УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ ХОДОВЫХ ЧАСТЕЙ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА Российский патент 1997 года по МПК B61K9/12 

Изобретение относится к железнодорожной автоматике, в частности, к бесконтактным системам контроля параметров износа рабочих поверхностей катания и скольжения колес, расстояния между поверхностями скольжения гребней колесной пары и перекоса оси колесной пары в колее, и может быть использовано на пунктах диагностики технического состояния ходовых частей локомотивов и вагонов на ходу поезда.

Известно устройство для контроля износа гребня колеса подвижного состава, содержащее локализационный оптический датчик, выполненный в виде автономных излучателя и приемника светового потока, матовое стекло и блок обработки с регистратором (SV, авторское свидетельство N 1685774, В 61 K 9/12, 1991 г.).

Функциональные возможности этого устройства ограничены измерением одного параметра, а точность и достоверность его контроля низкие, так как на результат измерения кроме контролируемого износа гребня колеса оказывают влияние износ поверхности катания колеса и перекос оси колесной пары в колее, что приводит к смещению положения гребня, а следовательно к дополнительному отклонению светового потока, отраженного от рабочей поверхности гребня колеса. Более того, эксплуатационная надежность устройства неудовлетворительная, потому что поверхности чувствительных оптических элементов излучателя и приемника подвержены воздействию различных взвесей воздушного потока, возникающего в зоне контроля при движении поезда.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому представляется устройство для диагностики состояния ходовых частей подвижного состава железнодорожного транспорта, содержащее последовательно соединенные высокочастотный генератор, коммутатор, вихретоковый преобразователь, выполненный в виде электромагнитной матрицы, состоящей из трех катушек индуктивности вытянутопрямоугольной и треугольной формы намоток, блок обработки со схемой памяти и регистратор (патент N 2066284, В 61 К 9/12, 1996 г.).

Это устройство надежно и позволяет контролировать на ходу поезда параметры износа колеса, а также расстояние между поверхностями скольжения гребней колесной пары.

Однако точность и чувствительность контроля недостаточные, поскольку о параметрах износа и расстоянии между поверхностями скольжения гребней колесной пары судят по измеряемому интегральному значению зазора между криволинейными поверхностями гребней каждого колеса пары и головок рельсовых нитей, изменяющемуся в плоскости, лежащей между поверхностью катания колеса и поверхностью вершины гребня колеса, т.е. параллельно плоскости чувствительной матрицы преобразователя, и отстоящей от преобразователя как минимум в пять, шесть раз дальше, чем вершина гребня колеса. Перекос оси колесной пары в колее это устройство не контролирует.

Техническим результатом изобретения является обеспечение высокого качества измерительной информации о параметрах ходовых частей подвижного состава за счет повышения точности и чувствительности определения износа колеса, расстояния между поверхностями скольжения гребней колесной пары и перекоса оси колесной пары в колее.

Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что в устройство для диагностики состояния ходовых частей подвижного состава железнодорожного транспорта, содержащее последовательно соединенные высокочастотный генератор, коммутатор, вихретоковый матричный преобразователь, состоящий из трех катушек индуктивности вытянутопрямоугольной и треугольной форм намоток, блока обработки измерительной информации с элементами памяти и регистратора, введены дополнительно три вихретоковых матричных преобразователя, включенных между коммутатором и блоком обработки измерительной информации параллельно первому преобразователю, одна катушка индуктивности электромагнитной матрицы каждого из четырех преобразователей расположена в плоскости, перпендикулярной плоскости, в которой размещены две другие катушки вытянутопрямоугольной и треугольной форм намоток, образуя совместно с первой катушкой ортогональную Г-образную электромагнитную матрицу, при этом катушка треугольной намотки вписана вершинами в три угла внутреннего контура катушки вытянутопрямоугольной намотки, а линия пересечения плоскости первой катушки и двух других катушек проходит за пределами их площадей и вдоль большего основания катушки вытянутопрямоугольной намотки, к которому примыкает катет вписанной катушки треугольной намотки.

На фиг.1 показана структурная схема устройства; на фиг.2 конструкция матричного вихретокового преобразователя; на фиг.3 расположение пары преобразователей в поперечном сечении разноуровневых рельсовых нитей участка и колесной пары; на фиг.4 фрагмент положения перекошенной оси колесной пары в плане.

Устройство содержит последовательно соединенные высокочастотный генератор 1, коммутатор 2, четыре вихретоковых преобразователя 3, 4, 5, 6, включенных между собой параллельно, блок 7 обработки информации, имеющий элементы памяти, и регистратор 8 (фиг.1).

