УСТРОЙСТВО ДИСТАНЦИОННОГО КОНТРОЛЯ МЕХАНИЧЕСКИХ И ТЕПЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ КОЛЕСНОЙ ПАРЫ РЕЛЬСОВОГО ТРАНСПОРТА

Предлагаемая полезная модель относится к средствам дистанционного контроля применительно к подвижному составу железнодорожного транспорта.
Известны устройства дистанционного контроля элементов подвижного состава, среди которых:
Датчик температуры, скорости и вибрации (патент ЕР на изобретение №1293766), встроенный в буксу колесной пары, обеспечивающий измерение температуры подшипников буксы, а также измерение скорости вращения и вибрации.
Датчик системы беспроводного контроля нагрева букс (патент RU на изобретение №2413644), который содержит корпус, на внешнюю поверхность которого, по меньшей мере, частично нанесена резьба. Внутри корпуса расположена печатная плата, на одной стороне которой установлен источник электрического питания, а на другой стороне установлены последовательно соединенные тепловой датчик, средство согласования теплового датчика и приемопередатчика, приемопередатчик радиосигнала и антенна.
Система беспроводного контроля нагрева букс пассажирского вагона (патент RU на изобретение №2365518), которая содержит два беспроводных датчика температуры букс, имеющих по внутренней антенне, на каждой колесной паре, не менее одного приемника на вагон, также содержащего внутреннюю антенну. Приемник по двухпроводной связи подключен к блоку контроля и индикации, установленному в служебном купе проводника вагона, а по радиоканалу - к мобильному регистратору, носимому проводником и выполненному с возможностью регистрации параметров, выдаваемых беспроводными датчиками температуры букс. Блок контроля и индикации может быть выполнен с возможностью осуществления обработки и отображения информации, передаваемой беспроводными датчиками температуры букс при одновременном обеспечении аварийной сигнализации с последующей выдачей сигнала в систему контроля безопасности и связи пассажирского поезда. Система может быть выполнена с возможностью установки дополнительных беспроводных датчиков состояния, предназначенных для контроля рабочих параметров узлов и агрегатов, контроля схода колесных пар с рельс, датчиков вибраций, а также датчиков состояния технических жидкостей, участвующих в работе узлов пассажирского вагона.
Известно также устройство для мониторинга состояния букс колесных пар вагонов движущегося поезда (патент RU на изобретение №2381935), которое содержит датчики, микропроцессор, активный приемопередатчик информации по радиоканалу и генератор электрического напряжения питания в составе подвижных магнитных элементов и неподвижных витков электрических проводников, размещенных под крышкой буксы. Дополнительно введены термостойкая кольцевая прокладка, электрически изолирующая крышку от буксы, многослойное коммутационное основание, неподвижно размещенное с внутренней стороны крышки, на котором установлены микропроцессор и электрорадиоэлементы приемопередатчика, и дисковый магнитопровод диаметром, равным диаметру торцевой поверхности оси колесной пары, установленный на многослойном коммутационном основании со стороны крышки буксы соосно с осью вращения колес. При этом четное число магнитов установлено на диске радиально и равномерно по линии окружности вокруг оси вращения колесной пары и ориентировано перпендикулярно к поверхности многослойного коммутационного основания поочередно разноименными полюсами. В дополнительном дисковом магнитопроводе выполнены выдавки, соответствующие по количеству, форме боковых поверхностей и взаимному месторасположению числу, форме и месторасположению, отверстий в многослойном коммутационном основании.
Известно также устройство для мониторинга состояния букс колесных пар вагонов движущегося поезда (патент RU на изобретение №2384444), которое содержит датчики, микропроцессор, активный приемопередатчик, генератор электрического напряжения питания, в составе магнитного элемента, листового подвижного магнитопровода, витков электрических проводников, диодных выпрямителей и аккумуляторов. Дополнительно введены термостойкая кольцевая прокладка, электрически изолирующая крышку от буксы, многослойное коммутационное основание, защитная крышка элементов, размещенных на поверхности коммутационного основания, и листовой неподвижный магнитопровод. Многослойное коммутационное основание, в котором выполнены центральное и равномерно расположенные по окружности вокруг него периферийные отверстия, неподвижно размещено на внутренней стороне крышки. На многослойном коммутационном основании установлены микропроцессор, диодные выпрямители, аккумуляторы и электрорадиоэлементы приемопередатчика, выходная шина которого электрически соединена с крышкой буксы. Листовой неподвижный магнитопровод выполнен в виде многоконечной плоской звезды с лучами, а на концах лучей исполнены цилиндрические выдавки.
