УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАСТРОЙКИ СРЕДСТВ ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ ХОДОВЫХ ЧАСТЕЙ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА Российский патент 2009 года по МПК B61K9/04 B61K9/06 G01M11/00 F16D66/00 

Изобретение относится к области железнодорожного транспорта, в частности, к напольным устройствам бесконтактной тепловой диагностики ходовых частей подвижного состава по их инфракрасному (ИК) излучению, в частности к устройствам для настройки - калибровки и юстировки (ориентации) средств теплового контроля (СТК) ходовых частей подвижного состава в условиях эксплуатации.

Известны портативные устройства для калибровки СТК - аппаратуры автоматического обнаружения перегретых букс в поездах типа ПОНАБ-3, основанные на имитации ИК-излучения буксовых узлов движущегося подвижного состава. Эти устройства содержат: размещенные в несущем корпусе-каркасе излучатель - имитатор греющейся буксы, модулятор в виде диска с отверстием для модуляции ИК-излучения имитатора букс, электродвигатель привода модулирующего диска и разъем для подключения устройства к источнику напряжения [1]. Для аппаратуры ДИСК-Б используется более совершенное калибровочное устройство, снабженное датчиком температуры и пультом управления для поддержания заданной температуры излучателя. В процессе калибровки приемо-усилительных трактов устройство (так называемые модулятор или калибратор) устанавливается на переднюю стенку напольной камеры таким образом, чтобы оптическая ось приемника ИК-излучения совпадала с центром отверстия в модулирующем диске. При вращении модулирующего диска на выходе усилителя настраиваемых средств контроля букс получается последовательность электрических импульсов, амплитуда которых пропорциональна разности температур излучателя -имитатора буксы и температуры наружного воздуха. Изменяя в процессе калибровки коэффициент усиления оконечного усилителя, осуществляют настройку СТК на выявление букс с заданной температурой нагрева подшипников или корпусов букс.

Также известны устройства, предназначенные для ориентации (юстировки) ИК-оптики СТК в условиях эксплуатации на контролируемую зону буксовых узлов движущихся поездов [1, 2]. Ориентирные устройства состоят из горизонтальной и вертикальной реек с фиксаторами положения и точечного источника ИК-излучения - имитатора греющейся буксы в виде лампы накаливания, размещенной в специальной головке, которая крепится на вертикальной рейке. Горизонтальная рейка устанавливается на головки рельсов на заданном расстоянии от реперной точки напольной камеры СТК и снабжена неподвижным и подвижным подпружиненным упорами и электроизоляционной вставкой, а вертикальная рейка устанавливается в направляющие горизонтальной рейки и может фиксироваться на различном расстоянии от уровня головок рельсов и от внутренней грани рельса. Перемещая вертикальную рейку по направляющим горизонтальной рейки в разных плоскостях, устанавливают головку с излучателем на расчетную зону контроля букс, например, на расстоянии 380 мм от внутренней грани головки рельса и 480 мм от уровня верха головок рельсов. При правильной ориентации на выходе усилителя СТК должны получить максимальный по амплитуде электрический сигнал. По нормам ОАО «РЖД» отклонения излучателя от расчетной точки на 30 мм по горизонтали или по вертикали не должны приводить к изменению амплитуды сигнала на выходе усилителя настраиваемого СТК более чем на 10 или 20% в зависимости от углов ориентации ИК-оптики. В противном случае прибегают к изменению положения напольных камер СТК на фундаментах и (или) приемника ИК-излучения напольной камеры в той или иной плоскости.

Недостатками известных устройств для настройки СТК подвижного состава являются:

- необходимость в двух устройствах с разными типами излучателей-имитаторов букс: одно - для калибровки приемо-усилительных трактов, а второе - для юстировки ИК-оптики напольных камер;

- установка и поддержание только абсолютной температуры излучателя-имитатора греющейся буксы, тогда как критерии настройки СТК в эксплуатации задаются в виде относительной температуры нагрева корпусов букс;

- необходимость в непрерывном контроле температуры излучателей по индикаторам как при подготовке устройств к работе, так и в процессе настройки СТК;

- ошибки в настройке СТК из-за прогрева модулирующего диска от излучателя и, как следствие, завышение чувствительности приемно-усилительного тракта, что может привести к ложным остановкам поездов.