Каждый преобразователь 3 6 состоит из трех накладных катушек 9, 10, 11 индуктивности, одна из которых, например 9, выполнена произвольной формы намотки, две другие вытянутопрямоугольной и треугольной форм намоток. Катушка 9 расположена в плоскости, перпендикулярной плоскости, в которой расположены две другие катушки 10, 11, образуя совместно с ними ортогональную Г-образную электромагнитную матрицу. Катушка 10 треугольной намотки вписана вершинами в три угла внутреннего контура катушки 11 вытянутопрямоугольной намотки, а линия пересечения плоскостей катушки 9 и катушек 10, 11 проходит за пределами их площадей и вдоль большего основания катушки 11 вытянутопрямоугольной намотки, к которому примыкает катет вписанной катушки 10 треугольной намотки (фиг.2).

Коммутатор 2 предназначен для устранения электромагнитного взаимовлияния катушек 10, 11, лежащих в совмещенной плоскости, что достигается поочередным подключением этих катушек к генератору 1.

Матричные преобразователя 3, 4, 5, 6 предназначены для преобразования геометрических параметров в электрические сигналы, размещены попарно в разноуровневых поперечных сечениях прямолинейного участка пути и закреплены жестко и нормально к внутренним сторонам шеек рельсовых нитей пути торцами плоскостей, в которых лежат катушки 10, 11, противоположных торцам, к которым примыкают катушки 9, при этом их положение над плоскостями катушек 10, 11 каждого преобразователя 3-6 должно быть таким, чтобы площадь катушки 9 полностью перекрывалась частью поверхности торца колеса (фиг.3). Участок пути, на котором устанавливают преобразователи 3-6, предусматривает наличие перепада уровней поверхностей катания рельсовых нитей в допустимых пределах, обеспечивающих движущейся единице поочередные наклоны в поперечном сечении пути сначала в одну, затем в другую сторону относительно его продольной оси. Наклоны подвижной единицы вызывают ее смещение (сползание) совместно с колесной парой в сторону рельса нижнего уровня до упора в его головку гребнем колеса, что в свою очередь обеспечивает гарантированный контакт криволинейной поверхности скольжения гребня колеса с криволинейной поверхностью головки рельса на нижнем уровне катания, а ортогональное положение катушек 9 относительно катушек 10, 11 преобразователей 3-6 дает возможность измерять линейно изменяющийся зазор между прямолинейными параллельными поверхностями катушек 9 и торцов колес, изменяющийся в нормальном направлении к плоскости катушек 9, что значительно повышает точность и чувствительность контроля.

Расстояние между разноуровневыми поперечными сечениями участка пути устанавливают не менее длины подвижной единицы, исключающей перекос базы подвижной единицы, например, неподрессоренной рамы вагона.

Блок 7 и регистратор 8 предназначены для анализа, обработки, архивации и представления измерительной информации с преобразователей 3-6 и могут быть выполнены в виде персонального компьютера и монитора.

Устройство работает следующим образом.

На диагностическом пункте эталонного участка пути, предусматривающем наличие, как минимум, двух сечений разноуровневых поверхностей катания рельсовых нитей, обеспечивающих колесной паре или ее спарке движущейся единицы (вагону) поочередные наклоны в поперечном сечении пути сначала в одну, затем в другую стороны относительно продольной оси пути, заранее размещают в этих сечениях по паре преобразователей 3,4 и 5,6. Катушки 9-11 преобразователей 3-6 запитывают током высокой частоты генератора 1 через коммутатор 2 и пропускают через этот участок пути на фиксированной скорости вагон на колесных парах эталонных размеров. Изучаемые электромагнитные поля катушек 9, 10, 11, возбужденные высокочастотным током, взаимодействуют с электропроводящими колесами эталонных размеров, в результате чего электрические сигналы в виде напряжений U_i на катушках 9-11 изменяются на определенную величину U_∂i, соответствующую эталонным геометрическим размерам колес, где i 1, 2, 3 - число катушек. Значение U_∂i запоминают в схеме памяти блока 7 обработки.

При пропускании через диагностический участок пути вагона или состава с рабочими колесными парами выходные напряжения U_i на катушках 9-11 меняются на величину U_xi, эквивалентную отклонениея геометрических размеров от эталонных значений U_∂i. Полученные изменения U_∂i и U_xi анализируются в блоке 7.

Значение напряжения U₁ катушки 9 преобразователей 3-6 зависит только от изменения величины зазора a между параллельными поверхностями катушки 9 и торца колеса:
U₁ k₁•a
Значение выходного напряжения U₂ катушки 10 зависит от толщины t вершины гребня колеса, высоты h между плоскостью катушек 10, 11 и поверхностью вершины гребня колеса и смещения колеса в поперечном сечении пути, т.е. изменения зазора a
U₂ K₂t + K₃•a K₄h
Значение выходного напряжения U₃ катушки 11 зависит от толщины t вершины гребня колеса и высоты h и не зависит от смещения колеса в поперечном сечении пути, вследствие продольной симметрии катушки II:
U₃ K₅t K₆h
где K_j масштабные постоянные коэффициенты, численные значения которых обеспечиваются в блоке 7 обработки;
j 1, 2, 3, 4, 5, 6.