К общим недостаткам приведенных выше технических решений следует отнести в первую очередь - ориентацию на использование установленных на колесных парах беспроводных датчиков только в составе бортовых систем диагностики, размещенных внутри вагона, который должен иметь бортовой генератор напряжения или достаточно емкий аккумулятор. По этой причине не может быть реализован мониторинг технического состояния колесной пары во время ее перемещения вне вагона, например, при ее перемещении в составе вагонной тележки для установки на другой вагон, или при ее перемещении вне вагонной тележки для установки на другую вагонную тележку, тем более, после того, когда с колесной пары демонтированы буксовые узлы. После демонтажа с колесной пары буксовых узлов датчик перестает функционировать, так как его компоненты размещены на элементах конструкции буксового узла, и теряется его функциональная целостность, кроме того по этой же причине невозможна работа генератора напряжения, используемого для подзарядка накопителя энергии, питающего электронные компоненты датчика, поэтому срок работы их минимален.
Наиболее близким аналогом является устройство того же назначения что и заявляемая полезная модель - патент RU на изобретение 2472130, включающее электронный блок, оборудованный преобразователями, способными получать и подавать сигналы, относящиеся к вибрации или вращению, средство крепления узла дистанционного контроля. Вращающаяся часть является торцевой крышкой оси колесной пары железнодорожного вагона. Электронный блок, служащий устройством дистанционного контроля, расположен снаружи торцевой крышки или в выемке на стороне торцевой крышки, обращенной к концу оси.
К недостаткам наиболее близкого аналога следует отнести отсутствие оптимальных условий для надежной радиосвязи между электронным блоком, установленным на торце оси колесной пары и диспетчерским пунктом. Это обусловлено тем, что во время движения транспортного средства антенна приемопередатчика, входящего в электронный блок, вращается синхронно с вращением оси колесной пары, последовательно занимая оптимальное и неоптимальное для приема и передачи сигнала положение, что ухудшает условия радиосвязи. Причем во время остановки антенна может занять крайне неоптимальное положение на все время стоянки. Конструкторское решение устройства не позволяет обеспечить во время вращения оси колесной пары неподвижное положение электронного блока и встроенной в него антенны.
Задача, на решение которой направлено предложенное устройство, состоит в повышении качества дистанционного контроля, обеспечении бесперебойного контроля при постоянстве функционирования устройства.
Сущность заявляемой полезной модели заключается в том, что в устройстве дистанционного контроля механических и тепловых параметров колесной пары рельсового транспорта, содержащем электронный блок со встроенной антенной, электромеханический преобразователь энергии, выходы которого соединены с входами питания электронного блока, защитный кожух и средство крепления устройства на колесную пару, при этом электронный блок содержит базовую печатную плату, на которой размещены: микроконтроллер, приемопередатчик, измеритель параметров, соединенные между собой портами обмена данными, и накопитель энергии, выводы которого подключены к входам питания микроконтроллера, приемопередатчика, измерителя параметров и служат входами питания электронного блока, средство крепления устройства на колесную пару разделено на средство крепления электронного блока со встроенной антенной, средство крепления электромеханического преобразователя и средство крепления защитного кожуха, при этом в электромеханический преобразователь энергии входят: первый диск из магнитопроводящего материала, который имеет центральное и периферийные отверстия, сквозь которые он закреплен на торце оси колесной пары соосно ее продольной оси с возможностью синхронного с ней вращения; магнитные элементы, размещенные на торце первого диска, обращенном в сторону от торца оси колесной пары, и расположенные на данном диске радиально и равномерно по линии окружности вокруг его оси; несущий винт, стержень которого вставлен в центральное отверстие первого диска и закреплен на нем с помощью первой стопорной гайки; втулка, насаженная на несущий винт поверх первой стопорной гайки; подшипник, насаженный своим внутренним кольцом на несущий винт поверх втулки; вторая стопорная гайка, с помощью которой элементы, насаженные на стержень несущего винта, жестко зафиксированы между собой; второй диск из магнитопроводящего материала, имеющий центральное и периферийные отверстия, насаженный через свое центральное отверстие на внешнее кольцо подшипника и закрепленный на нем параллельно первому диску без возможности вращения вокруг оси колесной пары; балласт, эксцентрично расположенный на торце второго диска, обращенном в сторону первого диска; монтажная плата, концентрично расположенная на торце второго диска, обращенном в сторону первого диска, на которой размещены выпрямитель и многослойные катушки из изолированного провода, расположенные радиально и равномерно по линии окружности вокруг оси второго диска; при этом крепление электромеханического преобразователя энергии осуществлено креплением входящего в него первого диска к торцу оси колесной пары, крепление электронного блока осуществлено его креплением к торцу второго диска, крепление защитного кожуха осуществлено его креплением к торцу первого диска.
