СПОСОБ ИДЕНТИФИКАЦИИ ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ ПО ТИПУ ПОДШИПНИКА В ПРОЦЕССЕ ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ
METHOD FOR IDENTIFICATION OF FREIGHT CARS BY BEARING TYPE DURING THERMAL MONITORING

Предлагаемое изобретение относиться к области железнодорожного транспорта, в частности, к способам и устройствам для бесконтактного теплового контроля состояния буксовых (осевых подшипниковых) узлов при движении рельсового подвижного состава с использованием приемников инфракрасного (теплового) излучения. В связи с оснащением вагонного парка грузовыми вагонами нового поколения с коническими подшипниками кассетного типа, размещаемых в стандартных корпусах букс и в полубуксах-адаптерах, и имеющих в эксплуатации существенно разные температурные режимы нагрева, возникла неопределенность в назначении браковочных критериев тревожной сигнализации для средств теплового контроля (СТК), например промышленных микропроцессорных комплексов типа КТСМ-2 и КТСМ-03 [1].
На железных дорогах России и СНГ в корпусах букс грузовых вагонов эксплуатируются как цилиндрические двухрядные и сдвоенные роликовые подшипники в габаритах 130×250×160, так и конические подшипники кассетного типа в габаритах 130×250×160. Инновационные вагоны нового поколения преимущественно оснащаются коническими подшипниками кассетного типа в полубуксах-адаптерах разных габаритов: 130×230×150, 130×250×160 и 150×250×160. Для подшипников кассетного типа действующей нормативно-технической документацией установлены более высокие допускаемые температуры рабочего и критического нагрева, чем для цилиндрических - на 20°С без учета их габаритов и конструктивного исполнения (в крпусах букс или в полубуксах-адаптерах). В эксплуатации же по температурным режимам выделяются крупногабаритные кассетные подшипники 150×250×160 для нагрузок от 25 до 27 тонн на ось открытого исполнения, то есть под адаптерами. При одинаковых порогах тревожной сигнализации СТК это приводит либо к необоснованным остановкам и задержкам поездов с рабочим нагревом подшипников кассетного типа для проверки показаний СТК, либо к риску несвоевременного выявления (пропуска) аварийно нагретых цилиндрических подшипников в корпусах букс.
Целью настоящего технического решения является усовершенствование СТК, способных в процессе теплового контроля разнородного подвижного состава более достоверно идентифицировать грузовые вагоны по типу подшипников для задания разных критериев тревожной сигнализации: от "тревоги 0" - обратить внимание на ПТО, "тревоги 1" - предаварийный нагрев с остановкой поезда на ближайшей по ходу движения станции до "тревоги 2" - критический (аварийный) нагрев с незамедлительной остановкой поезда на перегоне для оценки состояния подшипниковых узлов. Корректное решение этой задачи усложняется тем, что только по параметрам тепловых сигналов невозможно однозначно распознать тип подшипниковых узлов контролируемых вагонов в корпусах букс и в полубуксах-адаптерах с кассетами разных габаритов из-за влияния на нагрев подшипников многочисленных факторов (нагрузки на ось, скорости и продолжительности безостановочного движения поезда, температуры наружного воздуха, плана и профиля пути). При положительных температурах наружного воздуха температуры конических подшипников практически совпадают с температурами цилиндрических подшипников, что затрудняет их распознавание по параметрам тепловых сигналов СТК. Зимой же средние по вагонам значения температур конических подшипников в 1.5-2.0 раза выше, чем цилиндрических. Это благоприятно сказывается на повышении достоверности идентификации грузовых вагонов по типу подшипников.
Известен способ распознавания вагонов по типу подшипника "трения скольжения" или "трения качения" - роликовых, например, по сумме амплитуд тепловых сигналов от всех букс контролируемых вагонов [2]. Если сумма амплитуд больше или равна заданного (лимитированного) значения -"сумм Ui>=Ulim", то вагон относится к подклассу "трения скольжения". При несоблюдении этого условия вагон относится к подклассу "трения качения" (т.е. на роликовых подшипниках). Следует отметить, что к 1998 г весь подвижной состав железных дорог России был переведен на цилиндрические подшипники трения качения, что сделало бессмысленным разделение подвижных единиц по этим признакам.
