способ мониторинга износа поверхности катания колеса железнодорожной колесной пары

Формула изобретения

Способ мониторинга износа поверхности катания колеса железнодорожной колесной пары, основанный на измерении вертикальных виброускорений рельса с помощью акселерометра и преобразовании их в электрические сигналы, которые сравнивают с опорными сигналами, соответствующими предельно допустимым размерам дефектов, отличающийся тем, что дополнительно измеряют величину вертикального перемещения обода колеса на длине развертки поверхности катания колеса, которое измеряют с помощью линейки последовательно расположенных магнитоэлектрических датчиков, после чего строят зависимость величины наведенного сигнала от положения обода колеса относительно линейки датчиков, а затем сравнивают полученную зависимость с эталонным графиком бездефектного колеса, после чего коррелируют полученные результаты измерений с линейной скоростью перемещения колесной пары и производят окончательное выявление дефектов колеса.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для автоматизированного контроля технического состояния колесной пары рельсового подвижного состава в процессе ее эксплуатации.

В настоящее время в связи с ростом скоростей движения рельсового транспорта и ускоренным старением подвижного состава особенно актуальной становится задача объективного контроля за техническим состоянием железнодорожного подвижного состава. Одними из наиболее нагруженных узлов железнодорожного вагона, требующими постоянного контроля, являются колесные пары, изменяющие свои параметры в процессе эксплуатации. 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 движущегося подвижного состава за состоянием износа поверхности катания колеса колесной пары в течение всего времени ее эксплуатации, что позволит исключить аварийный выход из строя колес из-за наличия недопустимых дефектов поверхности катания тормозного происхождения, таких как ползуны, наплывы, кольцевые выработки, глубокие риски и выщербины.

Известен контактный способ определения дефектов поверхности катания колеса, реализованный на установке для измерения дефектов колес железнодорожных транспортных средств (см. патент РФ №2146630, кл. В61К 9/12, 2000 г.). Установка содержит измерительный и защитный рельсы и платформу с установленными на ней подпружиненными датчиками, взаимодействующими с поверхностью катания колеса, и базовой линейкой, контактирующей с гребнем колеса. Реализованный в установке способ выявления дефектов поверхности катания колеса заключается в измерении разности по высоте между вершиной гребня и несколькими последовательными точками на поверхности катания колеса вдоль длины его полной развертки.

Основным недостатком известного способа является то, что он позволяет производить оценку состояния поверхности катания колеса только на скоростях маневрирования вагонов, а не в реальных условиях эксплуатации, что в основном связано с низким быстродействием контактных датчиков.

Кроме того, эксплуатация контактных датчиков в реальных условиях существенно затруднена из-за большого количества пыли и грязи, оседающей на железнодорожное полотно при осуществлении перевозок угля, песка, щебня и т.п., а значит, требует проведения постоянных регламентных работ, связанных с очисткой и смазкой контактных датчиков.

Известен бесконтактный способ определения дефектов поверхности катания колеса, реализованный на установке для измерения дефектов колес железнодорожного транспорта (см. патент США №5133521, кл. B61L 1/00, 1992 г.), включающий установку под ободом колеса вдоль длины его полной развертки набора оптических датчиков вертикального перемещения обода, каждый из которых включает веерный оптический излучатель, рефлектор и оптический линейный фотоприемник, которые установлены в общем кожухе, закрепленном на рельсе. По величине отклонения обода восстанавливают рельеф поверхности колеса. При количестве около 100 датчиков на длине развертки колеса, удается регистрировать ползуны длиной более 50 мм и глубиной более 1 мм.

Основным недостатком известного способа является то, что он позволяет надежно производить оценку состояния поверхности катания колеса на скоростях до 30 км/час. При более высоких скоростях, за счет демпфирующих свойств железнодорожной тележки, происходит «проскакивание» дефекта без его фиксации датчиками.

Дополнительным недостатком известного способа можно считать зависимость точности измерения оптических датчиков от количества пыли и грязи, оседающей на железнодорожное полотно, поскольку общий кожух служит защите от паразитной солнечной засветки фотоприемников и практически не защищает ее от пыли. При этом кожух наоборот препятствует периодической очистке оптики, что дополнительно лишь усложняет обслуживание установки.

