СИСТЕМА ДИАГНОСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ БУКС КОЛЕСНОЙ ПАРЫ И СПОСОБ ДИАГНОСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ БУКС КОЛЕСНОЙ ПАРЫ С ЕЕ ПОМОЩЬЮ Российский патент 2024 года по МПК B61K9/12 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для автоматизированного контроля технического состояния букс подвижного состава железнодорожного транспорта.

В настоящее время в связи с ростом скоростей движения рельсового транспорта с одной стороны и старением подвижного состава - с другой актуальной становится задача объективного контроля за техническим состоянием железнодорожного подвижного состава. Одними из наиболее нагруженных узлов железнодорожного вагона являются буксы колесных пар, требующие постоянного контроля. Проводимые периодические осмотры вагонов на станциях требуют значительных временных затрат, что существенно увеличивает время в пути. При этом при осмотрах присутствует элемент субъективизма, т.к. качество осмотра зависит от квалификации осмотрщика вагонов, количества обслуживаемого персонала и т.п. Для исключения элементов субъективизма необходим постоянный мониторинг за состоянием букс в течение всего времени их эксплуатации.

Известна методика визуального контроля сдвига буксы в наружную сторону путем выявления зазора между корпусом буксы и лабиринтным кольцом, осуществляемая тщательным обследованием каждой буксы состава (см. Амелина А.А. Устройство и ремонт вагонных букс с роликовыми подшипниками. - М.: Транспорт, 1975 г., стр.97). Данная методика не может быть использована для объективного и производительного контроля, т.к. требует большего количества квалифицированного персонала и проводится в статическом режиме.

Известно устройство, описанное в патенте на изобретение «Устройство для дистанционного контроля состояния буксы колесной пары» (см. патент РФ №2430848, кл. B61K 9/00, 2005 г.). Устройство включает пару оптических датчиков (дальномеров) на каждое колесо, соединенных с блоком обработки информации, при этом один из датчиков установлен на уровне буксы колеса, а другой - на уровне его боковой поверхности, причем оба оптических датчика одного колеса расположены с его внешней стороны на единой вертикальной опоре, которая установлена на демпфирующем основании. При движении колеса мимо устройства, датчик, установленный на уровне буксы колеса отслеживает текущую координату буксы, а датчик, установленный на уровне наружной поверхности колеса - отслеживает координату наружной поверхности. На основании полученных координат, блок обработки информации рассчитывает истинный размер колеса с буксой и, сравнивая полученный размер с эталонным значением, определяет величину сползания буксы.

Основным недостатком известного технического решения является низкая помехоустойчивость, приводящая к периодическим сбоям в работе. Это связано с наличием сильных промышленных электромагнитных помех, существующих на электрифицированных участках железной дороги. Поскольку информация с оптических датчиков, представляет собой электрические сигналы, то периодическое наложение на них сильных электромагнитных наводок, приводит к сильному искажению сигналов, что равнозначно потере информации о колесной паре. В результате этого вычислительное устройство (блок обработки информации) неправильно рассчитывает истинный размер колеса с буксой и, соответственно, определяет величину сползания буксы. Для пункта технического осмотра пропуск информации о любой колесной паре, требует дополнительного обследования нескольких вагонов или целого поезда, т.к. из-за частичного пропуска информации даже об одной колесной паре, не всегда понятно какая информация и о какой колесной паре и какого вагона потеряна.

Наиболее близким по технической сути к заявляемому техническому решению (прототипом), является система диагностического контроля состояния букс колесной пары (см. патент РФ на полезную модель №135604, кл. В61К 9/12, 2013 г.), содержащая пару оптических датчиков на каждое колесо колесной пары, соединенных с локальным устройством обработки информации, при этом один из датчиков установлен снаружи колеса на уровне его буксы, а другой - на уровне внутренней боковой поверхности колеса, причем каждый из оптических датчиков выполнен в виде автономного микропроцессорного модуля, установленного на виброустойчивой платформе и соединенного с локальным устройством обработки информации, которое соединено с информационным центром железной дороги, а для синхронизации работы всех оптических датчиков использована магнитная педаль, установленная на рельсе, которая срабатывает при появлении над ней передней кромки колеса колесной пары. Магнитная педаль запускает процесс сканирования оптическими датчиками внутренней и наружной боковых поверхностей колеса, которые измеряют текущие координаты, а микропроцессорный модуль, по полученным координатам создает «цифровой» портрет указанных сканируемых поверхностей, причем на наружной части колеса виден «цифровой» след буксы. В локальном устройстве обработки информации (промышленном компьютере) на основе «цифровых» портретов сканируемых поверхностей формируется законченный профиль наружной поверхности колеса с буксой, который сравнивается с эталонным «цифровым» профилем колеса, хранящимся в памяти локального устройстве. В результате такого сравнения промышленный компьютер определяет величину схода буксы, а значит, и годность конкретного колеса к дальнейшему использованию. Готовый «цифровой» портрет состава, составленный из «цифровых» портретов колесных пар с конкретными пометками (срочная замена, возможно продолжительное/непродолжительное использование и т.п.) через сеть данных железной дороги передается в информационный центр железной дороги, где принимается решение о замене буксы на конкретном колесе колесной пары.

