СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ КОЛЕСНЫХ ПАР И ТЕЛЕЖЕК ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ВАГОНА Российский патент 2023 года по МПК B61K9/12 G01M17/08 B61L23/00 B61L25/02 G01N27/82 

Изобретение относится к способам диагностики состояния колесных пар и тележек железнодорожного состава посредством измерения значений коэффициента гармонических искажений сигналов, детектируемых магнитными датчиками [B61K9/00].

Из уровня техники известен СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕИСПРАВНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ КОЛЕСНОГО УЗЛА [RU2126754, опубл. 27.02.1999], 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 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.

Также из уровня техники известен СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПОВЕРХНОСТИ КАТАНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ КОЛЕС В ДВИЖЕНИИ [RU 2784392, опубл. 24.11.2022], заключающийся в том, что на измерительном участке пути на рельс парами симметрично с двух сторон шейки рельса на середине его высоты устанавливают тензодатчики, таким образом, чтобы их зоны чувствительности пересекались, задают пороговое значение силы колеса на рельс, в процессе движения колесной пары по измерительному участку регистрируют локальные минимумы симметричных деформаций на двух соседних парах тензодатчиков, по превышении симметричными деформациями порога селекции, устанавливаемого в 3-4 раза выше уровня собственных шумов измерительной аппаратуры, задают порядковый номер колесной пары равным единице и при каждом последующем превышении симметричными деформациями порога селекции контролируют следующую колесную пару ,определяют скорость движения поезда, по которой определяют нижнюю границу частоты фильтрации, проводят фильтрацию симметричных деформаций, определяют продольную координату колеса на рельсе, по которой фиксируют моменты входа колеса в зону чувствительности и выхода из нее, в зоне чувствительности определяют значение силы от колеса на рельс по значениям фильтрованных симметричных деформаций и эталонных деформаций, отличающийся тем, что измерительную систему подключают к сети интернет для связи с базой данных, оборудуют универсальным цифровым радиоканалом для отправки сообщений в систему автоматической локомотивной сигнализации и располагают ее после участков, на которых железнодорожный состав совершает маневр «разгон-торможение», определяют колесную пару, у которой значение средней силы от колеса на рельс превышает на любой паре тензодатчиков ее пороговое значение, устанавливаемое равным половине максимально допустимой динамической осевой нагрузки на рельс, как колесную пару с дефектом, устанавливают пороговое значение Т относительного количества проездов для каждой колесной пары, у которой был обнаружен дефект, по формуле:

где F_ср - средняя сила воздействия колеса на рельс;

F_скр - критическое значение силы,

в базу данных передают информацию о порядковых номерах колесных пар, номерах вагонов, которым принадлежат дефектные колесные пары, и значение силы от колес на рельс, для каждого колеса фиксируют количество записей в базе данных для проездов, в которых был обнаружен дефект, и общее количество записей, рассчитывают их процентное соотношение и при превышении этого соотношения порогового значения колесную пару бракуют и устанавливают ограничение скорости для подвижного состава.

Наиболее близким по технической сущности является СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ПОЛОЖЕНИЯ КОЛЕСНЫХ ПАР В РАМЕ ТЕЛЕЖКИ ПАССАЖИРСКИХ И ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ В ЭКСПЛУАТАЦИИ [RU 2466046, опубл. 10.11.2012], заключающийся в измерении сигналов акустической эмиссии вращающейся колесной пары, отличающийся тем, что датчики (преобразователи) акустической эмиссии не менее двух устанавливают не на демпфере, поглощающем вибрации, а на любую поверхность правового и левого рельса, кроме поверхности головки рельса железнодорожного пути по оси, перпендикулярной направлению железнодорожного пути, на расстоянии друг от друга, равном величине пути периода L извилистого движения колесной пары, которая определяется по формуле:

где n - уклон поверхности катания;

s - половина расстояние между кругами катания, м;

r - диаметр колеса, м;

π - 3,14;

во время прохождения подвижного состава в момент контакта сегмента гребня колесной

пары с внутренней гранью головки рельса определяют с частотой выборки от 50 микросекунд до 0,1 микросекунды значение выброса максимальных амплитуд сигналов акустической эмиссии, следующих последовательно и неразрывно повремени, определяют время длительности выброса максимальных, последовательных и неразрывных по времени сигналов акустической эмиссии Δt и рассчитывают размер дуги сегмента гребня колесной пары, взаимодействующего с внутренней гранью головки рельса, по формуле:

где P - размер дуги сегмента, мм;

n - число оборотов колесной пары, с;

Δt - время длительности выброса сигналов акустической эмиссии с максимальной амплитудой, следующих один за другим неразрывно по времени, с;

π - 3,14;

D - диаметр колеса вагона, мм,

определяется превышение рассчитанного размера дуги сегмента контакта (трения) гребня колесной пары с внутренней гранью головки рельса с нормативно допустимым значением.