Цель разработки - создание многофункционального устройства для калибровки и ориентации СТК, обеспечивающее автоматическое поддержание заданной разности температуры между излучателем и модулирующим диском и повышение точности настройки СТК, сокращение затрат времени на выполнение работ по настройке СТК.

Указанная цель достигается тем, что устройство для настройки средств теплового контроля ходовых частей подвижного состава снабжено вентилятором для обдува модулятора наружным воздухом, датчиком температуры и датчиком положения модулятора, тепловым экраном и шторкой, выполненными в виде дисков с различным количеством отверстий и размещенными на валу электродвигателя между модулятором и излучателем на определенном расстоянии друг от друга, а также платой с микропроцессорным контроллером, органами управления и дисплеем для индикации режимов настройки СТК, при этом собственно модулятор устройства выполнен составным из двух дисков - наружного металлического диска - теплового экрана и внутреннего несущего диска из теплоизоляционного материала. Кроме того, указанная цель достигается тем, что в качестве электропривода составного модулятора с датчиком температуры использован шаговый электродвигатель, позволяющий задавать в процессе настройки СТК реверсивные вращательные перемещения модулятора на тот или иной угол в зависимости от выбранных режимов - режим калибровки приемо-усилительных трактов или режим ориентации ИК-оптики СТК. Отличительной особенностью устройства является выполнение внутреннего теплового экрана и диска-шторки из теплоизоляционного материала с приводными рычагами для раздельного или совместного их поворота в корпусе на заданный угол в режиме ориентации ИК-оптики СТК, а также размещение всех дисков и излучателя в общем стакане из теплоизоляционного материала с отверстием в днище для вала шагового электродвигателя, закрепленного с противоположной от излучателя стороны стакана. Другой особенностью предлагаемого устройства является выполнение дисков с разным количеством отверстий в виде секторов симметрично относительно центра: на дисках составного модулятора - по одному отверстию, на диске-шторке - три отверстия, а на внутреннем тепловом экране - четыре симметричных относительно центра отверстия с металлическими накладками на перемычках теплового экрана.

В режиме калибровки устройство устанавливается на переднюю стенку напольной камеры СТК, а в режиме ориентации - на специальный кронштейн или на вертикальную рейку штатного ориентирного устройства. Связь с настраиваемой аппаратурой теплового контроля осуществляется в обоих режимах по кабелю.

Положительный эффект от применения предлагаемого устройства заключается в повышении точности настройки средств теплового контроля с +-3 до +-1°С при изменении температур окружающего воздуха в диапазоне от -40 до +40°С, сокращении времени на производство настройки СТК в 2-3 раза, снижении ложных показаний СТК и необоснованных задержек поездов для контрольного осмотра буксовых узлов при резких изменениях температур окружающего воздуха.

Сущность и принципиальные особенности предлагаемого устройства для настройки СТК поясняются чертежами. На фиг.1 приведен общий вид заявляемого устройства, на фиг.2 показана конструкция составного модулятора, на фиг.3, 4 и 7 - варианты использования устройства в режиме калибровки и ориентации ПК-оптики СТК на контролируемую зону буксы, на фиг.5 и 6 - осциллограммы тепловых сигналов в процессе ориентации (юстировки) оптики СТК на контролируемую зону буксы.

Описание конструкции и принципа действия устройства

Конструктивно устройство для настройки СТК выполнено в виде переносного блока, внешний вид которого показан на фиг.1. Детали устройства размещены в корпусе, выполненном из листового металла, в верхней части которого расположена ручка 1 для переноски. В нижней части корпуса расположены ножки 10. Винты крепления ножек являются элементами крепления модулятора к корпусу.

Со стороны лицевой панели располагается разъем 9 для подключения калибратора к настраиваемым СТК, дисплей для индикации режимов работы устройства 2 и кнопки управления 3-5.