Основным недостатком известного технического решения является существенное влияние неравномерности движения колеса в зоне измерения профилей его внутренней и наружной боковых поверхностей, что может приводить не только к повышению погрешности метода измерения, но даже к сбоям в измерениях. Связано это с тем, что в известном устройстве реализован метод самосканирования поверхностей колеса в процессе его движения по рельсу, поэтому любые нарушения равномерности движения колеса в зоне сканирования приводят к увеличению погрешности измерения. Таким образом, чем точнее удается измерять мгновенную скорость движения колеса в момент сканирования поверхностей, тем более высокую точность измерения обеспечивает известное устройство.

Указанная неравномерность движения колесной пары в зоне измерения может быть вызвана несколькими причинами.

Во-первых, это может быть связано с особенностями работы ходовой части вагона в процессе движения (за счет работы пружин, за счет кренов кузова вагона и т.д.).

Во-вторых, неравномерность движения колеса может быть также связана с наличием на его поверхности катания дефектов поверхности, например, ползунов (плоских участков на круглой поверхности катания колеса).

В-третьих, к неравномерности движения колесной пары могут приводить рывки вагона, при которых движение колеса в зоне измерения сопоставимо с временем проводимого сканирования.

В-четвертых, это может быть связано с наличием активных помех оптическому сигналу - обычно они вызываются снегом в зимний период времени, когда возрастает погрешность определения края колеса а, следовательно, и погрешность определения центра колеса, который используется при создании его «цифрового» портрета.

Техническим результатом заявляемого технического решения является устранение основного недостатка прототипа, а именно, влияния неравномерности движения колеса в зоне измерения профилей его боковых поверхностей.

Указанный технический результат в системе диагностического контроля состояния букс колесной пары, содержащей пару оптических датчиков на каждое колесо колесной пары, соединенных с компьютером, а также датчик прогиба рельса, при этом один из пары оптических датчиков установлен снаружи колеса на уровне его буксы, а другой оптический датчик пары установлен на уровне внутренней боковой поверхности колеса, причем каждый из оптических датчиков выполнен в виде автономного микропроцессорного модуля, установленного на виброустойчивой платформе и соединенного с компьютером, который выполнен с возможностью обмена информацией с информационным центром железной дороги, а для синхронизации работы всех оптических датчиков использована магнитная педаль, установленная на рельсе, отличающаяся тем, что содержит две дополнительные магнитные педали, которые расположены вдоль рельса симметрично по обе стороны от основной педали, а расстояние между центрами дополнительных магнитных педалей соответствует диаметру колеса колесной пары; причем все оптические датчики и магнитные педали, а также датчик прогиба рельса через сигнальные шины подключены к внутренней общей шине, соединенной с компьютером, который в свою очередь подключен через шину обмена данных к общей информационной шине сети передачи данных железной дороги.

Также заявлен способ диагностического контроля состояния букс колесной пары, функционирующий с помощью вышеописанной системы, характеризуется тем, что перед началом работы системы производят юстировку оптических датчиков, определяя их координаты относительно друг друга; перед началом измерений текущих координат для каждого из колес колесной пары по сигналу основной магнитной педали подают сигнал на включение оптических датчиков; при этом с датчика прогиба рельса в компьютер передают цифровой сигнал, который учитывает влияние прогиба рельса на результат измерений оптических датчиков; при движении колесной пары по рельсам у обоих колес одновременно сканируют оптическими датчиками внутренние и наружные поверхности на уровне буксы, затем из полученных данных формируют наружные профили колес колесной пары, включая и профили их букс, а также формируют внутренние профили колес; все сформированные профили колес в цифровом виде передают на компьютер по информационным шинам; выходные сигналы с оптических датчиков формируют цифровой портрет сканируемой им поверхности колеса, а в компьютере на основе полученных цифровых портретов сканируемых поверхностей колеса формируют законченный профиль буксы, который уже сравнивают с эталонным профилем буксы, хранящимся в памяти компьютера; по результатам сравнения двух профилей с помощью компьютера определяют величину схода конкретной буксы с конкретного колеса и делают вывод о возможности дальнейшего использования данной колесной пары; при этом в процессе измерений на все оптические датчики поступает информация с первой дополнительной магнитной педали, активацией которой отмечают, что пройден первый этап измерения профиля поверхности от начала колеса до его середины, а за ней передают информацию со второй дополнительной магнитной педали, активацией которой отмечают, что пройден второй этап измерения профиля поверхности от середины колеса до его конца; по собранной информации рассчитывают на компьютере мгновенные скорости на первом и втором этапах измерения профиля и по результатам этих расчетов делают вывод о достоверности полученного цифрового портрета колеса, если при измерении указанных скоростей они совпадают в допустимых пределах метрологической ошибки.

Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежами, приведенными на Фиг.1 - 3.

На Фиг.1 представлен и представлен чертеж заявляемого устройства, поясняющий принцип контроля состояния букс колеса колесной пары, включающий: колесо 1 с буксой 2, внутренней 3 и наружной 4 боковыми поверхностями колеса; рельс 5; оптические датчики 6 и 7, расположенные на вертикальных опорах 8, установленных на виброустойчивых платформах 9; три магнитные педали - 10, 11 и 12, а расстояние между центрами крайних педалей (а) равно диаметру колеса.

На Фиг.2 приведена структурная схема заявляемого устройства. Устройство включает две пары оптических датчиков 13а и 13б на правое колесо, а 14а и 14б - на левое. Датчики 13а и 14а расположены снаружи рельсового пути 5, причем каждый в своем автономном корпусе и измеряют профили наружных боковых поверхностей 4 колесной пары, а датчики 13б и 14б измеряют профили внутренних боковых поверхностей 3 и расположены в общем корпусе, установленном между рельсами 5. Все три автономных корпуса с оптическими датчиками 13 а, 13 б, 14а и 14б установлены на общей виброустойчивой платформе 15. На структурной схеме также представлена основная магнитная педаль 10 (дополнительные магнитные педали 11 и 12, расположенные в ряд следом за ней условно не показаны) и датчик прогиба рельса 16. Для связи всех оптических датчиков 13а, 13б, 14а и 14б, магнитных педалей 10, 11 и 12, а также датчика прогиба рельса 16 используются сигнальные шины 17а - 17д, подключенные к внутренней общей шине 18. Шина 18 через шину обмена данных 20 соединена с компьютером 19, который, в свою очередь, подключен через шину обмена данных 21 к общей информационной шине 22 сети передачи данных железной дороги.

На Фиг.3 приведена структурная схема центрального двухканального оптического датчика (боковые оптические датчики имеют аналогичную структурную схему, но выполнены одноканальными). Оптический датчик представляет собой автономный микропроцессорный модуль 23, который включает: оптический датчик модуля 24 с лазерами 25а и 256 и оптическими приемниками 26а и 26б (он выполнен на основе оптического объектива, в фокусе которого установлен линейный фотоприемник); блок управления оптическими датчиками модуля 27; шину передачи данных 28; микропроцессорное устройство 29 с микропроцессором 30, устройством ввода-вывода 31 и энергонезависимой памятью 32.

Примеры работы системы диагностического контроля состояния букс колесной пары показаны на Фиг.4-Фиг.8.

На Фиг.4 показан общий вид автоматизированного рабочего места (АРМ) в режиме оператора с тревогой по буксе.

На Фиг.5 показан общий вид АРМ оператора в режиме администратора с тревогой по буксе.

На Фиг.6 показаны примеры сигналов с одного из буксовых датчиков (амплитудные всплески кривой сигналов показаны красным цветом).

На Фиг.7 стрелками отмечена автоматически найденная плоскость прилегания крышки буксы.

На Фиг.8 показаны сигналы и контрольные плоскости для обоих буксовых датчиков.

Осуществление изобретения

Устройство, представленное на Фиг.1 - Фиг.3 работает следующим образом. Перед началом работы системы производят юстировку оптических датчиков 13а, 13б, 14а и 14б, т.е. производят точное определение их координат относительно друг друга.

Перед началом измерений текущих координат для каждого из колес колесной пары из компьютера 19 по сигналу основной магнитной педали 10 поступает сигнал на включение оптических датчиков 13а, 13б, 14а и 14б.

