УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ДЕФЕКТОВ ПОВЕРХНОСТИ КАТАНИЯ КОЛЕС РЕЛЬСОВОГО ТРАНСПОРТА

Техническое решение относится к железнодорожному транспорту, в частности, к устройствам для выявления и регистрации дефектов поверхности катания колес подвижного состава, вызывающих повышенное силовое воздействия на рельс в эксплуатационных условиях, а также может быть использовано для ориентировочной оценки и регистрации массы подвижного состава.
Известен силоизмерительный датчик (1), позволяющий измерять силовое воздействие дефектов поверхности катания колес подвижного состава на рельс. Датчик содержит блок обработки сигналов и установленный на рельсе чувствительный элемент, выполненный из пассивной и активной частей с возможностью их относительного перемещения, в котором пассивная часть укреплена непосредственно к рельсу, а активная часть укреплена на жесткой балке, установленной на рельсе на двух шарнирных опорах, равноудаленных вдоль рельса от пассивной части чувствительного элемента. Пассивная часть чувствительного элемента выполнена в виде втулки с внешней и внутренней резьбой, которая посредством внешней резьбы и гайки крепится в отверстии в шейке рельса, а по внутренней резьбе втулки фиксируется шток с резьбой, изготовленный из немагнитного материала, имеющий на торце, ближнем к активной части чувствительного элемента, вставку из магнитного материала, вектор намагниченности которой параллелен направлению перемещения измерительного рельса, а активная часть чувствительного элемента содержит измеритель напряженности магнитного поля.
Недостатком указанного устройства является недостаточная информативность, связанная с возможностью ошибки в идентификации колеса, имеющего дефект на поверхности катания.
Известна весоизмерительная система (2), включающая в себя рельсовый путь, на одном из рельсов которого смонтирована измерительная опора, укрепленная на шейке рельса на двух цилиндрических шарнирах. Внутри измерительной опоры закреплена активная часть блока измерения перемещений, которая представляет собой электронное устройство, чувствительное к изменению напряженности магнитного поля. Пассивная часть блока измерения перемещений закреплена на шейке рельса и включает в себя источник постоянного магнитного поля. На этом же рельсе укреплены симметрично по отношению к пассивной части блока измерения перемещений два регистратора колесных пар. Информационные выводы активной части блока измерения перемещений, а также информационные выводы двух регистраторов колесных пар соединены с соответствующими входами блока подключения датчиков.
Выход блока подключения датчиков соединен с весовым контроллером. Выход весового контроллера связан с приемным устройством пользователя, которое позволяет регистрировать весовую нагрузку каждого колеса на рельс с идентификацией колес и подвижных единиц.
Работает весоизмерительная система следующим образом. При движении колесной пары первый по ходу движения колеса регистратор колесных пар дает импульс счета колес для блока подключения датчиков. При движении колеса подвижного состава по рельсу происходит его упругая деформация - под нагрузкой колеса рельс прогибается вниз. Измерительная опора в виде жесткой балки благодаря креплению на цилиндрических шарнирах остается прямолинейной, что обеспечивает смещение пассивной части блока измерения перемещений, содержащей источник магнитного поля, по отношению к его активной части, чувствительной к изменению напряженности магнитного поля. Величина деформации рельса пропорциональна нагрузке от колеса, и активная часть блока перемещений преобразует величину деформации в цифровое значение, которое передается в блок подключения датчиков. При дальнейшем движении колесо проходит второй регистратор колесных пар. По импульсу от второго по ходу колеса регистратора колесных пар блок подключения датчиков передает цифровое значение величины деформации рельса весовому контроллеру, от которого - в приемное устройство пользователя.
Приемное устройство пользователя регистрирует порядковый номер данной колесной пары в подвижной единице, значение весовой нагрузки на колесо данной колесной пары, а также порядковый номер подвижной единицы в поезде.
Недостатком конструкции является ограниченная информативность, не позволяющая однозначно идентифицировать дефектные колеса в группе близко расположенных колес, оказывающих взаимное влияние на деформацию рельса.
Наиболее близким по конструктивным признакам и назначению (прототип) является устройство для определения нагрузки от колеса на рельс (3), содержащее установленный на рельсе чувствительный элемент и блок обработки сигналов, в котором чувствительный элемент выполнен из имеющих возможность относительного перемещения пассивной и активной частей, причем пассивная часть чувствительного элемента представляет собой жестко закрепленный на рельсе излучатель, оптическая ось которого направлена вдоль рельса, а активная часть - ориентированный встречно ему позиционно-зависимый фотоприемник (далее - фотоприемник), соединенные защитным кожухом, и выходы фотоприемника связаны с блоком обработки сигналов.