Наиболее близким к заявляемому способу по технической сути и выбранному в качестве прототипа является способ определения дефектов поверхности катания колеса, основанный на измерении вертикальных виброускорений рельса с помощью акселерометра и преобразовании их в электрические сигналы, которые сравнивают с опорными сигналами, соответствующими предельно допустимым размерам дефектов (см. А.С. СССР №1066866, Кл. В61К 9/12, 1984 г.). Способ позволяет определять основные дефекты поверхности катания колеса (ползуны, наплывы, глубокие риски и выщербины).

Основным недостатком известного способа является сложность выявления дефектов поверхности катания колеса на низких скоростях. В основном это связано с тем, что чувствительность метода пропорциональна квадрату скорости, а значит, при скоростях до 30 км/час, резко снижается вероятность обнаружения дефекта.

Кроме того, при определении дефектов поверхности катания колеса за счет измерения вертикальных виброускорений рельса с помощью акселерометра отсутствует строгая привязка к конкретному колесу, поэтому чаще всего указывается только дефектная сторона (правая или левая) и номер вагона. По указанным данным осмотрщиком вагона проводится дополнительная проверка и делается окончательное заключение о его годности или ремонте.

Целью настоящего изобретения является устранение указанных недостатков, а именно разработка полностью автоматизированного метода мониторинга износа поверхности катания колеса, способного проводить измерения в широком диапазоне скоростей движения железнодорожного транспорта.

Указанная цель в способе мониторинга износа поверхности катания колеса железнодорожной колесной пары, основанном на измерении вертикальных виброускорений рельса с помощью акселерометра и преобразовании их в электрические сигналы, которые сравнивают с опорными сигналами, соответствующими предельно допустимым размерам дефектов, достигается тем, что дополнительно измеряют величину вертикального перемещения обода колеса на длине развертки поверхности катания колеса, которое измеряют с помощью линейки последовательно расположенных магнитоэлектрических датчиков, после чего строят зависимость величины наведенного сигнала от положения обода колеса относительно линейки датчиков, а затем сравнивают полученную зависимость с эталонным графиком бездефектного колеса, после чего коррелируют полученные результаты измерений с линейной скоростью перемещения колесной пары и производят окончательное выявление дефектов колеса.

Благодаря измерению вертикального перемещения обода колеса на длине развертки поверхности катания колеса, которое производят с помощью линейки магнитоэлектрических датчиков, удается четко классифицировать на скоростях до 30 км/час дефекты поверхности катания колеса, такие как ползуны, наплывы, глубокие риски и выщербины, тем самым автоматически расширяя диапазон проводимых измерений от 10 до 65 км/час, что не имеет аналогов среди известных комплексов, а значит, соответствует критерию «изобретательский уровень».

На фиг.1 представлено устройство для реализации заявляемого способа, включающее: рельс 1; колесо 2 с ободом 3; датчик акселерометра 4, закрепленный на рельсе; магнитоэлектрический датчик 5, установленный с помощью крепежной скобы 6 под ободом колеса; кабели датчиков 7 и 8; блок 9 сбора сигналов и кодировки информации для передачи ее по оптоволоконному кабелю 10 в удаленный компьютер 11.

На фиг.2 представлены графики, поясняющие вероятность выявления дефектов катания различными методами: 12 - вероятность обнаружения дефектов методом измерения высоты гребня колеса; 13 - вероятность обнаружения дефектов методом измерения виброускорений рельса с помощью акселерометра.

На фиг.3а приведен оцифрованный сигнал 14 с выхода магнитоэлектрического датчика бездефектного колеса, а на фиг.3б - оцифрованный сигнал 15 с выхода магнитоэлектрического датчика дефектного колеса (дефекты в виде ползунов и наваров высотой 0,1-0,2 мм).

На фиг.4 приведены фрагменты развертки сигналов с линейки магнитоэлектрических датчиков, показывающие наличие дефектов некруглости колес вагона при его движении: 16 - линия начального отсчета; 17 - линия максимально допустимого значения амплитуды сигналов магнитоэлектрических датчиков; 18 и 19 - сигналы с рядом стоящих магнитоэлектрических датчиков линейки, используемые для определения скорости вагона.