Кроме того заявляется устройство, в котором, наряду с вышеописанными признаками, защитный кожух имеет форму стакана с отбортовкой по краю своей боковой стенки с крепежными отверстиями, выполненными в отбортовке для крепления к торцу первого диска, обращенному в сторону второго диска.
Заявляется также устройство, в котором защитный кожух изготовлен из радиопрозрачного диэлектрического материала, устойчивого к механическим и климатическим воздействиям.
Кроме того заявляется устройство, в котором в качестве приемопередатчика применен GSM-модем.
Заявляется также устройство, в котором, наряду с вышеописанными признаками, в качестве накопителя энергии применены ионисторы.
Кроме того заявляется устройство, в котором выпрямитель выполнен с возможностью управления током заряда ионисторов.
Новизна заявляемой полезной модели обеспечена принципиально иным подходом автора к устранению имеющихся недостатков дистанционного контроля значимых технико-эксплуатационных параметров колесной пары подвижного состава железнодорожного транспорта и поэтому, как в целом, так и по частям не описана как в патентной, так и в иной литературе, что подтверждено результатом проведенного патентно-информационного поиска.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в обеспечении гарантированного бесперебойного дистанционного контроля, что не достигалось в наиболее близком аналоге и других описанных решениях. Это оказалось возможным за счет изменения конструкции электромеханического преобразователя, позволяющей разделить средство крепления устройства к колесной паре на средство крепления электронного блока со встроенной антенной, средство крепления электромеханического преобразователя и средство крепления защитного кожуха. Это позволило исключить вращение электронного блока со встроенной антенной, закрепленного на торце оси колесной пары во время ее вращения. Последнее обеспечивает неизменное положение антенны в электронном блоке и бесперебойный устойчивый дистанционный контроль во время движения транспортного средства и, как следствие этого, бесперебойность дистанционно контроля.
Предлагаемое техническое решение позволяет повысить надежность радиосвязи между диспетчерским пунктом и контролируемым объектом за счет возможности установить и поддерживать неизменным в процессе движения транспортного средства оптимальное положение антенны приемопередатчика, установленного на колесной паре.
Кроме того использование в качестве технического средства для крепления устройства к торцевой части оси колесной пары элементов конструкции электромеханического преобразователя энергии позволяет существенно упростить конструкцию устройства, повысить ее ремонтопригодность, облегчить его обслуживание в ходе эксплуатации. То, что устройство не требует для установки использования элементов конструкции буксового узла колесной пары и предназначено для крепления к торцу оси колесной пары, позволяет контролировать техническое состояние колесной пары не только в составе вагонной тележки, но и вне ее даже, если с колесной пары сняты буксовые узлы. При этом, любое движение по рельсам колесной пары, в том числе автономное (вне вагона, вне вагонной тележки, и с демонтированными буксовыми узлами), обеспечивает генерирование переменного напряжения, позволяющего подзаряжать накопитель энергии. Устройство легко устанавливается на колесную пару и легко демонтируется с нее, а процесс сборки / разборки буксового узла колесной пары не может нарушить его работоспособность или повлиять на настройки устройства, выполненные перед установкой его на колесную пару.
