ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНАЯ ОСЬ КОЛЕСНОЙ ПАРЫ СО СРЕДСТВАМИ РАДИОЧАСТОТНОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ

Полезная модель относится к средствам автоматического контроля и номерного учета на железнодорожном транспорте и может быть использована при изготовлении железнодорожной оси колесной пары.
В настоящее время на вагоноремонтных предприятиях, осуществляющих ремонт колесных пар, согласно действующей нормативной документации номерной учет колесных пар осуществляется путем визуального распознавания индивидуального номера колесной пары и внесением его ручным способом в журналы форм первичной и отчетной документации по вагонному хозяйству, в которых отражается полная информация о поступлении и расходе колесных пар, их конструктивных особенностях, точных геометрических параметрах, объеме назначенного и выполненного ремонта, учете ремонта и монтажа буксовых узлов.
Индивидуальным номером колесной пары считается номер оси, который нанесен на правом торце предприятием-изготовителем оси по ГОСТ 33200-2014. Также номер колесной пары дублируется на бирке, которая устанавливается под болты крышки крепительной корпуса буксы при выполнении колесной паре среднего ремонта. Кроме номера колесной пары на бирке нанесена информация о последнем среднем ремонте (дата и условный номер предприятия, производившего ремонт).
Согласно действующей нормативной документации при эксплуатации колесной пары в случае отсутствия бирки или невозможности прочтения нанесенной на ней информации, колесная пара должна быть направлена на ремонтное предприятие для проведения среднего ремонта.
Кроме того, при текущем ремонте колесных пар без снятия торцевого крепления подшипников на шейке оси при визуальном осмотре зачастую возникают трудности при прочтении номера колесной пары с торца оси по причине загрязнения поверхности торца оси смазкой или нечеткой нанесенной маркировкой. В связи с этим возможны ошибки при определении номеров колесных пар и, как следствие их некорректное отражение в журналах форм первичной и отчетной документации по вагонному хозяйству.
Также номер оси может быть искажен и при выполнении капитального ремонта колесных пар, когда перед нанесением информации о формировании колесной пары (знак «Ф», дата и клеймо предприятия, сформировавшего колесную пару), при отсутствии места в соответствующем сегменте на правом торце оси, информация о предыдущих формированиях зачищается механическим способом.
Оптимальным решением упомянутых выше проблем является дополнение действующей системы номерного учета колесных пар средствами автоматизированного контроля, включающих в свой состав пассивные радиочастотные метки, устройства для считывания информации, системы связи и базы данных для получения, обработки и хранения информации на каждое событие, происходящее с колесной парой в течение ее жизненного цикла.
Комплектация железнодорожных вагонных осей средствами автоматической идентификации в дополнение к существующей системе маркировки позволит существенно сократить трудоемкость ввода и сбора необходимой информации, обеспечивая ее полноту, достоверность и централизованный учет, исключить риски связанные с искажением индивидуального номера колесной пары при производстве ремонта, а также сократить возможность появления в учетных базах колесных пар с одинаковыми индивидуальными номерами (так называемых «двойников»).
Известна система и способ идентификации железнодорожных номерных деталей по изображению их поверхностей с клеймами и знаками маркировки (патент RU2702965). Способ идентификации железнодорожных номерных деталей по изображению их поверхностей с клеймами и знаками маркировки, выполняемый с помощью процессора, в котором осуществляют автоматическую разметку изображений поверхностей с идентифицирующей информацией заранее заданных номерных деталей посредством выделения областей и элементов, содержащих идентифицирующую информацию; осуществляют построение набора признаков с вычислением параметров, характеризующих взаимное расположение элементов идентифицирующей информации для каждого размеченного изображения; сохраняют размеченные изображения и построенные наборы признаков для каждого изображения в хранилище эталонных изображений и индексной базе данных соответственно; осуществляют поиск по набору признаков, сформированному на основе изображения идентифицируемой номерной детали, в индексной базе данных, в результате чего получают список деталей-кандидатов, наиболее подобных идентифицируемой детали по набору признаков.