i
С 2003 г на подвижном составе железных дорог России и СНГ наряду с цилиндрическими роликовыми подшипниками трения качения стали использоваться роликовые конические подшипники кассетного типа - так называемые «картуши». Для распознавания вагонов по типу подшипника "цилиндрический/конический" сотрудниками компании ООО "Инфотэкс AT" - -разработчика СТК типа КТСМ с участием автора был предложен более совершенный способ [3]. Сущность этого способа заключалась в том, что о наличии в контролируемой подвижной единице цилиндрических или конических подшипников кассетного типа судят по сравнению с заданным пороговым значением  признака  - в виде отношения средних значений избыточных температур нагрева подшипников (буксовых узлов), расположенных на четных осях  к средним значениям избыточных температур нагрева подшипников (буксовых узлов), расположенных на нечетных осях  при этом, если признак  то на подвижную единицу как для конических подшипников автоматически устанавливаются повышенные пороги сигнализации о перегрев подшипников, а если  то на такую подвижную единицу как для цилиндрических подшипников, устанавливаются неизменные или пониженные пороги сигнализации. При вычислении средних значений  и  не учитываются максимальные значения температур нагрева подшипников (буксовых узлов), расположенных на четных и нечетных осях подвижных единиц, а в случае, если значение отношения  то для уточнения идентификации подвижных единиц по типу подшипника используются дополнительные признаки, а именно: количество Ni подшипниковых узлов в контролируемой подвижной единице, уровни нагрева которых dT превышает заданное пороговое значение
Достоверность идентификации грузовых вагонов этим способом снизилась после поставки на железные дороги ОАО "РЖД" и СНГ так называемых инновационных вагонов нового поколения разных изготовителей с тележками разных моделей и коническими подшипниками кассетного типа в габаритах 130×230×150, 130×250×160 и 150×250×160 под адаптерами с блокираторами (фиксаторами) кассет в проемах боковых рам и без них. В процессе 10-летней эксплуатации таких вагонов разных моделей оказалось, что чисто температурные признаки по пат. №2453459 уже не обеспечивают опознавание в них малогабаритных кассет 130-230, среднегабаритных 130-250 и крупногабаритных 150-250 кассет колесных пар в тележках разных моделей с разными геометрическими размерами адаптеров и конструкцией блокираторов. В качестве иллюстрации ниже приведены распределения известных температурных признаков, которые подтверждают сложность решения поставленной задачи традиционными способами (фиг. 1-3).
Температуры кассет 150×250×160 для нагрузок 25 т/ось существенно выше, чем кассет 130×230×150 и 130×250×160 для нагрузок 23,5 т/ось в тележках разных моделей под адаптерами и тем более разнотипных подшипников, размещенных в корпусах букс. Более компактно распределены признаки в виде средних значений температур  (фиг. 2) и отношения средних значений температур контролируемых узлов на четных осях вагонов к нечетным разнотипных подшипников  (фиг. 3). По двум из этих трех признаков  с известной степенью риска ошибочных решений уже возможно отделить конические подшипники от цилиндрических - особенно в зимнее время года при возрастании температур их нагрева.
Целью предлагаемого изобретения является создание более надежного способа и устройства для идентификации грузовых вагонов по типу разногабаритных подшипников «цилиндрический-конический» в грузовых вагонах с тележками разных моделей для задания различных значений порогов тревожной сигнализации СТК с минимизацией ошибочных решений.
В соответствии с поставленной задачей предлагается использование данных инструментальных измерений длин  колесных пар в сборе с подшипниковыми узлами. Для повышения достоверности идентификации вагонов по типу подшипников с минимизацией риска ошибочных решений предлагается взамен известных методов идентификации типа подшипников по параметрам тепловых сигналов от корпусов букс и адаптеров в процессе теплового контроля грузовых вагонов СТК, например типа КТСМ, измерять длины колесных пар  в сборе с подшипниковыми узлами. Колесные пары с разнотипными подшипниками в корпусах букс  длиннее, чем колесные пары с кассетами под адаптерами  на 80-100 мм (см. таблицу).
Такую разницу в геометрических размерах колесных пар в сборе с подшипниковыми узлами несложно оценить лазерными дальномерами с разрешающей способностью 0,5 мм на расстоянии от объекта измерения до 1000 мм. Таким образом в процессе теплового контроля согласно заявленного способа устройство для его реализации сначала разделяет все колесные пары вагонов по их длине на два класса (в корпусах букс или под адаптерами), а если подшипники в корпусах букс, то для их идентификации используются известные признаки по параметрам тепловых сигналов для принятия того или иного решения, например по патенту №2453459 от 05.08.2010 г.
По признаку  возможно также разделение колесных с кассетными подшипниками еще на три подкласса для разных моделей тележек (18-100М, 18-7020 и 18-7033, 18-555, 18-9800, 18-9810 и 18-9855).
