СПОСОБ ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ КОЛЕСНОЙ ПАРЫ ДВИЖУЩЕГОСЯ ЛОКОМОТИВА
METHOD FOR LASER SCANNING OF WHEELS OF A MOVING LOCOMOTIVE

Изобретение относится к области вспомогательного железнодорожного оборудования, а именно, к способам 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 всей поверхности измеряемой детали.
Известен способ диагностического контроля геометрических параметров колесных пар подвижного состава по патенту на изобретение RU 2270120 (опубл. 20.02.2006 г.). Способ реализуют за счет включения в технологическую схему измерения оптического измерительного блока, включающего 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 способ контроля колеса колесной пары локомотива в движении по патенту на изобретение RU 2430849 (опубл. 10.10.2011 г.). В соответствии с решением прототипа с 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 способа лазерного сканирования для выявления износа и дефектов цельнокатных и бандажных колес движущегося локомотива посредством отдельных модулей.
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 лазерным сканированием колесной пары посредством модулей из 3 лазерных сканеров, расположенных с внутренней стороны рельса, и модулей из 2 лазерных сканеров, расположенных с внешней стороны рельса, облучение каждым из модулей лазерных сканеров осуществляют с различным показателем длины волны, при этом модуль из 3 лазерных сканеров работает в режиме снятия профиля колеса с вершины его гребня, а модуль из 2 лазерных сканеров контролирует поверхность катания колеса.
При частном случае реализации способа лазерного сканирования колесной пары движущегося локомотива каждый из модулей лазерного сканирования, расположенных на противоположных сторонах рельса, характеризуется показателем длины волны что каждый из модулей лазерных сканеров характеризуется показателем длины равным соответственно в диапазоне длин волн красного цвета и в диапазоне длин волн инфракрасного излучения.
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 неизнашиваемой поверхностью и описывает идеальную окружность.
Модули лазерного сканирования в заявленном способе состоят из комбинации 2D лазерных сканеров RF62X, последовательно смонтированных 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.
Заявленный способ лазерного сканирования основан 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 чертеже представлено:
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)
Заявляемый способ осуществляют 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 с разной длиной волны (при частном случае реализации - соответственно в диапазоне длин волн красного цвета и в диапазоне длин волн инфракрасного излучения). Первый профиль колеса получают лазерным сканированием с внутренней стороны рельса, второй профиль лазерным сканированием с внешней стороны рельса. Полученные профили отправляют в модуль управления геометрических параметров 6 для соответствующих расчетов. По завершении процесса модули лазерного сканирования 3 и 4 будут отключены.
Диаметр колеса оценивают по вершине его гребня, которую рассчитывают на расстоянии 70 мм от внутренней грани, а именно, по хорде, образованной вершиной гребня. В расчетах используется трехточечный метод определения положения диаметра колеса с дальнейшим применением метода усреднения путем измерения в нескольких положениях колеса. Точность измерения определяют скорость движения колеса и скорость работы соответствующих датчиков: рекомендуемая скорость работы датчиков для осуществления изобретения составляет 500 кадров в секунду. Таким образом, при движении колеса со скоростью 1 м/с возможно получение до 70 групп профилей: при усреднении измеряемых показателей точность измерений вырастает значительно.
Заявленный способ применяют 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.