СПОСОБ КРЕПЛЕНИЯ МЕТОК АВТОМАТИЧЕСКОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ КОЛЕСЕ И ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЕ КОЛЕСО С ВОЗМОЖНОСТЬЮ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ, ПОЛУЧЕННОЕ ДАННЫМ СПОСОБОМ Российский патент 2024 года по МПК B61L25/04 

Изобретение относится к средствам автоматической идентификации железнодорожного колеса, является техническим решением, относящимся к средствам автоматического контроля и номерного учета на железнодорожном транспорте. Может быть использовано для получения достоверной информации при идентификации железнодорожных колес.

При формировании или ремонте колесных пар на предприятиях железнодорожного транспорта, запись номера колес в большинстве случаев производится вручную в учетные и отчетные формы вагонного хозяйства. Такая существующая практика приводит к дублированию и искажению информации. Также следует отметить, что текущая система маркировки не обеспечивает возможности идентификации номера колеса в движении при различных скоростях в связи с тем, что существующая маркировка наносится на внешней стороне обода, подвергаясь износу в процессе эксплуатации, и, в конечном итоге, становится нечитаемой. Отсутствие достоверной электронной информации о колесах препятствует развертыванию системы управления предотказным состоянием колесных пар, для обеспечения большего уровня безопасности перевозочного процесса. Передача параметров колесных пар в режиме эксплуатации осуществляется без привязки к конкретной колесной паре, и ограничивается порядковым номером колесной пары под определенным вагоном.

В технике известен ряд решений, предлагающих вести автоматическую идентификацию железнодорожных колес в движении состава.

Известно решение по патенту на полезную модель №219987, опубл.: 17.08.2023. на железнодорожное колесо, имеющее на поверхности углубление для размещения идентификационной метки, отличающееся тем, что в месте сопряжения с углублением для размещения идентификационной метки на железнодорожном колесе выполнена переходная поверхность, которая представлена в виде скругления, выполненного по радиусу от 1 до 3 мм.

Технический результат, на достижение которого направлена полезная модель, заключается в снижении риска появления локальных трещин в области углубления для размещения идентификационной метки.

Недостатком данного решения является то, что указывается размер переходной поверхности, но указан его размер при определенных размерах кольцевой канавки, при этом дана достаточно широкая вариативность таких размеров.

Кроме того, совершенно не понятно, как в такой канавке может фиксироваться идентификационная метка.

Такой же недостаток имеет решение по патенту на изобретение №2788012, опубл.: 16.01.2023. «ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЕ КОЛЕСО» и имеющее ту же сущность.

За ближайший аналог предложенного решения примем решение по патенту на полезную модель №168729 «ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЕ КОЛЕСО СО СРЕДСТВАМИ РАДИОЧАСТОТНОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ», опубл.: 17.02.2017., в котором описано железнодорожное колесо, содержащее закрепленные на нем идентификационные метки, отличающееся тем, что на боковой поверхности ступицы с внутренней стороны в зоне перехода от цилиндрической поверхности к тороидальной размещены пассивные радиочастотные метки (RFID). Пассивные радиочастотные метки (RFID) установлены на ступице колеса на равноудаленном расстоянии друг от друга в зоне цилиндрической части ступицы, заключенной между ее торцом и началом тороидальной поверхности. Метки выполнены с возможностью считывания их в статичном состоянии колесной пары ручными считывателями или автоматическими напольными средствами радиочастотной идентификации при движении вагона во всем диапазоне температур окружающей среды.

Также, в прототипе описано, что для установки метки на поверхности ступицы железнодорожного колеса в поточной технологической линии производства можно применить кольца с встроенными метками, что обеспечит соответствующую производительность операции установки меток. Такое кольцо может быть закреплено в канавке ступицы или на ступице сваркой, либо другим способом для создания неразъемного соединения. Оставшееся пространство можно залить эпоксидной смолой.

В ходе многолетних испытаний выяснилось, что у размещения меток внутри канавки на ступице есть ряд технических проблем, решения которых в известных аналогах и прототипе отсутствуют.

Так, существует проблема смещения частоты радиометок, возникающая при погружении метки в проточку и использовании компаунда для крепления метки и защиты от воздействия окружающей среды (той же эпоксидной смолы). Она ведет к невозможности считывания вследствие использования компаунда и установки радиочастотной метки в углубление проточки.

Проблема возникает по следующим причинам. На практике в качестве таких меток наиболее оптимальным считается использование радиочастотных меток (RFID). При этом готовые радиочастотные метки, предлагаемые на рынке, имеют стандартную частоту, разрешенную для использования на территории Российской Федерации 863–868 МГц. Но при использовании компаунда наблюдается смещение рабочей частоты меток до значения свыше 900 МГц, вследствие чего считывание таких сигналов становится невозможным.

Во-первых, по причине того, что в свободном доступе отсутствуют устройства для считывания таких частот на расстоянии свыше 5 см.

Во-вторых, вследствие ограничения использования устройств для считывания радиометок с мощностью выше 2 Вт, при такой мощности появляется возможность считать радиосигнал на расстоянии свыше 5 см, но данная мощность запрещена к использованию на территории РФ.

Таким образом, необходимо использование заказных радиометок со специально заниженной частотой, что и явилось задачей настоящего изобретения.

Технический результат заявленного изобретения заключается в устранении проблемы невозможности считывания вследствие использования компаунда и установки радиочастотной метки в углубление.

Указанный технический результат достигается за счет того, что заявлен способ крепления меток автоматической идентификации на железнодорожном колесе, характеризующийся выполнением кольцевой проточки в зоне ступицы железнодорожного колеса, внутрь которой помещают идентификационные метки, которые покрывают слоем заливочного компаунда, отличающийся тем, что используют форму для заливки, которая повторяет форму проточки в железнодорожном колесе; в данную форму помещают ленту с замком и натягивают; в форму заливают компаунд и укладывают идентификационные метки; далее сгибают фольгированную антенну каждой метки к металлизированному основанию метки; при этом идентификационную метку располагают по оси с лентой так, чтобы чип метки был ближе к краю наименьшей стороны; после отвердевания вынимают сформированную крепежную ленту с компаундом и метками из формы; затем крепежную ленту с компаундом и метками устанавливают в проточку железнодорожного колеса и фиксируют ее концы замком; а в качестве идентификационных меток используют радиочастотные метки RFID, рабочая частота которых с нанесенным поверх слоем компаунда находится в пределах 863–868 МГц.

Предпочтительно, кольцевую проточку выполняют глубиной не более 8 мм, шириной не более 15 мм, и с удаленной от торца ступицы колеса не менее, чем на 20 мм, а также имеющей переходную поверхность от стенок к дну проточки с радиусом кривизны не менее 2 мм, причем идентификационные метки закрепляют в выполненной проточке при помощи крепежной ленты и компаунда.

Как вариант, наносят первый слой компаунда в форму поверх ленты и распределяют его так, чтобы компаунд покрывал ленту на 1 мм; выждав не менее 15 минут, укладывают идентификационные метки на первый слой компаунда; после чего заливают форму вторым слоем компаунда, обеспечивая сохранение установленной геометрии каждой метки.

Как вариант, на уложенную в форму ленту укладывают идентификационные метки, после чего покрывают слоем компаунда, обеспечивая сохранение установленной геометрии каждой метки.

Как вариант, наносят первый слой компаунда в форму, затем укладывают поверх ленту, после чего укладывают идентификационные метки; затем заливают форму вторым слоем компаунда, обеспечивая сохранение установленной геометрии каждой метки.

Крепление металлической или пластиковой ленты в кольцевой проточке осуществляют укладкой и последующей заливкой дополнительного слоя компаунда сверху.

Также крепление металлической или пластиковой ленты в кольцевой проточке осуществляют предварительной заливкой слоя компаунда снизу на дне проточки, и последующей укладкой ленты.

