УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ДЕФЕКТОВ КОЛЕС ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ В ДВИЖЕНИИ
DEVICE AND METHOD FOR DETECTING DEFECTS OF WHEELS OF RAILWAY VEHICLES IN MOTION

Изобретение относится к области технической диагностики и может быть использовано в сфере железнодорожного транспорта, а именно для обнаружения дефектов колес, а также для измерения воздействия подвижного состава на железнодорожный путь.
Контроль колес железнодорожного транспорта с целью обнаружения дефектов поверхности катания является одним из основных условий обеспечения безопасности движения. Дефект на поверхности катания колеса может стать причиной повреждений пути или ходовой части подвижного состава, снижения плавности хода и увеличения риска схода с рельсов.
Известен пост акустического контроля (ПАК) для обнаружения дефектов ходовых частей вагонов (Бюллетень №5 Объединенного ученого совета ОАО «РЖД», М.: 2013, с 35-48) представляющий собой две линейные микрофонные решетки, расположенные на измерительном участке с обеих сторон железнодорожного пути, каждая из решеток состоит из шести микрофонов, размещенных в защитных боксах, расстояние между соседними микрофонами составляет 1,50 м, общий линейный размер решетки - 7,5 м. С учетом чувствительности аппаратуры и направленности диаграмм микрофонов контролируемая ПАК зона составляет не менее десяти метров вдоль направления движения состава, что равнозначно более чем трем полным оборотам стандартного колеса. Электрические сигналы с выхода двенадцати микрофонов поступают на аналого-цифровой преобразователь, подключенный ко входу управляющего компьютера. В качестве источника информации о дефекте в ПАК используются акустические колебания, вызываемые последовательностями микроударов при вращении дефектных элементов буксовых узлов. Программное обеспечение позволяет в автоматическом режиме осуществлять определение моментов прохождения поездов, обработку и передачу протоколов с результатами обнаружения дефектов диспетчеру.
Достоинством ПАК является возможность обнаружения дефектов как поверхности катания колес, так и буксовых узлов.
Недостатком известного метода является повышенная погрешность обнаружения дефекта, трудность определения характера дефекта в связи с наличием посторонних шумов.
Известно напольное оборудование для контроля геометрических параметров колесных пар вагонов «КОМПЛЕКС» для выявления на ходу поезда износов цельнокатаных колес (http://www.labracon.ru/ru/products/complex - каталог продукции Сибирского центра транспортных технологий), которое устанавливается непосредственно на элементах верхнего строения железнодорожного пути и предназначено для получения бесконтактным способом, при помощи лазерных и вихретоковых датчиков, информации о геометрических параметрах цельнокатаных колес. Сигналы от напольного оборудования накапливаются и обрабатываются управляющим компьютером, входящим в состав постового оборудования. Результаты измерений геометрических параметров колесных пар после прохода поезда передаются на ближайший пункт технического обслуживания (ПТО).
Достоинством известных систем является возможность проведения измерений при текущей скорости движения подвижного состава.
Недостатком известных систем является то, что освещение поверхности колеса в косых пучках при наклонном падении сканирующего лазерного луча на поверхность колеса приводит к появлению дополнительных искажений, обусловленных изменением угла падения луча, и, как следствие, к возникновению дополнительных ошибок измерения.
Известен способ определения нагрузок от колеса на рельс на железнодорожном пути (ГОСТ Р 55050-2012 Железнодорожный подвижной состав. Нормы допустимого воздействия на железнодорожный путь и методы испытаний, М.: Стандартинформ, 2013, дата введения 01.07.2013), заключающийся в том, что вертикальные силы, передаваемые от колес железнодорожного подвижного состава на рельсы, измеряются только в момент прохождения колеса над датчиком.
Недостатком известного способа определения нагрузок от колеса на рельс на железнодорожном пути является малая длина измерительной зоны датчика (10-20 мм). Даже при установке шестнадцати датчиков измерениями будет охватываться 10% длины (16×20=320 мм) окружности колеса.
Известен способ обнаружения дефектов поверхности катания колес железнодорожных транспортных средств в движении (патент РФ на изобретение №2480711, МПК G01B 7/34 от 27.04.2013), принятый в качестве прототипа, заключающийся в том, что тензорезисторы устанавливают симметрично парами на рельс, и в момент прохождения колесом тензорезисторов по сигналам с тензорезисторов определяют симметричные и асимметричные деформации шейки рельса. По превышению симметричными деформациями порога селекции, устанавливаемого в 3-4 раза выше уровня собственных шумов измерительной аппаратуры, задают номер колесной пары, равный единице. Затем проводят фильтрацию асимметричных деформаций в полосе частот, определяемые частотой свободных колебаний рельса. Регистрируют максимумы асимметричных деформаций на каждой паре тензорезисторов. При совпадении максимумов на соседних парах тензорезисторов их сравнивают с порогом регистрации дефекта, определяемым по максимальной глубине допускаемого дефекта, диаметру колеса и скорости поезда.
