СПОСОБ КОМПЛЕКТАЦИИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО КОЛЕСА СРЕДСТВАМИ АВТОМАТИЧЕСКОЙ РАДИОЧАСТОТНОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ
METHOD OF INTEGRATION OF RAILWAY WHEEL BY AUTOMATIC MEANS OF RADIO FREQUENCY IDENTIFICATION

Изобретение относится к средствам автоматического контроля и номерного учета на железнодорожном транспорте и может быть использовано при изготовлении железнодорожного колеса.
В настоящее время на предприятиях железнодорожного транспорта и железных дорогах колеи 1520 мм номерной учет железнодорожных колес осуществляется при формировании колесных пар посредством визуальной идентификации и ручного переноса информации, закодированной в маркировке колеса в диаграммы запрессовок колес на ось. Дальнейшее использование в ремонтной документации знаков маркировки колес при эксплуатации и ремонте колесных пар действующей технологией учета не предусмотрено.
Более того, нанесенные металлургическим способом на боковую поверхность обода колеса знаки маркировки в процессе эксплуатации подвергаются механическим воздействиям и частично срезаются при восстановлении профиля поверхности катания в процессе устранения дефектов и неисправностей во время ремонта колесной пары.
Также существующий способ маркировки железнодорожных колес неприемлем для машинного способа считывания и особенно в процессе движения.
Существующая маркировка не позволяет в условиях действующей технологии учета колесных пар проводить автоматизированный удаленный сбор данных о железнодорожных колесах на протяжении срока их службы и передачу этих данных потребителю.
Оптимальным решением вышеуказанных проблем является дополнение действующей системы номерного учета железнодорожных колес средствами автоматизированного контроля, включающими в свой состав пассивные радиочастотные метки, устройства для считывания информации, системы связи и базы данных для получения, обработки и хранения информации на каждое событие, происходившее с колесом в период его эксплуатации и ремонта. Комплектация железнодорожных колес средствами автоматической идентификации в дополнение к существующей системе маркировки позволит существенно сократить трудоемкость ввода и сбора необходимой информации, обеспечивая ее полноту, достоверность и централизованный учет.
Из уровня техники известна система для измерения и регистрации параметров вагонов поезда в движении (патент RU 2398696, опубл. 10.09.2010), содержащая грузоприемное устройство колесной пары вагона, преобразователи сила-сигнал, блок измерения и автоматизированное рабочее место, причем преобразователи сила-сигнал подключены к блоку измерения, который соединен с автоматизированным рабочим местом, а грузоприемное устройство колесной пары вагона сопряжено с рельсовыми нитями железнодорожного пути и установлено через преобразователи сила-сигнал на массивное основание, отличающаяся тем, что в нее введены регистратор подвижной единицы поезда, считыватель бортового номера вагона и считыватель читаемой метки вагона, выходы которых подключены к автоматизированному рабочему месту, а грузоприемное устройство колесной пары вагона выполнено так, что его грузоприемные устройства колес изолированы от помех друг другу.
В данной системе описана возможность использования в качестве считывателя читаемой метки на вагоне технологии RFID (Radio Frequency IDentification - радиочастотная идентификация [с помощью радиочастотных читаемых меток]). На железнодорожных колесах RFID метки не используются и не имеют знака частотной идентификации изготовителя.
Известна технология использования метки на железнодорожном колесе в патенте DE 2007772, опубл. 1971. Решение предусматривает физическое нанесение особой метки двоичного кода на колесе с внешней стороны обода, которую можно считывать посредством магнита, подобно тому, как работает жесткий диск компьютера.
Недостатком данной технологии является уязвимость метки перед внешними факторами среды и сложность технологии считывания, требующей по сути практически прямого контакта с колесом.
Известен способ бесконтактного динамического контроля параметров колес подвижного состава (патент RU 2268183, опубл. 20.01.2006), заключающийся в том, что на боковой поверхности рельса размещают контрастную метку, при этом элемент контролируемого колеса облучают потоком излучения в виде последовательности коротких импульсов. Частоту импульсной модуляции задают величиной, пропорциональной скорости движения колеса. После чего принимают отраженную картину приемником излучения, который отличается тем, что источник излучения и приемник излучения помещают на удалении от рельсового пути. Источником излучения облучают буксу контролируемого колеса и рельс, тем самым определяют положение максимумов корреляционных функций, получаемых при корреляции эталонного фрагмента изображения буксы с изображением в текущем кадре. Определяют положение максимумов корреляционных функций, получаемых при корреляции эталонного фрагмента изображения рельса, содержащего изображение контрастной метки, с изображением в текущем кадре. По изменению вертикальных координат максимумов корреляционных функций буксы и рельса в кадрах изображений судят об изменениях радиуса колеса, а следовательно, и его параметрах.
