СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕИСПРАВНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ КОЛЕСНОГО УЗЛА Российский патент 1999 года по МПК B61K9/06 

Изобретение относится к области контроля технического состояния транспортных объектов, в частности - железнодорожного транспорта.

Известны способы оценки технического состояния объектов, при которых контрольным параметром выбирают электромагнитное излучение.

Так, способ обнаружения перегрева подшипников основан на явлении автокорреляции и позволяет обнаружить перегрев подшипников любого типа. Согласно способу измеряются относительные температуры подшипников по меньшей мере 3-х последовательно расположенных осей A, B, C и устанавливается, какие из подшипников 2-х соседних осей имеют наименьшую разницу температур. Из них выбирают наименьшую температуру. Исходя из этой температуры вычисляют контрольную величину для 3-х указанных осей, которая умножается на определенную константу для определения нагрева, при котором срабатывает тревожная сигнализация. Последняя включается, когда фактическая температура подшипников превышает контрольную величину /1/.

При бесконтактном измерении температуры тормозов проезжающих вагонов производится измерение ИК-излучения тормозных колодок всех проходящих типов тормозов, включая колодочный, дисковый и дисковый тормоз с отдельным тормозным диском /2/. Способ отличается тем, что ИК-датчиком и оптическим устройством сканируют проезжающее колесо на высоте 1 - 5 см над поверхностью головки рельса (перемещение оси измерения измерительного устройства производится вверх-вниз, под углом 10 - 22^o к горизонтальной плоскости и под углом 7 - 18^o к перпендикуляру, пересекающему рельс в горизонтальном направлении). Измерительное устройство активизируется рельсовым контактом во время проезда колеса через ось измерения. Предусмотрено также некоторое электронное устройство, с помощью которого время активного состояния измерительного устройства увеличивается пропорционально коэффициенту N. Дополнительный промежуток времени используется для измерения температуры отдельного тормозного диска, если вагоны оборудованы такими тормозами.

Для оценки перегрева элементов колесных узлов железнодорожного подвижного состава выявляют тепловое излучение сбоку от железнодорожного пути, исходящее от элементов колесных узлов, с помощью инфракрасного детектора /3/. Полученный результат сравнивают с результатом, полученным от этого детектора при отсутствии теплового излучения. В случае, если излучение не будет выявлено, осуществляют иррадиацию детектора, для чего включают в работу излучающий элемент в импульсном режиме с двумя уровнями сигнала на его входе. Сравнивают выходные сигналы детектора, которые генерируются в зависимости от импульсного режима, и получают сигнал, соответствующий разности сравниваемых сигналов. Измеряют температуру окружающей среды в зоне детектора. Определяют величину погрешности по соответствующему разности сигналу с учетом температурного коэффициента, зависящего от измеренной температуры.

Способ реализован в устройстве определения перегрева элементов колесной пары /4/.

Устройство содержит установленный сбоку от железнодорожного пути датчик, имеющий элемент, реагирующий на инфракрасное излучение, приспособление для фокусирования инфракрасной радиации, полученной от излучателя указанного элемента. Устройство имеет также экран, смонтированный с возможностью перемещения в открытое и закрытое положения. В последнем экран препятствует проходу радиации помимо той, которая сфокусирована. В результате указанный элемент воспринимает воздействие окружающего его теплового потока. Этот элемент связан с блоком для выдачи сигнала, соответствующего тепловому потоку. Экран связан с приводом для мгновенной установки его в закрытое положение.

Указанные сигналы поступают на выход блока, в котором сравнивают амплитуду сигналов в периоды установки экрана в открытое и закрытое положения.

Известны способ и устройство для дистанционного измерения температуры осей или букс движущихся железнодорожных вагонов. Описанный способ выбран в качестве прототипа изобретения /5/.

Согласно способу температуры определяются по инфракрасному излучению буксы посредством жестко закрепленного рядом с рельсом ИК-датчика, к которому вдоль оси сканирования, определяемой оптической осью оптики или отклоняющей системы, направляют часть испускаемого буксой или осью теплового потока, который перед попаданием в датчик прерывается с заданной частотой. Причем обеспечивают непрерывное колебание оси сканирования примерно перпендикулярно к направлению движения железнодорожного вагона, около среднего положения на угол α/2 в каждую сторону. Размер дуги угла, видимой в направлении от буксы к вершине угла по меньшей мере равен наибольшей ширине подлежащих сканированию букс. Частота качения сканирующей оси по меньшей мере равна, но преимущественно выше, чем частота, с которой прерывается падающее излучение перед входом в ИК-датчик.