Работает устройство следующим образом. При отсутствии на рельсе колеса и нагрузки на рельс оптическая ось излучателя ориентирована параллельно упругой оси рельса, световое пятно излучателя на фотоприемнике занимает положение с координатой Х1(фиг.4). Нагрузка от колеса, приложенная к рельсу, воздействует на рельс и деформирует его в направлении действия нагрузки - вниз перпендикулярно упругой оси рельса. Упругая ось рельса принимает форму дуги, прогнутой вниз. При этом оптическая ось излучателя получает угловое смещение вниз, световое пятно излучателя перемещается вниз по поверности фотоприемника и принимает положение с координатой Х2. Разность между координатами точек Х2 и X1, пропорциональная нагрузке колеса на рельс, обрабатывается и фиксируется блоком обработки сигналов.
Устройство позволяет выявлять и фиксировать аномальную нагрузку на рельс, вызываемую дефектными колесами, однако не может быть использовано для автоматической регистрации дефектов поверхности катания.
Конструктивное исполнение данной системы не позволяет выявлять и регистрировать дефекты поверхности катания с одновременной идентификацией колес, ограничивает информативность и возможность применения в условиях изменяющейся скорости движения.
Недостатком конструкции является ограниченная информативность и область применения.
Задачей заявляемого технического решения является повышение информативности и расширение области применения устройства.
Технический результат достигается устройством, включающим в себя рельсовый путь, на каждом из рельсов которого смонтирован чувствительный элемент, представляющий собой жестко закрепленный на рельсе излучатель, оптическая ось которого направлена вдоль рельса, и ориентированный встречно ему позиционно-зависимый фотоприемник, которые соединены общим защитным кожухом, и выход фотоприемника связан с блоком обработки сигналов, отличающимся тем, что чувствительные элементы размещены группами на длине рельсов, превышающей длину развертки поверхности катания контролируемого колеса, большая полуось эллиптического сечения светового пучка излучателя ориентирована горизонтально, а длинная ось симметрии рабочей поверхности позиционно-зависимого фотоприемника расположена в вертикальной плоскости. Излучатель и фотоприемник каждого чувствительного элемента расположены симметрично в пределах одного межшпального промежутка, а на определенном расстоянии от первого и последнего чувствительного элемента установлены регистраторы колесных пар, выходы которых связаны с блоком обработки сигналов, соединенным с вычислительным устройством (далее - компьютером).
На фиг.1 показана схема размещения элементов устройства, на фиг.2 - общий вид чувствительного элемента, собранного на рельсе, на фиг.3 - общий вид крепления фотоприемника к рельсу, на фиг.4 - схема измерения упругой деформации рельса, на фиг.5 - схема ориентации излучателя и фотоприемника.
Устройство для регистрации дефектов поверхности катания включает в себя рельсовый путь, на каждом из рельсов 1 которого смонтирована группа чувствительных элементов 2. Чувствительный элемент 2 представляет собой жестко закрепленный на рельсе излучатель 3, оптическая ось которого направлена вдоль рельса 1, и ориентированный встречно ему позиционно-зависимый фотоприемник 4, которые соединены общим защитным кожухом 5. Выходы фотоприемников 4 связаны с блоком обработки сигналов 6, который соединен с удаленным компьютером 7. Источником светового потока излучателя 3 в является полупроводниковый лазер с эллиптической формой сечения светового пучка. Длинная ось симметрии рабочей поверхности позиционно-зависимого фотоприемника 4 расположена в вертикальной плоскости, а большая полуось эллиптического сечения светового пучка излучателя 3 ориентирована горизонтально, что позволяет минимизировать искажения информации при извилистом движении колесной пары и боковых ударах гребня колеса по рельсу.
Излучатель 3 и фотоприемник 4 каждого чувствительного элемента размещены симметрично в пределах одного межшпального промежутка. На измерительном участке размещены шесть чувствительных элементов 2 с заполнением всех межшпальных промежутков без пропусков. Число чувствительных элементов в группе - не менее чем частное от деления длины развертки поверхности катания контролируемого колеса на расстояние между осями симметрии шпал 8. На определенном расстоянии от первого и последнего чувствительного элемента размещены регистраторы колесных пар 9, выходы которых связаны с блоком обработки сигналов 6, который соединен с удаленым компьютером 7.
Устройство для регистрации дефектов поверхности катания работает следующим образом (см. фиг.4). При отсутствии на рельсе 1 колеса 14 и нагрузки на рельс оптическая ось излучателя 3 ориентирована параллельно упругой оси рельса, световое пятно на фотоприемнике 4 занимает положение с координатой X1.
При подъезде подвижной единицы первый регистратор колесных пар 9 подает сигнал о входе колесной пары на измерительный участок рельса 1. При качении колеса 14 по измерительному участку его нагрузка приложена к рельсу 1 и деформирует его в направлении, перпендикулярном упругой оси рельса. Упругая ось рельса принимает форму, показанную на фиг.4. При этом оптическая ось излучателя 3 поворачивается, световое пятно перемещается по рабочей поверхности фотоприемника вниз и принимает положение с координатой Х2.
