СПОСОБ КОНТРОЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ ТОЛЩИНЫ РЕБОРДЫ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ КОЛЕС И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК G01M17/10 G01B15/02 B61K9/12 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного контроля уменьшения толщины реборды железнодорожных (ЖД) колес подвижных составов.

В процессе эксплуатации ЖД подвижных составов происходит изнашивание (утончение) реборд ЖД колес, что может привести к ЖД катастрофам по причине схода составов с рельсов из-за разрушения утонченных реборд ЖД колес. Дистанционный контроль за уменьшением толщины реборды является практически важной задачей.

Известно устройство для контроля геометрических параметров объектов [1]. Это устройство содержит генератор электромагнитных волн, полосовой фильтр, один трех- или двухканальный разветвитель мощности, два направленных устройства, выполненных в виде трехплечных циркуляторов, две приемопередающие антенны, четыре амплитудных детектора, три измерителя отношений напряжений, один из которых является индикатором, эталонный объект и два поглотителя.

Генератор, полосовой фильтр, входы трех- и двухканальных разветвителей включены последовательно. К второму и третьему выходам трехканального разветвителя подключены входы первого и второго детекторов, а их выходы подключены к входам первого и второго измерителей отношений напряжений. Выходы этих измерителей подсоединены к входам третьего измерителя отношений - индикатору. Выходы двухканального разветвителя подключены к входам направленных устройств. Выходы основных каналов этих устройств соединены с входами антенн, а выходы боковых каналов - с входами третьего и четвертого детекторов, выходы которых соединены с вторыми входами первого и второго измерителей отношений напряжений.

Способ функционирования этого устройства состоит в следующем. Перед каждой антенной устанавливают идентичные эталонные объекты и начинают облучать их электромагнитными волнами, генерируемыми генератором. С помощью четырех аттенюаторов, установленных перед каждым детектором, добиваются показаний по шкале индикатора, равных единице. После чего один из эталонных объектов заменяют измеряемым объектом. По шкале индикатора отсчитывают отношение амплитуд сигналов, отраженных от эталонного и контролируемого объектов, которое и является мерой параметра. Величина параметра может быть определена либо по переводным таблицам или графикам по величине измеренных отношений амплитуд, или непосредственно отградуирована по шкале индикатора.

Описанное устройство и способ его функционирования не могут обеспечить контроль уменьшения толщины реборды ЖД колес.

За прототип изобретения принято устройство для контроля геометрических параметров объектов и способ его функционирования [2]. Это устройство содержит генератор электромагнитных волн, полосовой фильтр, двухканальный делитель мощности, два направленных устройства, две приемопередающие антенны, два амплитудных детектора, индикатор и эталонный объект.

Генератор, полосовой фильтр и вход делителя мощности соединены последовательно. Выходы последнего соединены с входами направленных устройств. Выходы основных каналов направленных устройств соединены с входами антенн, а выходы боковых каналов соединены с входами детекторов, выходы последних соединены с входами индикатора.

Способ функционирования прототипа состоит в следующем. Перед каждой антенной устанавливают идентичные эталонные объекты и облучают их электромагнитными волнами, генерируемыми генератором. Принимают отраженные от них сигналы в обратном направлении с помощью антенн. С помощью детекторов и индикатора измеряют отношение амплитуд отраженных сигналов. Аттенюаторами, установленными перед каждым детектором, добиваются показаний по шкале индикатора, равных единице. После чего один из эталонных объектов заменяют измеряемым объектом. По шкале индикатора отсчитывают отношение амплитуд сигналов, отраженных от эталонного и контролируемых объектов, которое и является мерой параметра. По нескольким эталонам с разными геометрическими параметрами шкала индикатора может быть отградуирована непосредственно в значениях контролируемого параметра.

Прототип и способ его работы не могут обеспечить контроль уменьшения толщины реборды ЖД колес.

Техническим результатом изобретения является обеспечение контроля уменьшения толщины реборды ЖД колес.

