СИСТЕМА ДИАГНОСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ КАТАНИЯ КОЛЕСНОЙ ПАРЫ

Система диагностического контроля состояния поверхностей катания колесной пары
Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована при создании современной системы диагностического контроля состояния поверхностей катания колесной пары при ее движении по железной дороге в реальном времени.
В настоящее время, в связи с ростом скоростей движения рельсового транспорта, актуаль-ной становится задача объективного контроля за техническим состоянием железнодорожного подвижного состава. Одним из узлов железнодорожного вагона, требующим постоянного кон-троля является колесная пара. Проводимые периодические осмотры колесных пар на станциях требуют значительных временных затрат, что существенно увеличивает время в пути. При этом при осмотрах присутствует элемент субъективизма, т.к. качество осмотра зависит от квалифика-ции осмотрщика вагонов, количества обслуживаемого персонала и т.п. Для исключения элемен-тов субъективизма необходим постоянный мониторинг движущегося подвижного состава за со-стоянием износа поверхности катания колеса колесной пары в течение всего времени ее эксплуа-тации, что позволит исключить аварийный выход из строя колес из-за наличия недопустимых де-фектов поверхности катания, связанных с износом трущихся поверхностей, в частности появле-ния таких дефектов как предельного проката (предельной высоты гребня) или износа, вертикаль-ного подреза гребня, опасной формы гребня, ширины и толщины обода и т.п.
Известна установка для измерения параметров качения колеса железнодорожного вагона (см. патент РФ №2153432, кл. В61К 9/12, 2000г.), основанная на измерении параметров профиля колеса при его прокатывании со скоростью маневрирования наружным краем поверхности каче-ния по специальной стальной плите и одновременном облучении источником света с плоским лучом внутренней части поверхности катания колеса. Синхронно с облучением производят за-хват изображения светящегося профиля колеса при помощи телекамеры и после дальнейшей об-работки полученного изображения на ЭВМ, осуществляют визуализацию измеренного профиля на мониторе.
Известная установка позволяет автоматизировать процесс измерения параметров качения колеса, но при этом имеет существенный недостаток.
Для измерения используется специальная установка, которая механически удерживает ко-лесо на стальной плите, захватывающей только наружную часть поверхности качения. Поэтому невозможно осуществлять контроль в реальном времени при движении состава, а возможно про-водить процесс измерения только на скорости маневрирования вагонов.
Известно устройство для контроля износа гребня колеса, содержащее оптический измери-тельный блок, включающий источник света, направляющий свет на поверхность гребня колеса и фотоприемник, принимающий отраженное от поверхности гребня излучение с предельным вер-тикальным подрезом (см. а.с. СССР №1211128, кл. В61К 9/12,1986 г.).
Известное устройство позволяет производить контроль гребня колеса в реальном времени во время движения подвижного состава. Однако оно имеет несколько существенных недостатков.
Во-первых, оно имеет узкофункциональное назначение, т.е. контролирует только подрез гребня колеса, а, следовательно, требует дополнительного оборудования для обеспечения полного диагностического контроля поверхности катания колесной пары.
Во-вторых, для получения воспроизводимых достоверных значений, пригодных для прак-тического применения, необходимо жестко фиксировать фотоприемник относительно тележки вагона, т.к. при вибрации рельса измеренные значения будут значительно отличаться от реальных величин.
Наиболее близким по технической сути к заявляемому техническому решению (прототи-пом), является комплекс диагностического контроля колесных пар подвижного состава (см. па-тент РФ на полезную модель №28348, кл. В61К 9/12,2003 г.). Устройство включает пару оптиче-ских датчиков на каждое колесо колесной пары, соединенных с локальным устройством обработ-ки информации, при этом один из датчиков установлен на уровне внутренней боковой поверхно-сти колеса, а другой - на уровне его наружной боковой поверхности. При движении колеса мимо устройства, оптический датчик, установленный на уровне внутренней боковой поверхности коле-са отслеживает текущую координату внутренней боковой поверхности, а датчик, установленный на уровне наружной поверхности колеса - отслеживает координату наружной поверхности, вклю-чая и координаты поверхности катания колеса. На основании полученных координат, локальное устройство обработки информации рассчитывает профиль поверхности катания колеса и, сравни-вая полученный профиль с эталонным значением, определяет основные дефекты поверхности катания колеса.