Измерительное устройство состоит из ИК-датчика с прерывателем, входной оптики, а также отклоняющего зеркала, выполненного в виде качающегося зеркала, открывания и закрывания отверстия корпуса, благодаря чему ИК-излучение попадает в корпус ИК-датчика. Схема состоит из установленного вблизи рельс рельсового контакта, который по сигналу схемы управления при приближении поезда открывает и держит открытой створку отверстия в корпусе. Такой же контакт, установленный далее в направлении движения, закрывает створку после прохождения поезда.

В способе-прототипе для измерения температуры буксового узла применяется новая технология получения и обработки данных в цифровой форме.

На основе величин температуры, переданных считывающей головкой, приборы позволяют помимо подачи сигнала абсолютной тревоги вводить в память и осуществлять статистическую обработку всех измеренных температур.

Программа обработки предусматривает следующие операции: измерение температуры букс с каждой стороны отдельно, сравнение измеренных температур с установленной предельной величиной для абсолютной тревоги, передача в случае необходимости сигнала абсолютной тревоги на контрольный пост, расчет средней величины температуры по обеим сторонам поезда, исключая те, которые могут соответствовать абсолютной тревоге, расчет разницы температур каждой буксы, с любой стороны, и средней температуры всей стороны, сравнение результатов с заданными для сравнения температурными величинами.

В случае, если такая величина будет превышена, то проводится сравнение с температурой буксы, расположенной на другом конце той же оси, а если снова превышается заданный температурный предел, то подается сигнал соответствующей тревоги /6/.

К недостаткам способа-прототипа следует отнести:
1. Невозможность определения начала процесса развития неисправности элементов колесного узла.

2. Оценка технического состояния работающего узла железнодорожного состава по уровню температуры. Обработка уровня излучения сводится к выдаче сигнала, имеющего состояние "да" - "нет".

3. Наличие устройств активации систем контроля во время проезда колеса через ось измерения.

Перегрев элементов колесного узла - интегральный показатель неисправностей. Конкретизировать вид неисправности колесной пары по перегреву практически невозможно.

Если величина неисправности колесной пары мала, то перегрев колесной пары незначителен. Точность данного способа повышается с увеличением степени неисправности колесной пары.

Предлагаем повысить точность способа в начальной стадии развития неисправности элементов колесного узла (колесная пара, буксовый узел, тормозная система).

Это достигается тем, что в способе определения неисправности колесного узла, заключающемся в сканировании ИК-излучения, исходящего от элементов колесного узла движущегося состава, согласно изобретению одновременно и покадрово сканируют ИК-излучение, исходящее от элементов колесных узлов всего состава, с возможностью последующего перекрытия тепловых изображений одних и тех же работающих элементов, получая из последовательности кадров тепловых изображений элементов вращающихся колес изображение структуры теплового поля каждого из вращающихся колес, а неисправность колесного узла определяют по результатам сравнения полученного изображения структуры теплового поля с эталонной, заданной и дефектной.

Коротко последовательность операций в предлагаемом способе может быть представлена в следующем виде:
1. Одновременное покадровое сканирование ИК-излучения, исходящее от элементов колесных узлов всего состава. Обеспечивается последующее перекрытие тепловых изображений одних и тех же работающих узлов колесной пары. Перекрытие изображений необходимо для того, чтобы невидимые работающие части колесной пары попали в зону видимости ИК-сканера. Одновременность съема информации от всех элементов подвижного состава достигается либо использованием совокупности датчиков, расположенных по обеим сторонам рельсовой колеи и осуществляющих одновременный прием ИК-излучения в условиях, когда весь состав заполняет участок диагностики (при этом каждый датчик фиксирует тепловое излучение от колес, буксовых узлов, тормозных колодок отдельной тележки вагона), либо применением широкоугольной инфракрасной оптики, когда весь состав оказывается в поле зрения системы приема ИК-излучения. Поскольку современные ИК-приемники обладают чрезвычайно высокой быстротой считывания информации (≈10^-3 сек), формирование ИК-образа элементов состава происходит практически одновременно от всех элементов. В качестве чувствительного элементов используются тепловизоры, выпускаемые, например, фирмами Prism, Agema и др.