На фиг.5 приведены фрагменты развертки сигналов с датчиков акселерометра: 20 и 21 - допустимые по амплитуде сигналы; 22 - недопустимый по амплитуде сигнал; 23 и 24 - пороговые значения сигналов.

На фиг.6 приведено фото участка железнодорожного пути, оборудованного магнитоэлектрическими и акселерометрическими датчиками для проверки и экспериментальной отработки заявляемого способа.

Устройство работает следующим образом. Движущееся по рельсу 1 колесо 2 наводит своим ободом 3 в линейке магнитоэлектрических датчиков 5 сигналы, представленные на фиг.3а и 3б. На фиг.3а представлен сигнал колеса без дефектов поверхности, а на 3б - с дефектами в виде ползунов и наваров высотой 0,1-0,2 мм. По виду искажения графика 3б можно выявлять конкретные дефекты поверхности катания колеса и их привязку к длине развертки поверхности. Представленные на фиг.4 графики разброса сигналов с линейки датчиков 5, позволяют визуально наблюдать за возможными предельными границами выявленных дефектов на экране монитора компьютера.

В то же время, при движении дефектного колеса 2 по рельсу 1 возникают биения, воспринимаемые датчиками 4 акселерометра. Из приведенных на фиг.5 фрагментов развертки сигналов можно судить о наличии на каждом колесе дефектов. Сигналы 20 и 21 не превышают допустимые по амплитуде сигналы; сигнал 22 превышает допустимый по амплитуде сигнал.

Заявляемый метод использует суммарный метод измерения дефектности колеса. Для этого обобщающий результат измерений, проводимый компьютером 11 на основании сигналов с датчиков 4 и 5, передается по кабелям 7 и 8 в блок 9 сбора сигналов и кодировки информации, который для исключения наводок соединен с компьютером 11 с помощью оптоволоконного кабеля 10.

Конкретный результат измерений, проводимый компьютером 11, зависит от целого ряда факторов: места установки датчиков, жесткости рельсового пути (деревянные шпалы, железобетонные шпалы), изношенности рельсового пути и т.п. Для исключения влияния указанных факторов на конечный результат, требуется обязательное снятия предварительных градуировочных зависимостей. Эти зависимости могут быть использованы в качестве эталонных сигналов для определения степени изношенности поверхности катания и наличия на ней недопустимых для дальнейшей эксплуатации колеса дефектов. В общем виде результат измерений может быть представлен как вычисление суммы двух слагаемых:

Вд=(Рм×Kv ₁)+(Рв×Kv₂), где:

Вд - общая вероятность обнаружения дефекта;

Рм - вероятность обнаружения дефекта методом, основанным на измерении высоты гребня колеса;

Рв - вероятность обнаружения дефекта методом измерения виброускорений рельса;

Kv₁ и Kv ₂ - масштабирующие коэффициенты, зависящие от скорости вагона.

Для определения скорости состава используется сигналы 18 и 19 с двух рядом стоящих в линейке магнитоэлектрических датчиков 5. Из приведенных на фиг.2 графиков видно, что при движении состава со скоростью более 30 км/час вероятность обнаружения дефекта методом, основанным на измерении высоты гребня колеса (график 12), начинает резко падать, в то время как вероятность обнаружения дефектов методом измерения виброускорений рельса (график 13) резко возрастает. При этом суммарная вероятность обнаружения дефектов поверхности катания заявляемым способом остается практически постоянной величиной и составляет около 0,9 во всем приведенном диапазоне скоростей вагона.

Экспериментальная проверка заявляемого способа была проведена на специально оборудованном участке железнодорожного пути (см. фиг.6), оборудованного магнитоэлектрическими и акселерометрическими датчиками, информация с которых поступала для обработки в компьютер по защищенным от помех оптоволоконным линиям связи. Возможности способа были экспериментально подтверждены в диапазоне скоростей от 5 до 65 км/час на различных дефектах поверхности катания, таких как ползуны, наплывы, кольцевые выработки, глубокие риски и выщербины. В качестве магнитоэлектрических датчиков были использованы индуктивные датчики по патенту РФ на полезную модель №48172. В качестве датчика ударных нагрузок колеса о рельс использовались пьезоэлектрические датчики марки АП-6 (Россия).