способ размерного контроля деталей подвижного состава на ходу поезда и комплекс для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ размерного контроля деталей подвижного состава на ходу поезда, при котором используют рельсы в качестве направляющего элемента, задающего траекторию движения контролируемой детали, систему обработки данных, оптическую измерительную систему, датчики расстояния которой состоят из излучателя и приемного устройства, предназначенного для регистрации рассеянного назад излучения, измерительные датчики размещают в пространстве по обе стороны относительно направляющего элемента на дополнительном виброизоляционном основании, закрепляют измерительную систему неподвижно, фиксируют момент приближения поезда, проводят идентификацию вагона, калибруют измерительные датчики, проводят синхронизацию измерительных датчиков и датчиков положения направляющего элемента, определяют момент пересечения деталью области измерения, при этом определение момента пересечения деталью области измерения проводят при одном и том же ее положении относительно направляющего элемента, сканируют измеряемую поверхность детали в направлении перемещения последней, проводят измерение по линии сканирования в одном направлении, собирают и обрабатывают данные, учитывая вес вагона, соответствующий ему прогиб рельса и скорость поезда, при обработке данных дополнительно учитывают угол набега колеса на рельс, деформацию рельса в момент проведения конкретного измерения, фиксируют момент покидания обмеряемой деталью области измерения, определяют необходимые параметры детали.

2. Комплекс размерного контроля деталей подвижного состава на ходу поезда, включающий хотя бы два направляющих элемента, в качестве которых могут быть использованы рельсы, систему обработки данных, оптическую измерительную систему, включающую хотя бы два датчика расстояния, состоящих из излучателя и приемного устройства, предназначенного для регистрации рассеянного назад излучения, хотя бы два датчика смещения рельса, систему идентификации вагона, хотя бы два датчика фиксации момента пересечения деталью измеряемой области, узел определения скорости движения, отличающийся тем, что дополнительно снабжен датчиком определения момента приближения поезда, датчиком фиксации момента покидания конкретной обмеряемой деталью области измерения, виброизоляционным основанием для закрепления датчиков, датчиком определения положения детали относительно направляющего элемента, устройством синхронизации для временного стробирования показаний всех датчиков, оптические измерительные датчики расположены в пространстве по разные стороны направляющего элемента, выполнены содержащими устройство калибровки и с возможностью сканирования всей поверхности измеряемой детали, приемное устройство датчиков расстояния выполнено с использованием хотя бы одного быстродействующего позиционно-чувствительного фотоэлемента, а датчик смещения рельса выполнен с возможностью определения деформации последнего.

Описание изобретения к патенту

Заявляемое изобретение относится к области машиностроения, к способам и устройствам технологического контроля, а именно измерения геометрических параметров, выявления износа и дефектов цельнокатаных колес на ходу поезда, регистрации неисправностей колесных пар и оперативной передачи информации на ближайшие пункты технического обслуживания.

В настоящее время известно значительное число устройств, созданных для контроля геометрических параметров вагонных колес. Мы не будем рассматривать для сравнения различные устройства, использующие контактные датчики. Т.к. у всех систем с использованием контактных датчиков имеется очень существенный недостаток - малое быстродействие, и они работают при скоростях движения состава до 20 км/час. Системы с использованием бесконтактных неоптических датчиков (например: ультразвуковые датчики, индуктивные, емкостные и т.д.) либо обладают низкой точностью, либо могут измерять очень ограниченное число параметров. Для измерения геометрических параметров различных деталей при движении состава наиболее перспективными представляются системы с использованием бесконтактных оптических датчиков. Наиболее близкими аналогами, использующими бесконтактные оптические датчики, с нашей точки зрения являются следующие.

Известны способ и устройство, которые основаны на использовании бесконтактных оптических датчиков (Патент США № 5247338, МПК G 01 В 11/24, приоритет от 14.04.1989, опубл. 21.09.1993). Способ включает сканирование поверхности проходящих вагонных колес светом от излучателя и восстановление геометрических параметров сканируемой поверхности по характеристикам отраженного излучения. Устройство содержит модуль освещения с входящими в него источником света и оптической системой, которая передает свет на профиль колес, сканирующий модуль, включающий блок сканирования отраженного от поверхности света и блок передачи сигнала сканирования к модулю обработки данных, модуль для уменьшения объема вычислений и модуль для определения реального положения колеса относительно рельса для траекторной регистрации профиля колеса состава. Датчики в известном способе и устройстве работают с использованием зеркального отражения, профиль прописывается в каждый момент времени только одним датчиком.