Данный способ хотя и позволяет вести бесконтактный динамический контроль параметров колес подвижного состава, но не способен вести учет соответствия колеса и вагона, под которым располагается колесная пара. Также данный способ не позволяет вести идентификацию железнодорожного колеса на протяжении срока его службы при изготовлении, ремонте и эксплуатации колесной пары.
Известно использование бумажных меток и светоотражающих пленок на железнодорожные вагоны (патент GB 964570, опубл. 1964-07-22).
Известна система автоматического обнаружения дефектов и повреждений (неровностей) колесной пары по патентам CN 2463262, CN 2428381 (опубл. 2001). Принцип работы основан на обнаружении соответствующих повреждений поверхности катания колес (ползунов, выкрашиваний металла и т.п.). Камерами автоматического контроля производится сканирование поверхности катания колеса, при этом измеряют геометрические параметры повреждений и дефектов обода колеса, расстояние между внутренними боковыми поверхностями колес на одной оси. Затем при повторном сканировании и анализе первично обработанных данных идентифицируют ту или иную колесную пару и наличие на ней дефектов и повреждений.
Недостатком данного метода является то, что колеса постоянно меняют техническое состояние в процессе эксплуатации. По этой причине использовать предложенный метод для учета колес колесных пар не представляется возможным.
В патенте СА 2461066 (опубл. 2004-09-29) описаны способ и устройство для определения последовательности колесных пар.
Метод основан на использовании читаемых идентификаторов (меток) для каждой из колесных пар, которые могут быть расположены под вагоном в любом порядке. Идентификационный знак присваивается каждому колесу. Опознавательный знак колеса связан с данными по последовательности данных, собранных по предыдущим колесным парам, и эти данные затем суммарно передаются следующему комплекту колес посредством микрокомпьютера, который связывает каждое колесо и идентификатор, по которому определяют набор колесной пары. Таким образом, каждая колесная пара связана со своим микрокомпьютером. Все микрокомпьютеры в поезде взаимодействуют друг с другом путем передачи данных по проводному каналу связи.
Недостатком метода является очень сложная технология идентификации колесных пар, требования к размещению микрокомпьютеров на каждой колесной паре, наличие проводной связи между микрокомпьютерами.
Известно использование бумажных меток со штрих-кодом (баркодов) для автоматической идентификации железнодорожных колес на европейских и североамериканских железных дорогах.
[http://www.xinyistickerprint.com/Black%20paper%20grinding%20wheel%20labels.html], опубл. 2010.
Данный способ имеет недостатки из-за ограниченной дистанции считывания, отсутствия возможности считывания информации в процессе движения, недолговечности срока службы материала наклейки за счет низкой устойчивости к воздействиям окружающей среды: механическому, температурному и химическому.
Вышеуказанное решение выбрано в качестве прототипа.
Задачей изобретения является устранение недостатков известных решений, создание метки и способа считывания информации с колеса, обеспечивающих считывание информации в автоматическом режиме и не требующих энергопитания, обладающих стойкостью к воздействиям внешней среды и долговечностью.
Технический результат изобретения устраняет указанные выше недостатки и заключается в обеспечении возможности автоматической идентификации железнодорожного колеса на протяжении срока его службы от изготовления до утилизации.
Также изобретение способствует повышению качества номерного учета за счет исключения человеческого фактора и автоматизации процесса идентификации железнодорожного колеса. Кроме того, используемые метки не требуют энергопитания, антивандальны и долговечны, обладают стойкостью к воздействию внешней среды.
Указанный результат обеспечивается за счет того, что заявлен способ комплектации железнодорожного колеса средствами автоматической радиочастотной идентификации, характеризующийся размещением на колесе идентификационных меток, отличающийся тем, что на боковой поверхности ступицы колеса устанавливают пассивные радиочастотные метки (RFID), затем данные о метке заносят в базу данных и соотносят с идентификационным номером того колеса, куда вшита метка.
Предпочтительно, пассивные радиочастотные метки (RFID) размещают внутрь ступицы колеса в зоне цилиндрической части ступицы, заключенной между ее торцом и началом тороидальной поверхности.
Предпочтительно, метки считывают в статичном состоянии колесной пары ручными считывателями или напольными средствами радиочастотной идентификации при движении вагона.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 - предлагаемая зона А-В установки идентификационных меток.
На Фиг. 2 - размеры кольцевой проточки в зоне А-В.
На Фиг. 3 - предлагаемая схема размещения отверстий для установки меток.
На Фиг. 4 и Фиг. 5 - примеры установки метки внутрь углубления.