Основным недостатком известного технического решения является низкая помехоустой-чивость устройства, приводящая к периодическим сбоям в работе. Это связано с наличием силь-ных промышленных электромагнитных помех, существующих на электрифицированных участ-ках железной дороги. Поскольку информация с оптических датчиков, представляет собой элек-трические сигналы, то периодическое наложение на них сильных электромагаитных наводок, приводит к сильному искажению сигналов, что равнозначно потере информации о колесной паре. На основании искаженных сигналов, вычислительное устройство (блок обработки информации) неправильно рассчитывает истинный профиль поверхности катания колеса и, соответственно,
определяет годность колесной пары к дальнейшей эксплуатации. Для пункта технического ос-мотра пропуск информации о любой колесной паре, требует дополнительного обследования не-скольких вагонов или целого поезда, т.к. из-за частичного пропуска информации даже об одной колесной паре, не всегда понятно какая информация и о какой колесной паре и какого вагона по-теряна.
Задачей настоящего технического решения является повышение помехоустойчивости уст-ройства
Указанная задача в системе диагностического контроля состояния поверхностей катания колесной пары, содержащей пару оптических датчиков на каждое колесо колесной пары, соеди-ненных с локальным устройством обработки информации, при этом один из датчиков установлен на уровне внутренней боковой поверхности колеса, а другой - на уровне его наружной боковой поверхности, решена тем, что каждый из оптических датчиков выполнен в виде автономного микропроцессорного модуля, соединенного с локальным устройством обработки информации, которое соединено с информационным центром железной дороги.
Указанное выполнение системы диагностического контроля позволяет существенно повы-сить ее помехозащищенность, поскольку каждый из датчиков обрабатывает полученный оптиче-ский сигнал до получения полного профиля колеса с внутренней или наружной стороны, а ло-кальное устройство обработки информации в реальном времени сравнивает их с эталонными зна-чениями и выдает информацию о годности или негодности конкретной колесной пары и передает информацию в виде готового «цифрового портрета» в вычислительный центр железной дороги в виде закодированной цифровой информации. Указанная информация, в случае каких-либо сбоев при передаче (порыве линии связи и т.п.) может быть легко востребована из памяти локального устройства обработки информации, где она определенное время хранится в памяти устройства.
Для обработки информации в реальном времени, каждый оптический датчик выполнен в виде автономного микропроцессорного модуля - функционально законченного блока, состоящего из оптического датчика модуля, включающего лазер, оптический приемник и блок их управления, выход которого подключен к микропроцессорному устройству.
Для исключения вибрации на работу системы, каждый микропроцессорный модуль уста-новлен на автономной виброустойчивой платформе или все микропроцессорные модули уста-новлены на общей виброустойчивой платформе.
Дня упрощения общей конструкции системы (за счет уменьшения количества автономных модулей), внутренние оптические датчики, измеряющие внутренние поверхности обоих колес установлены в едином центральном автономном микропроцессорном модуле.
Таким образом, за счет ускоренной обработки информации каждым микропроцессорным модулем и передачи помехоустойчивых сигналов в цифровом виде в локальное устройство обра-ботки информации, удается в реальном времени подготавливать и отправлять готовые «информа-ционные образы» вагонов в сеть данных железной дороги, при этом сама передаваемая информа-ция уже не подвержена искажению. Благодаря полноте передаваемой информации можно избе-жать сплошного диагностического контроля колесных пар состава в пунктах технического ос-мотра и сосредоточить все внимание только на тех вагонах, которые действительно нуждаются в срочном ремонте.
На фиг.1 представлен рисунок заявляемого устройства, поясняющий принцип контроля по-верхности катания колеса колесной пары, включающий: колесо 1 с поверхностью катания 2, внут-ренней 3 и наружной 4 боковыми поверхностями; рельс 5; оптические датчики 6 и 7, расположен-ные на вертикальных опорах 8, установленных на виброустойчивых платформах 9.
