштейне 2, на выходном валу которого шарнирно закреплен рычаг 9, на свободном конце последнего расположено датчик угловых перемещений 10, а на выходном валу шарнирно закреплен криволинейный рычаг 11 с рукояткой 12. На свободном конце рычага 11 размещен упругий элемент 13 с тензорезистором 14 и ролик 15, закрепленный с возможностью перемещения и контакта с профилем колеса 16 при сканировании. Кодирующие устройства 8, 10 представляющие собой датчики угловых перемещений, и тензорезистор 14 подсоединены посредством кабелей 17 через микроконтроллер 18 к компьютеру 19. Ролик 15 изготовлен из магнитного материала. Упругий элемент 13 закреплен на рычаге под углом 30°. Подвижные части могут перемещаться в плоскости под прямым углом к поверхности сканирования. Тензорезистор 14 жестко закреплен на упругом элементе 13, прижатие которого обеспечивается закреплением его на меньшей, чем высота самого элемента, высоте, под углом от 30° к вертикали. Компьютер (ЭВМ) 19 предварительно запрограммирован и снабжен информацией, касающейся начального угла угловых датчиков 8, 10, длин подвижных рычагов 9, 11 и радиуса сканирующего ролика 15, а также математический алгоритм.The device for measuring the profile of a railway wheel contains a rack 1, a bracket rigidly fixed on the rack at a right angle, on which a movable scanning system 3 is mounted. The rack 1 contains permanent magnets 4 for fastening to the wheel, supporting elements 5 fixed at a right angle relative to the rack, plane-parallel measure 6 and handle 7 for fixing and installing the device on the wheel. The movable scanning system 3 contains an angular displacement sensor 8, rigidly fixed on the bracket 2, on the output shaft of which a lever 9 is hinged, at the free end of the latter there is an angular displacement sensor 10, and on the output shaft a curved lever 11 with a handle 12 is hinged. at the end of the lever 11 there is an elastic element 13 with a strain gauge 14 and a roller 15 fixed for movement and contact with the profile of the wheel 16 during scanning. The encoders 8, 10, which are angular displacement sensors, and the strain gauge 14 are connected by cables 17 through the microcontroller 18 to the computer 19. The roller 15 is made of magnetic material. The elastic element 13 is fixed to the lever at an angle of 30 °. Moving parts can move in a plane at right angles to the scanning surface. The strain gauge 14 is rigidly fixed to the elastic element 13, the pressing of which is ensured by fixing it at a height lower than the height of the element itself, at an angle of 30 ° to the vertical. The computer (computer) 19 is preprogrammed and provided with information concerning the initial angle of the angle sensors 8, 10, the lengths of the movable arms 9, 11 and the radius of the scanning roller 15, as well as a mathematical algorithm.

Способ реализуется следующим образом.The method is implemented as follows.

Устройство устанавливается на железнодорожное колесо с помощью ручки 7, неподвижность устройства обеспечивается силой магнитов 4. При этом кронштейны 5 ограничивают перемещение устройства по оси у, упираясь опорной поверхностью в гребень колеса. Измерение координат точек поверхности катания колеса осуществляется в плоскости ху, вдоль всей протяженности по оси х поперечного профиля колеса.The device is mounted on a railway wheel using a handle 7, the immobility of the device is ensured by the force of magnets 4. In this case, the brackets 5 restrict the movement of the device along the y-axis, resting against the wheel flange with the supporting surface. The measurement of the coordinates of the points of the rolling surface of the wheel is carried out in the xy plane, along the entire length along the x axis of the transverse profile of the wheel.

Первоначально определяют амплитудные характеристики тензорезистора 14 для оценки средней высоты неровностей профиля колеса, для чего проводят ряд измерений мер с известными значениями отклонения профиля. Для этого упругий элемент 13 подводят к поверхности мер, не меняя его пространственного месторасположения и соблюдая угол, равный 30° и последовательно проводят со скоростью 2-10 см/сек по поверхности мер. Меры должны быть выбраны с различными значениями отклонения профиля поверхности в диапазоне шириной минимум 100 мкм, с перекрытием диапазона значений от 20 до 80 мкм, с шагом не менее 10 мкм в количестве не менее пяти. При измерениях получают значения амплитуды выходного сигнала U_d тензорезистора для каждого эталонного значения отклонения профиля -

