УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПРЯМОЛИНЕЙНОСТИ РЕЛЬСОВ Российский патент 2000 года по МПК B61K9/08 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения отклонений рельса в одной или нескольких плоскостях от прямой линии.

Известно устройство для контроля прямолинейности рельсовых путей (а.с. N 1576616, E 01 B 35/40, G 01 B 11/30, СССР). Устройство содержит излучатель на подвижной платформе, анализатор прямолинейности, приемник, пульт управления, регистратор и вычислительное устройство.

Известно также устройство для контроля прямолинейности поверхности (заявка N 3-49362, G 01 B 11/24, Япония). Устройство содержит источник оптического излучения, формирующий несколько параллельных световых пучков, последовательно установленные по ходу излучения, подставку с гладкой поверхностью для измеряемого объекта, расположенного перпендикулярно излучению, образцовый элемент, расположенный параллельно измеряемому объекту? и приемник, регистрирующий прошедшее излучение, выход которого соединен с входом операционного блока.

К недостатку названных устройств относится то, что они не позволяют проводить контроль прямолинейности рельсов при поступательном перемещении последних по транспортному рольгангу в условиях поточного рельсового производства.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является система для измерения прямолинейности и геометрических размеров рельсов Mesameter P SW фирмы MESACON Gesellschaft fur Messtechnik MBH (Германия) (Реферативный журнал. Металлургия. - 1997, N 4, 4Д69). Устройство содержит механическую часть с измерительной балкой для крепления измерительных датчиков, механизмы перемещения и фиксации измерительной балки по высоте, механизмы перемещения рельса через зону контроля, импульсные датчики пройденного рельсом пути на входе и выходе измерительной установки, щеточную машину для грубой очистки поверхности рельса от окалины, лазерные датчики для бесконтактного измерения расстояния до контролируемой поверхности и операционный блок для ввода, анализа и отображения информации. Полученная с датчиков информация анализируется по методу Фурье, в результате чего определяются пространственные длины волн и их амплитуды. Недостатками данного устройства являются обязательность очистки рельсов от окалины и прочих загрязнений поверхности, необходимость образцового рельса с жесткими допусками по отклонениям от идеальной плоскости, высокие требования, предъявляемые к механизмам перемещения рельса через зону контроля, низкая скорость контроля (до 1 м/с).

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение точности и надежности контроля прямолинейности рельсов при их поступательном перемещении по транспортному рольганга на высоких скоростях (до 3 м/с) в условиях поточного прокатного производства, а именно: запыленности атмосферы в зоне контроля, загрязненности поверхности рельса окалиной металлургического происхождения, маслами после их термической обработки и т.п.