Основной технической проблемой аналога и прототипа является их ограниченные функциональные возможности, а именно невозможность одновременной диагностики как колесных пар, так и тележек железнодорожного вагона, с одновременным подсчётом количества вагонов в железнодорожном составе. Данная проблема обосновывается физическими принципами реализации указанных способов, которые не предусматривают использования типовых магнитных датчиков для диагностики колесных пар и тележек железнодорожных вагонов.

Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа.

Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности одновременной диагностики технического состояния колесных пар, тележки железнодорожного вагона и подсчета количества вагонов в железнодорожном составе.

Указанный технический результат достигается за счет того, что способ диагностики технического состояния колесных пар и тележек железнодорожного вагона характеризуется тем, что при прохождении железнодорожного вагона измеряют выходной сигнал с первого магнитного датчика размещенного внутри железнодорожной колеи, далее рассчитывают спектр выходного сигнала, далее рассчитывают коэффициент гармонического искажения выходного сигнала, при этом

если значение коэффициента гармонических искажений составляет величину от 0 до 3,9%, то колесная пара исправна;

если значение коэффициента гармонических искажений составляет величину от 3,9% до 5,4%, то у колесной пары диагностируют дефект превышения естественного износа поверхности катания колесной пары;

если значение коэффициента гармонических искажений составляет величину более 5,4%, то у колесной пары диагностируют дефект образования выбоины на поверхности катания обода колеса;

одновременно с этим при прохождении железнодорожного вагона измеряют выходной сигнал со второго магнитного датчика, размещенного снаружи железнодорожной колеи, далее рассчитывают спектр выходного сигнала, далее рассчитывают коэффициент гармонического искажения выходного сигнала, при этом

если значение коэффициента гармонических искажений составляет величину от 0 до 4%, то тележка железнодорожного вагона исправна;

если значение коэффициента гармонических искажений составляет величину от 4 до 7%, то у тележки диагностируют дефект - перекос кузова;

если значение коэффициента гармонических искажений составляет величину более 7%, то у колесной пары диагностируют дефект - свисание металлической детали;

одновременно с этим регистрируют количество импульсов с выходов датчиков и рассчитывают количество вагонов в железнодорожном составе.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показана схема размещения магнитных датчиков для реализации способа диагностики технического состояния колесных пар и тележек железнодорожного вагона.

На фиг. 2 показан вариант установки для реализации способа диагностики технического состояния колесных пар и тележек железнодорожного вагона.

На фигурах обозначены: 1 - первый датчик; 2 - второй датчик.

Установка для реализации способа диагностики технического состояния колесных пар и тележек железнодорожного вагона состоит из первого датчика 1, смонтированного к подошве рельса, внутри железнодорожной колеи и второго датчика 2, также смонтированного к подошве рельса, снаружи железнодорожной колеи. Первый 1 и второй 2 датчики являются магнитными.

Способ диагностики технического состояния колесных пар и тележек железнодорожного вагона характеризуется тем, что первоначально первый 1 и второй 2 датчики монтируют к подошве рельса, так чтобы первый датчик 1 располагался внутри железнодорожной колеи. Второй датчик 2 монтируют таким образом, чтобы он полностью располагался снаружи железнодорожной колеи.

В качестве первого 1 и второго 2 датчиков используют магнитоиндукционные датчики, имеющие удлиненный магнитный сердечник, повышенную выходную мощность и помехозащищенность. Также в первом 1 и втором 2 датчиках используются по две катушки индуктивности для уменьшения влияния скачков тягового тока и других внешних помех на формирование полезного сигнала.

При проходе гребня колеса железнодорожного вагона над первым 1 и вторым 2 датчиками из-за появления металла в области электромагнитного поля уменьшается сопротивление прохождению магнитных силовых линий, что приводит к увеличению общей индуктивности системы, состоящей из двух катушек, одновременно с этим в теле гребня колеса возникают вихревые токи, следствие взаимодействия изменяющейся электромагнитной индукции в проводящей среде (в металле) при изменении пронизывающего ее магнитного потока, это приводит к изменениям в схеме возбуждения чувствительных элементов первого 1 и второго 2 датчиков и появлению сигналов в схеме регистрации прохода колеса. Изменение индуктивности приводит к изменению реактивной составляющей регистрируемого сигнала, а вихревые токи к изменению активной составляющей. Таким образом реализуется регистрация выходного сигнала первым 1 и вторым 2 датчиками, при прохождении над ними колёсной пары железнодорожного состава.