Также крепление металлической или пластиковой ленты в кольцевой проточке осуществляют предварительной заливкой слоя компаунда снизу на дне проточки, с последующей укладкой ленты и затем повторной заливкой дополнительного слоя компаунда сверху.

Предпочтительно, в качестве металлической крепежной ленты используют стальную ленту с замком.

Крепление при помощи крепежной ленты и компаунда выполняют так, чтобы компаунд покрывал ленту на 1 мм.

Также заявлено железнодорожное колесо с возможностью автоматической идентификации, имеющее кольцевую проточку в зоне ступицы, внутрь которой установлены идентификационные метки и залиты компаундом, отличающееся тем, что идентификационные метки в количестве не менее трех штук закреплены в выполненной кольцевой проточке при помощи крепежной ленты с замком и компаундом, причем в качестве идентификационных меток использованы радиочастотные метки RFID, рабочая частота которых с нанесенным поверх слоем компаунда находится в пределах 863–868 МГц.

Предпочтительно, кольцевая проточка выполнена глубиной не более 8 мм, шириной не более 15 мм, и с удаленной от торца ступицы колеса не менее чем на 20 мм, а также имеет переходную поверхность от стенок к дну проточки с радиусом кривизны не менее 2 мм.

Предпочтительно, в качестве идентификационных меток использованы радиочастотные метки RFID с частотой в пределах 980 МГц.

Предпочтительно, верхний край поверхности ступицы выполнен с переходной поверхностью, имеющей фаски с углом 45 градусов или скругления.

Предпочтительно, идентификационные метки закреплены в выполненной проточке с одинаковым угловым расстоянием от смежных меток.

В качестве идентификационных меток использованы радиочастотные метки RFID с возможностью считывания с них информации на скорости до 150 км/ч.

Предпочтительно, идентификационные метки уложены между двух слоев компаунда, где метки расположены по оси с лентой, так, чтобы чип метки был ближе к краю наименьшей стороны колеса.

Крепление металлической или пластиковой ленты в кольцевой проточке выполнено заливкой дополнительного слоя компаунда сверху.

Также крепление металлической или пластиковой ленты в кольцевой проточке может быть выполнено предварительной заливкой слоя компаунда снизу на дне проточки, и последующей укладкой на него ленты.

Также крепление металлической или пластиковой ленты в кольцевой проточке может быть выполнено предварительной заливкой слоя компаунда снизу на дне проточки, с последующей укладкой ленты и затем повторной заливкой дополнительного слоя компаунда сверху.

Предпочтительно, в качестве металлической крепежной ленты используют стальную ленту с замком.

Крепление при помощи крепежной ленты и компаунда выполнено таким, что компаунд покрывает ленту на 1 мм.

Краткое описание чертежей

На Фиг. 1 показана схема ленты с замком и установленными внутри метками, залитыми компаундом.

На Фиг. 2 показаны различные геометрии железнодорожных колес (Б, В) с проточками (А), крупный план которой приведен ниже.

На Фиг. 3 показаны схемы нагружения колес в ходе испытаний, соответственно колесам Фиг. 2.

На Фиг. 4 показан общий вид испытания на предел выносливости колеса с проточкой на испытательной машине ЦДМ 200 ПУ-1.

На Фиг. 5 показаны эквивалентные напряжения в колесе с проточкой геометрии Б (вариант нагружения №1), Па: а-колесо в целом; б-зона проточки (σ_эквmax = 172 МПа).

На Фиг. 6 показаны эквивалентные напряжения в колесе с проточкой геометрии Б (вариант нагружения №2), Па: а-колесо в целом; б-зона проточки (σ_{экв max} = 249 Мпа).

На Фиг. 7 показаны эквивалентные напряжения в колесе с проточкой геометрии Б (вариант нагружения №3), Па: а-колесо в целом; б-зона проточки (σ_{экв max} = 158 МПа).

На Фиг. 8 показаны эквивалентные напряжения в колесе с проточкой геометрии В (вариант нагружения №1), Па: а-колесо в целом; б-зона проточки (σ_{экв max} = 156 МПа).

На Фиг. 9 показаны эквивалентные напряжения в колесе с проточкой геометрии В (вариант нагружения №2), Па: а-колесо в целом; б-зона проточки (σ_{экв max} = 206 Мпа).

На Фиг. 10 показаны эквивалентные напряжения в колесе с проточкой геометрии В (вариант нагружения №3), Па: а-колесо в целом; б-зона проточки (σ_{экв max} = 153 МПа).

На Фиг. 11 показаны примеры создания опытных образцов лент с RFID метками, залитых компаундом, которые еще находятся внутри форм, зафиксированных на опоре.

На Фиг. 12 показан готовый рабочий опытный образец кольцевой ленты с замком и RFID метками, залитых компаундом.

На Фиг. 13–16 показаны опытные образцы колес с проточками, внутрь которых установлены ленты с RFID метками различного количества (от 3 до 5 штук), залитые компаундом.

На Фиг. 17 показан пример проверки работоспособности RFID меток на колесе.

На Фиг. 18 показана схема размещения UHF/RFID-антенн на участке опытных испытаний (вид сверху).

На Фиг. 19 показана схема размещения UHF/RFID-антенн на участке опытных испытаний (вид сбоку в разрезе).

На Фиг. 20 показана блок-схема размещения оборудования автоматической идентификации колесных пар.

На Фиг. 21 показана гистограмма считываемых RFID меток на посту регистрации.

На Фиг. 22 показан опытный образец тестирования смещения частоты метки RFID, расположенной по центру медной подложки, компаунд с двух сторон.

На Фиг. 23 показан опытный образец тестирования смещения частоты метки RFID, расположенной по центру медной подложки, компаунд только снизу.

На Фиг. 24 показан опытный образец тестирования смещения частоты метки RFID, расположенной на краю медной подложки, компаунд с двух сторон.

На Фиг. 25 показан опытный образец тестирования смещения частоты метки RFID, расположенной на краю медной подложки, компаунд только снизу.

На Фиг. 26 показан опытный образец тестирования смещения частоты метки RFID без медной подложки, компаунд с двух сторон.

На Фиг. 27 показан опытный образец тестирования смещения частоты метки RFID без медной подложки, компаунд только снизу.

На Фиг. 29 показана диаграмма считывания метки в воздухе и на металле.

На Фиг. 30 показана диаграмма считывания метки на медной подложке (по центру), окруженной компаундом снизу/сверху.

На Фиг. 31 показана диаграмма считывания метки на медной подложке (на краю), окруженной компаундом снизу/сверху.

На Фиг. 32 показана диаграмма считывания метки без подложки, окруженной компаундом снизу/сверху.

На чертежах: 1 – замок, 2 - RFID метка, 3 – кольцевая проточка, 4 – лента, 5 – компаунд, 6 – максимальная глубина проточки, 7 – максимальная ширина проточки, 8 – минимальный отступ от края торца ступицы, 9 – минимальный радиус кривизны переходной поверхности у дна проточки, 10 – фаски углом в 45 градусов, 11 – колесо, 12 – обод колеса, 13 – неподвижные опоры испытательной машины, 14 – рельс, 15 – антенна, 16 – контактный провод антенны, 17 – кронштейн крепления антенны к рельсу, 18 – опорный узел крепления кронштейна, 19 – отступ плоскости антенны от поверхности катания рельса, 20 – RFID ридер, 21 – компьютер, 22 – GSM модем, 23 – постовое помещение диагностики.

Осуществление изобретения

Заявленный способ крепления меток автоматической идентификации на железнодорожном колесе, характеризуется выполнением кольцевой проточки в зоне ступицы железнодорожного колеса, внутрь которой помещают идентификационные метки, которые покрывают слоем заливочного компаунда.