Технический результат достигается тем, что устройство для контроля прямолинейности рельсов, содержащее механическую часть для крепления измерительных датчиков, механизмы перемещения рельса через зону контроля, импульсные датчики пути на входе и выходе измерительной установки и операционный блок, соответствующие входы которого соединены с выходами импульсных датчиков пути, снабжено не менее чем тремя радиочастотными датчиками для бесконтактного измерения расстояния до поверхности рельса в каждой из контролируемых плоскостей и маркерами для автоматической разбраковки продукции, входы которых соединены с соответствующими выходами операционного блока, каждый из радиочастотных датчиков представляет собой последовательно соединенные катушку индуктивности и высокочастотный генератор, выход которого соединен с соответствующим входом операционного блока, причем операционный блок автоматически выполняет регулярную проверку параметров радиочастотных датчиков с целью минимизации погрешности измерения, а прямолинейность рельса рассчитывается аналитически в зависимости от величины текущих зазоров между неподвижными радиочастотными датчиками и контролируемыми поверхностями рельса.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых блоков, радиочастотными датчиками для бесконтактного измерения расстояния до контролируемой поверхности и маркером для автоматической разбраковки продукции, включенных в вышеуказанные связи с операционным блоком. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что радиочастотные датчики для бесконтактного измерения расстояния до контролируемой поверхности (Справочник по средствам автоматики / Под ред. В. Э. Низэ и И.В.Антика. - M.: Энергоатомиздат, 1983 г. с. 90, с. 93) и маркеры для автоматической разбраковки продукции (а.с. СССР N 1226264 МКИ4 G 01 N 27/82, G 10 N 29/04) широко известны. При этом следует отметить, что радиочастотные датчики не получили применения в подобных измерительных устройствах по причине чрезвычайно высокой нелинейности, а также непрерывного дрейфа рабочей характеристики и связанной с этими факторами относительно высокой погрешности измерения. Однако, после того как радиочастотные датчики были включены в указанные связи с остальными элементами схемы, устройство приобрело новые свойства, а именно, операционный блок, используя известные калибровочные характеристики каждого радиочастотного датчика, регулярно проверяя их параметры и комплексно анализируя полученные результаты, постоянно минимизирует погрешность измерения, а сами радиочастотные датчики, определяя расстояние непосредственно до поверхности металла и игнорируя механические загрязнения этой поверхности, а также запыленность воздушного зазора между датчиком и рельсом, существенно повышают точность и быстродействие заявляемого устройства по сравнению с аналогичными оптическими системами (например, с прототипом). Кроме того, маркеры для автоматической разбраковки продукции, точно помечая краской зону рельса с недопустимыми геометрическими параметрами, дают возможность исправить имеющийся дефект на следующих технологических этапах (например, при правке рельса на прессах). Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения условию "изобретательского уровня".

На фиг. 1 представлена блочная функциональная электрическая схема устройства, на фиг. 2, 5 и 4 - вариант расположения элементов устройства в зоне контроля (соответственно виды сверху, сбоку и прямо), на фиг. 5 и 6 - варианты зависимости частот радиочастотных датчиков от величины рабочего зазора в различных плоскостях контроля, на фиг. 7 - графические пояснения к алгоритмам оценки прямолинейности, на фиг. 8 - один из возможных вариантов схемного решения радиочастотного датчика, на фиг. 9 - примеры профилеграмм нескольких рельсов, полученных с помощью заявляемого устройства.

Устройство для контроля прямолинейности поверхности рельса содержит механическую часть для крепления измерительных датчиков 1, механизмы перемещения рельса через зону контроля 2, импульсные датчики пути 3 на входе и выходе измерительной установки, операционный блок 4, соответствующие входы которого соединены с выходами импульсных датчиков пути 3, радиочастотными датчиками для бесконтактного измерения расстояния до контролируемой поверхности 5-10 и маркерами для автоматической разбраковки продукции 11, входы которых соединены с соответствующими выходами операционного блока 4, выход каждого радиочастотного датчика 5-10 соединен с соответствующим входом операционного блока 4.

Техническая реализация устройства может быть выполнена следующим образом. Механическая часть для крепления измерительных датчиков 1 изготавливается из стального уголка или швеллера и закрепляется неподвижно на фундаменте (на фиг.3 и фиг.4 показана условно). Механизмы перемещения рельса через зону контроля 2 могут представлять собой ролики транспортного рольганга, форма которых (фиг.4) ограничивает свободу перемещения рельса в горизонтальной плоскости (с целью устранения возможности выхода величины зазора H_y (фиг. 4) за допустимые пределы). В качестве импульсных датчиков пути 3 (фиг. 1, 2) может применяться устройство, представляющее собой фотоэлектрический узел, формирующий импульсы при вращении прижатого к поверхности рельса прорезиненного диска так, чтобы на пройденный рельсом определенный отрезок пути приходился один импульс. Операционный блок 4 может быть выполнен на базе персонального компьютера IBM PC AT, дополненного специальной платой для ввода/вывода частотной (дискретной) информации и соответствующим программным обеспечением. Каждый из радиочастотных датчиков для бесконтактного измерения расстояния до контролируемой поверхности 5-10 представляет собой катушку индуктивности, жестко связанную с механической частью для крепления измерительных датчиков 1 и расположенную над поверхностью рельса, выводы которой соединены с соответствующими входами высокочастотного генератора, возможный вариант схемы которого представлен на фиг. 8. Форма и количество витков катушки индуктивности выбирается из условий оптимизации механических и метрологических параметров установки при заданных граничных значениях величин рабочих зазоров H_z и H_y, а также известных величинах допустимых произвольных перемещений рельса вдоль осей Y и Z (фиг.4) во время контроля. В качестве маркеров 11 для автоматической разбраковки продукции может быть использован любой управляемый краскоотметчик дефектов, например, по а.с. СССР N 1226264 МКИ4 G 01 N 27/82, G 01 N 29/04.