Недостатком известного способа является, то, что при прохождении колесной пары измерительного участка некоторая дефектная часть колеса будет всегда оставаться вне зоны измерений, так как тензорезисторы располагаются на одинаковом шаге по всей длине измерительного участка, а при некоторых значениях диаметра колеса период его оборота будет кратен периоду размещения измерительных зон, в связи с чем возникает риск пропуска дефекта поверхности катания колеса. Несвоевременное обнаружение дефекта может стать причиной повреждений пути или ходовой части подвижного состава, снижения плавности хода и увеличения риска схода с рельсов.
Решаемой технической проблемой является возможность пропуска дефектов, образование «слепых зон», когда контакт дефекта на поверхности колеса будет оставаться вне зоны измерений. В совокупности указанная техническая проблема создает риск пропуска дефекта поверхности катания колеса, а несвоевременное обнаружение дефекта может стать причиной повреждений пути или ходовой части подвижного состава, снижения плавности хода и увеличения риска схода с рельсов.
Технический результат заключается в повышении точности обнаружения дефектов поверхности колеса, увеличении длины измерительной зоны, исключение «слепых зон», в которых значительная часть поверхности катания колеса при прохождении измерительного участка будет всегда оставаться вне зоны измерений, и, как следствие, повышении безопасности перевозок за счет своевременного обнаружения дефекта поверхности катания колеса.
Указанный технический результат достигается следующим образом.
Измерительный участок рельсового пути состоит из трех участков «А», «В», «С», при этом участки «А», «С» являются измерительными, а участок «В» предназначен для смещения шага (фазы) размещения измерительных зон.
На протяжении измерительных участков «А», «С» тензодатчики установлены на шейку рельса с обеих сторон оппозитно и попарно, образуя тензометрические блок-участки, расположенные в промежутках между шпалами симметрично относительно центров данных межшпальных промежутков, при этом тензодатчики установлены на взаимном расстоянии «а» значение которого находится в диапазоне от 308 до 418 мм, а шпалы на этих участках уложены с шагом «b» между шпалами (между осевыми линиями шпал) в диапазоне от 500 до 550 мм.
1
На участке «В», в целях смещения шага размещения измерительных зон, тензодатчики в межшпальном промежутке не установлены, а расстояние «b» между шпалами (между осевыми линиями шпал) находится в диапазоне от 300 до 550 мм.
Длина измерительного участка «А» составляет от 7500 до 9100 мм, длина участка «В» составляет от 300 до 550 мм, длина измерительного участка «С» составляет от 2000 до 3500 мм. Диапазоны длин участков «А», «В» и «С» обосновываются величинами разверток колес, которые зависят от диаметра колес, при этом длина участка «А» соответствует, по крайней мере, трехкратной длине развертки колеса, а длины участков «В» и «С» равны, по крайней мере, одной развертке колеса.
При проведении диагностики колес подвижного состава, в процессе движения колесной пары по измерительному участку, регистрируют сигналы с тензодатчиков по которым судят о наличии дефекта поверхности катания. При прохождении колесной пары участка «В» зона измерения сил в месте контакта колеса с рельсом сдвигается за счет местного сдвига шага расстановки тензодатчиков на данном участке, таким образом при прохождении подвижного состава, силы, действующие от колеса на рельс, фиксируются тензодатчиками с местными сдвижками, а соответственно сдвигается измерительная зона, что обеспечивает диагностику всей поверхности катания колеса, исключая образование «слепых зон».
1
Диапазон расстояния «а» между тензодатчиками обосновывается наиболее рациональной схемой расстановки тензодатчиков для обеспечения максимальной длины измерительной зоны в которой регистрируется дефект с достаточной точностью. При выходе из указанного диапазона расстояния между тензодатчиками в меньшую сторону, во время проведения диагностики часть поверхности катания колес, попадающая в зону измерений, уменьшится и соответственно, определенная доля поверхности колес будет оставаться вне зоны измерений, а значит не будет достигаться технический результат. При увеличении расстояния между тензодатчиками, регистрация вертикальных сил не предоставляется возможным из-за высокой погрешности вычисления. Диапазон расстояния «b» и «b» между осевыми линиями шпал обосновывается требованиями норм укладки шпал, где величина межшпального промежутка зависит от типа рельса, а также, при выходе из указанного расстояния между осями шпал невозможно обеспечить заявленную расстановку тензодатчиков, соответственно не будет достигаться технический результат.
Сущность заявляемой группы изобретений поясняется графическим материалом.
На фигуре 1 показана общая схема устройства для обнаружения дефектов колес железнодорожных транспортных средств в движении;
На фигуре 2 показан измерительный участок рельсового пути;
На фигуре 3 показан вид А фигуры 2;
На фигуре 4 схематически показаны измерительные зоны на развертке колеса при прохождении измерительного участка;
На фигуре 5 схематически показаны обследованные зоны при диагностировании колес различного диаметра.
