Система контроля поверхности катания колеса железнодорожной колесной пары
Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для автоматического контроля технического состояния рельсового подвижного состава в процессе его эксплуатации. Технический результат заключается в повышении надежности эксплуатации системы контроля с сохранением высокой достоверности диагностики поверхности катания колеса движущегося поезда за счет использования датчиков динамических нагрузок, устойчивых к ударным нагрузкам, а также возможность определения дефектного колеса конкретного вагона. Это достигается тем, что датчики динамических нагрузок выполнены в виде волоконно-оптических датчиков давления, размещенных на измерительном участке пути длиной не меньше длины окружности колеса между шпалой и рельсом по разные стороны пути, датчики зоны контроля расположены вдоль рельса в начале и в конце измерительного участка и соединены через блок сопряжения с входом включения блока питания, а также с входами счетчика колесных пар и блока вычисления скорости движения поезда. Датчики температуры установлены по обе стороны пути на глубине уровня подошвы шпалы. Блок сравнения входами подключен к выходам датчиков температур и блока эталонных значений температур, а выход - к входу блока корректировки, выходы которого подключены к входам блока обработки, а другие входы - к выходам преобразователя, входами подключенного к выходным концам волоконно-оптических датчиков, входные концы которых соединены с источником оптического излучения. Блок вычисления динамического коэффициента, выходом подключенный ко второму информационному входу блока принятия решений. Блок выделения динамической составляющей усилий и блок выделения статической составляющей усилий, включенные между выходом блока обработки и входами блока вычисления динамического коэффициента. При этом выходы счетчика колесных пар и блока идентификации вагонов подключены к третьему и четвертому информационным входам блока принятия решений, соответствующие входы/выходы которого соединены с выходами/входами блока хранения информации, а другие выходы - соответственно с блоком индикации, блоком корректировки и посредством канала связи с персональным компьютером автоматизированного рабочего места работника диспетчерского центра. 2 ил.
Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для автоматического контроля технического состояния рельсового подвижного состава в процессе его эксплуатации.
В настоящее время в связи с ростом скоростей движения на железнодорожном транспорте, большим сроком эксплуатации частей технических средств происходит ускоренное старение подвижного состава, что делает особо актуальной задачу объективного контроля за его техническим состоянием. Важным узлом в железнодорожном вагоне, требующим надежного контроля в процессе эксплуатации, являются колесные пары подвергающиеся в процессе движения поезда воздействию высоких динамических нагрузок. Проводимые на станциях периодические осмотры колес вагонов требуют дополнительной квалифицированной рабочей силы и значительных временных затрат, что может привести к, сбою графика движения и существенно увеличить время поезда в пути. Для повышения надежности работы колесных пар на движущемся подвижном составе должен осуществляться мониторинг состояния износа поверхности катания колеса, что позволит исключить аварийный выход из строя колесных пар из-за наличия недопустимых дефектов поверхности катания, таких как ползуны, навары, неравномерный прокат и выщерблины.
Известно устройство для диагностики подвижного состава железнодорожного транспорта (RU 2085425 С1, 1997.07.07)
Устройство содержит четыре вихретоковых преобразователя, которые выполнены в виде ортогональных Г-образных электромагнитных матриц, каждая из них состоит из трех катушек индуктивности, одна из которых расположена перпендикулярно плоскости, в которой размещены две другие катушки вытянутопрямоугольной и треугольной форм намоток. При этом катушка треугольной намотки вписана вершинами в три угла катушки вытянутопрямоугольной намотки, а линия пересечения плоскостей первой катушки и двух других катушек проходит вне их площадей и вдоль большого основания катушки и вытянутопрямоугольной намотки, к которому примыкает катет вписанной катушки.
Как известно, остаточная электромагнитная связь катушек величина переменная и порождается тем, что возбужденный током колебательный контур наводит вихревые токи. В известном устройстве вихревые токи наводятся не только в электропроводящем объекте контроля, но в катушках индуктивности колебательных контуров, не возбужденных током, индуктивность и емкость которых меняются в процессе изменения параметров объекта, что вносит соответствующие погрешности на результаты диагностики поверхности катания колеса.
Известен наземный диагностический контрольно-вычислительный комплекс, содержащий систему диагностики состояния колес по их образующей поверхности, состоящую из инфракрасных датчиков, снабженных светофильтрами и работающих на отражение, и магнитофона, связанного с инфракрасными датчиками (Лозинский С.М. и др. Система контроля технического состояния подвижного состава на ходу поезда, Автоматика, телемеханика и связь, 1994, 
1, с.7-9).