В рамках установки для реализации заявленного способа ключевым элементом является магнитоэлектрическая система «датчик-колесо-рельс», которая является трехмерной многопараметрической системой с высокой степенью модуляции. Зарегистрированный объект, в качестве которого выступает гребень колеса в этой системе, регистрируется чувствительными элементами, в качестве которых выступают головки первого 1 и второго 2 датчиков. Регистрация происходит в продольном направлении X, при этом боковое отклонение Y и вертикальное отклонение Z относительно прохождения колеса варьируются в широких пределах.

Схема воздействия первого 1 или второго 2 датчика при проходе колеса характеризуется наличием:

- - комплексного индуктивного сопротивления катушек;

- - комплексного сопротивления взаимной индукции катушек.

В таком случае с выхода датчиков формируются сигналы с частотами

где L - индуктивность катушек;

K - коэффициент индуктивной связи катушек.

Зависимость чувствительности датчика к изменению положения колеса по координате Х (изменению потока вектора магнитной индукции) имеет следующий вид:

где S₀(x) - чувствительность головки датчика;

K ₀ - коэффициент индуктивной связи катушек датчика который зависит от конструктивных параметров датчика, числа витков обмотки, коэффициента рассеяния электромагнитных волн и системы измерений;

dФ(x)⁄dx - скалярная величина магнитного потока между ближайшей точкой гребня колеса к поверхности сердечника датчика в процессе перемещения колеса;

dx - функция чувствительности магнитоиндукционного датчика к перемещению колеса вдоль координаты X.

В соответствии с вышесказанным - при перемещении колеса железнодорожного состава формируется выходной сигнал, представляющий собой одинаковый двухполярный импульс ЭДС, амплитуда которого пропорциональна, скорости движения колеса или производной магнитного потока по перемещению. В соответствии с количеством импульсов ЭДС осуществляется подсчет колесных пар железнодорожного состава, и как следствие количество его вагонов. Различные показания с первого 1 и второго 2 датчиков будут обусловлены различными значениями dФ(x)⁄dx (из-за неодинаковости расположений датчиков относительно гребня колеса) и K₀ (из-за различного рассеяния электромагнитных волн).

Также в рамках заявленного способа после получения выходных сигналов с первого 1 и второго 2 датчиков, происходит их последующая обработка, которая включает в себя получение спектров выходного сигнала (посредством преобразования Фурье) и вычисления коэффициентов гармонических искажений выходных сигналов. В соответствии со значениями коэффициентов гармонических искажений определяется тип дефекта колесной пары и тележки.

Для первого датчика 1:

- если значение коэффициента гармонических искажений составляет величину от 0 до 3,9%, то колесная пара исправна;

- если значение коэффициента гармонических искажений составляет величину от 3,9% до 5,4%, то у колесной пары регистрируется дефект «истончённый гребень» т.е. превышен естественный износ поверхности катания колесной пары вследствие трения о рельсы;

- если значение коэффициента гармонических искажений составляет величину более 5,4%, то у колесной пары регистрируется дефект «наплыв на гребень» т.е. на колесной паре образованы выбоины на поверхности катания обода колеса.

Для второго датчика 2:

- если значение коэффициента гармонических искажений составляет величину от 0 до 4%, то тележка железнодорожного вагона исправна;

- если значение коэффициента гармонических искажений составляет величину от 4 до 7%, то у тележки регистрируется дефект «перекошенная тележка» т.е. перекос кузова тележки составляет более 75 мм;

- если значение коэффициента гармонических искажений составляет величину более 7%, то у колесной пары регистрируется дефект «волочащиеся детали» т.е. имеются свисающие с тележки металлические детали.

Заявленный технический результат - обеспечение возможности одновременной диагностики технического состояния колесных пар, тележки железнодорожного вагона и подсчета количества вагонов в железнодорожном составе за счет того, что подсчет количества вагонов в железнодорожном составе осуществляется за счет наличия первого 1 и второго 2 датчиков, на выходах каждого формируется выходной сигнал, представляющий собой импульс ЭДС, амплитуда которого пропорциональна, скорости движения колеса или производной магнитного потока по перемещению. Диагностика технического состояния колесных пар может осуществляется благодаря наличию первого датчика 1 смонтированного внутри железнодорожной колеи - данное расположение обеспечивает максимальную чувствительность головки первого датчика 1 к дефектам колесной пары. Диагностика технического состояния тележки вагона может быть осуществлена благодаря наличию второго датчика 2 смонтированного снаружи железнодорожной колеи - данное расположение обеспечивает максимальную чувствительность головки второго датчика 2 к дефектам тележки. Благодаря указанному расположению, на выходной сигнал второго датчика 2 практически не влияют дефекты колёсной пары, одновременно с этим высокую «читаемость» имеют дефекты тележки. Таким образом обеспечивается технический результат - заявленный способ обеспечивает одновременную диагностику состояния колёсных пар, тележки и подсчет вагонов в железнодорожном составе.