Применение устройства позволит дистанционно контролировать техническое состояние каждой колесной пары, как в составе вагона, так и вне его, в условиях гибкого формирования пассажирского состава, а также способствовать организации электронной базы данных по каждой колесной паре на всем протяжении ее эксплуатации и свести до минимума количество потерянных на железной дороге колесных пар при проведении профилактических или ремонтных работ.
Заявляемая полезная модель поясняется чертежами, приведенными на Фиг. 1 - Фиг 9.
Фиг. 1 - предлагаемого устройство в собранном виде;
Фиг. 2 - вид сверху устройства в собранном виде;
Фиг. 3 - вид предлагаемого устройства в собранном виде в изометрии;
Фиг. 4 - предлагаемое устройство в собранном виде, установленное на торце оси колесной пары внутри буксового узла (в разрезе вдоль оси колесной пары);
Фиг. 5 - фрагмент устройства;
Фиг. 6 - вид предлагаемого устройства в сечении А-А;
Фиг. 7 - вид предлагаемого устройства в сечении Б-Б;
Фиг. 8 - вид предлагаемого устройства в сечении В-В;
Фиг. 9 - схема взаимодействия заявляемого устройства, установленного на объект контроля (колесную пару), с остальными техническими средствами системы мониторинга.
Позициями на чертежах обозначены:
1 - защитный кожух,
2 - базовая печатная плата,
3 - микроконтроллер,
4 - приемопередатчик с встроенной антенной,
5 - измеритель параметров,
6 - накопитель энергии,
7 - первый диск,
8 - магнитные элементы,
9 - несущий винт,
10 - первая стопорная гайка,
11 - втулка,
12 - подшипник,
13 - вторая стопорная гайка,
14 - второй диск,
15 - балласт,
16 - монтажная плата,
17 - многослойные катушки из изолированного провода,
18 - выпрямитель,
19 - ось колесной пары (в заявляемое устройство не входит),
20 - буксовый узел (в заявляемое устройство не входит),
21 - крышка буксового узла (в заявляемое устройство не входит).
Устройство дистанционного контроля механических и тепловых параметров колесной пары рельсового транспорта включает: электронный блок со встроенной антенной, электромеханический преобразователь энергии, обозначенные на чертежах позициями входящих в них узлов, защитный кожух 1. Электромеханический преобразователь энергии подключенный своими выходами к входам питания электронного блока.
Защитный кожух 1 препятствует попаданию внутрь устройства посторонних предметов, влаги, пыли, грязи, и предохраняет от механических повреждений входящих в него узлов при проведении регламентных работ по сборке/разборке буксовых узлов. Электронный блок содержит базовую печатную плату 2, представляющую собой коммутационное основание с расположенными на ней электронными узлами и электронными компонентами (см. подробно далее). На базовой печатной плате 2 размещены: микроконтроллер 3, приемопередатчик 4 с встроенной антенной, измеритель параметров 5, соединенные между собой портами обмена данными, и накопитель энергии 6, выводы которого подключены к входам питания микроконтроллера 3, приемопередатчика 4, измерителя параметров 5 и являются входами питания электронного блока.
Микроконтроллер 3 осуществляет управление взаимодействием всех электронных узлов, входящих в устройство, а также содержит в своей памяти идентификационные данные конкретной колесной пары, на которую установлено устройство и результаты измерения контролируемых тепловых и механических параметров колесной пары. Программирование микроконтроллера 3 под реализацию конкретного алгоритма работы устройства и осуществляется с помощью программатора, который подключается через соединительный кабель к колодке программирования размещенной на базовой печатной плате 2 (на чертежах колодка не показана).
Приемопередатчик 4 с встроенной антенной предназначен для реализации двухстороннего канала связи между микроконтроллером 3 и наземной диспетчерской службой, на которую передаются результаты измерения контролируемых параметров и сигналы аварии при превышении последних допустимых значений. При этом, в зависимости от исполнения устройства, приемопередатчик 5 может содержать модемы связи на большие расстояния (GSM модем), на средние расстояния (Wi-Fi модем) и на малые расстояния (радиомодем). Последний вариант может использоваться для передачи информации на бортовой контроллер, установленный в кузове транспортного средства. В базовом исполнении устройства приемопередатчик 4 оснащен GSM-модемом, для осуществления возможности слежения за местонахождением колесной пары на значительном расстоянии, что необходимо для контроля ее тепловых и механических параметров, когда она находится вне вагона, например, во время перемещения с одного вагона на другой, или во время хранения при выполнении профилактических работ, особенно, когда с колесной пары демонтированы буксовые узлы.
