Устройство для бесконтактного измерения параметров колес железнодорожного транспорта

УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ КОЛЕС ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
Полезная модель относится к измерительной технике, в частности, к бесконтактным оптическим средствам измерения геометрических размеров объектов, и может быть использована для определения параметров колес движущегося железнодорожного транспорта.
Одним из условий обеспечения безопасности движения железнодорожного транспорта является своевременное обнаружение колесных пар, размеры и износ которых не соответствуют установленным нормам, что особенно важно при обеспечении безопасности тяжелых грузовых перевозок и высокоскоростного пассажирского и транзитного железнодорожного сообщения.
Контроль колесных пар с помощью шаблонов и переносных измерительных приборов имеет существенные недостатки:
-невозможность проверки колесных пар на магистральном проходе составов;
-большие временные затраты при контроле колесных пар длинно составных поездов;
-наличие человеческого фактора в процессе осмотра колесных пар;
-трудность учета, хранения и оперативного анализа получаемой информации.
Известна автоматизированная система комплексного освидетельствования колесных пар, включающая средства для бесконтактного определения параметров колес движущегося железнодорожного транспорта посредством зондирования поверхности колеса лучом лазера и регистрации отраженного луча (1,2). Недостатками известной системы являются:
MKH7G01Bll/24
-косвенное определение профиля колеса по результатам измерения других параметров колеса ( высота и толщина гребня, толщина обода );
-невозможность проверки колесных пар на магистральном проходе ( ограничение по скорости составляет 15 км/час );
-критичность к выбору места эксплуатации.
Известно устройство для бесконтактного измерения характеристик колес железнодорожного транспорта, содержащее источники зондирующего лазерного луча, приемники отраженного от поверхности колеса луча, систему обработки информации. Источники и приемники луча смонтированы на платформе, шарнирно установленной на основании ( 3 ).
Недостатками известного устройства являются:
-сложность механической установки источников и приемников луча с использованием промежуточной платформы позволяет работать только при очень низких скоростях железнодорожных составов;
-невозможность определения размеров колес в абсолютных единицах;
-значительное время на монтаж устройства.
В качестве прототипа заявляемого технического решения выбрано устройство для бесконтактного измерения профиля колес подвижного железнодорожного состава, состоящее из источника зондирующего лазерного луча, приемника отраженного от поверхности колеса луча, датчика скорости колеса и канала обработки информации. Угол а между проекцией зондирующего луча на плоскость рельсового полотна и осью рельса равен равен 67,2 град; угол Р между проекцией оптической оси приемника на плоскость рельсового полотна и осью рельса меньше угла а, а угол между плоскостью триангуляции, в которой лежат зондирующий луч и оптическая ось приемника отраженного сигнала, и плоскостью рельсового полотна равен 36,7 град.
3
При движении через измерительную зону колесо железнодорожного состава пересекает зондирующий луч. При этом происходит сканирование луча по ободу колеса. Изображение пятна луча на ободе колеса регистрируется фотоприемником. Положение пятна на фотоприемнике соответствует расстоянию от фотоприемника до определенной точки на ободе колеса. По известным расстояниям от обода колеса до фотоприемника и скорости колеса в канале обработки информации рассчитывается профиль колеса и другие его размеры.
Для выявления недостатков известного устройства рассмотрим более подробно картину взаимодействия лазерного излучения с поверхностью колеса. Обод колеса представляет собой блестящую поверхность сложной формы. Оптическое , отраженное от этой поверхности, характеризуется сложным пространственным рассеянием интенсивности в результате интерференции света, отраженного от отдельных неровностей обода колеса. С увеличением расстояния от поверхности обода картина распределения интенсивности отраженного излучения изменяется, переходя от мелко пятнистой в совокупность большого числа отдельных разнонаправленных лепестков в дальней зоне. Размер лазерного пятна на поверхности обода наряду с размерами шероховатостей в плоскости катания колеса определяет число лепестков и, в конечном итоге, неоднородность индикатриссы рассеяния. Ширина индикатриссы рассеяния определяется углом падения зондирующего луча, сужаясь при увеличении угла, и размерами шероховатостей в плоскостях, близких к плоскости падения луча.