Далее полученные данные аппроксимируются методом наименьших квадратов, получая зависимость 1 (фиг. 5).Initially, the amplitude characteristics of the strain gauge 14 are determined to estimate the average height of the wheel profile irregularities, for which a number of measurements are made with known values of the profile deviation. For this, the elastic element 13 is brought to the surface of the measures, without changing its spatial location and observing an angle equal to 30 ° and sequentially carried out at a speed of 2-10 cm / sec along the surface of the measures. Measures should be selected with different values of the surface profile deviation in the range of a minimum width of 100 µm, overlapping the range of values from 20 to 80 µm, with a step of at least 10 µm in an amount of at least five. During measurements, the values of the amplitude of the output signal U _{d of the} strain gauge are obtained for each reference value of the profile deviation -

Further, the obtained data are approximated by the least squares method, obtaining dependence 1 (Fig. 5).

После установки на контролируемый объект для вычисления начальных углов перед проведением измерений проводится калибровка на плоскости плоскопараллельной меры 6. Для этого подвижная сканирующая система 3 с двумя рычагами 9 и 11 подводится к измерительной поверхности плоскопараллельной меры 6 до силового замыкания ролика 15 с контролируемой поверхностью, поверхность сканируется на всей протяженности. Данные угловых перемещений, получаемые от датчиков 8, 10 передаются в компьютер, далее в специальной программе вычисляются значения начальных углов каждого датчика, углы назначаются такие, чтобы в результате измерений эталонной плоскости измерительная система получала прямую, производя, таким образом, калибровку измерительной системы. После калибровки данные о начальных углах хранятся в памяти компьютера. Рычаги сканирующей системы перемещаются в одной плоскости, поэтому и прямая для калибровки, и отсканированный профиль находятся в одном поперечном сечении, имеют одни начальные углы.After installation on the controlled object to calculate the initial angles before measurements, calibration is carried out on the plane of the plane-parallel measure 6. For this, the movable scanning system 3 with two levers 9 and 11 is brought to the measuring surface of the plane-parallel measure 6 until the force closure of the roller 15 with the controlled surface, the surface is scanned along the entire length. The angular displacement data received from the sensors 8, 10 are transmitted to the computer, then the values of the initial angles of each sensor are calculated in a special program, the angles are assigned such that, as a result of measurements of the reference plane, the measuring system receives a straight line, thus calibrating the measuring system. After calibration, the data on the initial angles are stored in the computer memory. The levers of the scanning system move in the same plane, therefore, both the straight line for calibration and the scanned profile are in the same cross-section and have the same initial angles.