Недостатками известного способа и устройства являются следующие: использование принципа зеркального отражения приводит к потере части данных (т.е. результаты измерений будут неполными), а отсутствие второго датчика не позволяет измерить такие важные, с точки зрения безопасной эксплуатации, параметры как толщину гребня и толщину обода.

Известен способ мониторинга геометрических параметров колесной пары и ее пространственного положения относительно пути, включающий облучение колеса источником света, прием картины отражения, контроль высоты лучей над головками рельсов, преобразование пространственной совокупности полученных световых пятен в информацию о геометрических параметрах отдельных фрагментов профилей левого и правого колес (Патент России 2180300, В 61 К 9/12, приоритет от 20.06.2000, опубл. 10.03.2002).

Недостатками известного способа являются недостаточная точность измерения, связанная с тем, что не учитывается прогиб рельса и нет предварительной калибровки измерительной системы, а также нет фиксации начала и конца измерения.

Известны способ и устройство для определения профиля колеса проходящих железнодорожных колес методом сканирования, которые взяты в качестве прототипа. (Патент США № 4932784, МКИ В 61 К 9/12, приоритет от 13.10.1986, опубликован 12.06.1990). В данном известном способе используют рельсы в качестве направляющего элемента, задающего траекторию поступательного движения контролируемой детали, систему обработки данных, оптическую измерительную систему, датчики расстояния которой состоят из излучателя, приемного устройства и устройства регистрации. Измерительную систему закрепляют неподвижно, производят идентификацию вагона, определяют момент пересечения деталью области измерения, сканирование измеряемой поверхности детали осуществляют в направлении поступательно-вращательного перемещения последней, измерение производят по линии сканирования в одном направлении. Собирают и обрабатывают данные, учитывая вес вагона, соответствующий ему прогиб рельса и скорость поезда, определяют необходимые параметры.

Известное устройство включает направляющий элемент, в качестве которого может быть использован рельс, систему обработки данных, оптическую измерительную систему, датчики расстояния которой расположены по одну сторону колеса и состоят из излучателя, приемного устройства и устройства регистрации. Известное устройство также содержит датчик смещения рельса, систему идентификации вагона, датчик фиксации момента пересечения колесом измеряемой области и узел определения скорости движения.

Недостатком известного способа и устройства является недостаточная точность, обусловленная тем, что не удается полностью восстановить требуемые параметры измеряемой детали, например профиль колеса, т.к. сканирование производиться датчиками, расположенными по одну сторону от направляющего элемента. А также нет возможности определения некоторых, важных с точки зрения безопасности движения параметров измеряемой детали, например, с большими ошибками определяется угол набегания колеса на рельс, с большими ошибками восстанавливается форма гребня колеса, а следовательно, в этом случае невозможно точно вычислить такой важный параметр, как толщина гребня. Кроме того, конечная точность получаемых результатов по толщине обода также недостаточна, особенно в случае высоких скоростей движения, что обусловлено отсутствием синхронизации во времени показания различных датчиков, входящих в состав комплекса.

Перед авторами ставилась задача разработать способ размерного контроля деталей подвижного состава и комплекс для его осуществления, которые позволяли бы проводить измерения на ходу поезда с высокой точностью, учитывать факторы, влияющие на точность измерения, позволяющий полностью восстановить профиль измеряемой детали и определить параметры любой интересующей точки поверхности катания.

Поставленная задача решается тем, что в способе размерного контроля деталей подвижного состава на ходу поезда, при котором используют рельсы, в качестве направляющего элемента, задающего траекторию движения контролируемой детали, систему обработки данных, оптическую измерительную систему, датчики расстояния которой состоят из излучателя и приемного устройства, предназначенного для регистрации рассеянного назад излучения, измерительные датчики размещают в пространстве по обе стороны относительно направляющего элемента на дополнительном виброизоляционном основании, закрепляют измерительную систему неподвижно, фиксируют момент приближения поезда, проводят идентификацию вагона, калибруют измерительные датчики, проводят синхронизацию измерительных датчиков и датчиков положения направляющего элемента, определяют момент пересечения деталью области измерения, при этом определение момента пересечения деталью области измерения проводят при одном и том же ее положении относительно направляющего элемента, сканируют измеряемую поверхность детали в направлении перемещения последней, проводят измерение по линии сканирования в одном направлении, собирают и обрабатывают данные, учитывая вес вагона, соответствующий ему прогиб рельса и скорость поезда, при обработке данных дополнительно учитывают угол набега колеса на рельс, деформацию рельса в момент проведения конкретного измерения, фиксируют момент покидания обмеряемой деталью области измерения, определяют необходимые параметры детали.