Из уровня техники известна система для измерения и регистрации параметров вагонов поезда в движении (патент RU 2398696, опубл. 10.09.2010), содержащая грузоприемное устройство колесной пары вагона, преобразователи сила-сигнал, блок измерения и автоматизированное рабочее место, причем преобразователи сила-сигнал подключены к блоку измерения, который соединен с автоматизированным рабочим местом, а грузоприемное устройство колесной пары вагона сопряжено с рельсовыми нитями железнодорожного пути и установлено через преобразователи сила-сигнал на массивное основание, отличающаяся тем, что в нее введены регистратор подвижной единицы поезда, считыватель бортового номера вагона и считыватель читаемой метки вагона, выходы которых подключены к автоматизированному рабочему месту, а грузоприемное устройство колесной пары вагона выполнено так, что его грузоприемные устройства колес изолированы от помех друг другу.
В данной системе описана возможность использования в качестве считывателя читаемой метки на вагоне технологии RFID (Radio Frequency IDentification - радиочастотная идентификация [с помощью радиочастотных читаемых меток]). На железнодорожных колесах RFID метки не используются и не имеют знака частотной идентификации изготовителя.
Известна технология использования метки на железнодорожном колесе в патенте DE 2007772, опубл. 1971. Решение предусматривает физическое нанесение особой метки двоичного кода на колесе с внешней стороны обода, которую можно считывать посредством магнита, подобно тому, как работает жесткий диск компьютера.
Недостатком данной технологии является уязвимость метки перед внешними факторами среды и сложность технологии считывания, требующей по сути практически прямого контакта с колесом.
Известен способ бесконтактного динамического контроля параметров колес подвижного состава (патент RU 2268183, опубл. 20.01.2006), заключающийся в том, что на боковой поверхности рельса размещают контрастную метку, при этом элемент контролируемого колеса облучают потоком излучения в виде последовательности коротких импульсов. Частоту импульсной модуляции задают величиной, пропорциональной скорости движения колеса. После чего принимают отраженную картину приемником излучения, который отличается тем, что источник излучения и приемник излучения помещают на удалении от рельсового пути. Источником излучения облучают буксу контролируемого колеса и рельс, тем самым определяют положение максимумов корреляционных функций, получаемых при корреляции эталонного фрагмента изображения буксы с изображением в текущем кадре. Определяют положение максимумов корреляционных функций, получаемых при корреляции эталонного фрагмента изображения рельса, содержащего изображение контрастной метки, с изображением в текущем кадре. По изменению вертикальных координат максимумов корреляционных функций буксы и рельса в кадрах изображений судят об изменениях радиуса колеса, а следовательно, и его параметрах.
Данный способ хотя и позволяет вести бесконтактный динамический контроль параметров колес подвижного состава, но не способен вести учет соответствия колеса и вагона, под которым располагается колесная пара. Также данный способ не позволяет вести идентификацию железнодорожного колеса на протяжении срока его службы при изготовлении, ремонте и эксплуатации колесной пары.
Известно использование бумажных меток и светоотражающих пленок на железнодорожные вагоны (патент GB 964570, опубл. 1964-07-22).
Известна система автоматического обнаружения дефектов и повреждений (неровностей) колесной пары по патентам CN 2463262, CN 2428381 (опубл. 2001). Принцип работы основан на обнаружении соответствующих повреждений поверхности катания колес (ползунов, выкрашиваний металла и т.п.). Камерами автоматического контроля производится сканирование поверхности катания колеса, при этом измеряют геометрические параметры повреждений и дефектов обода колеса, расстояние между внутренними боковыми поверхностями колес на одной оси. Затем при повторном сканировании и анализе первично обработанных данных идентифицируют ту или иную колесную пару и наличие на них дефектов и повреждений.
