УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ КОЛЕСНОЙ ПАРЫ ДВИЖУЩЕГОСЯ ЛОКОМОТИВА
DEVICE FOR LASER SCANNING OF WHEELS OF A MOVING LOCOMOTIVE

Изобретение относится к области вспомогательного железнодорожного оборудования, а именно, к устройствам контроля технического состояния колесных пар рельсовых транспортных средств.
Безопасность движения на железной дороге обеспечивается исправным состоянием подвижного состава. По статистике, наибольшему износу и неисправности подвержены колесные пары, в частности, колесные пары локомотива. Своевременное и точное выявление дефектов обеспечивает снижение аварийности, предотвращение катастрофических разрушений, необоснованного ремонта и продление срока службы колесных пар.
Известен комплекс размерного контроля подвижного состава на ходу поезда по патенту на изобретение RU 2292284 (опубл. 21.07.2007 г.), ставящий техническую задачу повышение точности измерения размеров деталей подвижного состава на ходу. Согласно решению вышеуказанного изобретения комплекс размерного контроля деталей подвижного состава снабжен датчиком определения момента приближения поезда, датчиком фиксации момента покидания конкретной обмеряемой деталью, виброизоляционным основанием для закрепления датчиков, датчиком определения положения детали относительно направляющего элемента, устройством синхронизации показания всех датчиков, при этом оптические измерительные датчики расположены в пространстве по разные стороны направляющего элемента и выполнены с возможностью сканирования все поверхности измеряемой детали.
Известно устройство диагностического контроля геометрических параметров колесных пар подвижного состава по патенту на изобретение RU 2270120 (опубл. 20.02.2006 г.). Устройство содержит оптический измерительный блок, включающий оптический измерительный датчик, выполненный в виде лазерного сфокусированного источника излучения и оптически сопряженного с ним линейного приемника излучения, а также блок электронной обработки сигналов.
Существенным недостатком известных технических решений является их недостаточная точность измерений профиля колеса при его износе, обусловленная ограниченностью технических возможностей.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является установка для контроля колеса колесной пары локомотива в движении по патенту на изобретение RU 2430849 (опубл. 10.10.2011 г.). В соответствии с решением прототипа система контроля колеса колесной пары локомотива в движении заключается в облучении поверхности колеса лучами от излучателей датчиков и приеме отраженных от этой поверхности сигналов приемными устройствами соответствующих датчиков, расположенных в пространстве по обе стороны колеса, с последующей совместной обработкой данных с датчиков и определения диаметра колеса по поверхности катания колеса и угла набега колеса на рельс. При этом с помощью датчиков в общей для них трехмерной системе координат одновременно получают, как минимум, два профиля с внутренней грани колеса для определенного положения плоскости внутренней грани колеса в пространстве и определения угла набега на рельс, и, как минимум, три профиля с поверхности катания колеса с нахождением на них, как минимум трех точек на круге катания колеса, отстоящих на расстоянии 70 мм от плоскости внутренней грани по которым вычисляют диаметр колеса как окружности, проходящей через найденные три точки в пространстве, при этом длину хорды окружности между точками берут максимальной путем снятия двух профилей с поверхности катания колеса с участков рядом с передней и задней тормозных колодок, и третьего профиля с участка колеса, максимально приближенного к рельсу. При осуществлении изобретения достигается повышение точности контроля износа колеса локомотива по сравнению с известными и соответственно повышение безопасности транспортного средства. Однако решение прототипа имеет ряд существенных недостатков, а именно, недостаточную точность определения диаметра колеса. Причиной, препятствующей достижению заявленного ниже технического результата, является расположение сканеров снаружи колеса с дальнейшим определением диаметра колеса по трем точкам на поверхности катания.
Суть изобретения заключается в следующем.
Технической задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является разработка отдельных модулей лазерного сканирования устройства для выявления износа и дефектов цельнокатных и бандажных колес движущегося локомотива, вид и взаимное расположение основных модулей устройства, а также их расположение относительно направляющего элемента (рельса) движущегося локомотива.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение точности измерения износа колеса, оцениваемого по геометрическим параметрам его гребня (толщина гребня, высота гребня, крутизна гребня, толщина бандажа, ширина бандажа и межбандажное расстояние).