Новым является то, что используют форму для заливки (см. Фиг. 11), которая повторяет форму проточки в железнодорожном колесе.

В данную форму помещают ленту 4 с замком 1 (см. Фиг. 1) и натягивают (см. Фиг. 11), например, закрепляя к опоре.

В форму заливают компаунд 5 и укладывают идентификационные метки 2.

Далее сгибают фольгированную антенну каждой метки к металлизированному основанию метки. При этом идентификационную метку располагают по оси с лентой так, чтобы чип метки был ближе к краю наименьшей стороны.

После отвердевания компаунда 5 вынимают сформированную готовую (см. Фиг. 12) крепежную ленту 4 с компаундом 5 и метками 2 из формы. Затем крепежную ленту 4 с компаундом 5 и метками 2 устанавливают в проточку 3 железнодорожного колеса и фиксируют ее концы замком 1.

При этом в качестве идентификационных меток 2 используют радиочастотные метки RFID, рабочая частота которых с нанесенным поверх слоем компаунда находится в пределах 863–868 МГц.

У заявленного изобретения в отличии от прототипа и других аналогов есть то преимущество, что устранена проблема смещения частоты радиометок, возникающая при погружении метки в проточку и использовании компаунда для крепления метки и защиты от воздействия окружающей среды.

Крепление металлической или пластиковой ленты в кольцевой проточке осуществляют укладкой и последующей заливкой дополнительного слоя компаунда сверху.

Также крепление металлической или пластиковой ленты в кольцевой проточке осуществляют предварительной заливкой слоя компаунда снизу на дне проточки, и последующей укладкой ленты.

Также крепление металлической или пластиковой ленты в кольцевой проточке осуществляют предварительной заливкой слоя компаунда снизу на дне проточки, с последующей укладкой ленты и затем повторной заливкой дополнительного слоя компаунда сверху.

Предпочтительно, в качестве металлической крепежной ленты используют стальную ленту с замком.

Крепление при помощи крепежной ленты и компаунда выполняют так, чтобы компаунд покрывал ленту на 1 мм.

Пример 1 заливки формы

Наносят первый слой компаунда в форму поверх ленты и распределяют его так, чтобы компаунд покрывал ленту на 1 мм; выждав не менее 15 минут, укладывают идентификационные метки на первый слой компаунда; после чего заливают форму вторым слоем компаунда, обеспечивая сохранение установленной геометрии каждой метки.

Пример 2 заливки формы

На уложенную в форму ленту укладывают идентификационные метки, после чего покрывают слоем компаунда, обеспечивая сохранение установленной геометрии каждой метки.

Пример 3 заливки формы

Наносят первый слой компаунда в форму, затем укладывают поверх ленту, после чего укладывают идентификационные метки; затем заливают форму вторым слоем компаунда, обеспечивая сохранение установленной геометрии каждой метки.

Многолетними опытными испытаниями были подобраны оптимальные параметры расположения, ширины и глубины кольцевой проточки.

Согласно заявленному изобретению кольцевую проточку 3 (см. Фиг. 2) выполняют глубиной 6 не более 8 мм, шириной 7 не более 15 мм, и с удалением 8 от торца ступицы колеса не менее, чем на 20 мм, а также имеющей переходную поверхность 9 от стенок к дну проточки с радиусом кривизны не менее 2 мм, а идентификационные метки в ней закрепляют в выполненной проточке при помощи крепежной ленты 4 и компаунда 5 согласно заявленному изобретению.

То есть, максимальные размеры кольцевой проточки могут быть: глубина – 8 мм, ширины – 15 мм, минимальное удаление от торца ступицы колеса – 20 мм, наличие переходной поверхности от стенок к дну проточки с минимальным радиусом кривизны 2 мм.

Предпочтительно, верхний край поверхности ступицы выполнен с переходной поверхностью, имеющей фаски с углом 45 градусов или скругления.

Как показали испытания, проведенные на разной геометрии колес (Фиг. 2(Б, В)), выполнение размеров меньших значений кольцевой проточки, либо ее удаление от торца ступицы на большее расстояние, будет способствовать снижению напряжений.

Расчетные схемы нагружения колеса №1 (Фиг. 2(Б))

Расчет напряженного состояния для колеса №1 с такими максимальными параметрами проточки был проведены для трех характерных вариантов нагружения колеса при эксплуатации в составе колесной пары вагона:

1) движение колесной пары по прямому участку пути, когда на колеса, в основном, действует вертикальная сила (V1) по кругу катания – Вариант нагружения № 1;

2) движение колесной пары в кривой, когда на гребень одного из колес действует горизонтальная боковая сила (L2), а на обод – вертикальная, смещенная в сторону гребня (V2) – Вариант нагружения № 2;

3) движение колесной пары по кривому участку пути, когда вертикальная сила действует на внешнюю (полевую) часть поверхности катания обода одного из колес (V3) – Вариант нагружения №3.

Значения механических нагрузок рассчитаны исходя из максимальной статической нагрузки от колесной пары на рельсы Q = 25 ТС (245,0 кН). Вертикальные нагрузки рассматриваются как квазистатические, умноженные на коэффициент динамики f = 3:

V1 = V2 = V3 = (f⋅Q/2)⋅g = 368 кН; L2 = 0,5⋅V2 = 184 кН.

Схема приложения нагрузок к ободу 12 колеса 11 представлена на Фиг. 3, где 13 – неподвижные опоры испытательной машины (см. Фиг. 4).

Напряженное состояние колеса для различных вариантов приложения нагрузок представлено в виде эквивалентных напряжении по Мизесу [МПа]-IV теория прочности:

,

где – σ₁, σ₂, σ₃ главные (окружные, радиальные и осевые) напряжения.

Значения напряжений, возникающих в местах приложения нагрузок, не рассматривали ввиду приложения нагрузок в узлы конечно-элементной модели. Это обуславливало высокую концентрацию напряжений в зоне приложения нагрузки к ободу и под ней, поэтому при анализе результатов данные зоны были исключены.

Результаты расчета нагружения колеса №1 (Фиг. 2(Б))

На Фиг. 5–7 представлены результаты расчета эквивалентного напряженного состояния колеса с проточкой для трех расчетных схем нагружения с учетом монтажной нагрузки при его напрессовке на ось с натягом. Значения максимальных эквивалентных напряжений, определяющих усталостную выносливость, представлены в табл. 1.

Таблица 1. Максимальные эквивалентные напряжения в колесе с проточкой

Вариант нагружения Максимальные эквивалентные напряжения, МПа Отношение максимальных напряжений в колесе и в зоне проточки Отношение напряжений в зоне проточки к пределу текучести ступицы колеса в колесе (в целом) в проточке Нагружение по кругу катания (вариант №1) 269 172 1,56 0,38 Нагружение в зоне гребня (вариант №2) 435 249 1,75 0,55 Нагружение у внешней зоны поверхности катания (вариант №3) 443 158 2,80 0,35

Как видно из Фиг. 5–7 и данных в табл. 1 при всех схемах нагружения максимальные эквивалентные напряжения в колесе возникают не в зоне проточки, а в приободной (варианты нагружения 2 и 3) или приступичной (вариант нагружения 1) зонах диска. Сопоставление эквивалентных напряжений в зоне проточки с эквивалентными напряжениями, действующими в колесе в целом, свидетельствует, что максимальные напряжения в зоне проточки при всех вариантах нагружения существенно ниже максимальных напряжений в колесе в целом. При этом коэффициент запаса по напряжениям в зоне проточки в зависимости от варианта нагружения находится в диапазоне 1,6–2,8, т.е. в зоне проточки на ступице не возникает значительной концентрации напряжений.