Разность координат (Х2-X1) для малых углов пропорциональна углу поворота упругой оси рельса 1 и связана однозначной зависимостью с нагрузкой колеса 14 на рельс 1. При движении колесной пары по измерительному участку рельса 1 нагрузка от колеса на рельс поочередно измеряется всеми шестью чувствительными элементами 2.
После воздействия на все чувствительные элементы колесо 14 проходит второй датчик регистрации колесных пар 9, который выдает сигнал о завершении контроля колеса. Данный сигнал используется также для счета порядковых номеров колесных пар и подвижных единиц для идентификации расположения дефектного колеса в поезде.
При отсутствии дефектов поверхности катания колеса 14 показания каждого из шести чувствительных элементов 2 практически совпадают. Блок обработки сигналов 6 выполняет предварительную обработку данных и передает их в компьютер 7, который производит сравнительный анализ показаний и выдает признак отсутствия дефектов поверхности катания.
При наличии дефекта поверхности катания, вызывающего ударное или другое аномальное силовое воздействие на рельс, деформация на разных отрезках измерительного участка рельса, фиксируемая соответствующими чувствительными элементами 2, существенно отличается. Блок обработки сигналов 6 выполняет предварительную обработку данных и передает их в компьютер 7, который выполняет окончательную обработку данных, выдает признак наличия дефекта и его количественную оценку, а также порядковый номер подвижной единицы и порядковый номер колесной пары в подвижной единице.
Устройство реализовано следующим образом. На участке пути, оснащенном рельсами 1 типа Р65 длиной 25 метров, на обоих рельсах установлены по 6 чувствительных элементов 2.
Каждый чувствительный элемент 2 укреплен за подошву рельса 1 посредством двух зажимов 10, каждый из которых имеет горизонтальную монтажную площадку с регулировочными винтами (на фиг.2) и резьбовыми отверстиями (на фиг. не показаны) для крепления корпусов излучателя 3 и фотоприемника 4. В качестве излучателя использован полупроводниковый лазерный модуль KLM-M635-4-3 с эллиптической формой светового пучка. Большая полуось элиптического сечения светового пучка ориентирована горизонтально (фиг.5), что позволяет избежать искажений информации при извилистом движении колесной пары и боковых ударах гребня колеса по рельсу. Лазерный модуль помещен в корпус, который со стороны выхода излучения снабжен цилиндрическим штуцером 12 для крепления защитного кожуха 5. Защитный кожух 5 изготовлен из эластичного оптически не прозрачного материала (полиэтилена), который не препятствует относительному перемещению излучателя и приемника при деформации рельса от нагрузки колеса, но обеспечивает защиту оптического канала от случайного перекрытия излучения лазера посторонними предметами, а также исключает фоновую подсветку фотоприемника. На расстоянии 360 мм от излучателя 3 укреплен посредством зажима 10 корпус фотоприемника 4, в котором размещены позиционно-зависимый PSD-фотодиод 13, а также плата цифровой обработки оптического сигнала (на графических материалах не показана). PSD-фотодиод 13 расположен в корпусе фотоприемника с наклоном рабочей поверхности 45 градусов по отношению к оптической оси излучателя, что позволяет увеличить разрешающую способность в 1,4 раза. Плоскость симметрии PSD-фотодиода 13, проходящая через длинную ось симметрии его рабочей поверхности, расположена вертикально. Выходы всех фотоприемников 4 подключены к блоку обработки информации 6, который соединен с удаленным компьютером 8.
На одном рельсе на определенном расстоянии от крайних чувствительных элементов установлены регистраторы колесных пар 9, в качестве которых использованы магнитные датчики ДМ-99. Выходы регистраторов колесных пар 9 подключены к блоку обработки информации 6, соединенному с персональным компьютером 7.
Изготовленный макетный образец устройства при испытаниях показал достоверное выявление дефектов поверхности катания колес, вызывающих аномальное динамическое воздействие на рельс - ползунов (срезанных плоских участков), раковин, выщербин и их количественную оценку, а также идентификацию порядкового номера подвижной единицы и порядкового номера колесной пары в подвижной единице. Работоспособность устройства обеспечивалась при переменной скорости движения в диапазоне от 40 км/час до 3 км/час, что вполне соответствует скоростному режиму при подходе поезда к станции.
Источники информации:
1. Описание изобретения к патенту РФ № RU 2329176 С2 «Силоизмерительный датчик», опубл. 20.07.2008
2. Описание полезной модели к патенту РБ № BY U 4892 «Весоизмерительная система», опубл. 30.12.2008
3. Описание полезной модели к патенту РБ № BY U7395 «Устройство для определения нагрузки колеса на рельс», опубл. 30.06.2011 г