Известное техническое решение позволяет одновременно контролировать состояние объектов подвижного состава на его ходу в едином времени.
Недостатком известного решения является зависимость точности измерения от засоренности зоны контроля каплями воды, нефтепродуктов, наличия тумана, обледенения и др. взвесей (песок, пыль, снег и др.), поднимаемых с поверхности земляного полотна скоростным напором движущегося поезда.
Наиболее близким аналогом является система мониторинга износа поверхности катания колеса железнодорожной колесной пары, реализующая известный способ, содержащее датчики динамических нагрузок в виде акселерометров, закрепленных на рельсе, датчики начала и конца зоны контроля в виде магнитоэлектрических датчиков, и блок обработки сигналов, входами соединенный с выходами датчиков, а выходом - с блоком принятия решения, выполненным в виде компьютера (RU 2337031 C1, 27.10.2008).
Известная система позволяет с достаточной точностью осуществлять диагностику состояния поверхности катания колеса за счет одновременного измерения высоты гребня колеса и динамических нагрузок, действующих на рельсы при движении поезда.
Недостатком известного технического решения является недостаточная надежность акселерометра в условиях высокой пропускной способности железнодорожного пути.
Задачей полезной модели является создание системы контроля поверхности катания колеса железнодорожной колесной пары с высокой надежностью и достоверностью результатов контроля.
Технический результат заключается в повышении надежности эксплуатации системы контроля с сохранением высокой достоверности диагностики поверхности катания колеса движущегося поезда за счет использования датчиков динамических нагрузок, устойчивых к ударным нагрузкам, а также за счет возможности определения дефектного колеса конкретного вагона.
Это достигается тем, что в системе контроля поверхности катания колеса железнодорожной колесной пары, содержащей датчики динамических нагрузок, датчики зоны контроля и блок обработки сигналов, выходами соединенный с первым информационным входом блоком принятия решения, согласно предложению, датчики динамических нагрузок выполнены в виде волоконно-оптических датчиков давления, размещенных на измерительном участке пути длиной не меньше длины окружности колеса между шпалой и рельсом по разные стороны пути, датчики зоны контроля расположены вдоль рельса в начале и в конце измерительного участка и соединены через блок сопряжения с входом включения блока питания, а также с входами счетчика колесных пар и блока вычисления скорости движения поезда, в систему введены датчики температуры щебеночного балласта, установленные по обе стороны пути на глубине уровня подошвы шпалы, блок эталонных значений температур, блок сравнения, входы которого подключены к выходам датчиков температур и блока эталонных значений температур, а выход - к входу блока корректировки, выходы которого подключены к входам блока обработки, а другие входы - к выходам преобразователя, входами подключенного к выходным концам волоконно-оптических датчиков, входные концы которых соединены с источником оптического излучения, блок вычисления динамического коэффициента, выходом подключенный ко второму информационному входу блока принятия решений, блок идентификации вагонов, блок индикации, блок хранения информации, блок выделения динамической составляющей усилий и блок выделения статической составляющей усилий, включенные между выходом блока обработки и входами блока вычисления динамического коэффициента, при этом выходы счетчика колесных пар и блока идентификации вагонов подключены к третьему и четвертому информационным входам блока принятия решений, соответствующие входы/выходы которого соединены с выходами/входами блока хранения информации, а другие выходы - соответственно с блоком индикации, блоком корректировки и посредством канала связи с персональным компьютером автоматизированного рабочего места работника диспетчерского центра.
Сущность заявленной системы поясняется чертежами.
На фиг.1 изображена структурная схема предлагаемой системы контроля поверхности катания колеса железнодорожной колесной пары.
На фиг.2. - кривая изменения вертикальной силы Q на колесе с ползуном (грузовой вагон).
Система контроля поверхности катания колеса железнодорожной колесной пары содержит комплект датчиков 1 динамических нагрузок в количестве 14 штук, датчики 2 зоны контроля (рельсовые контакты), расположенные вдоль рельса в начале и в конце измерительного участка, датчики 3 температуры щебеночного балласта, установленные по обе стороны пути на глубине уровня подошвы шпалы, и линейный пункт 4 контроля.
Датчики 1 выполнены в виде волоконно-оптических датчиков давления и установлены на измерительном участке пути длиной не меньше длины окружности колеса по разные стороны пути напротив друг друга между шпалой и рельсом.