Максимальные эквивалентные напряжения возникают в зоне проточки при варианте нагружения 2 (движение колесной пары в кривой) и составляют 249 МПа. По IV теории прочности критерием безопасности напряженного состояния с точки зрения возникновения трещин является величина эквивалентных напряжений меньшая, чем предел текучести материала, т.е. σ_экв < σ_т. Учитывая, что предел текучести металла ступицы колеса марки Т составляет ~450 МПа, величина максимальных эквивалентных напряжений в зоне проточки характеризуется соотношением σ_экв = 0,67σ_т, что свидетельствует о безопасности данного напряженного состояния.

Анализ результатов прочностного расчета и оценки напряженного состояния колеса по параметрам с проточкой, имеющей размеры согласно заявленному изобретению.

Расчет включал в себя конечно-элементное моделирование напряженного состояния цельнокатаного колеса из стали марки Т по ГОСТ 10791-2011 с конструкцией и расположением проточки согласно заявленному изобретению, имеющего кольцевую проточку в ступице по ТУ 26.20.30-003-14199399-2023, при условии его эксплуатации в составе колесной пары грузового вагона с максимальной статической нагрузкой от колесной пары на рельсы 25,0 тс.

Целью расчета являлся анализ напряженного состояния в зоне проточки ступицы колеса при приложении определенного набора механических нагрузок, характерных для основных режимов работы колеса в эксплуатации: движение по прямым участкам пути и движение в кривых участках пути.

Использованная в расчетах методика учитывала эксплуатационные нагрузки с учетом добавления динамической составляющей, а также монтажные нагрузки, обусловленные посадкой колеса на ось с натягом при формировании колесной пары. В качестве программного обеспечения для проведения расчетов использован комплекс автоматизированного инженерного анализа ANSYS. По результатам расчета сделаны выводы о надежности колеса с проточкой в ступице с точки зрения коэффициента запаса прочности по напряжениям и о возможности использования колеса такой конструкции в колесных парах железнодорожного подвижного состава.

Описание конечно-элементной модели колеса №2 (Фиг. 2(В))

Геометрия колеса была задана в соответствии с номинальными размерами (Фиг. 8а). Анализ напряженного состояния колеса был проведен для минимальных значений толщины обода и ступицы с кольцевой проточкой в ступице номинальной глубиной 8 мм (Фиг. 8б). На Фиг. 8а дополнительно (синим цветом) показаны размеры, необходимые для учета толщины обода колеса 22 мм, минимально допускаемой в эксплуатации для колес грузовых вагонов, и для моделирования напрессовки колеса на ось с максимально допускаемым натягом 0,25 мм в соответствии с требованиями РД ВНИИЖТ 27.05.01-2017.

На Фиг. 9 представлена геометрическая модель колеса и оси. Для закрепления модели по торцам оси использована жесткая заделка.

Конечно-элементная модель колеса с проточкой, закрепленного на оси, показана на Фиг. 10.

Ввиду симметрии конструкции колеса и прикладываемых нагрузок, при расчете использована модель половины колеса с заданием соответствующих условий на плоскостях симметрии. Дискретизация модели выполнена восьмиузловыми конечными элементами-гексаэдрами. Размерность модели составила порядка 350000 элементов. В области проточки была создана более дискретная сетка с размерами элементов, достаточным для корректного установления значений концентрации напряжений.

Расчетные схемы колеса №2 (Фиг. 2(В)).

Расчет напряженного состояния был проведены для трех характерных случаев нагружения колеса при эксплуатации в составе колесной пары вагона:

- движение колесной пары по прямому участку пути, когда на колеса, в основном, действует вертикальная сила (V1) по кругу катания – Вариант нагружения № 1;

- движение колесной пары в кривой, когда на гребень одного из колес действует горизонтальная боковая сила (L2), а на обод – вертикальная, смещенная в сторону гребня (V2) – Вариант нагружения № 2;

- движение колесной пары по кривому участку пути, когда вертикальная сила действует на внешнюю (полевую) часть поверхности катания обода одного из колес (V3) – Вариант нагружения №3.

Результаты расчета колеса №2 (Фиг. 2(В))

На Фиг. 8–10 представлены результаты расчета эквивалентного напряженного состояния колеса №2 с проточкой для трех расчетных схем нагружения с учетом монтажной нагрузки при его напрессовке на ось с натягом. Значения максимальных эквивалентных напряжений, определяющих усталостную выносливость, представлены в табл. 2.

Таблица 2. Максимальные эквивалентные напряжения в колесе с проточкой

Вариант нагружения Максимальные эквивалентные напряжения, МПа Отношение максимальных напряжений в колесе и в зоне проточки Отношение напряжений в зоне проточки к пределу текучести ступицы колеса в колесе (в целом) в проточке Нагружение по кругу катания (вариант №1) 330 156 2,12 0,35 Нагружение в зоне гребня (вариант №2) 563 206 2,73 0,46 Нагружение у внешней зоны поверхности катания (вариант №3) 435 153 2,84 0,34

Как видно из Фиг. 8–10 и данных в табл. 2 при всех схемах нагружения максимальные эквивалентные напряжения в колесе возникают не в зоне проточки, а в приободной (варианты нагружения 1 и 3) или приступичной (вариант нагружения 2) зонах диска. Сопоставление эквивалентных напряжений в зоне проточки с эквивалентными напряжениями, действующими в колесе в целом, свидетельствует, что максимальные напряжения в зоне проточки при всех вариантах нагружения существенно ниже максимальных напряжений в колесе в целом. При этом коэффициент запаса по напряжениям в зоне проточки в зависимости от варианта нагружения находится в диапазоне 2,1–2,8, т.е. в зоне проточки на ступице не возникает значительной концентрации напряжений.

Максимальные эквивалентные напряжения возникают в зоне проточки при варианте нагружения 2 (движение колесной пары в кривой) и составляют 206 МПа. По IV теории прочности критерием безопасности напряженного состояния с точки зрения возникновения трещин является величина эквивалентных напряжений меньшая, чем предел текучести материала, т.е. σ_экв < σ_т. Учитывая, что предел текучести металла ступицы колеса марки Т составляет ~450 МПа, величина максимальных эквивалентных напряжений в зоне проточки характеризуется соотношением σ_экв = 0,67σ_т, что свидетельствует о безопасности данного напряженного состояния.

Стендовые испытания колеса с проточкой на усталостную выносливость.

Стендовые испытания колеса с проточкой были проведены с целью подтверждения соответствия предела выносливости колеса требованиям пункта 6.23 ГОСТ 10791-2011 с учетом области его применения в колесных парах с осевой нагрузкой 25 тс.

Стендовым испытаниям подвергали колесо с параметрами проточки согласно заявленному изобретению с глубиной проточки 4 мм по ТУ 26.20.30-003-14199399-2023 с установленным комплектом автоматической идентификации (по результатам прочностных расчетов колесо данной конструкции является наиболее нагруженным в зоне проточки). Для испытаний был отобрано бывшее в эксплуатации колесо с толщиной обода 29 мм.

Испытание проводили с учетом методических требований пункта 8.11.1 ГОСТ 10791-2011 по схеме, приведенной на Фиг. 15. При этом колесо с проточкой устанавливали вертикально на испытательную машину и через отверстие ступицы пропускали стальную ось, диаметр которой на 2 мм меньше диаметра отверстия ступицы колеса. Ось опиралась на две неподвижные профильные опоры испытательной машины.

Циклическую нагрузку при испытании прикладывали в радиальном направлении к ободу колеса в соответствии со схемой на Фиг. 15 (точка приложения нагрузки к поверхности катания колеса на расстоянии 48 мм от боковой поверхности обода с внутренней стороны).

Испытание проводили на универсальной машине ЦДМ 200 ПУ-1, способной обеспечить максимальную циклическую нагрузку до 1000 кН и частоту действия циклических нагрузок в пределах 4–10 Гц с коэффициентом асимметрии 0,1.