Этот результат достигается с помощью способа контроля и устройства, работающего по этому способу.

Способ контроля уменьшения толщины реборды ЖД колес состоит в следующем. Реборду эталонного колеса облучают в направлении ее боковой рабочей поверхности под острым углом к оси колеса, кроме того, обод колеса также облучают электромагнитными волнами по нормали к его внешней боковой поверхности, одновременно принимают сигналы, отраженные в обратном направлении от реборды и обода эталонного колеса. Измеряют разность фаз между этими сигналами, после чего изменяют фазу одного из этих сигналов так, чтобы эта разность стала равна нулю. После чего эталонное колесо заменяют контролируемым, измеряют разность фаз двух сигналов, отраженных от его реборды и обода, а уменьшение толщины его реборды определяют по формуле (1):
(1)
где
Δt - величина уменьшения толщины реборды измеряемого колеса;
ΔФ - измеренное значение разности фаз сигналов, отраженных от реборды и обода измеряемого колеса;
α - угол, образованный направлением облучения реборды эталонного или измеряемого колес и их осями (0<α<π/2) ;
λ - длина электромагнитной волны.

Отличительными признаками способа по изобретению являются облучение реборды под острым углом α к оси колеса, облучение наружной боковой поверхности обода, измерение разности фаз отраженных от них сигналов, неодновременное измерение эталонного и контролируемого колес и определение уменьшения толщины реборды по формуле (1).

Эта формула получена из известной формулы для определения разности фаз двух предметов, находящихся на расстоянии Δt , при двухстороннем распределении электромагнитных волн между ними с учетом непараллельности электрических осей антенн:

Устройство для измерения уменьшения толщины реборды ЖД колес содержит генератор электромагнитных волн, двухканальный делитель мощности, два направленных устройства, две приемопередающие антенны, фазовый детектор, фазовращатель, индикатор и эталонное ЖД колесо.

Выход генератора соединен с входом делителя мощности, выходы которого соединены с входами направленных устройств. Выходы основных каналов этих устройств соединены с входами антенн. Боковые выходы направленных устройств соединены: один с входом фазового детектора - опорным или сигнальным, а другой - с его сигнальным или опорным входом. Фазовращатель включен между одним из входов фазового детектора и выходом бокового канала одного из направленных устройств. Кроме того, электрическая ось одной антенны направлена на боковую, рабочую поверхность реборды эталонного или измеряемого колеса под острым углом к их осям, а электрическая ось другой антенны направлена по нормали к внешней боковой поверхности обода эталонного или контролируемого колеса.

Отличительными признаками изобретения являются фазовращатель, выполнение детектора фазовым, электрические связи фазовращателя и фазового детектора, а также положение электрических осей антенн по отношению к реборде и ободу ЖД колеса.

Эталонным колесом может служить любое новое ЖД колесо колесной пары, так как допуск на изготовление колес (2 мм) существенно меньше допустимого износа рабочей поверхности реборды (7 мм).

Оптимальное значение угла α , образованного электрической осью антенны, облучающей реборду колеса, и осью колеса, на ЖД России равно 25^o, так как в этом случае облучения реборды происходит перпендикулярно ее боковой, рабочей поверхности. В этом случае отраженный от реборды сигнал будет иметь максимально возможное значение, а следовательно, он будет максимально превышать над сигналами, отраженными от посторонних предметов, что обеспечит наиболее точное измерение разности фаз.

На фиг. 1 представлена электрическая структурная схема устройства по изобретению; на фиг. 2 - часть ЖД колеса, контактирующая с головкой ЖД колеса; на фиг. 3 - расположение антенн относительно реборды и обода колеса в сечении В-В фиг. 2 (O₁ и O₂ - точки пересечения электрических осей антенн с поверхностями реборды и обода колеса).