Линейный пункт 4 контроля содержит преобразователь 5, входы которого подключены к выходным концам датчиков 1, входные концы которых подключены к источнику 6 оптического излучения, размещенного в распределительной коробке, установленной на измерительном участке (на чертеже не показана), блок 7 сопряжения, входы которого подключены к выходам датчиков 2 зоны контроля, а выход - к входам счетчика 8 колесных пар и блока 9 определения скорости движения поезда, блок 10 сравнения, одни из входов которого подключены к выходам датчиков 3 температуры, другие входы - к выходам блока 11 эталонных значений температур, а выход - к входам блока 12 корректировки, другие входы которого соединены с выходом преобразователя 5, а выход - с входами блока 13 обработки данных.
В состав линейного пункта 4 входят также блок 14 выделения динамической составляющей усилий и блок 15 выделения статической составляющей усилий, выходы которых подключены к входу блока 16 вычисления динамического коэффициента, блок 17 принятия решений, блок 18 идентификации вагона, блок 19 индикации и блок 20 хранения информации.
При этом информационные входы блока 17 принятия решений подключены к выходам блока 13 обработки, блока 16 вычисления динамического коэффициента, блока 18 идентификации вагона и счетчика 8 колесных пар. Соответствующие входы/выходы блока 17 принятия решений соединены с выходами/входами блока 20 хранения информации, а другие выходы - соответственно с блоком 19 информации, блоком 12 корректировки и посредством канала связи с персональным компьютером 22 автоматизированного рабочего места 23 работника диспетчерского центра. Вход включения/выключения блока 24 питания подключен к выходу блока 7 сопряжения. Выход блока 9 определения скорости движения поезда соединен с соответствующим входом блока 14 выделения динамической составляющей усилий. Входы блоков 14 и 15 подключены к выходам блока 13 обработки.
Система контроля движущихся грузовых поездов используется следующим образом.
При прохождении первой колесной пары поезда срабатывает датчик 2 зоны контроля, размещенный в начале зоны контроля, и включает источник 24 питания. При этом включается источник 6 оптического излучения (лазерного излучения) и установленные в зоне контроля волоконно-оптические датчики 1 осуществляют измерение вертикальных сил, действующих на рельсы от каждого колеса, движущегося по измерительному участку пути. Под действием усилий со стороны рельса датчики 1 деформируется, в результате изменяются характеристики светового потока на его выходе. Преобразователь 5 осуществляет преобразование величины светового потока на выходе каждого датчика 1 в электрический сигнал по каждому каналу.
Как известно, уровень выходного сигнала волоконно-оптических датчиков давления существенно зависят от температуры. Так уровень сигнала волоконно-оптических датчиков, производимых, например, компанией ITSS (Испания) при повышении температуры на 1°С увеличивается, а при понижении температуры на 1°С уменьшается на 10 мН.
В предлагаемой системе предусмотрена коррекция показаний датчиков 1 с учетов температуры окружающей среды. С помощью датчиков 3 измеряют температуру с каждой стороны полотна пути. Показания датчиков 3 для каждой стороны пути сравнивают с эталонными значениями и при наличии различий с учетом эталонного значения изменения напряжения определяют погрешность измерений на той или иной стороне измерений. С учетом этой погрешности в блоке 12 осуществляют коррекцию измеренных сигналов. В качестве эталонного сигнала используют полученное экспериментальным путем приращение измеренного сигнала при увеличении температуры на 1°С.
В блоке 13 для каждого колеса осуществляют суммирование мгновенных значений отдельных измеренных сигналов и определяют зависимость величины усилий, передаваемой от колеса на верхнее строение пути, от времени. В блоках 14 и в блоке 15 выделяют соответственно динамическую и статическую составляющие прикладываемых к датчикам 1 динамический усилий при движении каждого колеса.
Статическую составляющую определяют как среднее значение максимального и минимального значений измеренных усилий.
Динамическая составляющая равна максимальной величине абсолютного значения динамического приращения вертикальной силы.
Зная динамическую и статическую составляющие, в блоке 19 рассчитывают динамический коэффициент как отношение статической и динамической составляющих усилий к статической нагрузке на колесо.
Динамический коэффициент отражает влияние на величину измеряемых усилий, как со стороны подвижного состава, так и со стороны пути и потому является основным параметром для определения наличия дефекта на поверхности катания колеса.