Комплекс размерного контроля деталей подвижного состава на ходу поезда, включающий хотя бы два направляющих элемента, в качестве которых могут быть использованы рельсы, систему обработки данных, оптическую измерительную систему, включающую хотя бы два датчика расстояния, состоящих из излучателя, приемного устройства и устройства, предназначенного для регистрации рассеянного назад излучения, хотя бы два датчика смещения рельса, систему идентификации вагона, хотя бы два датчика фиксации момента пересечения деталью измеряемой области, узел определения скорости движения, дополнительно снабжен датчиком определения момента приближения поезда, датчиком фиксации момента покидания конкретной обмеряемой деталью области измерения, виброизоляционным основанием для закрепления датчиков, датчиком определения положения детали относительно направляющего элемента, устройством синхронизации для временного стробирования показаний всех датчиков, оптические измерительные датчики расположены в пространстве по разные стороны направляющего элемента и выполнены содержащими устройство калибровки и с возможностью сканирования всей поверхности измеряемой детали, приемное устройство датчиков расстояния выполнено с использованием хотя бы одного быстродействующего позиционночувствительного фотоэлемента, а датчик смещения рельса выполнен с возможностью определения деформации последнего.

Технический эффект заявляемого изобретения заключается в повышенной информативности, высокой скорости измерения, в возможности работы в природных условиях, в расширении номенклатуры измеряемых параметров.

Заявляемое изобретение поясняется блок-схемой представленной на чертеже, где 1 - датчики расстояния наружные; 2 - датчик температуры; 3 - датчики расстояния внутренние; 4 - датчики фиксации момента пересечения колесом измеряемой области; 5 - система идентификации вагона; 6 - устройство синхронизации; 7 - система обработки данных; 8 - датчик смещения рельса; 9 - датчик положения колеса относительно рельса; 10 - датчик определения момента приближения поезда; 11 - направляющий элемент; 12 - виброизолирующее основание.

В основе технического решения по контролю геометрических параметров деталей подвижного состава положен принцип самосканирования деталей с использованием набора датчиков расстояния, использующих принцип триангуляции. Каждый такой датчик состоит из излучателя и приемного устройства, предназначенного для регистрации рассеянного назад излучения. Обмеряемая деталь, например колесо, в процессе измерения параллельно и независимо сканируется двумя датчиками расстояния, внутренним и наружным. Расположением датчиков в пространстве относительно направляющего элемента задается линия сканирования. Выбор положения датчиков, а соответственно и линии сканирования, производится так, чтобы иметь максимально полную информацию обо всех обмеряемых элементах. В результате сканирования имеется набор (серия) данных, полученных с каждого датчика, а каждое число из серии представляет собой расстояние от датчика до точки пересечения луча излучателя с обмеряемой деталью в определенный момент времени. Работа датчиков синхронизуется с помощью устройства синхронизации так, что измерение расстояния до детали в каждой точке производится двумя датчиками строго одновременно. Так, например, в случае обмеривания колеса последующая совместная обработка данных с двух датчиков позволяет определить такие параметры, как профиль поверхности катания в системе отсчета колеса, диаметр колеса по поверхности катания, толщину гребня и толщину обода колеса, а также рассчитать значения других требуемых геометрических параметров.

Результаты измерения геометрических параметров деталей проходящего состава накапливаются в базе данных системы обработки данных и впоследствии передаются по протоколу TCP/IP в АСУ ПТО оператору безопасности, где происходит идентификация результатов, привязка результатов измерений к конкретному вагону и при необходимости идентификация вагонов подтверждается посредством сравнения с изображением с видеокамеры, которой оснащен комплекс.

Система активизируется при поступлении сигнала от датчика определения момента приближения поезда. После этого происходит калибровка датчиков расстояния.