Контроль величины и стабильности действия циклической нагрузки в процессе испытания осуществляли по показаниям силоизмерительных устройств испытательной машины. Отсутствие трещин в колесе контролировали визуально и с использованием керосиновой пробы без остановки испытательной машины.

Испытание колеса проводили до достижения базового количества циклов нагружения (5 млн. циклов) или до выявления усталостной трещины длиной 20 мм и более, в зависимости от того, что наступит ранее, с фиксированием числа пройденных циклов нагружения.

Колесо испытывали в двух сечениях с приложением максимальной циклической нагрузки 495 кН, которая превышает минимально допустимый предел выносливости 450 кН в соответствии с пунктом 6.23 ГОСТ 10791-2011. По завершении испытаний каждое из двух сечений колеса с проточкой прошло базовое количество циклов нагружения без образования усталостных трещин.

Таким образом, по результатам стендовых усталостных испытаний установлено, что минимальный предел выносливости колеса с кольцевой проточкой в ступице согласно заявленному изобретению составляет 495 кН, что соответствует требованиями пункта 6.23 ГОСТ 10791-2011 для осевой нагрузки 25 тс. Учитывая, что по результатам прочностных расчетов колесо с заявленной конструкцией является наиболее нагруженным в зоне проточки, полученные для него результаты стендовых испытаний могут быть распространены на колесо с конструкцией и проточкой в ступице.

Таким образом, проведенное исследование по расчету прочности колеса оси с круговой проточкой для колес 23.5 ТС и 25 ТС, свидетельствует о безопасности изготовления данной кольцевой проточки с максимальными параметрами согласно заявленному изобретению.

Принцип автоматизации процесса идентификации колеса состоит в следующем.

После записи индивидуального номера колеса в пользовательскую память меток и добавлении индивидуального номера оси, данные с помощью доступных радиочастотных считывателей и программного обеспечения передаются в соответствующие документы на колёсную пару, при этом исключается возможность предоставления неточных данных из-за человеческого фактора. Во время эксплуатации метки могут регистрироваться на существующих постах контроля технического состояния подвижного состава, при установки дополнительных доступных для приобретения стационарных радиочастотных считывателей и наличием программного обеспечения, позволяя привязывать технические параметры к конкретной колесной паре, что является первостепенными для анализа предотказного состояния колесной пары. Также указанная система позволяет ремонтным предприятиям значительно сократить финансовые издержки при ремонте колесной пары, путем внедрения информационных и цифровых систем управления процессами производства и ремонта.

Надежная идентификация колесных пар с использованием указанного технического решения, средства считывания информации на сети дорог и предприятиях, и их взаимодействие с Информационной базой межгосударственного уровня, способны сформировать общую систему учета и слежения за информацией о колесных парах и ее элементах.

Технический эффект, связанный с повышением надежности крепления системы автоматического контроля и номерного учета на железнодорожном транспорте, достигается путем использования комбинированного крепления при помощи металлической или пластиковой ленты и компаунда, что дает запас надежности при деформации и вибрации. Технический эффект, связанный с устранением проблемы неточности считывания вследствие использования для закрепления только компаунда, достигается путем использования радиометок с заниженной частотой, частота которых в рабочем состоянии с покрытым слоем компаунда смещается до 863–868 МГц и может быть считана стандартными устройствами, разрешенными в Российской Федерации для свободного использования.

Как уже отмечалось ранее, существует проблема смещения частоты радиометок, возникающая при погружении метки в проточку и использовании компаунда для крепления метки и защиты от воздействия окружающей среды (той же эпоксидной смолы). Она ведет к невозможности считывания вследствие использования компаунда и установки радиочастотной метки в углубление проточки.

Проблема обусловлена смещением исходной частоты стандартных радиометок диапазона частот 863–868 МГц.

Это было выявлено в ходе испытаний различных вариантов комплектов ленты, меток и компаунда, где проверялись метки Confidex Silverline Slim II (4 шт.). Измерения были выполнены для следующих случаев:

- RFID-метка окружена компаундом снизу/сверху и наклеена по центру медной подложки (Фиг. 22);

- RFID-метка окружена компаундом только снизу и наклеена по центру медной подложки (Фиг. 23);

- RFID-метка окружена компаундом снизу/сверху и наклеена на край медной подложки (Фиг. 24);

- RFID-метка окружена компаундом только снизу и наклеена на край медной подложки (Фиг. 25);

- RFID-метка окружена компаундом снизу/сверху, без медной подложки (Фиг. 26);

- RFID-метка окружена компаундом только снизу, без медной подложки (Фиг. 27).

Для всех случаев стальная полоса была замкнута, диаметр получившейся окружности 250 мм.

Измерительный комплекс (см. Фиг. 28) включал прибор Voyantic мощностью Р=2 Вт, с частотой f=800-1000 МГц, линейная поляризация антенны.

Результаты измерений показаны на диаграммах Фиг. 29–32, где отображены зависимости расстояния считывания меток.

Из диаграммы Фиг. 29 видно, что метка Confidex Silverline II имеет ярко выраженный резонансный пик на частоте 860 МГц и расстояние считывания в воздухе – 4,5 м, на металле – 6,5 м. А из других диаграмм (Фиг. 30–32) следует, что компаунд, особенно верхний слой расположенный над меткой, оказывает сильное влияние на ее АЧХ, сдвигая ее в область низких частот. В результате чего резонансный пик смещается на 40–50 МГц и в несколько раз падает расстояние считывания метки. Метка Confidex Silverline II как и любые иные RFID-метки рассчитаны для работы на металлических поверхностях, поэтому медная подложка, расположенная под ней, дает прибавку в расстоянии считывания в 1,5 раза. Смещение метки по медной подложке не оказывает существенного влияния на АЧХ метки.

Таким образом, из данных результатов исследований наглядно демонстрируется наличие проблемы смещения частоты RFID-метки при заливке ее компаундом.

Для устранения данной проблемы в качестве идентификационных меток было решено использовать радиочастотные метки RFID с частотой в пределах 980 МГц.

Применение же меток RFID с частотой в пределах 980 МГц дало нужный результат выходной рабочей частоты из под слоя компаунда в пределах 863–868 МГц.

Результаты тестирования опытных образцов по аналогии с вышеприведенными, но с метками смещенной частоты, можно видеть на Фиг. 33. Они ясно демонстрируют, что рабочая частота находится в нужном частотном диапазоне, когда метки под слоем компаунда находятся в проточке колеса.

Крепление меток осуществляется в кольцевую проточку при помощи металлической или пластиковой крепежной ленты и заливочного компаунда. Причем, закрепление может производится различными способами.

Первым вариантом является способ закрепления, когда сначала в кольцевую проточку устанавливают метки при помощи металлической или пластиковой ленты, после чего сверху наносят слой компаунда для защиты от механических и климатических воздействий.

Вторым вариантом является способ закрепления, когда сначала в кольцевую проточку заливают компаунд, а сверху крепят метки при помощи металлической или пластиковой ленты.

Третьим вариантом является способ закрепления, при котором, сначала в кольцевую проточку заливают компаунд, после чего крепят метки при помощи металлической или пластиковой ленты, а затем повторно заливают компаунд.

При этом ленты могут иметь различные форм-факторы и замки.

В качестве компаундов могут использоваться различные заливочные компаунды, отверждаемые при комнатной температуре.

Могут использоваться, например, компаунд заливочный Силант ЭПИ-222 КЭ2-222, компаунды УНИФИКС (https://npfatlas.ru/catalog/384/), компаунды СТЭП.

Изобретение поясняется примером.