Недостатком данного метода является то, что колеса постоянно меняют техническое состояние в процессе эксплуатации. По этой причине использовать предложенный метод для учета колес колесных пар не представляется возможным.
В патенте СА 2461066 (опубл. 2004-09-29) описаны способ и устройство для определения последовательности колесных пар.
Метод основан на использовании читаемых идентификаторов (меток) для каждой из колесных пар, которые могут быть расположены под вагоном в любом порядке. Идентификационный знак присваивается каждому колесу. Опознавательный знак колеса связан с данными по последовательности данных, собранных по предыдущим колесным парам и эти данные затем суммарно передаются следующему комплекту колес посредством микрокомпьютера, который связывает каждое колесо и идентификатор, по которому определяют набор колесной пары. Таким образом, каждая колесная пара связана со своим микрокомпьютером. Все микрокомпьютеры в поезде взаимодействуют друг с другом путем передачи данных по проводному каналу связи.
Недостатком метода является очень сложная технология идентификации колесных пар, требования к размещению микрокомпьютеров на каждой колесной паре, наличие проводной связи между микрокомпьютерами.
Оптимальным решением вышеуказанных проблем всех известных решений является дополнение действующей системы номерного учета железнодорожных колес средствами автоматизированного контроля, включающих в свой состав пассивные радиочастотные метки, устройства для считывания информации, системы связи и базы данных для получения, обработки и хранения информации на каждое событие, происходившее с колесом в период его эксплуатации и ремонта. Комплектация железнодорожных колес средствами автоматической идентификации в дополнение к существующей системе маркировки позволит существенно сократить трудоемкость ввода и сбора необходимой информации, обеспечивая ее полноту, достоверность и централизованный учет.
Известен патент RU 168729 U, опубликовано: 17.02.2017, в котором описано железнодорожное колесо, содержащее закрепленные на нем идентификационные метки, отличающееся тем, что на боковой поверхности ступицы с внутренней стороны в зоне перехода от цилиндрической поверхности к тороидальной размещены пассивные радиочастотные метки (RFID).
Технической проблемой известного решения является потребность в выполнении специальных мест в ж/д колесе, куда вставляются радиочастотные метки (RFID).
Между тем, колеса подлежат замене по мере износа гораздо чаще, чем ось ж/д колесной пары, а вместе с ними снова придется выполнять посадочные отверстия под метки.
Наиболее близким аналогом является патент RU 141674 U, опубликовано: 10.06.2014.
В прототипе описана система контроля несанкционированной замены колёсных пар и тележек железнодорожного вагона, характеризующаяся тем, что содержит, по меньшей мере, одно устройство идентификации (RFID), установленное на каждой оси колёсной пары и на тележке и выполненное с возможностью взаимодействия с, по меньшей мере, одним устройством опроса, размещённым на путях железнодорожных станций и связанным с, по меньшей мере, одним устройством обработки и анализа данных.
В прототипе не раскрыто, где именно на оси колесной пары установлены метки.
В прототипе лишь конкретизировано, что устройство идентификации установлено на каждой оси колесной пары таким образом, что его снятие без его разрушения и потери информации невозможно.
В прототипе подразумевается, что метки размещают в центральной части поверхности оси колесной пары (устройство опроса выполнено с возможностью размещения на путях железнодорожных станций между рельсами пути на уровне шпал).
Предложенное решение не нашло применения вследствие потребности вести считывание меток под ж/д составом (между рельсами), что требовало обустройства специальных стационарных мест считывания (опроса). Кроме того, на установку такого рода устройств между шпал под составом требует специального разрешения со стороны ведомств, управляющих железными дорогами.
Задачей полезной модели является устранение технических проблем прототипа и аналога RU 168729 U.
Техническим результатом являются расширение арсенала технических средств осей ж/д колесной пары, оснащенных средствами идентификации (RFID), которые могли бы считываться мобильными средствами считывания меток, установленными вне шпал.