Измеритель параметров 5 имеет в своем составе набор датчиков физических явлений и обеспечивает преобразование полученных от них сигналов в форму, удобную для их обработки микроконтроллером 3. В зависимости от конкретного исполнения устройства состав измеряемых параметров может существенно отличаться. В простейшем варианте контролируется перегрев, вибрация, скорость вращения колеса, суммарный пробег колесной пары, параметры выходного сигнала электромеханического преобразователя энергии, значение постоянного напряжения на выходе накопителя энергии 6. При оснащении устройства датчиками акустической эмиссии возможен контроль возникновения внутренних дефектов оси колесной пары.
Микроконтроллер 3, приемопередатчик с встроенной антенной 4, измеритель параметров 5 и накопитель энергии 6, входящие в заявляемое устройство реализованы из стандартно изготавливаемых современных конструктивно законченных электронных модулей, выпускаемых серийно отечественными предприятиями и зарубежными фирмами.
В состав электромеханического преобразователя энергии входят:
первый диск 7 из магнитопроводящего материала, который имеет центральное и периферийные отверстия, сквозь которые он закреплен на торце оси колесной пары соосно ее продольной оси с возможностью синхронного с ней вращения; магнитные элементы 8, размещенные на торце первого диска 7, обращенном в сторону от торца оси колесной пары, и расположенные на данном диске радиально и равномерно по линии окружности вокруг его оси; несущий винт 9, стержень которого вставлен в центральное отверстие первого диска 7 и закреплен на нем с помощью первой стопорной гайки 10; втулка 11, насаженная на несущий винт поверх первой стопорной гайки 10; подшипник 12, насаженный своим внутренним кольцом на несущий винт 9 поверх втулки 11; вторая стопорная гайка 13, с помощью которой элементы, насаженные на стержень несущего винта 9, жестко зафиксированы между собой; второй диск 14 из магнитопроводящего материала, имеющий центральное и периферийные отверстия, насаженный через свое центральное отверстие на внешнее кольцо подшипника и закрепленный на нем параллельно первому диску 7 без возможности вращения вокруг оси колесной пары; балласт 15, эксцентрично расположенный на торце второго диска 14, обращенном в сторону первого диска 7; монтажная плата 16, концентрично расположенная на торце второго диска 14, обращенном в сторону первого диска 7, на которой размещены выпрямитель 17 и многослойные катушки 18 из изолированного провода, расположенные радиально и равномерно по линии окружности вокруг оси второго диска 14.
Средство крепления устройства к колесной паре разделено на: средство крепления к колесной паре электромеханического преобразователя энергии, крепление которого осуществлено креплением входящего в него первого диска 7 к торцу оси колесной пары с возможностью синхронного с ней вращения;
средство крепления к колесной паре электронного блока, крепление которого осуществлено его креплением к торцу второго диска 14 без возможности вращения вокруг оси колесной пары;
средство крепления к колесной паре защитного кожуха 1, крепление которого осуществлено его креплением к торцу первого диска 7 с возможностью вращения вокруг оси колесной пары;
Крепление элементов, расположенных на первом 7 и втором 14 дисках, может быть обеспечено с помощью термостойкого и влагостойкого клея.
Для устойчивой радиосвязи между электронным блоком, установленным на колесной паре и пунктом диспетчера, защитный кожух 1 и крышка буксового узла 21 должны быть изготовлены из радиопрозрачного диэлектрического материала, устойчивого к механическим и климатическим воздействиям. Описание работы устройства.
Работа электромеханического преобразователя энергии базируется на явлении возникновения электрического тока в замкнутом проводнике при пересечении им линий магнитного поля. Магнитное поле создается магнитными элементами 8, диаметрально расположенными на первом диске 7 и обращенными к его поверхности разноименными полюсами, а в качестве магнитопровода используются первый диск 7 и второй диск 14, расположенные друг против друга и выполненные из магнитопроводящего материала.