Рабочий режим. Измерительный ролик 15 сканирующей системы 3 перемещается вдоль профиля для его сканирования и регистрации координат точек профиля в одном поперечном сечении. После установки на колесо, тензорезистор 14 на упругом элементе 13 и ролик 15 устанавливаются в крайнее правое положение до силового замыкания ролика с контактной поверхностью (фиг. 3) с помощью рукоятки 12. С помощью рукоятки 12 криволинейного рычага 11 осуществляется движение ролика 15 и упругого элемента 13 по поверхности колеса 16. Сканирующая система 3 осуществляет плоское движение по нормали к поверхности катания колеса вдоль оси х в плоскости ху до крайнего левого положения (фиг. 4), в том числе, прокатываясь по поверхности гребня колеса благодаря криволинейной форме рычага 11. Плоское движение рычага 11 вдоль поверхности катания колеса 16 приводит к повороту оси датчика 10, считывающего угол поворота (ϕ₂…ϕ_2n) и передающего угловые координаты через кабели 17 в компьютер. Одновременно движение рычага 11 приводит к плоскому движению рычага 9, который осуществляет как поступательное движение в плоскости ху, так и вращательное движение вокруг оси датчика 8. Поступательное движение обеспечивает изменение положения в пространстве рычагов 11 и 9 и дальнейшее движение ролика 15 и упругого элемента 13 вдоль поверхности катания колеса 16, вращательное движение приводит во вращение ось датчика 8. Датчик 8 считывает данные по изменению угла (ϕ₁…ϕ_1n) и передает полученные данные по кабелю 17 в компьютер 19. При движении ролика 15 параллельное ему движение осуществляет упругий элемент 13, тензорезистор 14 начинает упруго деформироваться, при этом регистрируется амплитуда U_d, средняя высота отклонений поверхности в микрометрах определяется по известной эмпирической зависимости 1 (фиг. 5). При движении элементов 13 и 14 амплитуда выходного сигнала U_d тензорезистора 14 усредняется на выбранной базовой длине от 10 до 20 мм и передается по кабелям 17 через микроконтроллер 18 в компьютер 19.Work mode. The measuring roller 15 of the scanning system 3 is moved along the profile to scan it and register the coordinates of the profile points in one cross section. After installation on the wheel, the strain gauge 14 on the elastic element 13 and the roller 15 are set in the extreme right position until the force closure of the roller with the contact surface (Fig. 3) using the handle 12. Using the handle 12 of the curved lever 11, the roller 15 and the elastic element move 13 along the surface of the wheel 16. The scanning system 3 carries out a plane motion along the normal to the rolling surface of the wheel along the x-axis in the xy plane to the extreme left position (Fig. 4), including rolling along the surface of the wheel flange due to the curved shape of the lever 11. Flat the movement of the lever 11 along the rolling surface of the wheel 16 leads to the rotation of the axis of the sensor 10, which reads the angle of rotation (ϕ ₂ ... ϕ _2n ) and transmits the angular coordinates through the cables 17 to the computer. At the same time, the movement of the lever 11 leads to a flat movement of the lever 9, which carries out both translational movement in the xy plane and rotational movement around the axis of the sensor 8. The translational movement provides a change in the position in space of the levers 11 and 9 and further movement of the roller 15 and the elastic element 13 along the rolling surface of the wheel 16, the rotational movement drives the axis of the sensor 8 into rotation. The sensor 8 reads the data on the change in the angle (ϕ ₁ ... ϕ _1n ) and transmits the obtained data via the cable 17 to the computer 19. When the roller 15 moves, the parallel movement is carried out by the elastic element 13 , the strain gauge 14 begins to deform elastically, while the amplitude U _d is recorded, the average height of the surface deviations in micrometers is determined by the known empirical dependence 1 (Fig. 5). When the elements 13 and 14 move, the amplitude of the output signal U _{d of the} strain gauge 14 is averaged over a selected base length from 10 to 20 mm and is transmitted via cables 17 through the microcontroller 18 to the computer 19.

Измерение геометрии колеса производится путем определения координат x и у точек поверхности профиля колеса, в том числе поверхности гребня, в одном поперечном сечении (плоскости ху) вдоль всей протяженности по оси х (фиг. 6). Определение координат х и у точек поверхности катания колеса производится на основании измерения координат х' и у' центра ролика 15 по формулам:The measurement of the wheel geometry is made by determining the x and y coordinates of the points of the wheel profile surface, including the ridge surface, in one cross section (xy plane) along the entire length along the x axis (Fig. 6). The determination of the coordinates x and y of the points of the rolling surface of the wheel is based on the measurement of the coordinates x 'and y' of the center of the roller 15 according to the formulas:

где

- длина рычага 9 (плечо 1);

- длина рычага 11 (плечо 2), (см. фиг. 3).Where

- lever length 9 (arm 1);

- the length of the lever 11 (arm 2), (see Fig. 3).

По полученным координатам х' и у' определяют геометрию профиля с поправкой на радиус R ролика 15 и корректировкой по выходным данным U_d тензорезистора 14 по следующим формулам:According to the obtained coordinates x 'and y', the geometry of the profile is determined with a correction for the radius R of the roller 15 and correction according to the output data U _{d of the} strain gage 14 according to the following formulas:

Полученная информация обрабатывается в аппаратно-программном комплексе, осуществляющем алгоритмическую обработку информации, и в графическом представлении с указанием параметров геометрии колеса воспроизводится на мониторе компьютера кривая 2, 3 (фиг. 6).The information obtained is processed in a hardware-software complex that performs algorithmic information processing, and in a graphical representation, indicating the parameters of the wheel geometry, curve 2, 3 is reproduced on the computer monitor (Fig. 6).