Указанный технический результат достигается за счет того, что заявлена железнодорожная ось колесной пары, на которой установлены средства идентификации в виде пассивных радиочастотных меток (RFID), отличающаяся тем, что пассивные радиочастотные метки (RFID) установлены в посадочных отверстиях в каждой торцевой части шейки оси в зоне, свободной от клейм, знаков маркировки и отверстий для болтов крепления элементов буксового узла.
В зоне углублений посадочных отверстий под радиочастотные метки (RFID) могут быть выполнены фаски и закругления.
Предпочтительно, пассивные радиочастотные метки (RFID) установлены на торцевой поверхности между болтами креплений элементов буксового узла.
Зона углубления каждого посадочного отверстия может быть выполнена глубиной не более 65 мм ± 10 мм и диаметром не более 20 мм.
Допустимо, что зона углубления каждого посадочного отверстия выполнена глубиной 15 мм и диаметром от 10 до 20 мм, причем каждая пассивная радиочастотная метка (RFID) выполнена толщиной 11 мм и меньшей, чем диаметр углубления, и при этом утоплена в зону углубления заподлицо торцевой поверхности или глубже.
Предпочтительно, каждая пассивная радиочастотная метка (RFID) выполнена имеющей наружную резьбу и вкручена внутрь корпуса компаунда.
Допустимо, что каждая пассивная радиочастотная метка (RFID) зафиксирована в посадочном отверстии клеевым способом.
Допустимо, что каждая пассивная радиочастотная метка (RFID) зафиксирована в посадочном отверстии эпоксидной смолой, которая залита поверх заглубленной в посадочное отверстие радиочастотной метки (RFID).
Краткое описание чертежей.
На фиг.1 - участок колесной пары ж/д колеса, где размещают метку (показан с установленной буксой, вид в разрезе).
На фиг.2 показана предполагаемая схема размещения отверстия для установки метки (вид с торца).
На фиг.3 показаны размеры отверстия под установку идентификационной метки.
На фиг.4 показан пример установки идентификационной метки с помощью компаунда.
На фиг.5 показан пример установки идентификационной метки с помощью эпоксидной смолы.
На фиг.6 показан пример установки идентификационной метки клеевым способом.
На фиг.7 показана колесная пара и места установки идентификационных меток на торце оси (показаны стрелками).
На чертежах: 1 - корпус буксы, 2 - шейка, 3 - предподступичная часть, 4 - шайба стопорная, 5 - шайба тарельчатая, 6 - заглушка, 7 - болт крепления тарельчатой шайбы, 8 - торцевая часть шейки, 9 - отверстие под метку, 10 - отверстие под болт 7, 11 - идентификационная метка RFID, 12 - компаунд, 13 - эпоксидная смола, 14 - термостойкий клей, 15 - ось колесной пары, 16 - колесо.
Осуществление полезной модели
Идентификационные метки согласно заявленной полезной модели планируется размещать следующим образом.
В зоне шейки 2, которая расположена сразу за предподступичной частью 3, фиксируют буксу 1. В ту часть шейки 2, которая находится на торце 8, с помощью болтов крепления 7 фиксируют шайбу стопорную 4 и шайбу тарельчатую 5, а по центру ставят заглушку 6.
Таким образом, зона торцевой части 8 шейки 2, которая свободна от клейм, знаков маркировки и отверстий для болтов 7 крепления элементов (4 и 5) буксового узла, подходит выполнения специальных посадочных мест 9 для идентификационных меток RFID 11 (см. фиг.2).
Размеры посадочных отверстий 9 зависят от марки стали, геометрических параметров и показателей нагружения оси при формировании и эксплуатации колесной пары.
Для определения габаритных размеров посадочных отверстий, обеспечивающих безопасную эксплуатацию, заявителем были проведены необходимые расчеты на прочность оси.