При движении поезда контролируемая деталь, например колесо, движется по траектории, жестко заданной направляющим элементом, например, рельсом. По обе стороны рельса располагаются оптические датчики расстояния. В некоторый момент времени, при движении детали вдоль направляющего элемента, срабатывает датчик фиксации момента пересечения измеряемой области. Срабатывание датчика происходит всегда в одном и том же положении детали относительно направляющего элемента. По сигналу датчик фиксации момента пересечения деталью измеряемой области данные с оптических датчиков расстояния начинают поступать в систему обработки данных. Расстояние до поверхности движущегося контролируемого объекта измеряется с большой частотой. Эта частота задается работой системы синхронизации. Перемещение контролируемой детали за время между двумя последовательными измерениями должно быть меньше или порядка требуемой точности измерений. Замер расстояния при каждом единичном акте измерений производится до точки поверхности контролируемой детали, в которую в момент измерений попадает луч излучателя, входящего в состав датчика расстояния. При поступательно-вращательном движении детали луч излучателя описывает по ее поверхности некоторую траекторию. И замеры расстояний производятся до различных точек поверхности, лежащих на этой траектории. Таким образом, происходит процесс самосканирования. Данные измерений расстояний со всех триангуляционных оптических датчиков накапливаются в системе обработки данных. Измерения ведутся до тех пор, пока деталь, движущаяся по направляющему элементу, не пересечет точку срабатывания второго датчика фиксации момента пересечения колесом измеряемой области. Т.к. известна траектория движения контролируемой детали - она задается направляющим элементом, известно точное расположение датчиков расстояния в пространстве - датчики располагаются жестко на виброизолирующем основании мы можем восстановить траекторию движения луча по контролируемой детали. Нам известна скорость движения детали - она вычисляется из известного расстояния между двумя датчиками фиксации момента пересечения колесом измеряемой области, которые установлены жестко на направляющем элементе, и времени между моментами срабатывания этих двух датчиков. Зная момент времени, в который производилось каждое измерение, траекторию движения луча по контролируемой детали, мы можем привязать каждое значение из измеренных расстояний к конкретной точке на поверхности контролируемой детали. После этого восстанавливаются конкретные геометрические параметры.

В процессе движения детали по направляющему элементу он может деформироваться, например прогибаться, поэтому траектория движения будет вычислена с ошибкой, а следовательно, будут ошибочными полученные значения геометрических параметров детали. Для избежания этих ошибок в состав комплекса вводятся датчики смещения рельса, которые крепятся на виброизолирующем основании, поэтому их положение строго задано в пространстве, как и положение датчиков расстояния, и это позволяет получить траекторию движения контролируемой детали более точно, а следовательно, повысить точность измерений. При введении поправок, получаемых после обработки данных с датчика смещения рельса, необходимо, чтобы их показания были синхронизованы с показаниями датчиков расстояния, поэтому каждому показанию датчиков расстояния ставится в соответствие свое показание датчиков смещения рельса.

Преимущества заявляемого изобретения заключается в следующем

1. В силу расположения измерительных датчиков по разные стороны от тестируемой детали сканируется полностью вся поверхность детали (не остается затененных участков).

2. Расположение, по крайней мере, двух измерительных датчиков по разные стороны детали, например колеса, позволяет определять угол набегания колеса на рельс с достаточной точностью, что приводит к снижению неопределенности измерений контролируемых параметров.

3. Расположение, по крайней мере, двух измерительных датчиков по разные стороны детали, например колеса, позволяет определять такие параметры как толщина обода и толщина гребня с достаточной точностью.

4. Расположение двух измерительных датчиков на виброизолирующем основании позволяет знать их положение в пространстве с любой заданной точностью, что существенно повышает точность измерений.

5. Расположение измерительных датчиков на виброизолирующем основании предотвращает воздействие на них ударных нагрузок, что повышает надежность работы комплекса.

6. Наличие системы калибровки в составе датчиков расстояния позволяет определять индивидуальные параметры каждого датчика непосредственно в момент измерения, что увеличивает точность получаемых данных.

7. Наличие системы синхронизации для синхронизации работы датчиков расстояния, датчиков положения колеса относительно рельса и датчиков смещения рельса позволяет определять истинное положение тестируемой детали в каждый момент времени, что повышает точность измерений.