Обоснование указанных диапазонов коэффициентов гармонических искажений.

Для первого датчика 1 диапазон значений, при котором колесная пара считается исправной от 0 до 3,9% обосновывается проведенными натурными экспериментами, в ходе которых было выявлено что в 95% случаях при указанных значениях коэффициента гармонических искажений колесная пара считается исправной, увеличение значения коэффициента гармонических искажений более 3,9% приведет к ухудшению точности диагностики.

Для первого датчика 1 диапазон значений, при котором фиксируется дефект превышения естественного износа поверхности катания колесной пары от 3,9% до 5,4% обосновывается проведенными натурными экспериментами, в ходе которых было выявлено, что в 95% случаях при указанных значениях коэффициента гармонических искажений имеет место указанный дефект, увеличение или уменьшение значения коэффициента гармонических искажений приведет к ухудшению точности диагностики.

Для первого датчика 1 диапазон значений, при котором фиксируется дефект образования выбоины более 5,4% обосновывается проведенными натурными экспериментами, в ходе которых было выявлено, что в 95% случаях при указанных значениях коэффициента гармонических искажений имеет место указанный дефект, уменьшение значения коэффициента гармонических искажений приведет к ухудшению точности диагностики.

Для второго датчика 2 диапазон значений, при котором тележка считается исправной от 0 до 4% обосновывается проведенными натурными экспериментами, в ходе которых было выявлено что в 95% случаях при указанных значениях коэффициента гармонических искажений тележка считается исправной, увеличение значения коэффициента гармонических искажений более 4% приведет к ухудшению точности диагностики.

Для второго датчика 2 диапазон значений, при котором фиксируется дефект перекоса тележки сверх допустимых значений (в частности 75 мм) от 4% до 7% обосновывается проведенными натурными экспериментами, в ходе которых было выявлено, что в 95% случаях при указанных значениях коэффициента гармонических искажений имеет место указанный дефект, увеличение или уменьшение значения коэффициента гармонических искажений приведет к ухудшению точности диагностики.

Для первого датчика 2 диапазон значений при котором фиксируется дефект, связанный с наличием свисающей с тележки металлической детали более 7% обосновывается проведенными натурными экспериментами, в ходе которых было выявлено что в 95% случаях при указанных значениях коэффициента гармонических искажений имеет место указанный дефект, уменьшение значения коэффициента гармонических искажений приведет к ухудшению точности диагностики.

Таким образом, проведенные натурные испытания показали, что благодаря заявленному способу реализуется возможность осуществления диагностики колесных пар и тележек по указанным дефектам с точностью диагностики не хуже 95%.

Заявителем в 2023 году был реализован заявленный способ, апробация которого подтвердила заявленный технический результат. Была обеспечена одновременная диагностика технического состояния колесных пар и тележки железнодорожного вагона (с точностью диагностики не хуже 95%) и подсчета количества вагонов в железнодорожном составе.