Пример 1. Проводилось измерение эталонного образца профиля и железнодорожного колеса, бывшего в эксплуатации, зав. №7701718, для каждого образца в одном поперечном сечении. Для определения эмпирической зависимости амплитуды тензорезистора от высоты неровностей измеряемой поверхности были использованы эталонные образцы шероховатости, прошедшие поверку в установленном порядке. Было использовано шесть мер с высотой неровностей измеряемой поверхности Rz=10 мкм, Rz=20 мкм, Rz=30 мкм, Rz=40 мкм, Rz=50 мкм, Rz=60 мкм. После последовательного измерения каждой меры на базовой длине минимум 20 мм помощью упругого элемента 13, с жестко прикрепленным тензорезистором 14 сканирующей системы 3 были получены значения U_d1, U_d2, U_d3, U_d4, U_d5, U_d6, и, таким образом, зависимость, показанная на фиг. 5. Первым измерению подвергался фрагмент колеса, а именно эталонный образец профиля. Образец в специальных захватах устанавливался таким образом, чтобы измеряемый профиль располагался в плоскости сканирования сканирующей системы 3, что контролировалось с помощью линейных средств измерений, например, угольников и реек. Далее проводилась калибровка и вычисление начальных углов. Для этого подвижная сканирующая система 3 с двумя рычагами 9 и 11 подводилась к измерительной поверхности плоскопараллельной меры 6 до силового замыкания ролика 15 с контролируемой поверхностью, поверхность сканировалась на базовой длине 30 мм. Для обработки значений угловых перемещений с двух датчиков и подбора начальных углов для получения прямой был использован метод прямого поиска из численных методов безусловной оптимизации нулевого порядка. Зная, что целевая функция представляет собой массив точек, лежащих на одной прямой, с помощью данных методов получены начальные углы ϕ₁₀, ϕ₂₀, составившие ϕ₁₀=1,709рад и ϕ₂₀=3,142рад. После режима калибровки произведено сканирование и регистрация координат точек профиля в одном поперечном сечении. Ролик 15 установили в крайнее правое положение до силового замыкания ролика с контактной поверхностью (фиг. 3) и с помощью рукоятки 12 криволинейного рычага 11 осуществлялось движение ролика 15 и упругого элемента 13 по поверхности колеса 16 в крайнее положение, в том числе по поверхности гребня колеса (см. фиг. 4). При этом возможность сканирования сложной сопряженной поверхности профиля колеса, включая гребень, обеспечено взаимным расположением деталей в пространстве, свободой передвижения в плоскости сканирования, криволинейной формой рычага 11. При движении считывались углы поворота для каждого датчика угловых перемещений (ϕ₁…ϕ_1n) и (ϕ₂…ϕ_2n) и передавались в компьютер. В устройстве использованы датчики угловых перемещений Энкодер kubler 8.3620.226Е.2500 с разрешением 3600 импульсов/оборот, данные с которых передаются в аппаратно-программный комплекс, а именно микроконтроллер и компьютер. Одновременно с регистрацией углов поворота ϕ₁ и ϕ₂ регистрируется амплитуда U_d. Амплитуда выходного сигнала U_d тензорезистора 14 усреднялась на выбранном базовом участке длиной 10 мм и сохранялась для каждого участка в памяти компьютера. Средняя высота отклонений поверхности в микрометрах была определена по известной эмпирической зависимости 1 (фиг. 5) и сохранена для каждого участка. Полученная информация обрабатывалась в аппаратно-программном комплексе по следующим алгоритмам. Координаты центра ролика 15 определены по формулам (1) и (2).Example 1. Measurement of a reference sample of a profile and a railway wheel, which was in operation, head. No. 7701718, for each sample in one cross section. To determine the empirical dependence of the amplitude of the strain gauge on the height of the irregularities of the measured surface, reference roughness samples were used, which were verified in the prescribed manner. Six measures were used with the height of irregularities of the measured surface Rz = 10 μm, Rz = 20 μm, Rz = 30 μm, Rz = 40 μm, Rz = 50 μm, Rz = 60 μm. After sequentially measuring each measure at a base length of at least 20 mm using an elastic element 13, with a rigidly attached strain gauge 14 of the scanning system 3, the values of U _d1 , U _d2 , U _d3 , U _d4 , U _d5 , U _d6 were obtained, and thus the relationship shown in FIG. 5. The first measurement was a piece of a wheel, namely a reference profile sample. The sample in special grippers was installed in such a way that the measured profile was located in the scanning plane of the scanning system 3, which was controlled using linear measuring instruments, for example, squares and rails. Next, we calibrated and calculated the initial angles. For this, the movable scanning system 3 with two levers 9 and 11 was brought to the measuring surface of the plane-parallel gauge 6 until the force closure of the roller 15 with the controlled surface, the surface was scanned at a base length of 30 mm. To process the values of angular displacements from two sensors and to select the initial angles to obtain a straight line, the direct search method from numerical methods of unconstrained optimization of the zero order was used. Knowing that the objective function is an array of points lying on one straight line, using these methods, the initial angles ϕ ₁₀ , ϕ ₂₀ were obtained, which were ϕ ₁₀ = 1.709rad and ϕ ₂₀ = 3.142rad. After the calibration mode, scanning and registration of the coordinates of the profile points in one cross section were performed. The roller 15 was installed in the extreme right position until the force closure of the roller with the contact surface (Fig. 3) and using the handle 12 of the curved lever 11, the roller 15 and the elastic element 13 were moved along the surface of the wheel 16 to the extreme position, including the surface of the wheel flange (see Fig. 4). At the same time, the possibility of scanning the complex mating surface of the wheel profile, including the ridge, is provided by the mutual arrangement of parts in space, freedom of movement in the scanning plane, curvilinear shape of the lever 11. During movement, the angles of rotation were read for each sensor of angular displacement (ϕ ₁ ... ϕ _1n ) and ( ϕ ₂ … ϕ _2n ) and transferred to the computer. The device uses angular displacement encoders kubler 8.3620.226E.2500 encoder with a resolution of 3600 pulses / revolution, the data from which are transmitted to the hardware-software complex, namely the microcontroller and the computer. Simultaneously with the registration of the angles of rotation ϕ ₁ and ϕ ₂ , the amplitude U _{d is} recorded. The amplitude of the output signal U _{d of the} strain gauge 14 was averaged over a selected base section 10 mm long and stored for each section in the computer memory. The average height of the surface deviations in micrometers was determined from the known empirical dependence 1 (Fig. 5) and stored for each area. The obtained information was processed in the hardware-software complex according to the following algorithms. The coordinates of the center of the roller 15 are determined by the formulas (1) and (2).