Для изготовления железнодорожного колеса с возможностью автоматической идентификации, имеющее кольцевую проточку в зоне ступицы, внутрь которой установлены идентификационные метки и залиты компаундом, используется, например следующий набор предметов и веществ:

- Специализированная форма для заливки, которая повторяет форму проточки в железнодорожном колесе с комплектующим метизом;

- Набор лопаток для нанесения эпоксидной смолы;

- Модернизированный пистолет КВТ TG-05 для затяжки стальной ленты;

- Лента стальная с замком 4,6×1000 мм (Стальные стяжки FORTISFLEX СКС 304 4,6×1000 74918);

- Разделительный воск в спрее (опционально);

- Лопатка-шпатель (несколько штук);

- Весы измерительные;

- Обезжириватель;

- Компаунд СТЭП-3К9;

- RFID-метка Z13100M-3DC.

Заявленный способ крепления меток автоматической идентификации на железнодорожном колесе осуществляется следующими этапами:

1. Собрать специализированную форму для заливки и закрепить на ровной поверхности.

2. Очистить поверхность формы, обезжирить ее.

3. Нанести разделительный воск, подождать высыхания.

4. Вложить стальную ленту с замком в форму: закрепить ленту стороной с замком в форму; натягивая ленту с помощью модернизированного пистолета для затяжки (малое усилие) закрепить в форме второй конец.

5. Нанести компаунд в форму, малым количеством поверх стальной ленты, и распределить специализированной лопаткой-шпателем так, чтобы компаунд покрывал стальную ленту на 1 мм (размер обеспечивается инструментом).

6. Через 15 минут положить RFID-метки на первый слой компаунда, при этом: согнуть фольгированную антенну к металлизированному основанию метки; RFID-метку расположить по оси с стальной лентой так, чтобы чип метки был ближе к краю наименьшей стороны.

7. Через 15 минут залить форму компаундом, распределяя его специализированной другой лопаткой-шпателем и обеспечивая геометрию метки.

8. После отвердевания осмотреть качество компаунда, при необходимости произвести заливку локально.

9. Разобрать крепление к форме и аккуратно извлечь ленту с метками и компаундом.

10. Снять следы компаунда по краям.

11. Проверить работоспособность RFID-меток (см. пример на Фиг. 17).

12. Очистить форму от следов компаунда.

Установка сформированной ленты с метками и компаундом на железнодорожное колесо 25 ТС и 23.5 ТС.

Для операции по установке на железнодорожное колесо потребуется:

- Обезжириватель;

- Компаунд СТЭП-3К9;

- Весы измерительные;

- Лопатка-шпатель;

- Модернизированный пистолет КВТ TG-05 для затяжки стальной ленты;

- Бокорезы.

Операции по установке:

1. Обезжирить поверхность проточки колеса, дать высохнут.

2. Нанести тонким слоем компаунд либо в проточку колеса, либо на нижнюю сторону ленты.

3. Вставить сформированную ленту (см. Фиг. 12) в проточку, при этом, конец стальной ленты вдеть в замок (для колеса 23.5 ТС излишки компаунда удалить бокорезами).

4. С помощью модернизированного пистолета для затяжки стальной ленты затянуть ее в проточке.

5. Откусить стальную ленту заподлицо с замком.

6. Убрать весь лишний компаунд, который выдавило при затяжке.

7. Залить компаундом в место, где расположен замок, форму проточки придать лопаткой-шпателем, и убрать излишки.

8. Проверить работоспособность меток.

Испытания готовых колес с проточкой и установленными внутри нее лентой с RFID метками и компаундом, согласно заявленного изобретения.

Объектом испытаний были опытные образцы (Фиг. 13–16) комплектов автоматической идентификации железнодорожных колес, укомплектованные связкой от трех до пяти RFID-меток в месте технологической проточки по диаметру ступицы колеса. Места установки меток были законсервированы и окрашено с целью защиты от внешних механических воздействий и климатических воздействий окружающей среды.

Число объектов испытаний: четыре колеса с метками (два с тремя метками и два с пятью RFID-метками в составе двух колес, размещенных на двух колесных парах со стороны принимающих напольных UHF/RFID-антенн 15 (Фиг. 18, 19) в комплектации одной тележки опытного полувагона.

Антенны 15 (см. Фиг. 18) крепились с отступом 19 их плоскости от поверхности катания рельса 14. Крепление антенн 15 осуществлялось с помощью кронштейнов 17, которые фиксировались на опорном узле 18, который, в свою очередь, устанавливался с упором о рельс 14.

Антенна 15 соединялась с помощью контактного провода 16 с RFID ридером 20 (см. Фиг. 20), который находился уже внутри постового помещения 23 диагностики, находящегося на определенном удалении от полотна. При этом RFID ридер 20 подключался к компьютеру 21, который через соединение с GSM модемом 22 имел возможность беспроводной передачи данных через сеть интернет на удаленный мониторинговый узел сбора информации (не показан).

Целью испытаний была оценка работоспособности способа автоматической идентификации колесных пар на ходу поезда (в процессе движения вагона).

Задачами испытаний было определение оптимального варианта комплектации RFID-метками, обеспечивающего стабильное считывание радиосигнала на скорости не менее 70 км/час, а также определение работоспособности способа автоматической идентификации колесных пар в условиях исправного состояния RFID-оборудования при прохождении полувагоном участка пути, оборудованного UHF/RFID-антеннами, при распознании условного порядкового номера каждого колеса.

Технические характеристики исследуемых колес с метками согласно заявленному изобретению, RFID-меток и ленты, на которой были размещены RFID-метки, соответственно приведены в табл. 3–5.

Таблица 3. Технические характеристики опытного образца железнодорожного колеса с проточкой и установленных внутри нее ленты с RFID-метками, залитых компаундом

Модель ТУ 0943-002-14199399-2017 Назначенный срок службы 15 лет Назначенный ресурс 10 лет Максимальная дальность считывания радиосигнала до 2 м Рабочая температура -60°C...+40°C Частотный рабочий диапазон UHF (865-869 МГц) Объем памяти EPC: 128 бит; Пользователь: 512 бит; TID: 96 бит

Таблица 4. Технические характеристики RFID-меток

Модель Confidex Silverline Slim Производитель Confidex Тип метки пассивная Тип маркируемого объекта металл Частотный рабочий диапазон UHF (865-869 МГц) Максимальная дальность считывания до 4 м Рабочая температура -35°C...+85°C Типоразмер 110x13x0,8 мм Протокол радио интерфейса EPCGlobal Classi Gen2 ISO 18000-6C Объем памяти EPC: 128 бит; Пользователь: 512 бит; TID: 96 бит Класс защиты IP68

Таблица 5. Технические характеристики стяжной ленты с замком

Модель UHH31-D088-1000-100 Производитель IEK Материал изделия металл Типоразмер 1000 × 8,8 мм Класс защиты IP20 Рабочая температура -40°C...+70°C

Для оценки работоспособности железнодорожного колеса с проточкой и установленных внутри нее ленты с RFID-метками, залитых компаундом, и регистрации сигналов, поступающих от RFID-меток, использовалось опытное оборудование, включая стационарные аппаратные средства (Фиг. 20):

- три стационарные (напольные) UHF/RFID-антенны 15, размещенные по одной стороне железнодорожной колеи для распознавания колес по одной стороне вагона;

RFID-ридер 20 (считывающее устройство);

- персональный компьютер 21, предназначенный для аккумулирования и хранения первичной информации, поступающей с GPS/Глонас-трекера о координатах и скорости перемещения опытного вагона и с уникальных номеров (EPC) RFID–меток, а также обработки данной информации и ее предоставления пользователям в виде итоговых протоколов результатов испытаний;

- подключенный к компьютеру GSM-модем 22;

- опытное (пробное) программное обеспечение.