При этом с датчика прогиба рельса 17 в компьютер 19 поступает цифровой сигнал, который учитывает влияние прогиба рельса на результат измерений оптических датчиков 13а, 13б, 14а и 14б.

При движении колесной пары по рельсам 5, у обоих колес 1 одновременно сканируется внутренние поверхности 3 и наружные поверхности 4 на уровне буксы 2. Далее оптические датчики 13а и 14а формируют наружные профили колес 1 колесной пары, включая и профили их букс 2, а оптические датчики 13б и 14б формируют внутренние профили колес 1.

Все сформированные профили колес в цифровом виде поступают в компьютер 19 по информационным шинам 17а-17д, 18 и 20. В процессе измерения на все оптические датчики поступает информация с первой дополнительной магнитной педали 11 (она указывает, что пройден первый этап измерения профиля поверхности от начала колеса до его середины), а за ней информация со второй дополнительной магнитной педали 12 (она указывает, что пройден второй этап измерения профиля поверхности от середины колеса до его конца). Указанная информация позволяет рассчитать мгновенные скорости на первом и втором этапах измерения профиля и по результатам этих расчетов сделать вывод о достоверности полученного «цифрового» портрета колеса.

Выходные сигналы с оптических датчиков 13а и 13б, а также 14а и 14б, каждый из которых выполнен в виде микропроцессорного модуля 23 (см. Фиг.3) формируют цифровой портрет сканируемой им поверхности колеса. В компьютере 19 на основе полученных цифровых портретов сканируемых поверхностей колеса формируется законченный профиль буксы 2, который уже сравнивается с эталонным профилем буксы 2, хранящимся в памяти компьютера 19.

В результате сравнения двух профилей компьютер 19 позволяет определить величину схода конкретной буксы 2 с конкретного колеса и сделать вывод о возможности дальнейшего использования данной колесной пары.

Готовый цифровой портрет состава, составленный из цифровых портретов всех букс колесных пар с конкретными пометками (срочная замена, возможно продолжительное/непродолжительное использование и т.п.) через сеть данных железной дороги 22 передается в информационный центр, где принимается решение о замене конкретной буксы колесной пары.

Указанное выполнение системы диагностического контроля состояния букс колесной пары, благодаря наличию трех магнитных педалей, позволяет существенно повысить точность и достоверность измерения за счет значительного уменьшения неравномерности движения колеса.

Это достигается за счет привязки сканируемой базовой поверхности к трем реперным точкам, соответствующим началу, центру и концу измеряемого участка, что позволяет более точно, чем в прототипе, измерять мгновенные скорости колеса во время сканирования передней и задней частей колеса. Так, например, при относительном изменении скорости колеса на интервале от переднего края колеса до его центра и от центра до конца колеса менее 0.1%, точность измерения возрастает в 10 и более раз.

В случае, если при измерении указанных скоростей они совпадают (в допустимых пределах метрологической ошибки), то результаты измерения признаются достоверными, а полученный цифровой портрет колеса считается правильным.

Таким образом, нарушения равномерности движения колеса в зоне сканирования, которые приводят в прототипе к увеличению погрешности измерения, выявляются благодаря использованию дополнительных магнитных педалей 11 и 12, которыми удается фиксировать прохождение этапов измерения профиля поверхности от начала колеса до его середины, а также от середины колеса до его конца. Эти данные позволяют рассчитать мгновенные скорости на первом и втором этапах измерения профиля. А чем точнее удается измерять мгновенную скорость движения колеса в момент сканирования поверхностей, тем более высокую точность измерения обеспечивает система диагностического контроля.

Опытная проверка заявляемого устройства подтвердила его помехоустойчивость в условиях электромагнитных полей, существующих на электрифицированных участках железной дороги. Устройство в процессе опытной эксплуатации подтвердило эффект от использования трех магнитных педалей как на измерении профилей колес колесных пар грузовых вагонов диаметром 1000 мм, так и при измерении профилей колес локомотивов - 1250 мм. Эксплуатационная подтверждаемость показаний проводилась при скоростях следования составов через зону контроля от 10 до 90 км/ч составила 99,6%.

Примеры работы системы диагностического контроля состояния букс колесной пары показаны на Фиг.4-Фиг.8.

Так, на Фиг.8 расстояние до плоскости крышки до буксового датчика с левой стороны около 898 мм, с правой стороны около 891 мм. Используя эти данные вычисляется расстояние между плоскостями крышек буксовых датчиков. В данном случае оно составило 24.5мм.

