СПОСОБ КОНТРОЛЯ КОЛЕСНЫХ ПАР ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
METHOD OF CONTROL OVER RAILWAY MOUNTED AXLES

Изобретение относится к железнодорожному транспорту и может быть использовано для контроля технического состояния колесной пары железнодорожного транспорта при его движении по рельсовому пути.
Известен способ контроля колеса колесной пары локомотива в движении, заключающийся 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, с нахождением на круге катания колеса трех точек, 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 [патент РФ 2430849, МПК B61K 9/12, 2011].
Недостатками этого способа являются:
- сложность конструкции, реализующей способ, обусловленная наличием профилометров и аппаратуры, обрабатывающей сигналы с профилометров;
- относительно большие затраты при эксплуатации, вызванные необходимостью постоянного обслуживания оборудования и проведения регламентных работ по очистке его от пыли и грязи.
Прототипом является способ мониторинга износа поверхности катания колеса железнодорожной колесной пары, основанный на измерении вертикальных виброускорений рельса с помощью акселерометра и преобразовании их в электрические сигналы [патент РФ 2337031, МПК B61K 9/12, 2008].
Недостатками прототипа являются:
- сложность конструкции, реализующей способ, обусловленная наличием сложной высокочастотной аппаратуры, обрабатывающей большое количество информации (формы электрических сигналов датчиков), а также преобразователей электрического сигнала в оптический и наоборот;
- зависимость достоверности обработки сигналов от целого ряда факторов: места установки датчиков, жесткости рельсового пути (деревянные шпалы, железобетонные шпалы), изношенности рельсового пути и т.п.;
- обязательное снятие предварительных градуировочных зависимостей;
- относительно высокой энергопотребление, вызванное постоянной обработкой большого количества информации.
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков, а именно, упрощение конструкции, реализующей способ, повышение эксплуатационных характеристик и снижение энергопотребления.
Задача решается тем, что в способе контроля колесных пар железнодорожного транспорта, включающего определение дефекта колеса путем анализа электрических сигналов датчиков, установленных на рельсе на протяжении, соответствующем длине развертки поверхности катания колеса, при этом, по крайней мере, один датчик, воспринимающий ударную нагрузку, размещен на рельсе, посредством датчиков в электрический сигнал производят преобразование акустической волны, возникающей в результате взаимодействия колеса с рельсом, при этом анализ электрического сигнала проводят при наличии импульса с размещенного на рельсе датчика, а дефект определяют по длительности сигнала.
Дефект определяют по длительности и частоте сигнала. Рельс протяженностью, соответствующей длине развертки, выполняют из отдельных участков, длина каждого из которых меньше межцентрового расстояния между колесами тележки. Датчики группируют по отдельным участкам рельса и судят о наличии дефекта колеса путем обобщения результатов анализа каждой группы датчиков. Изначально ударную нагрузку формируют посредством стыка рельса. Анализ электрических сигналов начинают при наезде колеса на один стык и заканчивают при въезде на другой. Один из датчиков устанавливают напротив стыка с наружной стороны другого рельса. Перед анализом электрические сигналы фильтруют по частоте. По крайней мере, один рельс устанавливают на звукопоглощающее основание. Акустическую волну пропускают через механический фильтр. В качестве механического фильтра используют участок рельса.
Указанные отличительные признаки позволяют достичь следующих преимуществ по сравнению с прототипом.
Преобразование посредством датчиков в электрический сигнал акустической волны, возникающей в результате взаимодействия колеса с рельсом, улучшает условия эксплуатации, так как акустический датчик непосредственно не связан с рельсом и может быть установлен на некотором отдалении от него. Это позволяет беспрепятственно проводить регламентные путевые работы и очистку полотна от снега. Акустические датчики могут быть защищены от прямого воздействия атмосферных осадков и вибрации проходящих поездов, что повышает надежность и эксплуатационные характеристики. Кроме того, акустическая волна может быть пропущена через механический (низкочастотный) фильтр, что уменьшает шумы и упрощает последующую обработку.
Проведение анализа электрического сигнала при наличии импульса с размещенного на рельсе датчика и определение дефекта по длительности сигнала снижают энергопотребление, поскольку обработка начинается с появлением импульса (колеса на участке рельса), а остальное время устройство может находиться в ждущем режиме. Определение дефекта по длительности и частоте сигнала увеличивает достоверность оценки, что повышает эксплуатационные характеристики.
Выполнение рельса протяженностью, соответствующей длине развертки, из отдельных участков, длина каждого из которых меньше межцентрового расстояния между колесами тележки, дает возможность повысить достоверность обработки информации и упростить аппаратуру, так как на контролируемом участке формируются сигналы только от одного колеса. Кроме того, отдельный участок рельса представляет собой механический фильтр, пропускающий (издающий) только определенный спектр звуковых частот, что упрощает аппаратуру обработки.
Группирование датчиков по отдельным участкам рельса и суждение о наличии дефекта колеса путем обобщения результатов анализа каждой группы датчиков олегчает идентификацию дефектного колеса, что упрощает аппаратуру и повышает эксплуатационные характеристики.
Формирование изначальной ударной нагрузки посредством стыка рельса вызывает в колесе распространение круговой волны и звук, который позволяет определить дефект колеса, например трещину, что упрощает конструкцию аппаратуры.
Выполнение анализа электрических сигналов в период наезда колеса на один стык и въезда на другой также облегчает идентификацию дефектного колеса, что упрощает аппаратуру и повышает эксплуатационные характеристики.