Далее с учетом радиуса бандажа измерительного ролика, R=7 мм, и полученной амплитудной зависимости U_d для каждого участка, произведена корректировка и окончательный расчет координат профиля эталонной поверхности по формулам (3, 4). При этом корректировка на среднюю высоту неровностей профиля колеса произведена на каждом участке, на котором U_d было усреднено. Полученная при этом кривая профиля графически представлена кривой 2 на фиг. 6. С целью сравнительных испытаний было проведено измерение бывшего в эксплуатации колеса зав. №7701718 в поперечном сечении с выщербиной глубиной более 0,5 мм и протяженностью более 10 мм. Все параметры сканирования, включая длину базового участка, аналогичны. Полученная при этом кривая профиля с учетом корректировки графически представлена кривой 3 на фиг. 6. сплошной линией, пунктирной - допустимый профиль. Полученные заявляемым способом кривые 2 и 3 сравнивались со стандартизированным профилем, представленным кривой 1 по ГОСТ 10791-2011 Колеса цельнокатаные. Технические условия. При этом для стандартизированного профиля высота допускаемых отклонений составляет плюс/минус 40 мкм и 80 мкм для классов точности изготовления колес 1 и 2 соответственно, что заложено в аппаратно-программном комплексе. Погрешность определения координат х и у профиля колеса при этом может быть рассчитана по формулам:Further, taking into account the radius of the measuring roller band, R = 7 mm, and the obtained amplitude dependence of U _d for each section, the correction and the final calculation of the coordinates of the profile of the reference surface were made according to the formulas (3, 4). In this case, a correction for the average height of the wheel profile irregularities was made at each section, where U _d was averaged. The resulting profile curve is graphically represented by curve 2 in FIG. 6. For the purpose of comparative tests, the measurement of the used wheel of the head. No. 7701718 in cross-section with a chink with a depth of more than 0.5 mm and a length of more than 10 mm. All scanning parameters, including the length of the base section, are the same. The resulting profile curve is graphically represented by curve 3 in FIG. 6. solid line, dotted line - permissible profile. Obtained by the claimed method, curves 2 and 3 were compared with the standardized profile represented by curve 1 according to GOST 10791-2011 Solid-rolled wheels. Technical conditions. At the same time, for a standardized profile, the height of the permissible deviations is plus / minus 40 microns and 80 microns for the accuracy classes of wheel manufacturing 1 and 2, respectively, which is incorporated in the hardware and software complex. In this case, the error in determining the coordinates x and y of the wheel profile can be calculated using the formulas:

где х₀ и у₀ - значения опорных координат стандартизированного профиля колеса.where x ₀ and y ₀ are the values of the reference coordinates of the standardized wheel profile.