На Фиг. 6 - пример установки меток на дополнительном элементе (варианты: слева - метки на ленте из полимерного материала; справа - стальной хомут с метками).
Осуществление изобретения
Форма посадочного отверстия зависит от формы радиочастотной метки. Размеры посадочных отверстий зависят от марки стали, геометрических параметров и показателей нагружения колеса при формировании и эксплуатации колесной пары. Для определения габаритных размеров посадочных отверстий, обеспечивающих безопасную эксплуатацию, необходимо проведение расчета напряженно-деформированного состояния колеса.
Для цельнокатаных колес из стали марки 2 по ГОСТ 10791-2011 максимально допустимые размеры посадочного отверстия составляют не более 31×15 мм. При таких значениях коэффициент запаса по пределу прочности составляет 2,5, а по пределу текучести - 1,1.
После установки, программирования и тестирования радиочастотных меток, содержащих аналогичную информацию, полость кольцевой канавки заподлицо заполняется радиопрозрачным веществом, устойчивым к механическим, температурным и химическим воздействиям.
Железнодорожное колесо, укомплектованное средствами автоматической идентификации, готово к использованию.
Внедрение средств автоматической идентификации данным способом позволит осуществлять автоматический номерной учет железнодорожных колес в дополнение к существующим автоматизированным системам контроля геометрических параметров колесных пар.
Регистрация и передача информации, закодированной в метке посредством переносных или напольных считывающих устройств, позволит оптимизировать действующую систему учета, формировать электронные базы данных о событиях, происходящих с железнодорожным колесом на протяжении срока его службы, определять место его нахождения, осуществлять мониторинг технического состояния.
Покажем примеры осуществления монтажа меток.
Для автоматизации процесса учета железнодорожных колес можно использовать встраиваемые в ступицу колеса метки радиочастотной идентификации компании Xerafy Dot-XS In [см. http://www.datascan.ru/rfid/tags/rfid-tags-xer.htm].
Для обеспечения полноценной работы меток в требуемых условиях необходимо обеспечить:
- надежность фиксации в посадочных гнездах;
- отсутствие прямого контакта с окружающей средой;
- недоступность к меткам без использования специализированного инструмента.
В 2013-2014 годах заявителем были проведены исследования по определению оптимальной зоны выполнения кольцевой проточки с учетом достаточности прессового соединения колеса с осью, в рамках которых было выполнено моделирование кольцевой канавки, расположенной на боковой поверхности 2 ступицы колеса между точками А и В (см. Фиг. 1, где 1 - торец, 2 - боковая поверхность, 3 - поверхность, сопряженная с диском).
Был выполнен расчет на прочность железнодорожного колеса из стали марки 2 по ГОСТ 10791-2011 с концентратором напряжения в виде кольцевой канавки для различных параметров участков L×h (см. Фиг. 2), в ходе которого определен максимальный размер кольцевой канавки - 31×15 мм.
В области расположения концентратора напряжения с максимальными размерами величина эквивалентных напряжений составляет 360-380 МПа (коэффициент запаса по пределу прочности - 2,4, коэффициент запаса по пределу текучести - 1,1).
Проведенные расчеты показали, что при действующих нагрузках эквивалентные напряжения, возникающие в элементах колеса (с концентратором напряжения в виде кольцевой канавки, размерами 31×15 мм), не превышают предела текучести колесной стали марки 2.
Для установки метки 5 на поверхности ступицы железнодорожного колеса в поточной технологической линии производства можно применить кольца с встроенными метками (Фиг. 6), что обеспечит соответствующую производительность операции установки меток.
Такое кольцо может быть закреплено в канавке ступицы или на ступице. Изготовление кольца возможно из любого материала, отвечающего принятым требованиям. Изготовление кольца возможно и из эластичного материала 8 (резина, силикон, эластичные пластики).
Принцип идентификации колес состоит в следующем.
При записи индивидуального номера колеса в пользовательскую память меток 5, закрепленных на колесе, формируется протокол, в котором фиксируется соответствие ЕРС всех меток индивидуальному номеру колеса. Для обеспечения автоматического подтверждения соответствия ЕРС индивидуальному номеру колеса должен быть обеспечен доступ пользователей к протоколам.
Автоматическая идентификация индивидуального номера колеса может осуществляться как в статическом, так и в динамическом состоянии колесной пары.
В статическом состоянии колесной пары для идентификации индивидуального номера используется информация, закодированная в пользовательской памяти метки 5.
Для идентификации индивидуального номера колеса при вращении колесной пары, когда время для считывания ограничено, используются ЕРС метки. Установленные таким образом метки обеспечивают автоматическое считывание информации при движении вагона при температурах окружающей среды от -60°C до +60°C в течение всего срока службы колеса.