В ходе испытаний на экспериментальном кольце АО «ВНИИЖТ» грузовой поезд, в состав которого включен опытный полувагон с колесными парами, оборудованными метками, установленными в кольцевую проточку колес согласно заявленному изобретению, осуществлял периодические проходы через пост регистрации RFID-меток (место расположения напольных UHF/RFID-антенн) со скоростью до 70 км/ч включительно.

Приостановка испытаний осуществлялась в случае выявления за смену десяти и более последовательных случаев отсутствия регистрации сигнала RFID-меток конкретного колеса.

Заданное количество проходов опытного полувагона через пост регистрации до полного завершения испытаний согласно программе и методике испытаний составляло не менее 2000 ед.

В ходе испытаний в объеме 2066 проходов через пост регистрации радиосигналов RFID-меток не было зафиксировано ни одного случая нераспознанного колеса, т.е. в ходе испытаний при каждом проходе для каждого колеса, оборудованного меткой, происходило считывание и идентификация уникального номера (EPC) хотя бы одной RFID-метки.

В табл. 6 приведены результаты расчетов теоретической вероятности распознавания колеса в случае комплектации его разным числом RFID-меток (от 3 до 5 шт.), которые были получены по результатам прогона полувагона в 2066 проходов.

Таблица 6. Вероятность распознавания (идентификации) колеса при различном
числе RFID-меток

Наименование показателя Число RFID-меток в ленте (шт.) 3 4 5 Вероятность распознавания колеса, % 99,76 99,97 99,996

Из табл. 6 следует, что для варианта комплектации тремя RFID-метками расчетное значение показателя работоспособности в виде вероятности распознавания (идентификации) колеса хотя и не соответствует значению равному 99,9%, заявленному в программе и методике испытаний, но в случае установки антенн 18 по обе стороны полотна, а меток на оба колеса пары, вероятность уже соответствует значению 99,9%. Этот вывод позволяет говорить о возможности сокращения числа RFID-меток на колесо до трех при условии установки на оба колеса колесной пары, а также при условии считывания антеннами по обе стороны полотна.

Таблица 7. Относительные частоты считывания RFID-меток, прошедших испытания

№
пп Уникальный номер RFID-метки Относительная частота считывания RFID-метки 1. 00003000 0,90 2. 00003001 0,86 3. 00003002 0,90 4. 00003003 0,89 5. 00003004 0,88 6. 00004000 0,87 7. 00004001 0,76 8. 00004002 0,80 9. 00004003 0,92 10. 00004004 0,88 Средняя частота (равнозначно р) 0,87

Из табл. 7 следует, что значения относительных частот считывания RFID-меток имеют отклонения относительно средней частоты.

С целью понимания являются ли данные отклонения естественными (случайными) или имеет место влияние конкретного превалирующего фактора, в табл. 8 приведены обобщенные фактические данные о распределении относительных частот и вероятностей одновременного считывания заданного числа RFID-меток при проходе через пост регистрации.

Таблица 8. Относительные частоты и вероятности считывания заданного числа RFID-меток при проходе через пост регистрации

№ пп Одновременно считываемое число RFID-меток при проходе Относительная частота считывания заданного числа RFID-меток при проходе (фактические данные) Вероятность считывания заданного числа RFID-меток при проходе (теоретические данные) 1. 0 0 0,00004 2. 1 0,01 0,0014 3. 2 0,04 0,018 4. 3 0,11 0,12 5. 4 0,28 0,38 6. 5 0,56 0,49

На Фиг. 21 приведена гистограмма с сопоставлением относительных частот и вероятностей считывания заданного числа RFID-меток при проходе через пост регистрации радиосигналов.

Из табл. 8 и Фиг. 21 видно несовпадение фактического распределения частот и теоретического распределения вероятностей одновременного считывания заданного числа RFID-меток при каждом проходе через пост регистрации радиосигналов.

Для оценки степени данного несовпадения, а, следовательно, формирования выводов о взаимном соответствии (несоответствии) теоретического и фактического распределения провели расчеты, результаты которого содержатся в табл. 9.

Таблица 9. Фактическое и теоретическое распределение заданного числа одновременно считываемых RFID-меток в расчете на 2066 проходов

№ пп Число одновременно считываемых RFID-меток при проходе Фактическое число считываний в расчете на 2066 проходов Теоретическое число считываний в расчете на 2066 проходов 1. 0 0 0,088 2. 1 25,5 2,86 3. 2 83,5 37,05 4. 3 229 240,07 5. 4 570,5 777,84 6. 5 1157,5 1008,09

Результаты табл. 9 показывают, что распределение фактических частот и вероятностей случайной величины (числа одновременно считываемых RFID-меток) взаимно не соответствуют друг другу.

Из чего следовало, что причиной отклонений числа одновременно считываемых RFID-меток при проходе через пост регистрации связанна с зависимостью приема сигналов RFID-меток друг от друга и/или с индивидуальными особенностями RFID-меток (отклонениями их технических характеристик), возникающими вследствие допусков на изготовление или проявляющимися при их взаимной компоновке в колесе.

С целью проведения анализа влияния порядковых номеров колесных пар (последовательности расположения колесных пар по ходу движения), укомплектованных метками, на результаты распознавания колес были проведены исследования, результаты которых о результатах считывания RFID-меток отдельно для колесной пары с условным номером №1 и колесной пары №2, приведены в табл. 10.

Таблица 10. Распределение принятых и непринятых радиосигналов RFID-меток по отдельным колесам опытных колесных пар

Условный номер колесной пары (колеса) с метками Общее число принятых радиосигналов RFID-меток за период испытаний, ед. / % Общее число непринятых радиосигналов RFID-меток за период испытаний, ед. / % Колесная пара №1 (колесо №1) 9155 / 51 1175 / 43 Колесная пара №2 (колесо №2) 8743 / 49 1587 / 57 Общий итог 17898 / 100 2762 / 100

Из табл. 10 видно, что на колесо №1 приходится 51% всех считываний радиосигналов RFID-меток за период испытаний против 49%, приходящихся на колесо №2. При этом распределение по числу непринятых радиосигналов RFID-меток следующее: для колеса №1 – 43%, для колеса №2 – 57%.

Результаты данного анализа показали, что совокупное число проходов через пост регистрации радиосигналов, сопровождаемое максимальным числом одновременно считываемых RFID-меток в диапазоне 4–5 единиц, при распознавании колеса №1 больше, чем для колеса №2 почти на 10%, а для колеса №2 наоборот – совокупное число проходов с минимальным числом считываемых RFID-меток в диапазоне 1–3 ед. больше на 10% по сравнению с колесом №1.

В результате наблюдается неравномерность распределения доли считываний RFID-меток в зависимости от порядкового номера колесной пары (последовательности расположения колесных пар по ходу движения поезда).

Кроме того, данные результаты свидетельствуют о некотором снижении качества считывания радиосигналов RFID-меток по мере увеличения порядкового номера колесных пар. В данном случае под качеством считывания радиосигналов понимается полнота считывания RFID-меток от нуля до пяти RFID-меток.

Вышеизложенное, дало основание утверждать, что качество распознавания колес может уменьшаться или колебаться по мере прохождения поста регистрации радиосигналов поездом, колесные пары вагонов которого оборудованы метками.

Поэтому целесообразным является оборудование метками обоих колес пары, а также установкой антенн 15 по обе стороны полотна.

В соответствии с условиями испытаний комплектами меток в количестве от 3 до 5 были оборудованы четыре колеса с одной стороны тележки четырех колесных пар опытного полувагона.

По результатам испытаний подтверждена работоспособность способа автоматической идентификации колесных пар на ходу поезда в условиях исправного состояния RFID-оборудования и системы его считывания при прохождении полувагоном участка пути, оборудованного UHF/RFID-антеннами.

По результатам испытаний на ограниченном числе проходов через пост регистрации радиосигналов RFID-меток равном 2066 ед. фактическая доля распознавания условных номеров колес составила 100%.