2. Полученную структуру теплового поля узлов колесной пары сравнивают друг с другом: со среднестатической структурой теплового поля колеса - левого и правого; с эталонной структурой теплового поля колеса; с дефектным колесом.

Осуществление способа поясняется графически фиг. 1 - фиг. 5.

На фиг. 1 - схема получения теплового изображения вращающегося колеса с помощью последовательности двух ближайших кадров.

Фиг. 2 - схема получения теплового изображения теплового изображения вращающегося колеса, полученного с использованием первого и пятого теплового изображения.

На фиг. 3, фиг. 4 приведена схема получения теплового изображения вращающегося колеса пятью сканирующими дорожками.

Последовательность кадров тепловых полей работающих элементов колес одного вагона приведена на фиг. 5.

Особенностью работы данного способа получения тепловых кадров работающих узлов подвижного состава является съем информации по тепловой структуре движущейся колесной пары, отдельные узлы которой закрыты собственным конструктивом для попадания ИК-излучения в чувствительную головку теплорадиометра.

На фиг. 1 отдельные элементы колеса закрыты конструкцией буксового узла и надрессорной балки. На тепловом изображении колеса закрытые части его буксой и надрессорной балкой показаны белым цветом.

Если анализ тепловой структуры проводится с несколькими изображениями одного и того же колеса, работающего в различные моменты времени, то зону невидимости можно значительно сократить.

При использовании последовательности из двух ближайших тепловых кадров невидимая область имеет размеры, показанные на фиг. 2 темным цветом.

Первый тепловой кадр формируется на основе изображения, показанного на фиг. 1а, а второй - 1б. За время t=10 мкс колесо повернулось на угол α, определяемый скоростью движения колеса и скоростью съема тепловой информации.

При использовании последовательности из двух кадров, полученных с использованием первого и пятого теплового изображения одного и того же колеса, невидимая для теплорадиометра область имеет размеры, показанные на фиг. 2 темным цветом. Наблюдается значительное уменьшение невидимой для тепловизора области работающего колеса.

Второй особенностью получения тепловых кадров работающих узлов - создание цифровых матриц вращающейся колесной пары сканирующей системой теплорадиометра.

Взаимодействие двух движений приводит, с одной стороны, к потере тепловой информации о вращающемся узле колесной пары и, с другой стороны, к возникновению ложной тепловой информации по колесу. Для разных систем сканирования и различных параметров вращения колесных пар ложные и невидимые зоны работающих узлов носят различный характер.

Например, если съем информации осуществлялся последовательно пятью дорожками за время 5 мкс работы каждой сканирующей дорожки и угловой скоростью вращения колеса 20 об/с, то участки 40, 41, 42, 43, 44, 78, 79, 94, 95, 96, 97, 98, 136, 137, 138, 154, 155, 156, 172, 197, 198 вращающегося колеса на результирующей тепловой матрице будут присутствовать дважды, а участки 45, 46, 47, 48, 49, 125, 139, 140, 141, 142, 159, 208, 226, 241, 242, 243, 257, 258, 268, 282, 296, 307, 315 этого же колеса полностью отсутствуют.

На фиг. 3, фиг. 4 показан результат формирования теплового кадра сканирующей системой, состоящей из 8 блоков, в каждом из которых находится 20 строк, двигающихся одновременно слева направо по колесу, вращающемуся со скоростью 20 об/с по часовой стрелке.

Полученные в результате сканирования ложные тепловые участки колеса на фиг. 3 обведены кружками, а участки колеса, которые невидимы, заштрихованы в темный цвет.

Поэтому для принятия полной тепловой информации о работе узлов колеса необходимо получить несколько цифровых матриц работы данного узла в различном его пространственном положении. Таким образом, необходимо получить несколько фрагментов тепловых полей одного и того же работающего узла в различное время его работы.

В этом случае "затененные" собственным конструктивом и невидимые вращающиеся области колеса займут пространственное положение, при котором тепловое излучение от них попадет в тепловизор.

После прохождения железнодорожным составом пункта диагностирования цифровая информация по тепловым полям попадает на жесткий диск компьютера. Например, для записи состава, состоящего из 60 вагонов с 50%-м перекрытием изображений, который движется со скоростью 10 м/с, потребовалось более 40 Мб памяти винчестера или 1440 кадров (размер кадра 200х160 пк) цифровой информации.