При этом динамический коэффициент равный единице означает, что вагон, находящийся в зоне измерительного участка, неподвижен, т.е. силы взаимодействия между вагоном и путем равны статической нагрузке. При проходе подвижного состава над измерительными зонами динамический коэффициент становится больше единицы. Он имеет привязку к конкретному месту, так как верхнее строение пути в силу неоднородности структуры неоднозначно реагирует на прохождение поезда. Кроме того, на динамику пути и поезда оказывает влияние скорость прохождения поездом измерительного участка.
Для исключения влияния указанных факторов на конечный результат требуется обязательное снятие предварительных калибровочных зависимостей.
Одновременно при прохождении поезда мимо линейного пункта 4 контроля блок 18 определяет идентификационный номер проходящего измерительный участок вагона и направляет эту информацию в блок 17 принятия решений. В качестве блока 18 идентификации вагонов можно использовать систему контроля ZLV компании DB Cargo, позволяющую считывать номера поездов, проходящих через систему контроля.
В блок 17 поступает также фиксируемая счетчиком 8 информация о количестве осей проходящего поезда и информация о динамическом коэффициенте с выхода блока 16. На основании представленных данных в блоке 17 каждому колесу каждого вагона присваивают соответствующий номер и принимают решение о его состоянии, отсутствия или наличия дефектов. Вся информация отображается на дисплее блока 19 индикации.
Таким образом, в блоке 17 осуществляется привязка диагностической характеристики колес подвижному составу поезда. Информация с выхода блока 17 посредством канала связи поступает на персональный компьютер 22 автоматизированного рабочего места 23 работника диспетчерского центра.
В блоке 20 хранения информации осуществляется сбор банка данных для последующего статистического анализа. Банк данных служит для архивации данных, полученных в результате контроля поверхности катания колес. Он обеспечивает возможность проведения дальнейших статистических исследований, необходимых для определения предельных значений динамических усилий, после достижения которых требуется принятие соответствующих мер по ремонту колесных пар, а также значений, характеризующих конкретные типы и размеры дефектов.
Кроме того, в блоке 20 хранения информации постоянно суммируется общее количество пропущенных через участок колесных осей. Это позволяет определить степень старения волоконно-оптических датчиков. По результатам испытаний было установлено, что после прохода не менее 4 млн. колесных пар требуется периодическая калибровка датчиков 1. При высокой и переменной пропускной способности железнодорожных участков в условиях российских железных дорог такая калибровка может потребоваться уже через 3 месяца. На основе информации о количестве колесных пар, воздействующих на датчики между калибровками и средней степенью снижения сигнала от каждого прохода колесной пары, блок 17 направляет в блок 12 соответствующий сигнал, и значения измеренных сигналов корректируются. Это позволяет повысить достоверность проводимых измерений и своевременно установить необходимость калибровки датчиков 1.
Система контроля поверхности катания колеса железнодорожной колесной пары, содержащая датчики динамических нагрузок, закрепленные на рельсе, датчики зоны контроля и блок обработки, выходами соединенный с первым информационным входом блоком принятия решения, отличающаяся тем, что датчики динамических нагрузок выполнены в виде волоконно-оптических датчиков давления, размещенных на измерительном участке пути длиной не меньше длины окружности колеса между шпалой и рельсом по разные стороны пути, датчики зоны контроля расположены вдоль рельса в начале и в конце измерительного участка и соединены через блок сопряжения с входом включения блока питания, а также с входами счетчика колесных пар и блока вычисления скорости движения поезда, в систему введены датчики температуры щебеночного балласта, установленные по обе стороны пути на глубине уровня подошвы шпалы, блок эталонных значений температур, блок сравнения, входы которого подключены к выходам датчиков температур и блока эталонных значений температур, а выход - к входу блока корректировки, выходы которого подключены к входам блока обработки, а другие входы - к выходам преобразователя, входами подключенного к выходным концам волоконно-оптических датчиков, входные концы которых соединены с источником оптического излучения, блок вычисления динамического коэффициента, выходом подключенный ко второму информационному входу блока принятия решений, блок выделения динамической составляющей усилий и блок выделения статической составляющей усилий, включенные между выходом блока обработки и входами блока вычисления динамического коэффициента, блок идентификации вагонов, блок индикации и блок хранения информации, при этом выходы счетчика колесных пар и блока идентификации вагонов подключены к третьему и четвертому информационным входам блока принятия решений, соответствующие входы/выходы которого соединены с выходами/входами блока хранения информации, а другие выходы - соответственно с блоком индикации, блоком корректировки и посредством канала связи с персональным компьютером автоматизированного рабочего места работника диспетчерского центра.