Согласно ГОСТ 33200-2014 "Оси колесных пар железнодорожного подвижного состава" для осей типа РВ3Ш, например, размеры отверстия 10 под крепежные болты 7 должны быть от 10 до 20 мм по диаметру и 66 мм ±4,5 мм в глубину, для осей РВ2Ш не должны превышать 20 мм по диаметру и 65 мм ±10 мм в глубину, а для осей РВ1Ш не должны превышать 20 мм по диаметру и 65 мм ±5 мм в глубину. Для грузовых вагонов РУ1Ш предельные размеры углублений меньше всех вышеописанных.
Следовательно, максимальные размеры углублений для отверстий 10, регулируемые ГОСТ 33200-2014 для вагонов по диаметру не должны превышать 20 мм и 65 мм ±10 мм в глубину.
При этом величины напряжений, возникающие в технологическом отверстии оси от сил, действующих на колесную пару в эксплуатации должны быть меньше, величин напряжений, возникающих в отверстиях 10 для крепления элементов буксового узла.
Таким образом, руководствуясь выбором глубины посадочных отверстий 9 под метки 11 авторами настоящего решения приняты максимально возможные значения для аналогичных отверстий 10 под болты 7, прописанные ГОСТ 33200-2014. При этом сами посадочные отверстия предпочтительно выполнять меньшими, чем максимально возможные.
После установки внутрь заранее выполненных отверстий 9, программирования и тестирования радиочастотных идентификационных меток 11, железнодорожная ось, укомплектованная средствами автоматической идентификации, готова к использованию.
Регистрация и передача информации, закодированной в метке посредством переносных считывающих устройств, позволит оптимизировать действующую систему номерного учета колесных пар, в автоматическом режиме формировать электронные документы о событиях, происходящих с железнодорожной осью/колесной парой на протяжении срока службы.
За счет того, что метки 11 размещены с обеих сторон оси 15 колесной пары (см. фиг.7), не имеет значения, с какой стороны подвижного состава находится переносное устройство считывания RFID меток 11, поскольку вести считывание можно вне шпал с любой стороны ж/д полотна.
Таким образом, заявленная полезная модель расширяет арсенал технических средств осей ж/д колесной пары, оснащенных средствами идентификации (RFID), которые могли бы считываться мобильными средствами считывания меток, установленными вне шпал.
С переносными устройствами считывания можно вести считывание радиочастотных меток RFID 11 именно колесной пары, а не конкретного колеса как в аналоге RU 168729 U. Таким образом, метки служат значительно дольше и не меняются вместе с самим колесом 16.
С другой стороны, колесная пара однозначно фиксирует пробег колес 16, установленных на ней. В случае замены колес, вносятся соответствующие изменения в электронных протоколах колесных пар, а считывание радиочастотных меток RFID 11 осуществляют в прежнем режиме без их замены на колесной паре.
Принцип идентификации колес состоит в следующем.
При записи индивидуального номера колеса в пользовательскую память меток 11, закрепленных на колесной паре, формируется электронный протокол, в котором фиксируется соответствие ЕРС всех меток индивидуальному номеру оси колесной пары. Электронный протокол передается в централизованную базу данных. Для обеспечения автоматического подтверждения соответствия ЕРС индивидуальному номеру оси должен быть обеспечен доступ пользователей к протоколам.
Автоматическая идентификация индивидуального номера колеса может осуществляться как в статическом, так и в динамическом состоянии колесной пары.
В статическом состоянии колесной пары для идентификации индивидуального номера используется информация, закодированная в защищенной от изменений на программном уровне пользовательской памяти метки 11.
Для идентификации индивидуального номера колесной пары при вращении ее колес 16, когда время для считывания ограничено, используются ЕРС метки. Установленные таким образом метки обеспечивают автоматическое считывание информации при движении вагона при температурах окружающей среды от -60°С до +60°С в течение всего срока службы колеса.
Процесс считывания RFID меток 11 стандартный и может осуществляться всеми известными удобными способами, например, как описано в прототипе или аналоге RU 168729 U.