На чертежах введены обозначения: 1 - генератор электромагнитных волн (Г); 1 - двухканальный делитель мощности; 3 - направленные устройства (HУ1 - контрольного канала устройства; НУ2 - опорного канала); 4 - приемопередающие антенны (А1 - контрольного канала устройства; А2 - опорного канала); 5 - фазовращатель (ФВ); 6 - аттенюатор (Ат); 7 - фазовый детектор (фД); 8 -усилитель звуковой частоты (У); 9 - индикатор (Инд); 10 - реборда колеса (РК); 11 - внешняя боковая поверхность обода колеса (ОК); 12 - головка ЖД рельса.

Генератор 1 может быть выполнен непрерывного излучения или с амплитудной модуляцией на полупроводниках со стабилизацией частоты по известным схемам автогенераторов. Мощность генератора может составлять мВт.

Максимальный износ реборды допускается 7 мм, что при двухстороннем распространении электромагнитных волн составит 14 мм. Поэтому для обеспечения однозначного измерения разности фаз длина волны генератора не может быть меньше 3 см. При длине волны генератора больше 3 см уменьшается изменение фазы, а следовательно, и перепад напряжений на выходе фазового детектора. Поэтому диапазон оптимальных длин волн генератора составляет 3 - 4 см.

Делитель 2 может быть выполнен в виде двойного волноводного T-моста или на кабеле.

Направленное устройство 3 может быть выполнено полосковым, волноводным, коаксиальным или в виде трехплечного циркулятора и т.п.

Антенна 4 может быть выполнена полосковой, рупорной, диэлектрической, в виде открытого конца волновода и т.п.

Фазовращатель 5 может быть выполнен поляризационным, трамбонным, ферритовым, в виде раздвижной линии и т.п.

Аттенюатор 6 может быть выполнен ножевого типа на волноводе, пленочным-поляризационным, ферритовым и т.п.

Фазовый детектор 7 может быть выполнен на резисторах, индуктивностях и емкостях, полупроводниковых диодах по известным схемам.

Усилитель 8 может быть выполнен звуковой частоты или постоянного тока.

Индикатор 9 может быть выполнен стрелочным или цифровым, а также в виде нуль-индикатора при использовании калиброванного фазовращателя 5.

В качестве ЖД колеса, используемого в качестве талона, может применяться любое колесо новой ЖД колесной пары.

Устройство для контроля уменьшения толщины реборды ЖД колеса содержит генератор 1, делитель мощности 2, два направленных устройства 3 (НУ1 и НУ2), две рупорные антенны 4 (А1 и А2), фазовращатель 5, аттенюатор 6, фазовый детектор 7, усилитель 8, индикатор 9 и эталонное колесо с ребордой 10 и ободом 11.

Выход генератора 1 соединен с входом делителя 2. Выходы делителя соединены с входами направленных устройств 4 (НУ1 и НУ2), выходы которых соединены со входами антенн 4 (А1 и А2). Выход бокового канала одного направленного устройства - НУ1 соединен через аттенюатор 6 с сигнальным входом фазового детектора 7, выход бокового канала другого направленного устройства - НУ2 соединен через фазовращатель 5 с входом опорного сигнала фазового детектора 7. Выход фазового детектора через усилитель 8 соединен с входом индикатора 9 (фиг. 1).

Антенна А1 установлена электрической осью в направлении перпендикуляра к боковой, рабочей поверхности реборды (угол α = 25^o), а антенна А2 установлена электрической осью в направлении перпендикуляра к внешней боковой поверхности обода (фиг.3). Места пересечения осей антенн с поверхностями реборды и обода показаны на фиг. 2 и 3 точками O₁ и O₂. Точки O₁ и O₂ могут быть разнесены по окружности колеса вплоть до 180^o.