В ходе испытаний также было зафиксировано смещение рабочей частоты RFID-меток с 980 МГц (частота самой метки при прямом открытом использовании).

Для чего колесные пары с метками испытывали без вагона на скорость, вращая каждую из них на испытательном стенде.

Радиочастотные метки RFID четырех колесных пар полувагона, установленные внутри кольцевой проточки одного из колес пары с нанесенным поверх слоем компаунда, имели рабочую частоту в пределах 863–868 МГц в зависимости от скорости движения колес (от 0 до 150 км/ч).

Таким образом, установкой RFID-меток со смещенной частотой под слой компаунда удалось устранить проблему невозможности считывания меток стандартными средствами считывания, поскольку рабочая частота меток уже находилась в пределах 863–868 МГц.

А повышение надежности крепления системы автоматического контроля и номерного учета на железнодорожном транспорте было обеспечено особым подбором геометрических параметров кольцевой проточки и места ее установки на ступице колеса.

Изобретение относится к средствам автоматической идентификации железнодорожного колеса, является техническим решением, относящимся к средствам автоматического контроля и номерного учета на железнодорожном транспорте. Может быть использовано для получения достоверной информации при идентификации железнодорожных колес. Технический результат заявленного изобретения заключается в устранении проблемы невозможности считывания вследствие использования компаунда и установки радиочастотной метки в углубление. Указанный технический результат достигается за счет того, что используют форму для заливки, которая повторяет форму проточки в железнодорожном колесе; в данную форму помещают ленту с замком и натягивают; в форму заливают компаунд и укладывают идентификационные метки; далее сгибают фольгированную антенну каждой метки к металлизированному основанию метки; при этом идентификационную метку располагают по оси с лентой так, чтобы чип метки был ближе к краю наименьшей стороны; после отвердевания вынимают сформированную крепежную ленту с компаундом и метками из формы; затем крепежную ленту с компаундом и метками устанавливают в проточку железнодорожного колеса и фиксируют ее концы замком. При этом в качестве идентификационных меток используют радиочастотные метки RFID, рабочая частота которых с нанесенным поверх слоем компаунда находится в пределах 863–868 МГц. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 33 ил., 10 табл.

1. Способ крепления меток автоматической идентификации на железнодорожном колесе, характеризующийся выполнением кольцевой проточки в зоне ступицы железнодорожного колеса, внутрь которой помещают идентификационные метки, которые покрывают слоем заливочного компаунда, отличающийся тем, что используют форму для заливки, которая повторяет форму проточки в железнодорожном колесе; в данную форму помещают ленту с замком и натягивают; в форму заливают компаунд и укладывают идентификационные метки; далее сгибают фольгированную антенну каждой метки к металлизированному основанию метки; при этом идентификационную метку располагают по оси с лентой так, чтобы чип метки был ближе к краю наименьшей стороны; после отвердевания вынимают сформированную крепежную ленту с компаундом и метками из формы; затем крепежную ленту с компаундом и метками устанавливают в проточку железнодорожного колеса и фиксируют ее концы замком; а в качестве идентификационных меток используют радиочастотные метки RFID, рабочая частота которых с нанесенным поверх слоем компаунда находится в пределах 863–868 МГц.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что кольцевую проточку выполняют глубиной не более 8 мм, шириной не более 15 мм и удаленной от торца ступицы колеса не менее чем на 20 мм, а также имеющей переходную поверхность от стенок к дну проточки с радиусом кривизны не менее 2 мм, причем идентификационные метки закрепляют в выполненной проточке при помощи крепежной ленты и компаунда.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что наносят первый слой компаунда в форму поверх ленты и распределяют его так, чтобы компаунд покрывал ленту на 1 мм; выждав не менее 15 минут, укладывают идентификационные метки на первый слой компаунда; после чего заливают форму вторым слоем компаунда, обеспечивая сохранение установленной геометрии каждой метки.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что на уложенную в форму ленту укладывают идентификационные метки, после чего покрывают слоем компаунда, обеспечивая сохранение установленной геометрии каждой метки.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что наносят первый слой компаунда в форму, затем укладывают поверх ленту, после чего укладывают идентификационные метки; затем заливают форму вторым слоем компаунда, обеспечивая сохранение установленной геометрии каждой метки.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что крепление металлической или пластиковой ленты в кольцевой проточке осуществляют укладкой и последующей заливкой дополнительного слоя компаунда сверху.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что крепление металлической или пластиковой ленты в кольцевой проточке осуществляют предварительной заливкой слоя компаунда снизу на дне проточки и последующей укладкой ленты.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что крепление металлической или пластиковой ленты в кольцевой проточке осуществляют предварительной заливкой слоя компаунда снизу на дне проточки с последующей укладкой ленты и затем повторной заливкой дополнительного слоя компаунда сверху.

9. Способ по любому из пп.6–8, отличающийся тем, что в качестве металлической крепежной ленты используют стальную ленту с замком.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что крепление при помощи крепежной ленты и компаунда выполняют так, чтобы компаунд покрывал ленту на 1 мм.

11. Железнодорожное колесо с возможностью автоматической идентификации, имеющее кольцевую проточку в зоне ступицы, внутрь которой установлены идентификационные метки и залиты компаундом, отличающееся тем, что идентификационные метки в количестве не менее трех штук закреплены в выполненной кольцевой проточке при помощи крепежной ленты с замком и компаундом, причем в качестве идентификационных меток использованы радиочастотные метки RFID, рабочая частота которых с нанесенным поверх слоем компаунда находится в пределах 863–868 МГц.

12. Железнодорожное колесо по п.11, отличающееся тем, что кольцевая проточка выполнена глубиной не более 8 мм, шириной не более 15 мм и удаленной от торца ступицы колеса не менее чем на 20 мм, а также имеет переходную поверхность от стенок к дну проточки с радиусом кривизны не менее 2 мм.

13. Железнодорожное колесо по п.11, отличающееся тем, что в качестве идентификационных меток использованы радиочастотные метки RFID с частотой в пределах 980 МГц.

14. Железнодорожное колесо по п.11, отличающееся тем, что верхний край поверхности ступицы выполнен с переходной поверхностью, имеющей фаски с углом 45 градусов или скругления.

15. Железнодорожное колесо по п.11, отличающееся тем, что идентификационные метки закреплены в выполненной проточке с одинаковым угловым расстоянием от смежных меток.

16. Железнодорожное колесо по п.11, отличающееся тем, что в качестве идентификационных меток использованы радиочастотные метки RFID с возможностью считывания с них информации на скорости до 150 км/ч.

17. Железнодорожное колесо по п.11, отличающееся тем, что идентификационные метки уложены между двух слоев компаунда, где метки расположены по оси с лентой так, чтобы чип метки был ближе к краю наименьшей стороны колеса.

18. Железнодорожное колесо по п.11, отличающееся тем, что крепление металлической или пластиковой ленты в кольцевой проточке выполнено заливкой дополнительного слоя компаунда сверху.

19. Железнодорожное колесо по п.11, отличающееся тем, что крепление металлической или пластиковой ленты в кольцевой проточке выполнено предварительной заливкой слоя компаунда снизу на дне проточки и последующей укладкой на него ленты.

20. Железнодорожное колесо по п.11, отличающееся тем, что крепление металлической или пластиковой ленты в кольцевой проточке выполнено предварительной заливкой слоя компаунда снизу на дне проточки с последующей укладкой ленты и затем повторной заливкой дополнительного слоя компаунда сверху.

21. Железнодорожное колесо по любому из пп.18–20, отличающееся тем, что в качестве металлической крепежной ленты использована стальная лента с замком.

22. Железнодорожное колесо по п.11, отличающееся тем, что крепление при помощи крепежной ленты и компаунда выполнено таким, что компаунд покрывает ленту на 1 мм.