Таким образом, заявляемая система позволяет с высокой достоверностью своевременно выявлять колеса с дефектными поверхностями катания колес непосредственно в процессе эксплуатации подвижного состава.

Таким образом, заявляемое устройство позволяет своевременно выявлять неисправные буксы непосредственно в процессе эксплуатации подвижного состава и тем самым снижать аварийность на железнодорожном транспорте, связанную с эксплуатацией неисправных букс.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для автоматизированного контроля технического состояния букс подвижного состава железнодорожного транспорта. Система диагностического контроля состояния букс колесной пары содержит пару оптических датчиков на каждое колесо колесной пары, соединенных с локальным устройством обработки информации, при этом один из датчиков установлен снаружи колеса на уровне его буксы, а другой - на уровне внутренней боковой поверхности колеса. Каждый из оптических датчиков выполнен в виде автономного микропроцессорного модуля, установленного на виброустойчивой платформе и соединенного с локальным устройством обработки информации, которое соединено с информационным центром железной дороги. Для синхронизации работы всех оптических датчиков использована магнитная педаль, установленная на рельсе. В систему введены две дополнительные магнитные педали, которые расположены вдоль рельса симметрично по обе стороны от основной педали, а расстояние между центрами дополнительных магнитных педалей соответствует диаметру колеса колесной пары. В результате устраняется влияние неравномерности движения колеса в зоне измерения профилей его боковых поверхностей. 2 н.п. ф-лы, 8 ил.

1. Система диагностического контроля состояния букс колесной пары, содержащая пару оптических датчиков на каждое колесо колесной пары, соединенных с компьютером, а также датчик прогиба рельса, при этом один из пары оптических датчиков установлен снаружи колеса на уровне его буксы, а другой оптический датчик пары установлен на уровне внутренней боковой поверхности колеса, причем каждый из оптических датчиков выполнен в виде автономного микропроцессорного модуля, установленного на виброустойчивой платформе и соединенного с компьютером, который выполнен с возможностью обмена информацией с информационным центром железной дороги, а для синхронизации работы всех оптических датчиков использована магнитная педаль, установленная на рельсе, отличающаяся тем, что содержит две дополнительные магнитные педали, которые расположены вдоль рельса симметрично по обе стороны от основной педали, а расстояние между центрами дополнительных магнитных педалей соответствует диаметру колеса колесной пары; причем все оптические датчики и магнитные педали, а также датчик прогиба рельса через сигнальные шины подключены к внутренней общей шине, соединенной с компьютером, который в свою очередь подключен через шину обмена данных к общей информационной шине сети передачи данных железной дороги.

2. Способ диагностического контроля состояния букс колесной пары, функционирующий с помощью системы по п.1, характеризующийся тем, что перед началом работы системы производят юстировку оптических датчиков, определяя их координаты относительно друг друга; перед началом измерений текущих координат для каждого из колес колесной пары по сигналу основной магнитной педали подают сигнал на включение оптических датчиков; при этом с датчика прогиба рельса в компьютер передают цифровой сигнал, который учитывает влияние прогиба рельса на результат измерений оптических датчиков; при движении колесной пары по рельсам у обоих колес одновременно сканируют оптическими датчиками внутренние и наружные поверхности на уровне буксы, затем из полученных данных формируют наружные профили колес колесной пары, включая и профили их букс, а также формируют внутренние профили колес; все сформированные профили колес в цифровом виде передают на компьютер по информационным шинам; выходные сигналы с оптических датчиков формируют цифровой портрет сканируемой ими поверхности колеса, а в компьютере на основе полученных цифровых портретов сканируемых поверхностей колеса формируют законченный профиль буксы, который уже сравнивают с эталонным профилем буксы, хранящимся в памяти компьютера; по результатам сравнения двух профилей с помощью компьютера определяют величину схода конкретной буксы с конкретного колеса и делают вывод о возможности дальнейшего использования данной колесной пары; при этом в процессе измерений на все оптические датчики поступает информация с первой дополнительной магнитной педали, активацией которой отмечают, что пройден первый этап измерения профиля поверхности от начала колеса до его середины, а за ней передают информацию со второй дополнительной магнитной педали, активацией которой отмечают, что пройден второй этап измерения профиля поверхности от середины колеса до его конца; по собранной информации рассчитывают на компьютере мгновенные скорости на первом и втором этапах измерения профиля и по результатам этих расчетов делают вывод о достоверности полученного цифрового портрета колеса, если при измерении указанных скоростей они совпадают в допустимых пределах метрологической ошибки.