С боковой левой стороны калибратора располагаются переключатель положения теплового экрана 6 с кнопкой фиксации 8 и переключатель положения шторки 7. Переключатели обеспечивают поворот теплового экрана и шторки излучателя на угол 45°. На раме модулятора 11 (фиг.2) расположены: вентилятор 12, имитатор греющейся буксы 13, плата управления 14 с микропроцессорным контроллером, шаговый электродвигатель 15 и составной модулятор 16. Собственно составной модулятор 16 состоит из несущего модулирующего диска 17 и наружного металлического экранирующего диска 18, снабженного датчиком температуры 19 (на фиг.2 показан темной точкой между позициями 6 и 7). Имитатор греющейся буксы 13 выполнен в виде металлического диска-излучателя 24 с датчиком температуры 25 и нагревательными элементами 26. Имитатор 13 также снабжен тепловым экраном 21 в виде диска из теплоизоляционного материала и диска-шторки 22, закрепляемых в общем теплоизоляционном кожухе-стакане 27 с помощью стопорного кольца 23.

Угловое перемещение модулирующего диска на угол до 350° осуществляется шаговым электродвигателем 15, а контроль начального положения диска обеспечивается датчиком положения 20.

Расположенный в верхней части рамы вентилятор 12 создает воздушный поток, охлаждающий тепловой экран 21 и экранирующий диск 18 до температуры окружающей среды. Наружный экранирующий диск 18 и несущий диск 17 модулятора жестко закреплены на валу шагового электродвигателя, а тепловой экран - экранирующий диск 21, диск-шторка 22 и диск излучателя 24 не связаны с валом шагового электродвигателя 15 и фиксируются в общем кожухе-стакане 27 по наружному диаметру с помощью стопорного кольца 25.

Диск-шторка 22 позволяет сократить время выхода калибратора на режим «калибровка» в зимний период времени. Тепловой экран 21 имеет четыре окна, формирующие конфигурацию поля теплового излучения. На диске-шторке 22 выполнено три отверстия в виде сектора, а на диске-экране 21 выполнено четыре отверстия в виде секторов, причем перемычки между отверстиями диска-экрана снабжены металлическими накладками. Температура секторов-перемычек диска определяется воздушным потоком, создаваемым вентилятором 12.

Движки - органы управления тепловым экраном и шторкой изображены на фиг.1 (справа). Одновременный перевод движков переключателей теплового экрана и шторки из одного крайнего положения в другое обеспечивает в режиме «ориентация» перемещение теплового экрана и шторки на угол 45° относительно излучателя и перекрытие трех верхних окон, не участвующих в режиме калибровки в формировании теплового сигнала.

На плате управления 14 размещены выпрямитель, стабилизатор напряжения, микроконтроллер, микросхемы драйвера шагового электродвигателя и электронные ключи для управления вентилятором, датчиками температуры, датчиками положения дисков и индикаторами дисплея. Общее питание устройства осуществляется по кабелю через разъем от настраиваемых СТК или от внешнего источника напряжения.

Особенностями заявленного устройства для настройки СТК являются:

1. включение в состав устройства, в частности, модулятора-вентилятора для принудительного его охлаждения до температуры окружающего воздуха;

2. выполнение модулятора состоящим из двух дисков с одним отверстием в виде сектора в каждом из них, причем несущий диск выполнен из теплоизоляционного материала, а наружный экранирующий диск снабжен с внутренней стороны датчиком температуры и выполнен из металла;

3. выполнение излучателя - имитатора греющейся буксы в виде металлического диска с датчиком температуры излучающей поверхности и отверстием для вала электродвигателя привода модулятора;

4. установка между излучателем и модулятором дополнительно двух дисков из теплоизоляционного материала, не связанных жестко с валом электродвигателя привода модулятора: диска-шторки и диска-экрана с датчиками положения и рычагами для изменения их положения относительно друг друга, при этом диск-экран снабжен металлическими накладками с высоким коэффициентом отражения ИК-излучения;

5. использование в качестве электропривода шагового электродвигателя для вращения модулятора ИК-излучения имитатора греющихся букс, оснащение дисков составного модулятора датчиками положения в градусах оборота вала шагового электродвигателя;

6. Выполнение дисков устройства с разным количеством отверстий в виде секторов для пропускания ИК-излучения от имитатора греющейся буксы на приемник ПК-излучения настраиваемых СТК: на дисках составного модулятора - по одному отверстию, на диске-шторке - три отверстия, а на диске-экране - четыре отверстия.