При вращении оси колесной пары 19, синхронно с ней, вращается первый диск 7 с расположенными на нем магнитными элементами 8. Поскольку расположенный напротив первого второй диск 14 остается неподвижным, то расположенные на втором диске витки многослойных катушек 17 из изолированного провода пересекают линии магнитного поля, что приводит к возникновению в них переменного электрического тока.
Электромеханический преобразователь энергии преобразует вращательное движение оси колесной пары во время ее движения по рельсовым путям в переменное напряжение, которое с помощью выпрямителя 18 преобразуется в постоянное напряжение, используемое для восполнения электрической энергии, потребляемой электронными узлами устройства от накопителя энергии 6.
В приведенном на чертежах варианте реализации электромеханического преобразователя энергии изображена трехфазная система, формирующая три магнитных потока, сдвинутых на 120 градусов.
Применительно к одной фазе магнитный поток создается двумя магнитными элементами 8, расположенными на торце первого диска 7 диаметрально по отношению друг к другу, и обращенными к поверхности первого диска 7 разноименными полюсами. При этом магнитная цепь проходит по пути:
- от северного полюса первого магнитного элемента 8;
- через первый немагнитный зазор, величина которого складывается: из зазора между торцевой поверхностью первого магнитного элемента 8 и торцевой поверхностью, расположенной напротив него первой многослойной катушки 17; из высоты первой многослойной катушки 17; из толщины монтажной платы 16;
- через материал второго диска 14 вдоль его торца до второй многослойной катушки 17, расположенной диаметрально по отношению к первой многослойной катушке 17;
- через второй немагнитный зазор, величина которого складывается: из толщины монтажной платы 16; из высоты второй многослойной катушки 17; из зазора между торцевой поверхностью второй многослойной катушки 17 и торцевой поверхностью, расположенного напротив нее второго магнитного элемента 8, намагниченного как южный полюс;
- от северного полюса второго магнитного элемента 8 вдоль торца первого диска 7 до южного полюса первого магнитного элемента 8.
Для обеспечения описанного выше пути магнитных силовых линий суммарная величина немагнитного зазора магнитной цепи (в данном описании-сумма первого и второго немагнитных зазоров) не должна превышать зазор между боковыми цилиндрическими поверхностями соседних магнитных элементов 8.
Процессы, протекающие в магнитной цепи второй и третьей фазы полностью идентичны процессам, описанным выше для первой фазы.
Общий алгоритм работы устройства состоит в том, что после крепления устройства на торцевую часть оси колесной пары диспетчерская служба имеет возможность дистанционного считывания в реальном масштабе времени параметров, характеризующих техническое состояние конкретной колесной пары, как в составе вагона во время его движения по маршруту, так и во время стоянки вагона, а также, во время нахождения колесной пары вне вагона, вне вагонной тележки, даже, если с оси колесной пары сняты буксовые узлы.
При этом микроконтроллер 3 осуществляет автоматическое переключение режима передачи данных в диспетчерскую службу в зависимости от того, движется вагон или стоит. Во время движения обеспечивается передача данных в режиме «маяка», то есть регулярно через заданный оператором интервал времени. После остановки вагона микроконтроллер 3, автоматически переводит устройство в режим передачи данных по запросу диспетчера. При таком алгоритме накопитель энергии 6 может обеспечить длительную работу электронных узлов устройства во время стоянки колесной пары, например, в ремонтном депо. Причем служба диспетчера оповещается о переходе устройства с одного режима передачи данных на другой.
На Фиг. 9 показана схема взаимодействия предлагаемого устройства с другими техническими средствами в составе системы мониторинга.
При установке предлагаемого устройства на каждый торец оси колесной пары, как это показано на Фиг. 9 отпадает необходимость в оснащении вагона дополнительными техническими средствами для контроля перегрева букс колесных пар. Диспетчерский пункт должен быть оснащен GSM-модемом для получения от установленных на колесную пару устройств информационного пакета, содержащего:
- идентификационные данные колесной пары, которые хранятся в памяти контроллера,
- данные о суммарном пробеге колесной пары,
- данные о контролируемых параметрах.