Анализ результатов показывает, что измерение эталонного образца профиля заявляемым способом позволяет получить кривую, близкую к стандартизированной кривой с отклонением точек не более 3%. Кривая 2 лежит в пределах допуска для кривой 1. Измерение дефектного колеса с недопустимым повреждением поверхности катания позволило получить кривую 3 профиля колеса с высокой точностью, при сравнении со стандартизированной кривой данный профиль поверхности идентифицирован как не соответствующий требованиям стандарта, причем за поле допуска стандартизированной кривой выходит только участок с выщербиной измеренного профиля. На кривой возможно выделить участок повреждения, оценить глубину выщербины, и ее координаты. Таким образом, данный способ может быть применен также для идентификации дефектов поверхности катания колеса, что часто встречается как в эксплуатации, так и после обточки с восстановлением профиля, когда глубокие дефекты не обтачиваются полностью, от них могут оставаться участки с микродефектами, повышенной шероховатостью, сеткой микротрещин.Analysis of the results shows that the measurement of the reference sample of the profile by the claimed method makes it possible to obtain a curve close to a standardized curve with a deviation of points of no more than 3%. Curve 2 lies within the tolerance for curve 1. Measurement of a defective wheel with unacceptable damage to the rolling surface allowed us to obtain curve 3 of the wheel profile with high accuracy, when compared with the standardized curve, this surface profile is identified as not meeting the requirements of the standard, and beyond the tolerance of the standardized curve only the chipped section of the measured profile. On the curve, it is possible to select a damaged area, to estimate the depth of the chipping, and its coordinates. Thus, this method can also be used to identify defects in the rolling surface of a wheel, which is often found both in operation and after turning with restoration of the profile, when deep defects are not completely turned, areas with microdefects, increased roughness, mesh microcracks.

Таким образом, по сравнению с прототипом, данный способ позволяет более точно определять координаты поверхности с учетом неровностей, меньших по размеру относительно характерного размера измерительного ролика.Thus, in comparison with the prototype, this method makes it possible to more accurately determine the coordinates of the surface, taking into account the irregularities that are smaller in size relative to the characteristic size of the measuring roller.

Claims

1. A method for measuring the profile of a railway wheel, including scanning the profile of a wheel using a device containing a movable part with a free end fixed for movement over the profile and a stationary part for supporting the movable part containing one first lever and one second lever, which are connected together on ends by means of the first angular displacement transducer, the first arm is connected to the stationary part through the second angular displacement transducer, and a roller is fixed at the free end of the second arm, angular displacement transducers are connected to a computer, calibration is carried out and angular coordinates are recorded, the information obtained is processed in the hardware-software complex , carrying out algorithmic processing of information in a form convenient for further use, for example, in a screen-graphical representation indicating the parameters of the wheel geometry, characterized in that the calibration is carried out by measuring the reference plane to obtain n Initial angles, by measuring measures with reference values of the wheel profile deviation, the coordinates of the rolling profile surface are corrected taking into account the measured average height of the profile irregularities, determined by the deformations of an elastic element with a strain gauge fixed with the possibility of contact with the measured surface and connected to the computer.

2. A device for measuring (monitoring) the profile of a railway wheel, containing a movable part with a free end fixed for movement over the profile and in contact with it, and a rack and a bracket fixed at right angles to support the movable part, while the movable part contains one the first lever and one second lever, and these levers are connected together at the ends by means of the first angular displacement sensor, in addition, the first lever is connected to the bracket through the second angular displacement sensor, and a roller is fixed at the free end of the second lever, the angular displacement sensors are connected via a microcontroller to the computer , characterized in that it is equipped with a plane-parallel gauge rigidly fixed on the rack and fixed at the free end of the second lever with the possibility of contact with the wheel profile during scanning by an elastic element with a strain gauge connected to the computer.