Перечисленные отличительные особенности позволяют использовать заявленное устройство в двух режимах - в режиме калибровки приемо-усилительных трактов СТК и в режиме юстировки ИК-оптики СТК в условиях контрольно-испытательных пунктов или в режиме ориентации ИК-оптики на контролируемую зону букс движущегося подвижного состава в условиях эксплуатации. Это устройство может также использоваться для настройки средств теплового контроля колес для обнаружения заторможенных колесных пар, содержащих дополнительные напольные камеры, ориентированные на ступицы колес контролируемого подвижного состава.

Устройство 28 в режиме калибровки СТК с установкой его на верхнюю или на переднюю стенки напольных камер 31 (фиг.3) позволяет нормировать коэффициент усиления тепловых трактов СТК. Данный режим включается автоматически при установлении информационной связи с настраиваемым оборудованием (согласно программе, загруженной в память микроконтроллера) или выбирается вручную. Кнопками на лицевой панели производится задание конкретной температуры настройки СТК (по относительной температуре корпуса буксы или подшипника). Режим калибровки начинается с тестирования датчиков в соответствии с алгоритмом, записанным во внутреннем ПЗУ микроконтроллера, который анализирует полученные значения и через электронные ключи управляет нагревательным элементом излучателя-имитатора греющейся буксы, работой шагового двигателя (через микросхему-драйвер), обесценивая тем самым угловое перемещение модулирующего диска на заданный для каждого режима угол с учетом положения вспомогательных дисков и выдает соответствующую информацию на дисплей устройства.

После выхода на рабочий режим нагрева имитатора греющейся буксы с включением вентилятора и шагового двигателя для модуляции теплового потока излучателя начинается процесс калибровки СТК. При этом на дисплей устройства выводится информация о текущем состоянии температуры излучателя, температуры диска, а также разности температур диска и нагревателя (с точностью +-1°С). В режиме калибровки приемники ИК-излучения настраиваемых СТК воспринимают излучение от нижней части имитатора греющейся буксы через отверстие в составном модуляторе, который под действием шагового электродвигателя совершает угловые возвратно-поступательные движения (диски модулятора поочередно то открывают, то перекрывают нижний сектор излучателя). Микропроцессор СТК при этом автоматически согласно записанной в ПЗУ программе устанавливает необходимое значение коэффициента преобразования мощности ИК-излучения имитатора греющейся буксы в аналоговый электрический сигнал или в цифровой код.

Устройство 28 для настройки СТК в режиме ориентации ИК-оптики СТК (фиг.4) позволяет определить соответствие фактических углов ориентации оптики заданным значениям и обеспечить непрерывный контроль процесса регулировки углов ориентации ИК-оптики на контролируемую зону буксы. Для перехода в этот режим устройство устанавливается на специальный кронштейн или на вертикальную рейку-штангу ориентирного приспособления 32, при этом оптическая ось приемника ИК-излучения настраиваемого СТК совпадает с центром диска модулятора, а рычаги управления дисками-экранами и шторкой переводятся в режим ориентации с учетом сезона года (лето или зима). Процесс настройки СТК в режиме ориентации проиллюстрирован на фиг.5, 6 и 7. При правильной ориентации ИК-оптики СТК на буксу с допускаемыми отклонениями центр проекции чувствительного элемента приемника ИК-излучения (условно «пятна») должен совпадать с центром модулирующего диска (фиг.5а), а на выходе теплового тракта настраиваемого СТК получим последовательность одинаковых по амплитуде сигналов от излучателя через секторы A, B, C, D (фиг.5б).

В случае нарушений в ориентации оптики СТК, когда оптическая ось приемника ИК-излучения не совпадает с геометрической осью модулятора (фиг.6а), получим последовательность возрастающих и убывающих по амплитуде электрических импульсов (фиг.6б). В процессе юстировки органами управления углов наклона ИК-оптики к оси пути и к горизонту по тепловым сигналам СТК и показаниям индикаторов дисплея заявляемого устройства добиваются равенства амплитуд тепловых сигналов при перемещении диска модулятора в прямом и в обратном направлениях под действием шагового электродвигателя в пределах угла 350°. Точность такой юстировки не хуже +-0,5°. В случае значительных отклонений углов ориентации СТК от нормы на выходе тепловых трактов сигналы и индикация на дисплее устройства могут отсутствовать. В этом случае движками на корпусе устройства диски экрана и шторки поворачиваются на угол 45°, что позволяет оценить направление отклонения в ориентации ИК-оптики СТК (по горизонтали или по вертикали) и уточнить сектор окружности, на который фактически ориентирована оптика.