1
Устройство для обнаружения дефектов колес железнодорожных транспортных средств в движении, содержит измерительный участок рельсового пути длиной L (фиг. 1) включающий два рельса 1, шпалы 2, тензодатчики 3 предназначенные для проведения измерений вертикальной нагрузки от колеса на рельс, измерительные мосты 4, регистрирующие устройства 5, разделенный на три участка «А», «В», «С» (фиг. 2), при этом участки «А», «С» являются измерительными, а участок «В» предназначен для смещения шага (фазы) размещения измерительных зон. Тензодатчики 3 установлены на шейку рельса 1 с обеих сторон оппозитно и попарно на протяжении измерительных участков «А», «С» (фиг. 2), образуя при этом тензометрические измерительные блок-участки (измерительные зоны), расположенные в промежутке между шпалами 2 (в межшпальном промежутке) симметрично относительно центра, указанного межшпального промежутка. На измерительных участках «А» и «С» тензодатчики установлены на взаимном расстоянии «а» (фиг. 3) значение которого находится в диапазоне от 308 до 418 мм, при этом шпалы 2 на этих участках уложены с шагом «b» значение которого находится в диапазоне от 500 до 550 мм. Участок «В» предназначен для смещения шага (фазы) размещения тензометрических измерительных блок-участков (измерительных зон), расстояние «b» между шпалами 2 составляет от 300 до 550 мм, при этом тензодатчики 3 в межшпальном промежутке на участке «В» не установлены.
Длина части «А» измерительного участка составляет от 7500 до 9100 мм, длина части «В» составляет от 300 до 550 мм, длина части «С» составляет от 2000 до 3500 мм.
Способ обнаружения дефектов колес железнодорожных транспортных средств в движении заключается в том, что при проведении диагностики в процессе движения железнодорожных транспортных средств 6 (фиг. 1, 2) по измерительному участку, регистрируют сигналы с тензодатчиков 3 по которым судят о наличии дефекта поверхности катания. На участках «А», «В», «С» (фиг. 2, 3) колесо 7 делает по крайней мере три оборота, при этом за счет отсутствия тензодатчиков 3 на участке «В» шаг расстановки тензодатчиков 3 на участке «С» сдвигается относительно шага расстановки тензодатчиков 3 на участке «А».
Для подтверждения достижения технического результата на фигуре 4 схематически показаны измерительные зоны 8, 10, 11, 12 тензодатчиков 3 и «слепые зоны» 9 на развертке колеса 7 образующиеся при диагностике а именно, при первом обороте колеса 7 на его развертке образуются измерительные зоны 8, при этом также образуются «слепые зоны» 9, затем при втором обороте колеса 7 на его развертке образуются измерительные зоны 10, при третьем обороте - на развертке образуются измерительные зоны 11, при четвертом - измерительные зоны 12, таким образом колесо 7 совершает необходимое количество оборотов, при котором диагностируется вся поверхность колеса 7 исключая при этом «слепые зоны» 9.
На фигуре 5 в качестве примера показаны обследованные зоны при диагностировании колес различного диаметра, а именно:
- на фиг. 5а показана измерительная зона равная трем оборотам колеса диаметр которого 964 мм, где видно, что колесо будет полностью продиагностировано, величина слепой зоны составит 0%;
- на фиг. 5б показана измерительная зона равная четырем оборотам колеса диаметр которого 944 мм, где видно, что колесо будет полностью продиагностировано, величина слепой зоны составит 0%;
- на фиг. 5в показана измерительная зона равная четырем оборотам колеса диаметр которого 924 мм, где видно, что колесо будет полностью продиагностировано, величина слепой зоны составит 0%;
- на фиг. 5г показана измерительная зона равная пяти оборотам колеса диаметр которого 904 мм, где видно, что колесо будет полностью продиагностировано, величина слепой зоны составит 0%;
- на фиг. 5д показана измерительная зона равная пяти оборотам колеса диаметр которого 884 мм, где видно, что колесо будет полностью продиагностировано, величина слепой зоны составит 0%;
- на фиг. 5е показана измерительная зона равная пяти оборотам колеса диаметр которого 866 мм, где видно, что колесо будет полностью продиагностировано, величина слепой зоны составит 0%;
- на фиг. 5ж показана измерительная зона равная пяти оборотам колеса диаметр которого 864 мм, где видно, что колесо будет полностью продиагностировано, величина слепой зоны составит 0%;
- на фиг. 5з показана измерительная зона равная пяти оборотам колеса диаметр которого 844 мм, где видно, что колесо будет полностью продиагностировано, величина слепой зоны составит 0%;
Таким образом при прохождении железнодорожного транспортного средства 6 (фиг. 1, 2), силы, действующие от колеса 7 на рельс 2, фиксируются тензодатчиками 3 с местными сдвижками, что обеспечивает диагностику всей поверхности катания колеса 7, исключая при этом образование «слепых зон».
Таким образом достигается технический результат, заключающийся в повышении точности обнаружения дефектов поверхности колеса, увеличении длины измерительной зоны, исключение «слепых зон», в которых значительная часть поверхности катания колеса при прохождении измерительного участка будет всегда оставаться вне зоны измерений, и, как следствие, повышении безопасности перевозок за счет своевременного обнаружения дефекта поверхности катания колеса.