Устройство работает следующим образом. Контролируемый рельс 12 транспортируется с помощью механизмов перемещения рельса 2 через зону контроля в положении на подошве, при этом между радиочастотными датчиками 5-10 и поверхностью рельса имеются зазоры H_z и H_y, величина которых должна исключать возможность повреждения катушек радиочастотных датчиков (на практике 15-30 мм). Радиочастотные датчики 5-10 разделены на группы, которые используются для измерения прямолинейности рельса в определенных плоскостях. В каждой группе должно быть не менее трех радиочастотных датчиков. Так, радиочастотные датчики 5, 7, 9 служат для замера прямолинейности поверхности катания рельса (в вертикальной плоскости), а радиочастотные датчики 6, 8, 10 - для замера прямолинейности боковой поверхности (в горизонтальной плоскости).

Каждый из радиочастотных датчиков имеет собственную уникальную зависимость вырабатываемой им частоты от величины рабочего зазора или т.н. "частотно-зазорную" характеристику. Поскольку проекция рельса на горизонтальную плоскость симметрична (фиг.2), то "частотно-зазорная" характеристика радиочастотных датчиков 5, 7, 9 может быть описана двухмерной зависимостью, вариант которой представлен на фиг.5. Здесь по оси абсцисс отложены величины рабочего зазора H_z в микронах, а по оси ординат - соответствующие этим зазорам частоты сигнала F, который формирует на своем выходе один из радиочастотных датчиков 5, 7, 9. Таким образом, операционный блок 4, измерив текущую частоту сигнала F_i, поступившего от этого радиочастотного датчика, и зная его "частотно-зазорную" характеристику, может точно определить величину текущего рабочего зазора H_zi между радиочастотным датчиком и находящейся под ним поверхностью рельса.

Замеры зазоров в группе радиочастотных датчиков для оценки прямолинейности рельса в горизонтальной плоскости осуществляются несколько иначе. Поскольку проекция рельса на вертикальную плоскость (фиг.3) не является симметричной, то "частотно-зазорная" характеристика радиочастотных датчиков 6, 8, 10 может быть описана трехмерной зависимостью (поверхность в трехмерном пространстве), вариант которой представлен на фиг. 6. Здесь по оси абсцисс отложены величины рабочего зазора H_y в микронах, по оси аппликат - величина смещения рельса в вертикальной плоскости H_z в микронах, а по оси ординат - соответствующая этим зазорам и смещениям частоты сигнала F, который формирует на своем выходе один из радиочастотных датчиков 6, 8, 10. Таким образом, операционный блок 4, измерив текущую частоту сигнала F_i, поступившего от этого радиочастотного датчика, зная его трехмерную "частотно-зазорную" характеристику и величину вертикального смещения рельса H_zi, информацию о котором он только что получил от соседнего датчика "вертикальной" группы (радиочастотные датчики 5, 7, 9), может точно определить величину текущего рабочего зазора H_yi между радиочастотным датчиком и находящейся под ним поверхностью рельса.

Полученная таким образом информация с датчиков используется для оценки прямолинейности рельса, которая рассчитывается операционным блоком 4 аналитически по одному или нескольким известным алгоритмам решения подобных задач.