Заявленное устройство изготовлено в опытных образцах, апробировано в условиях эксплуатации. На устройство получены: сертификат соответствия требованиям ТУ и сертификат на средство измерений.

Источники информации

1. Лозинский С.Н., Алексеев А.Г., Карпенко Н.М. Аппаратура автоматического обнаружения перегретых букс в поездах. М., «Транспорт», 1978, с.142-144.

2. Патент Австрии №401163В, МКИ - B61k 9/06. Прибор для калибровки детекторов грения букс. Заявл. 02.030.94, опубл. 25.07.96.

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, в частности к устройствам для настройки напольных средств бесконтактной тепловой диагностики ходовых частей подвижного состава по их инфракрасному (ИК) излучению. Устройство для настройки средств теплового контроля (СТК) ходовых частей подвижного состава включает несущий каркас с внешним кожухом, источник ИК-излучения - имитатор греющейся буксы, модулятор, электропривод для вращения модулятора, органы управления и разъем для подключения устройства к настраиваемым СТК. Устройство снабжено вентилятором для обдува модулятора наружным воздухом, датчиком температуры модулятора, датчиком положения модулятора, тепловым экраном и шторкой, выполненными из материалов с различной теплопроводностью в виде дисков с различным количеством отверстий и размещенными между модулятором и излучателем со свободной посадкой на валу электродвигателя, а также платой с микропроцессорным контроллером, органами управления и дисплеем для индикации температур и режимов настройки СТК. Модулятор выполнен составным из двух дисков с отверстиями: из наружного металлического диска - теплового экрана и несущего диска из теплоизоляционного материала, жестко закрепленных на валу электродвигателя на определенном расстоянии один от другого. Источник ИК-излучения снабжен электронагревателем и датчиком температуры излучателя. В результате повышается точность настройки средств теплового контроля, сокращается время на производство работ по настройке СТК. 3 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Устройство для настройки средств теплового контроля (СТК) ходовых частей подвижного состава, включающее несущий каркас с внешним кожухом, источник инфракрасного (ИК) излучения - имитатор греющейся буксы, модулятор в виде диска с отверстием, электропривод для вращения модулятора, органы управления и разъем для подключения устройства к настраиваемым СТК, отличающееся тем, что устройство снабжено вентилятором для обдува модулятора наружным воздухом, датчиком температуры модулятора, датчиком положения модулятора, тепловым экраном и шторкой, выполненными из материалов с различной теплопроводностью в виде дисков с различным количеством отверстий и размещенными между модулятором и излучателем со свободной посадкой на валу электродвигателя, а также платой с микропроцессорным контроллером, органами управления и дисплеем для индикации температур и режимов настройки СТК, при этом модулятор выполнен составным из двух дисков с отверстиями, в частности, из наружного металлического диска - теплового экрана и несущего диска из теплоизоляционного материала, жестко закрепленных на валу электродвигателя на определенном расстоянии один от другого, а источник ИК-излучения снабжен электронагревателем и датчиком температуры излучателя.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве электропривода вращения составного модулирующего диска использован шаговый электродвигатель с перемещением вала в пределах от 0 до 350 угловых градусов, позволяющий разместить на дисках модулятора датчики температуры контактного типа и задавать реверсивные вращательные перемещения диска на тот или иной угол в зависимости от режимов настройки СТК.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внутренний дисковый тепловой экран и диск-шторка выполнены из теплоизоляционного материала и снабжены приводными рычагами для раздельного или одновременного перемещения их на заданный угол и вместе с источником ИК-излучения помещены в общий стакан из теплоизоляционного материала с отверстием в днище для вала шагового электродвигателя, закрепленного с противоположной от излучателя стороны стакана.4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оба диска составного модулятора содержат по одному отверстию, диск-шторка содержит три, а диск теплового экрана - четыре симметричных относительно центра отверстия, выполненных в виде секторов, при этом перемычки диска-экрана снабжены металлическими накладками с высоким коэффициентом отражения ИК-излучения.