Установка одного из датчиков напротив стыка с наружной стороны другого рельса повышает эксплуатационные характеристики, так как позволяет контролировать наличие дефектов в оси колесной пары путем прослушивания звуковой (акустической) волны, исходящей от второго колеса колесной пары и вызванной круговой волной первого колеса.
Фильтрование перед анализом электрических сигналов по частоте упрощает их последующую обработку.
Установка рельса на звукопоглощающем основании уменьшает шумы, что также упрощает аппаратуру обработки сигналов.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 изображена схема размещения датчиков на рельсовом пути. На фиг.2 изображено первое колесо тележки перед въездом на контролируемый участок рельса. На фиг.3 изображено положение тележки перед въездом ее второго колеса на контролируемый участок рельса.
Устройство содержит датчики 1, установленные с наружной стороны рельсов 2, 3, напротив зазора (стыка) 4 контролируемого участка 5 рельса, на уровне оси тележки 6, и датчики 7, размещенные на уровне головки рельса вдоль участка, на котором закреплен датчик 8. Рельсы и участки, взаимодействующие с колесами 9, 10 тележки прикреплены к основанию 11 накладками 12 (могут быть звукопоглощающими).
Способ реализуют следующим образом.
Перед въездом колеса 9 тележки 6 на контролируемый участок 5 рельса 3 устройство находится в ждущем энергосберегающем режиме (фиг.1, 2). После наезда колеса 9 на стык 4 в колесе и на участке 5 рельса начинает распространяться круговая волна, которая достигнув датчика 8 (например пьезоэлектрического), вызывает в нем электрический импульс, который переводит устройство в рабочее состояние. Круговая волна, распространяясь по колесу 9, вызывает появление акустической (звуковой) волны, исходящей от колеса и регистрируемой датчиком 1. Если колесо не имеет трещин, то длительность и частота звука будут иметь определенное значение. При наличии трещины указанные параметры будут другими, в частности, длительность будет небольшой из-за быстрого затухания волны в колесе, а частота станет ниже.
Одновременно круговая волна через ось колесной пары достигнет другого колеса, катящегося по рельсу 2, в результате чего оно станет источником звуковой волны, воспринимаемой датчиком 1 со стороны рельса 2 (на другой стороне пути). Наличие или отсутствие трещины в оси и колесе будет влиять на параметры звука, улавливаемого указанным датчиком 1.
Затем колесо 9 начнет катиться по участку 5, протяженность которого в данном случае равна половине длины окружности колеса. При отсутствии на поверхности качения дефектов (таких как ползуны, наплывы, глубокие риски и выщерблины) датчики 7 будут воспринимать равномерный звук движущегося колеса. Наличие на поверхности, например ползуна, вызовет ударную нагрузку на рельс, что будет зафиксировано не только датчиками 7, но и датчиком 8. Более того, момент времени, в который на третьем по счету участке 5 (если таковой имеется, причем, даже, только с датчиком 8) сформируется импульс от удара о рельс этого ползуна, можно легко спрогнозировать, и в случае появления такого импульса (периодического удара) подтверждается вывод о наличии дефекта на этой полуокружности колеса.
Следует заметить, что датчики 7 могут уловить характерный для дефекта звук при наличии соответствующего изъяна на другом колесе колесной пары. Круговая волна, возбужденная в колесе ударом ползуна о рельс 2, через ось колесной пары достигнет катящегося по участку 5 колеса 9, которое начнет испускать соответствующий звук. Однако в этом случае датчик 8 не зарегистрирует ударной нагрузки, что будет свидетельствовать об отсутствии дефекта на поверхности колеса 9, катящегося по участку 5 рельса 3.
После прохождения колесом 9 всего первого участка оно перемещается на второй участок 5, на котором другая его полуокружность контролируется аналогичным образом следующей группой датчиков 1, 7, 8. При этом первый участок 5 освобождается для приема и последующего контроля первой группой датчиков колеса 10 тележки 6.
После схода колеса 9 со второго участка 5 обобщают результаты обработки сигналов с датчиков первой и второй групп, и при отсутствии выявленных дефектов делают заключение о годности колеса 9 к дальнейшей эксплуатации. Если имеется третий участок контроля, то посредством последнего делают подтверждение о наличии или отсутствии дефекта. Заметим, что наличие третьего участка предполагает и четвертый контрольный участок для подтверждения качества поверхности другой полуокружности колеса.
Для снижения помех микрофоны, которые могут служить в качестве датчиков 1 и 7, закрывают материалом, пропускающим звук определенной частоты. При этом участок 5 рельса сам по себе может быть низкочастотным фильтром. Кроме того, фильтрации подвергают и сформированный микрофоном электрический сигнал, что упрощает аппаратуру дальнейшей обработки информации.
С целью снижения помех, вызываемых колесами движущегося поезда, по крайней мере, рельс 2 устанавливают на звукопоглощающее основание.
Проверку другой (левой) стороны колесных пар осуществляют на последующем отрезке пути аналогичным образом, для чего уже рельс 2 разделяют на контрольные участки, вдоль которых устанавливают датчики, а рельс 3 оставляют целым (не разделенным на участки).
Внедрение изобретения позволит создать простую конструкцию устройства, контролирующего техническое состояние колесной пары железнодорожного транспорта при его движении по рельсовому пути, который, если не считать нескольких дополнительных стыков, остается без каких-либо изменений.