Покажем примеры осуществления монтажа радиочастотных идентификационных меток RFID 11.
Пассивные радиочастотные метки (RFID) 11 могут быть установлены внутри посадочных отверстий 9, которые формируют в торцевой части 8 шейки 2 колесной пары путем сверления (см. фиг.3) диаметром D, предпочтительно 10-20 мм, глубиной h от 15 до 66 мм ±4,5 мм. В зоне углублений посадочных отверстий 9 под радиочастотные метки (RFID) 11 могут быть выполнены фаски и закругления.
Места для выполнения отверстий 9 под пассивные радиочастотные метки (RFID) 11 предпочтительно подбирают в промежутке между болтами 7, с углом α отклонения от каждого из них на 45° (см. фиг.2), то есть пассивные радиочастотные метки (RFID) 11 могут быть установлены на торцевой поверхности между болтами креплений 7 элементов буксового узла.
В 2022 году заявителем было проведено исследование по расчету прочности оси с технологическим отверстием, в рамках которого было выполнено моделирование цилиндрического глухого отверстия, расположенного на торце шейки оси.
Был выполнен расчет на прочность железнодорожной оси РУ1Ш-ОС-В-2 ГОСТ 33200-2014 и РВ2Ш-ОС-В-2 ГОСТ 4728-2010 с концентратором напряжения в виде технологического глухого отверстия 9, в ходе которого было определено, что уровень напряжений от воздействия максимальных эксплуатационных нагрузок в технологическом отверстии 9 находится ниже, чем в отверстии для болтов крепления 7 торцевых элементов буксы. Таким образом, наличие технологического отверстия 9 не снижает прочность буксовой части оси.
Пассивная радиочастотная метка (RFID) 11 может подбираться толщиной 11 мм или меньшей, чем диаметр углубления, и при этом утоплена в зону углубления на некую глубину погружения внутрь, либо утоплена заподлицо торцевой поверхности 8.
Для автоматизации процесса учета железнодорожных осей/колесных пар предусматривается использовать корпусированную RFID метку 11 с резьбовым соединением на корпусе, при этом, для обеспечения надежности фиксации метки 11 в посадочном отверстии предусматривается нанесение клеевого компаунда 12 (см. фиг.4) с резьбовым соединением или RFID метки 11 без резьбового соединения на корпусе, при этом, для обеспечения надежности фиксации метки 11 в посадочном отверстии 9 предусматривается использование эпоксидной смолы 14 (см. фиг.5).
Различные варианты фиксации метки поясняются примерами.
Пример 1.
Установочное отверстие 9 (см. фиг.4) заполняется компаундом 12 повышенной прочности. На заданную глубину отверстия 9 вкручивается метка 11 до упора. Таким образом, каждая пассивная радиочастотная метка (RFID) 11 выполнена с наружной резьбой и вкручена внутрь корпуса компаунда 12.
Пример 2.
В отверстие 9 устанавливается метка 11 (см. фиг.5), затем оставшаяся часть установочного отверстия заливается эпоксидной смолой 13 заподлицо с торцевой поверхностью 8 шейки 2. Обычно глубина заливки эпоксидной смолы n подбирается порядка 2 - 4 мм.
Пример 3.
В отверстие 9 заливают термостойкий клей 14 (например, Клей-пластилин "Холодная сварка" KUDO, термостойкий, от -60 до +250°, см. https://kudo-paint.ru/products/bytovaya-seriya/klej-holodnaya-svarka-termostojkij/), затем усаживают на него метку 11 (см. фиг. 6), заталкивая ее в отверстие 9 заподлицо с торцевой поверхностью 8 шейки 2 или глубже.
Примеры 1-3 показывают, что каждая пассивная радиочастотная метка (RFID) может быть зафиксирована в посадочном отверстии 9 различными способами: с помощью компаунда, клеевым способом или эпоксидной смолой.