Способ контроля уменьшения толщины реборды колеса состоит в следующем. Реборду эталонного колеса облучают с помощью антенны А1 в направлении ее боковой, рабочей поверхности (фиг. 3) под острым углом ( α = 25^o) к оси колеса, кроме того, обод колеса также облучают с помощью антенны А2 по нормали к его внешней (по отношению к колесной паре) боковой поверхности. Одновременно принимают антеннами А1 и А2 сигналы, отраженные в обратном направлении от реборды 10 и обода 11 эталонного колеса. С помощью индикатора 9 измеряют разность фаз между этими сигналами, после чего с помощью фазовращателя 5 изменяют фазу сигнала, отраженного от обода 11, так, чтобы эта разность стала минимальной. С помощью аттенюатора 6 выравнивают амплитуды сигналов, отраженных от реборды и обода, свидетельством этому будет нулевое показание индикатора. После этого эталонное колесо заменяют контролируемым, измеряют с помощью индикатора 9 разность фаз двух сигналов, отраженных от его реборды и обода. Индикатор 9 может быть проградуирован в миллиметрах. При применении калиброванного фазовращателя с его помощью можно добиться нулевого показания индикатора 9, на шкале фазовращателя отсчитать разность значений, которые соответствовали нулю индикатора при измерении эталонного и контролируемого колеса, и по формуле (1) определить уменьшение толщины реборды колеса.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного контроля уменьшения толщины реборды железнодорожных колес подвижных составов. Способ включает облучение реборды эталонного колеса в направлении ее боковой рабочей поверхности под острым углом к оси колеса и облучение обода того же колеса по нормали к его внешней боковой поверхности. Одновременно принимают сигналы, отраженные от реборды и обода колеса в обратном направлении, и измеряют разность фаз между этими сигналами. После чего изменяют фазу одного из этих сигналов так, чтобы разность фаз стала равна нулю. Заменяют эталонное колесо на контролируемое и по шкале индикатора измеряют разность фаз сигналов, отраженных от обода и реборды контролируемого колеса. По этому значению определяют уменьшение толщины реборды контролируемого колеса. Устройство, работающее по этому способу, содержит генератор электромагнитных волн сантиметрового диапазона, делитель мощности, два направленных устройства, две приемопередающие антенны, фазовый детектор, фазовращатель и индикатор. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ контроля уменьшения толщины реборды железнодорожных (ЖД) колес, состоящий в облучении электромагнитными волнами реборды эталонного и измеряемого колес и приеме отраженных от них в обратном направлении сигналов, отличающийся тем, что реборду эталонного колеса облучают в направлении ее боковой рабочей поверхности под острым углом к оси колеса, кроме того, обод колеса облучают по нормали к его внешней боковой поверхности, одновременно принимают сигналы, отраженные в обратном направлении от реборды и обода эталонного колеса, измеряют разность фаз между этими сигналами, после чего изменяют фазу одного из этих сигналов так, чтобы эта разность стала равна нулю, затем эталонное колесо заменяют измеряемым, измеряют разность фаз двух сигналов, отраженных от его реборды и обода, а уменьшение толщины его реборды определяют по формуле

где Δt - величина уменьшения толщины реборды измеряемого колеса;
ΔФ - измеренное значение разности фаз сигналов отраженных от реборды и обода измеряемого колеса;
α - угол, образованный направлением облучения реборды эталонного или измеряемого колес и их осями;
λ - длина электромагнитной волны. 2. Устройство для контроля уменьшения толщины реборды ЖД колес, содержащее генератор электромагнитных волн, двухканальный делитель мощности, два направленных устройства, две приемопередающие антенны, детектор, индикатор и эталонное ЖД колесо, причем выход генератора соединен с входом делителя мощности, выходы которого соединены с входами направленных устройств, выходы основных каналов которых соединены с входами своих антенн, а выход детектора соединен с входом индикатора, отличающееся тем, что в него введен фазовращатель, причем детектор выполнен фазовым, а выходы боковых каналов направленных устройств соединены: один с опорным входом фазового детектора, а другой с его сигнальным входом, фазовращатель включен между одним из входов фазового детектора и выходом бокового канала одного из направленных устройств, кроме того, электрическая ось одной антенны направлена на боковую рабочую поверхность реборды эталонного или измеряемого колеса под острым углом к их оси, а электрическая ось другой антенны направлена по нормали к внешней боковой поверхности обода эталонного или измеряемого колеса.