В соответствии с предполагаемым изобретением "Способ идентификации грузовых вагонов по типу подшипников в процессе их бесконтактного теплового контроля и устройство для его осуществления" средствами инфракрасной техники, основанный на анализе температур нагрева подшипников в каждой подвижной единице, заключающийся в том, что о наличии в подвижной единице цилиндрических или конических подшипников кассетного типа судят в основном по данным измерений геометрических размеров колесных пар в сборе с подшипниковыми узлами - в корпусах букс или в полубуксах-адаптерах, для чего средствами лазерной техники (дальномерами) измеряют габаритные размеры - длины  колесных пар между передними крышками и (или) диаметры  подшипниковых узлов в створе буксовых проемов - между челюстями боковых рам, при этом если установлено условие соответствия по признакам  и (или)  то на подвижную единицу как для конических подшипников кассетного типа под адаптером - с признаком  автоматически однозначно устанавливаются повышенные пороги регистрации перегрева букс, а если  и (или)  то на такую подвижную единицу как для подшипников в корпусах букс, устанавливаются неизменные или пониженные пороги регистрации перегрева букс, например, с учетом расстояния между смежными по ходу движения поезда пунктами контроля. В этом случае решение о принадлежности подшипникового узла к классу цилиндрических в корпусах букс или конических в корпусах букс принимается с учетом дополнительных признаков - среднего значения температур  контролируемых узлов подвижной единицы без максимального значения  и (или) отношения  средних значений температур подшипниковых узлов на четных осях  к средним значениям температур на нечетных осях  вагона, например по известному способу идентификации вагонов согласно патенту №2453459 от 05.08.2018.
Устройство для осуществления способа по п. 1. (фиг. 4), содержащее размещенное на контрольном участке пути напольное оборудование, а также постовое перегонное и станционное оборудование средств теплового контроля подшипниковых узлов грузовых вагонов в традиционной - промышленной комплектации, отличающееся тем, что в состав напольного оборудования, содержащего средства фиксации поезда в зоне контроля, датчики счета осей, напольные камеры с приемниками ИК-излучения дополнительно введены два датчика-дальномера на основе лазерных измерительных преобразователей, размещенных в габарите приближения строений слева и справа по ходу движения поезда и закрепленных на едином основании в виде специализированной шпалы, между или взамен штатных шпал, при этом оптика дальномеров сориентирована на крышки подшипниковых узлов под углом 45-+10 град к горизонту, а постовое перегонное оборудование дополнительно снабжено микропроцессорным анализатором геометрических размеров колесных пар вдоль их осей , диаметров  подшипниковых узлов в зоне буксовых проемов боковых рам и параметров тепловых сигналов от контролируемых подшипниковых узлов раздельно на нечетных и на четных осях вагонов, например, средних по вагону значений амплитуд  без максимальных значений  и отношений . Окончательное решение об идентификации грузовых вагонов по типу подшипников принимается "методом голосования" по совпадению двух из трех или трех из четырех анализируемых признаков, например  или  логическое). Выбор признаков осуществляется при инициализации устройства с учетом структуры вагонного парка на железной дороге и степени распространенности трудно опознаваемых по параметрам тепловых сигналов от подшипниковых узлов - по признакам  или .
Устройство для осуществления способа идентификации вагонов по типу подшипников состоит из напольного, постового перегонного и станционного оборудования (фиг. 4). В качестве станционного оборудования использован персональный компьютер (на фиг.4 не показан). В состав напольного оборудования в промышленном исполнении, например типа КТСМ-02 или КТСМ-03, входят: средства обнаружения наличия поезда на контрольном участке пути 1, комплект датчиков фиксации прохода колесных пар подвижных единиц 2.1 - 2.4, напольные камеры 3.1 и 3.2 с приемниками инфракрасного (ИК) излучения, закрепленные на подошвах обеих рельсов, электрические кабели различного назначения, соединительные коробки и кабельные муфты 41 - 4.7. В состав постового перегонного оборудования 5 входят: силовое вводно-распределительное оборудование 6, приборная стойка с блоками коммутации 7, источником бесперебойного питания 8, блоком управления напольными камерами 9 и периферийным микропроцессорным контроллером 10.