В простейшем случае величины местных прогибов на j-том участке рельса длиной L (фиг. 3, 7) в вертикальной и горизонтальной плоскостях могут быть получены из соотношений:
, (1)
где W(j) - величина отклонения профиля рельса в заданной плоскости от прямой линии под средним радиочастотным датчиком на j-том участке рельса, мкм;
H₁(j) - величина рабочего зазора между первым по ходу рельса радиочастотным датчиком в заданной плоскости (радиочастотные датчики 5 или 6, фиг.2, 3, 7) и поверхностью рельса на j-том участке рельса, мкм;
H₃(j) - величина рабочего зазора между последним по ходу рельса радиочастотным датчиком в заданной плоскости (радиочастотные датчики 9 или 10, фиг. 2, 3, 7) и поверхностью рельса на j-том участке рельса, мкм;
H₂(j) - величина рабочего зазора между средним радиочастотным датчиком в заданной плоскости (радиочастотные датчики 7 или 8, фиг. 2, 3, 7) и поверхностью рельса на j-том участке рельса, мкм;
R - интегральная величина отклонения пространственного расположения радиочастотных датчиков от прямой линии (фиг. 7) на механической части для крепления измерительных датчиков 1;
j - номер текущего участка рельса длиной L, находящегося в данный момент времени в зоне контроля. Значение j изменяется после прихода на вход операционного блока 4 очередного сигнала с одного из импульсных датчиков пути 3, который сигнализирует о том, что рельсом очередной раз пройден заданный отрезок пути ΔS.
Величина R в выражении (1) определяется в ходе контроля первого рельса и в дальнейшем постоянно уточняется на последующих рельсах, в результате чего обеспечивается условие минимизации погрешности измерений, связанных с дрейфом геометрических параметров механической части для крепления измерительных датчиков 1. Для определения значения R в заданной плоскости можно использовать следующее выражение:
, (2)
где N - количество усредняемых замеров величин W(j) (см. выражение (1)).

Значение N, в свою очередь, определяется из выражения
, (3)
где S - длина заданного участка рельса, на котором проводятся текущие усреднения замеров; мм;
ΔS - константа, значение которой численно определяется расстоянием пройденного рельсом за один такт сигнала, поступившего от одного из импульсных датчиков пути 3 на вход операционного блока 4, мм (фиг.1).

На практике S можно изменять от длины целого рельса до величины, соответствующей максимальной длине пространственной волны на контролируемых рельсах (около 3 м для большинства рельсовых производств мира). В последнем случае значение R в выражении (1) на одном рельсе может уточняться несколько раз, что приводит к существенному повышению точности контроля за счет удаления из пространственного спектра низкочастотных составляющих, связанных с возможной непрямолинейностью оси транспортных рольгангов перед и за зоной контроля.

На фиг. 9 приведены профилеграммы объемно-закаленных рельсов типа P65 длиной 25 м, полученные на заявляемом устройстве с применением приведенного выше алгоритма при L=1500 мм, S=3300 мм. По горизонтальной оси отложена величина смещения среднего радиочастотного датчика относительно начала рельса в мм, по вертикальной оси - отклонение профиля рельса от прямой линии в зоне среднего радиочастотного датчика, в мкм (микронах). Скорость транспортировки рельса в ходе контроля изменялась от 1.3 м/с до 2.5 м/с, разрешающая способность при оценке непрямолинейности составляла около 10 мкм (0.01 мм) при величине рабочих зазоров между радиочастотными датчиками и рельсом 25 - 30 мм.

Описанный выше пример математического аппарата для измерения прямолинейности рельса справедлив для рельсов с монотонной пространственной характеристикой прогиба. При наличии на поверхности рельса нескольких пространственных волн с несовпадающими частотными и фазовыми характеристиками следует применять другие методы обработки информации. Так, например, при использовании не менее 3-х радиочастотных датчиков в каждой плоскости, установленных на определенном расстоянии друг от друга, и специального математического аппарата, который в силу своей достаточной сложности здесь не рассматривается, предлагаемое устройство позволяет точно восстанавливать в ходе контроля профиль рельса. Кроме того, моделируя процесс измерения прямолинейности этого профиля традиционным способом с помощью образцовой линейки произвольной длины, предлагаемое устройство с помощью дефектоотметчиков 11 может точно указать на участок рельса с недопустимым уровнем кривизны.