Кроме того, отраженный сигнал имеет большой динамический диапазон, присутствует внешняя засветка фотоприемника, и для устойчивой работы необходимо обеспечить высокое отношение сигнал / шум и стабильную форму распределения отраженного пятна.
/z
является расположение источника зондирующего  и приемника отраженного луча относительно сканируемого объекта - колеса ( или, говоря иначе, относительно базовых элементов - плоскости рельсового полотна, на котором установлены рельсы, и оси рельса, по которому катится колесо ).
Как было установлено авторами, взаимное расположение источника и приемника луча относительно колеса в известном устройстве, в силу упомянутых выше факторов, не обеспечивает требуемой точности измерений.
Задача, решаемая полезной моделью - повышение точности измерения параметров колес железнодорожного транспорта.
Указанная задача решается тем, что в устройстве для бесконтактного измерения параметров колес железнодорожного транспорта, содержанием источник зондирующего лазерного луча и приемник отраженного от поверхности колеса отраженного луча, лежащие в плоскости триангуляции, причем проекции зондирующего луча и оптической оси приемника на плоскость рельсового полотна образуют с осью рельса углы а и Р, соответственно, а плоскость триангуляции образует с плоскостью рельсового полотна угол у; датчик скорости колеса и канал обработки информации, угол а выбирают в интервале ( 32- 40 ) град, а угол Р выбирают в интервале ( 78 - 86 ) град.
Полезная модель иллюстрируется чертежами. На фиг. 1 схематически изображено заявляемое устройство, на фиг. 2 приведен вид А.
Заявляемое устройство состоит из источника зондирующего лазерного луча, включающего лазер 1 и оптическую систему 2, приемника отраженного от поверхности колеса луча, включающую оптическую систему 3 и фотоприемник 4, выполненный в виде линейки на основе приборов с зарядовой связью ( ПЗС ), датчик скорости колеса 5 и канал обработки информации 6, соединенный с лазером 1, фотоприемником 4 и датчиком 5.
Угол у между плоскостью триангуляции, в которой лежат зондирзтощий луч и оптическая ось приемника, и плоскостью рельсового полотна, составляет ( 32 - 40 ) град, угол а между проекцией зондирующего луча на плоскость рельсового полотна и осью рельса 7 составляет ( 32 - 40 ) град, а угол Р между проекцией оптической оси приемника на плоскость рельсового полотна и осью рельса 7 составляет ( 78 - 86 ) град.
Заявляемое устройство работает следующим образом. При появлении железнодорожного состава в измерительной зоне рельсового полотна посредством лазера 1 и оптической системы 2 формируется коллимированный зондирующий лазерный луч, пересекающий колесо 8. Изображение лазерного пятна на поверхности колеса 8 при помощи оптической системы 3 проецируется на фотоприемник 4. Положение пятна лазерного излучения на линейке ПЗС соответствует расстоянию от линейки до определенной точки на ободе колеса 8. Скорость колеса 8 определяется датчиком 5. По известным расстояниям и скорости в канале обработки информации 6 осуществляется расчет профиля колеса и других его размеров.
Геометрия расположения источника зондирзтощего лазерного луча и приемника отраженного от поверхности колеса луча, задаваемая углами а, (3 и у, позволяет выравнить амплитуды интенсивностей в максимуме и минимуме отраженного луча, свести к минимуму эффект внешней засветки фотоприемника, обеспечить стабильную форму распределения отраженного пятна при высоком отношении сигнал / шум, что, в конечном итоге, позволяет повысить по сравнению с прототипом точность измерений параметров колес железнодорожного транспорта.
ЛИТЕРАТУРА
1.Патент США № 5 636 026, кл. 356/376, 1997 г.
2.Сборник научных трудов по материалам 1-ого Международного радиоэлектронного форума «Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития, часть 2, Харьков, 2002 г., стр. 472
3.Патент США № 4 798 964, кл. 250/560, 1989 г.
4.Патент США № 4 932 784, кл. 356/376, 1990 г., ( прототип ).