На фиг.2 приведена структурная схема заявляемого устройства с использованием единого центрального оптического датчика внутренних поверхностей обоих колес, установленного между рельсами. Устройство включает: оптические датчики наружных боковых поверхностей колес 10а, 1 Об и центральный объединенный оптический датчик 11 внутренних поверхностей колес, кото-рые установлены на общей виброустойчивой платформе 12; магнитную педаль 13; датчик проги-ба рельса 14; сигнальные шины 15а - 15д; внутреннюю общую шину 16; локальное вычислитель-ное устройство 17 с шинами обмена данных 18 и 19; общую информационную шину 20 сети пе-редачи данных железной дороги.
На фиг.3  приведена структурная схема центрального двухканапьного оптического датчика (боковые оптические датчики аналогичные, но одноканальные) - автономного микропроцессор-ного модуля, соединенного с локальным вычислительным устройством, содержащая автономный микропроцессорный модуль 21, включающий: оптический датчик модуля 22 с лазерами 23а и 236 и оптическими приемниками 24а и 246 (выполнены на основе оптического объектива, в фокусе которого установлен линейный фотоприемник); блок управления оптическими датчиками модуля 25; шину передачи данных 26; микропроцессорное устройство 27 с микропроцессором 28, уст-ройством ввода-вывода 29 и памятью 30.
Устройство (см. фиг.2) работает следующим образом. Перед началом работы системы про-изводят юстировку оптических датчиков 10а, 106 и 11, т.е. производят точное определение их ко-ординат относительно друг друга. Перед началом измерений текущих координат для каждого из колес колесной пары состава из блока 17 по сигналу магнитной педали 13 поступает сигнал на
включение оптических датчиков 10а, 106 и 11. При этом с датчика прогиба рельса 14 в устройство 17 поступает цифровой сигнал, который учитывает влияние прогиба рельса на результат измере-ний оптических датчиков 10а, 106 и 11. При движении колесной пары по рельсам 5, она попадает в поле зрения оптических датчиков 10а, 106 и 11. Оптические датчики 10а и 106 при этом изме-ряют текущие координаты наружных поверхностей 4 и формируют наружные профили колес 1 колесной пары, включая и профили поверхностей их катания 2, а оптический датчик 11 измеряет текущие координаты внутренних поверхностей 3 и формирует внутренние профили колес 1. Все сформированные профили колес в «цифровом» виде поступают в локальное устройство обработ-ки информации 17 по информационным шинам 15а-15д, 16 и 18. Выходные сигналы с оптиче-ских датчиков 10а, 106 и 11, каждый из которых выполнен в виде микропроцессорного модуля 21 (см. фиг.3) представляют собой «цифровой» портрет сканируемой поверхности. В локальном уст-ройстве обработки информации 17 (промышленном компьютере) на основе «цифровых» портре-тов сканируемых поверхностей формируется законченный профиль поверхности катания 2, кото-рый сравнивается с эталонным профилем поверхности катания колеса, хранящимся в памяти уст-ройства 17. В результате такого сравнения устройство 17 определяет годность конкретного коле-са к дальнейшему использованию. Готовый «цифровой» портрет состава, составленный из «циф-ровых» портретов колесных пар с конкретными пометками (срочная замена, возможно продол-жительное/непродолжительное использование и т.п.) через сеть данных железной дороги переда-ется в информационный центр, где принимается решение о замене конкретной колесной пары.
Опытная проверка заявляемого устройства подтвердила его помехоустойчивость в усло-виях электромагнитных полей, существующих на электрифицированных участках железной до-роги. Устройство в процессе опытной проверки не допустило сбоев и пропусков информации, при этом эксплуатационная подтверждаемость показаний при скоростях проследования составов через зону контроля от 10 до 60 км/ч составила 97,8% по толщине обода и 99,3% по толщине гребня колеса.
Таким образом, заявляемая система позволяет своевременно выявлять колеса с дефектными поверхностями катания колес непосредственно в процессе эксплуатации подвижного состава и тем самым снижать аварийность на железнодорожном транспорте, связанную с их дальнейшей
эксплуатацией.