Наличие двух импульсных датчиков пути 3 на входе и выходе измерительной установки позволяет проводить контроль всего рельса, включая передний и задний концы, а также правильно управлять работой дефектоотметчиков 11 для точной локализации места искривления.

Радиочастотным датчикам присущ такой серьезный недостаток, как медленный дрейф "частотно-зазорной" характеристики при изменении внешних условий (температура окружающей среды, влажность, атмосферное давление, старение элементов электрической схемы т.п.). Для устранения влияния этого фактора в предлагаемом устройстве предусмотрена возможность автоматической регулярной проверки параметров радиочастотных датчиков с целью минимизации погрешности измерения. Указанная задача решается следующим образом. После того как очередной рельс покидает зону контроля, операционный блок измеряет у каждого радиочастотного датчика значение асимптотической частоты F, соответствующей бесконечному удалению рельса от соответствующего радиочастотного датчика, и сравнивает измеренное значение с соответствующей величиной F_a (фиг.5), которая была получена при калибровке данного датчика. Если в результате сравнения этих двух величин появляется разница ΔF_a, то все последующие вычисления зазоров H_z и H_y выполняются с коррекцией на величину ΔF_a для соответствующего датчика.

Калибровка каждого радиочастотного датчика, т.е. снятие его "частотно-зазорной" характеристики осуществляется отдельно на образцах всех типов рельсов (S49, P50, UIC60, P65 и т.п.) любым известным способом, гарантирующим требуемую точность, например на специальном стенде, оснащенном прецизионным управляемым домкратом, перемещающим образец рельса относительно датчика в двух плоскостях. Результат калибровки по каждому радиочастотному датчику и типу рельса запоминается на магнитном носителе.

Перед началом контроля в операционный блок 4 вводится информация о расстановке и ориентации радиочастотных датчиков, их "частотно-зазорные" характеристики, полученные при калибровке на том типе рельса, который предполагается подвергать контролю, пространственное расположение дефектоотметчиков, величины "браковочных" уровней по каждой из плоскостей и т.п., затем дают операционному блоку 4 команду уточнить величины ΔF_a для каждого из радиочастотных датчиков, после чего приступают к контролю прямолинейности рельсов.

Устройство относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения пространственных отклонений рельса в одной или нескольких плоскостях от прямой линии. Устройство содержит механическую часть для крепления измерительных датчиков, механизмы перемещения рельса через зону контроля, импульсные датчики пути на входе и выходе измерительной установки, операционный блок, радиочастотные датчики для бесконтактного измерения расстояния до поверхности рельса и маркеры для автоматической разбраковки продукции. Операционный блок автоматически выполняет регулярную проверку параметров радиочастотных датчиков с целью минимизации погрешности измерения. Прямолинейность движущегося рельса рассчитывается аналитически в зависимости от величины текущих зазоров между неподвижными радиочастотными датчиками и контролируемыми поверхностями рельса. Технический результат - повышение точности и надежности контроля. 9 ил.

Устройство для контроля прямолинейности рельса, содержащее механическую часть для крепления измерительных датчиков, механизмы перемещения рельса через зону контроля, импульсные датчики пути на входе и выходе измерительной установки и операционный блок, соответствующие входы которого соединены с выходами импульсных датчиков пути, отличающееся тем, что в него введены не менее чем три радиочастотных датчика для бесконтактного измерения расстояния до поверхности рельса в каждой из контролируемых плоскостей и маркеры для автоматической разбраковки продукции, входы которых соединены с соответствующими выходами операционного блока, каждый из радиочастотных датчиков представляют собой последовательно соединенные катушку индуктивности и высокочастотный генератор, выход которого соединен с соответствующим входом операционного блока, причем операционный блок автоматически выполняет регулярную проверку параметров радиочастотных датчиков с целью минимизации погрешности измерения, а прямолинейность движущегося рельса рассчитывается аналитически в зависимости от величины текущих зазоров между неподвижными радиочастотными датчиками и контролируемыми поверхностями рельса.