Технический результат достигается путем включения в состав заявленного устройства модулей лазерного сканирования и приемных устройств, таким образом, что модули лазерного сканирования расположены на противоположных сторонах рельса, по которым движется локомотив, при этом модуль из 3 лазерных сканеров расположен с внутренней части рельса, а модуль из 2 лазерных сканеров расположен с внешней части рельса, каждый из модулей лазерных сканеров характеризуется различным показателем длины волны, модуль из 3 лазерных сканеров выполнен с возможностью снятия профиля колеса с вершины его гребня, а модуль из 2 лазерных сканеров выполнен с возможностью снятия профиля поверхности катания колеса.
При частном случае реализации устройства для лазерного сканирования колесной пары движущегося локомотива каждый из модулей лазерного сканирования, расположенных на противоположных сторонах рельса, характеризуется показателем длины волны соответственно 0,74-1000 мкм (инфракрасное излучение) и 620-750 нм (красное излучение).
Из общедоступных источников известно (Студопедия, Требования, предъявляемые к колесным парам, опубл. 30.01.2015 г. https//studopedia.ru 14.115635), что поверхность катания колеса имеет, во-первых, неравномерный износ, и во-вторых, при эксплуатации колеса возникают локальные дефекты, такие как ползуны, навары и выщербины. Совокупность этих дефектов оказывает значительное влияние на оценку точности износа колесной пары путем расчета диаметра колеса, так как это описано в решении прототипа. Преимущество заявленного изобретения заключается в разработке возможности оценки диаметра колесной пары по трем точкам на вершине гребня колеса, за вычетом удвоенной -высоте. Вершина гребня считается не изнашиваемой поверхностью и описывает идеальную окружность
Модули лазерного сканирования в заявленном устройстве состоят из комбинации 2D лазерных сканеров RF62X, последовательно смонтированные по обе стороны от рельс и откалиброванные в одной общей системе координат. Эти модули сканируют поверхность колеса, а затем передают данные в приемное устройство - модуль управления для расчета геометрических параметров колес.
Работа лазерных сканеров основана на принципе оптической триангуляции.
Излучение лазерного сканера формируется линзой в линию и проецируется на колесо. Излучение, рассеянное от колеса, собирается объективом и направляется на двумерный КМОП-датчик изображения. Сформированное таким образом изображение контура колеса анализируется с помощью ПЛИС и сигнального процессора, который вычисляет расстояние до объекта (Z-координата) для каждой точки набора вдоль лазерной линии на колесе (Х-координата).
На фигуре представлено заявляемое устройство, где
1 - колесо колесной пары, геометрические параметры которого контролируются
2 - лазерный сканер
3 - модуль из 3 лазерных сканеров
4 - модуль из 2 лазерных сканеров
5 - рельс
6 - модуль управления для расчета геометрических параметров колес (не показано)
Заявляемое устройство работает следующим образом.
В процессе движения локомотив проходит через зону контроля. После обнаружения колесной пары 1 активируются лазерные сканеры 2, объединенные в модули лазерных сканеров 3 и 4 которые сканируют колесные пары.
Модули, содержащие два лазерных сканера 2, размещены на внешней стороне рельса 5. Модули, содержащие три лазерных сканера 4, размещены на внутренней стороне рельса 5. Чтобы избежать взаимного влияния друг на друга, лазерные сканеры, расположенные на противоположных сторонах рельса, имеют лазеры разной длины волны (при частном случае реализации - 740-1000 мкм и 620-750 нм, соответственно инфракрасный и красный) Первый профиль колеса получен модулем лазерного сканирования с внутренней стороны рельса, второй профиль получен с внешней стороны рельса. Полученные профили отправляются в модуль управления геометрических параметров 6 для соответствующих расчетов. По завершении процесса сканирования модули лазерного сканирования 3 и 4 будут отключены. Для измерения диаметра колеса используются модуль из трех лазерных сканеров. В расчетах используется трехточечный метод определения положения и диаметра колеса с дальнейшим применением метода усреднения путем измерения в нескольких положениях колеса.
Заявленное устройство устанавливается на рельсовых путях в помещении моторовагонного депо, в пунктах технического обслуживания локомотивов или под навесом; место установки на позиции определяется из условия необходимости прохождения всех колесных пар подвижного состава со скоростью 1-50 км/ч через его измерительные устройства при постановке на ремонтную позицию.