Изменение зазора между криволинейными поверхностями гребня колеса и головкой рельса не учитывается в уравнениях (2),(3), из-за малости влияния на выходные напряжения U₂, U₃ катушек 10, 11, так как изменение зазора происходит в плоскости, параллельной плоскости катушек 10, 11, лежащей между поверхностями катания колеса и вершины гребня в зоне его износа (заштрихованная зона бандажа колеса на фиг.3) и отстоящей от плоскости катушек 10, 11 в пять, шесть раз дальше, чем вершина гребня колеса. Знак "-" перед слагаемым K_jh в отличие от положительного знака перед другими слагаемыми уравнениями (2), (3) означает, что абсолютные значения U₂, U₃ уменьшаются от уменьшения высоты h. Решая совместно три уравнения (1), (2), (3) с тремя неизвестными a, t, h, выражения последних примут вид:

По изменению значений a выражения (4), измеренных двумя преобразователями, например 3, 4, на нижнем и верхнем уровнях поверхностей катания рельсовых нитей поперечного сечения пути, и известному эталонному расстоянию между головками рельсовых нитей диагностического участка пути определяют расстояние между поверхностями скольжения гребней колесной пары, а по величине времени сдвига начала взаимодействия колес пары с катушками 9 преобразователей, например, 3, 4, установленных в поперечном сечении пути, и скорости движения подвижной единицы судят о величине перекоса оси колесной пары в колее. По измеренным значениям толщины вершины гребня колеса, находящегося на рельсовой нити, нижнего уровня, и максимального зазора между торцом колеса и катушкой 9 преобразователя, размещенного на рельсовой нити верхнего уровня, определяют износ гребня колеса, катящегося по нити нижнего уровня, т. е. колеса, криволинейная поверхность гребня которого находится в контакте с криволинейной поверхностью головки рельса.

По изменению значений определяют износ поверхности катания колеса.

На противоположном перепаде уровней поверхностей катания рельсовых нитей участка, где в его другом поперечном сечении установлены преобразователи 5, 6, судят об износе гребня другого колеса этой пары и повторно о расстоянии между поверхностями скольжения гребней колесной пары, перекосе ее оси в колее и износе поверхности катания колес.

Процедура вычисления значений по выражениям (4) (6) осуществляется программно в блоке 7 обработки и информация отображается на регистраторе 8.

Таким образом, по измеренным трем параметрам a, t и h определяют износ гребня колеса и его поверхности катания, толщину вершины гребня, расстояние между поверхностями скольжения колесной пары и перекос оси колесной пары в колее.

Техническим результатом изобретения является обеспечение высокой точности и чувствительности измерительной информации по параметрам ходовых частей подвижного состава на ходу поезда.

Использование: в области железнодорожной автоматики, в частности, в бесконтактных системах контроля параметров износа рабочих поверхностей катания и скольжения колес, расстояния между поверхностями скольжения гребней колесной пары и перекоса ее оси в колее, в пунктах диагностики технического состояния ходовых частей локомотивов и вагонов на ходу поезда. Сущность изобретения. Устройство содержит четыре вихретоковых преобразователя, которые выполнены в виде ортогональных Г-образных электромагнитных матриц, каждая из них состоит из трех катушек индуктивности, одна из которых расположена в плоскости, перпендикулярной плоскости, в которой размещены две другие катушки вытянутопрямоугольной и треугольной форм намоток, при этом катушка треугольной намотки вписана вершинами в три угла катушки вытянутопрямоугольной намотки, а линия пересечения плоскостей первой катушки и двух других катушек проходит вне их площадей и вдоль большого основания катушки и вытянутопрямоугольной намотки, к которому примыкает катет вписанной катушки. 4 ил.

Устройство для диагностики состояния ходовых частей подвижного состава железнодорожного транспорта, содержащее последовательно соединенные высокочастотный генератор, коммутатор, матричный вихретоковый преобразователь, состоящий из трех катушек индуктивности вытянутопрямоугольной и треугольной форм намоток, блок обработки измерительной информации с элементами памяти и регистратор, отличающееся тем, что в него введены дополнительно три матричных вихретоковых преобразователя, включенных параллельно первому преобразователю, одна катушка индуктивности каждого из четырех преобразователей расположена в плоскости, перпендикулярной плоскости, в которой расположены две другие катушки вытянутопрямоугольной и треугольной форм намоток, образуя совместно с первой катушкой ортогональную Г-образную электромагнитную матрицу, при этом катушка треугольной намотки вписана вершинами в три угла катушки вытянутопрямоугольной намотки, линия указанных плоскостей расположена за пределами площадей катушек вдоль большего основания катушки вытянутопрямоугольной намотки, к которому примыкает катет размещенного внутри последней катушки треугольной намотки.