Согласно изобретению напольное оборудование дополнительно снабжено двумя лазерными датчиками - дальномерами 11.1 и 11.2 для измерения вдоль осей геометрических размеров колесных пар  в сборе с подшипниковыми узлами, а вдоль пути по ходу движения вагонов для измерения диаметров подшипниковых узлов  в челюстных проемах боковых рам тележек (фиг. 5). При этом приборная стойка СТК снабжена блоком согласования 12 лазерных датчиков с микропроцессорным контроллером 10 по протоколу CAN. Микропроцессорный контроллер 10 снабжен подпрограммой-анализатором геометрических признаков колесных пар в сборе с подшипниковыми узлами и температурных признаков подшипниковых узлов контролируемых вагонов движущегося поезда. Лазерные дальномеры 11.1 и 11.2 расположены в зоне теплового контроля буксовых подшипников средствами ИК-техники 3, например между вторым и третьим датчиками фиксации прохода колесных пар 2.2 и 2.3 (по ходу движения вагонов контролируемого поезда). Использование данных измерений длин колесных пар  или диаметров подшипниковых узлов  выбирается в процессе инициализации СТК в зависимости от структуры рабочего парка грузовых вагонов, габаритов подшипников и моделей тележек. Вариант ориентации дальномера на крышку подшипникового узла приведен на фиг. 5, а фрагмент профилограммы дальномера с измерением расстояний от него до элементов тележки вагона - на фиг. 6. Эти профилограмма подтверждает использование дальномера как для измерения линейных размеров  и  контролируемых узлов вагонов с высокой точностью.
Устройство для реализации способа работает следующим образом.
При заходе поезда на контрольный участок пути по команде рельсовой цепи наложения или индуктивного петлевого датчика 1 активируется напольное и постовое оборудование средств теплового контроля подвижного состава переходит из режима ожидания в активный режим. Далее по мере перемещения подвижных единиц (секций локомотивов и вагонов) по сигналам датчиков фиксации прохода колесных пар 2.1, закрепленных на подошвах рельсов на определенных расстояниях по направлению движения поезда, открываются заслонки напольных камер 3.1 и 3.2 и тепловые сигналы от контролируемых буксовых узлов, пропорциональные мощности ИК-излучения их поверхностей в зоне контроля между датчиками 2.2 и 2.3 по кабелям связи через соединительные коробки 4.1 - 4.7 передаются на постовое перегонное оборудование 5 для последующей обработки по заданным алгоритмам микропроцессорными контроллерами блоков 9 и 10. Одновременно на блок согласования 12 передаются сигналы о расстояниях  между передними крышками подшипников узлов и лазерными дальномерами 11.1 и 11.2, закрепленными на определенном расстоянии  от внутренних граней головок рельсов в пределах габарита приближения строений на специальном основании типа аналога шпалы. Эти же лазерные дальномеры используются для измерения диаметров подшипниковых узлов . Микропроцессор периферийного контроллера 10 после анализа тепловых сигналов от блока управления напольными камерами 9 и информационных сигналов блока согласования лазерных дальномеров 12 после выхода из зоны контроля последней колесной пары каждой подвижной единицы контролируемого поезда формирует признаки принадлежности вагонов по типу подшипниковых узлов: цилиндрические или конические в корпусах букс или конические кассетного типа под адаптерами для передачи на станционный компьютер автоматизированного рабочего места линейного пункта контроля - АРМ ЛПК, в прикладном программном обеспечении которого для разнотипных подшипников должны быть заданы разные пороги тревожной сигнализации (Тр. 0, Тр.1 и Тр.2) с учетом расстояний между смежными пунктами контроля и категории станций.
Использование предлагаемого способа идентификации грузовых вагонов по типу подшипников и устройства для осуществления этого способа позволяют повысить достоверность опознавания разнотипных подшипников с 60-80% до 100% и снизить риски задания в АРМ ЛПК некорректных порогов тревожной сигнализации, которые могут привести к необоснованным остановкам поездов с рабочим нагревом конических подшипников, либо к несвоевременному обнаружению аварийно нагретых цилиндрических подшипников грузовых вагонов без исключения как бы неконтролепригодных по известным температурным признакам идентификации подшипников в тележках отдельных моделей.
Список использованных источников
1. Указание ОАО "РЖД" от 22.12.2016 № исх - 23964 с таблицами порогов тревожной сигнализации АРМ ЛПК и АРМ ЦПК СТК типа КТСМ-02 при контроле грузовых вагонов с разнотипными подшипниками.
2. Селектор букс по типу подшипника подвижного состава. Лозинский С.Н., Трестман Е.Е., Алексеев А.Г. Авт св. СССР, кл. B61k 9/04, №749719, заявл. 31.05.74, опубл. 23.07.80.
3. Способ идентификации подвижных единиц рельсового подвижного состава по типу подшипников. Миронов А.А., Митюшев B.C., Образцов В.Л. Пат. РФ №2453459, кл. B61k 9/06, заявл. 05.08.2010, опубл. в Б.И. №17, 2012 г.