Пример достижения технического результата

Апробация заявленного способа (установка показана на фиг. 2) происходила при скорости движения железнодорожного вагона 5 км/ч и выше. В таком случае на выходах первого 1 и второго 2 датчиков формировались выходные сигналы с амплитудами не менее 1,6 В. Апробация подтвердила достижение заявленного технического результата при скоростях движения железнодорожных составов от 5 до 125 км/ч для грузовых поездов, и от 5 до 250 км/ч для пассажирских поездов. При этом была выявлена тенденция, характеризующаяся тем, что чем выше скорость движения железнодорожного состава, тем точнее диагностика неисправностей, в частности при увеличении скорости до максимальных значений точность диагностики увеличивается с 95% до 98,5%. Это связано с повышением четкости выходных сигналов и уменьшения влияния шумов. В качестве магнитных датчиков использовались модифицированные датчики ШМП12. Обработка информации осуществлялась посредством программно-аппаратного комплекса, обеспечивающего подсчет импульсов ЭДС с выходов первого 1 и второго 2 датчиков для обеспечения возможности подсчет количества вагонов в железнодорожном составе. Также в состав программно-аппаратного комплекса входила пара аналогово-цифровых преобразователей, последовательно соединенных с блоками быстрого преобразования Фурье, последовательно соединенных с блоками расчёта коэффициента гармонических искажений (реализующий расчёт отношения среднеквадратичного напряжения суммы высших гармоник сигнала к напряжению первой гармоники), последовательно соединённых с решающими пороговыми устройствами, в которые были заблаговременно внесены значения коэффициентов, при которых диагностируется соответствующий дефект; выходы пороговых устройств были соединены с элементами индикации и визуализации на которых отображалось количество вагонов в составе и выявленные дефекты колесных пар и тележек. Количество вагонов в составе при этом определялось независимо - по результатам анализа выходных импульсов как с первого 1, так и со второго 2 датчика. При этом возможность вычисления количества вагонов посредством независимой работы как первого 1, так и второго 2 датчиков дополнительно повышала достоверность полученных данных (при этом показания с первого датчика 1 имели более высокий приоритет по сравнению со вторым датчиком 2, т.к. чувствительность первого датчика 1 для подсчета колесных пар оказалась выше).

Изобретение относится к способам диагностики состояния колесных пар и тележек железнодорожного состава посредством измерения значений коэффициента гармонических искажений сигнала, детектируемого магнитными датчиками. Согласно способу диагностики технического состояния колесных пар и тележек железнодорожного вагона при прохождении железнодорожного вагона измеряют выходной сигнал с первого магнитного датчика, размещенного внутри железнодорожной колеи, далее рассчитывают спектр выходного сигнала, далее рассчитывают коэффициент гармонического искажения выходного сигнала, при этом если значение коэффициента гармонических искажений составляет величину от 0 до 3,9%, то колесная пара исправна; если значение коэффициента гармонических искажений составляет величину от 3,9% до 5,4%, то у колесной пары диагностируют дефект превышения естественного износа поверхности катания колесной пары; если значение коэффициента гармонических искажений составляет величину более 5,4%, то у колесной пары диагностируют дефект образования выбоины на поверхности катания обода колеса. Одновременно с этим при прохождении железнодорожного вагона измеряют выходной сигнал со второго магнитного датчика, размещенного снаружи железнодорожной колеи, далее рассчитывают спектр выходного сигнала, далее рассчитывают коэффициент гармонического искажения выходного сигнала, при этом если значение коэффициента гармонических искажений составляет величину от 0 до 4%, то тележка железнодорожного вагона исправна; если значение коэффициента гармонических искажений составляет величину от 4 до 7%, то у тележки диагностируют дефект - перекос кузова; если значение коэффициента гармонических искажений составляет величину более 7%, то у колесной пары диагностируют дефект - свисание металлической детали. Одновременно с этим регистрируют количество импульсов с выходов датчиков и рассчитывают количество вагонов в железнодорожном составе. В результате обеспечивается возможность одновременной диагностики технического состояния колесных пар, тележки железнодорожного вагона и подсчета количества вагонов в железнодорожном составе. 2 ил.

Способ диагностики технического состояния колесных пар и тележек железнодорожного вагона, характеризующийся тем, что при прохождении железнодорожного вагона измеряют выходной сигнал с первого магнитного датчика, размещенного внутри железнодорожной колеи, далее рассчитывают спектр выходного сигнала, далее рассчитывают коэффициент гармонического искажения выходного сигнала, при этом если значение коэффициента гармонических искажений составляет величину от 0 до 3,9%, то колесная пара исправна, если значение коэффициента гармонических искажений составляет величину от 3,9 до 5,4%, то у колесной пары диагностируют дефект превышения естественного износа поверхности катания колесной пары, если значение коэффициента гармонических искажений составляет величину более 5,4%, то у колесной пары диагностируют дефект образования выбоины на поверхности катания обода колеса, одновременно с этим при прохождении железнодорожного вагона измеряют выходной сигнал со второго магнитного датчика, размещенного снаружи железнодорожной колеи, далее рассчитывают спектр выходного сигнала, далее рассчитывают коэффициент гармонического искажения выходного сигнала, при этом если значение коэффициента гармонических искажений составляет величину от 0 до 4%, то тележка железнодорожного вагона исправна, если значение коэффициента гармонических искажений составляет величину от 4 до 7%, то у тележки диагностируют дефект - перекос кузова, если значение коэффициента гармонических искажений составляет величину более 7%, то у колесной пары диагностируют дефект - свисание металлической детали, одновременно с этим регистрируют количество импульсов с выходов датчиков и рассчитывают количество вагонов в железнодорожном составе.