На фиг. 5 показан фрагмент последовательности кадров цифровой информации, характеризующей структуру тепловых полей работающих узлов колес одного вагона. Грани серого цвета пропорциональны температуре исследуемого узла.

Для оценки технического состояния исследуемых узлов состава требуется кадры, на которых содержится полное тепловое изображение работающего элемента.

Пользуясь критериями выделения кадров, характеризующих работу элемента подвижного состава, подверженного процессу диагностирования его технического состояния, выбираем цифровые матрицы для последующего распознавания технического состояния работающих элементов колес.

Анализ технического состояния проводится стандартными математическими процедурами с учетом условий исправности работы того или иного узла. Так, внутренняя тепловая структура исправного работающего колеса представляет собой тепловые поля, симметричные относительно диаметра колеса. Гистограммы теплового поля, полученные по любому направлению диаметра колеса, должны быть одинаковы. Уровень значения температуры узлов работающих колес в подвижном составе различен, но колеса исправны, если структура теплового поля симметрична. Несимметричность тепловой структуры указывает на ту или иную неисправность работающего элемента колеса.

Таким образом, предлагаемый способ определения неисправности элементов колесного узла отличается от известных способов тем, что сканирование теплового поля производится всего подвижного состава в виде тепловых кадров стандартного телевизионного сигнала, наличие перекрытия тепловых изображений элементов колесного узла с целью устранения влияния особенностей конструкции и невидимых вращающихся областей диагностируемого узла, измерительный параметр - структура теплового поля узлов колесной пары, активирование измерительной системы производится в момент подхода подвижного состава к пункту диагностирования. Отключение измерительной системы производится после прохождения всего состава пункта диагностирования, для оценки технического состояния производится анализ собственной структуры теплового поля узла колесной пары с последующим сравнением ее с эталонной, заданной, дефектной, так и анализ и сравнение различных структур всех узлов колесных пар подвижного состава.

Источники информации принятые во внимание
1. ЕПВ (EP) N 0276201, опубл. 870727 N 30, МКИ 4 B 61 K 9/06. Способ обнаружения перегрева подшипников.

2. Патент ЕПВ (EP) N 0265538, приоритет 28.10.86 г, МКИ 4 B 61 K 9/06. Способ и устройство для бесконтактного измерения температуры тормозов проезжающих железнодорожных вагонов.

3. Патент США (US) N 5149025
4. Патент США (US) N 4928910, опубл. 900529 N 5, МКИ 5 B 61 K 9/06. Устройство для определения перегрева элементов колесной пары.

5. ЕПВ, Патент (ЕР) N 0263896, приоритет 17.10.86 г, МКИ 4 B 61 K 9/06. Способ и устройство для дистанционного измерения температуры осей или букс движущихся железнодорожных вагонов.

6. Буксы и измерение температуры их нагрева в процессе эксплуатации /ВНТИЦ. - N П 29361. - М., 2.06.94. - 27 с.: ил.- Пер. ст. Violi A. G., Serafini R. из журн.: La technica Professionale. - 1992. - N2. -P. 40-56.

Изобретение относится к области контроля технического состояния железнодорожного транспорта. При определении неисправности осуществляют одновременное покадровое сканирование инфракрасного излучения, исходящего от элемента колесных узлов всего состава. Обеспечивается последующее перекрытие тепловых изображений одних и тех же работающих узлов колесной пары. Перекрытие необходимо для того, чтобы невидимые работающие части колесной пары попали в зону видимости сканера. Полученную структуру теплового поля узлов колесной пары сравнивают со среднестатической структурой теплового поля колеса, с эталонной структурой, со структурой теплового поля дефектного колеса. Технический результат - повышение точности в начальной стадии развития неисправности. 5 ил.

Способ определения неисправности элементов колесного узла, при котором сканируют инфракрасное излучение, исходящее от элементов колесного узла движущегося состава, отличающийся тем, что инфракрасное излучение от элементов колесных узлов всего состава сканируют одновременно и покадрово с возможностью перекрытия тепловых изображений одних и тех же элементов, получая из последовательности кадров тепловых изображений всех элементов вращающихся колес изображение структуры теплового поля каждого из вращающихся колес, а неисправность колесного узла определяют по результатам сравнения полученного изображения структуры теплового поля с эталонной, заданной, дефектной.