Устройство для диагностики ходовых частей подвижного состава

 

Использование: в пунктах контроля технического состояния ходовых частей локомотивов и вагонов в динамике. Сущность изобретения: устройство содержит генератор высокой частоты, коммутатор, вихретоковый преобразователь, три детектора, три фильтра нижних частот, восемь усилителей, четыре вычитателя, сумматор и делитель напряжений, катушки преобразователя запитываются от генератора через коммутатор, первая катушка подключена через первые детектор, фильтр и усилитель к первому входу сумматора, вторая катушка подключена через вторые детектор, фильтр и усилитель к второму входу сумматора, выход которого соединен с входом четвертого усилителя, третья катушка подключена через третьи детектор и фильтр к первому входу первого вычитателя, второй вход которого связан через пятый усилитель с выходом четвертого усилителя, а выход первого вычитателя соединен с входом третьего усилителя, кроме того выходы первого и второго фильтров соединены соответственно с первым и вторым входами второго вычитателя, выход которого подключен к первому входу третьего вычитателя, второй вход которого связан через шестой усилитель с выходом четвертого усилителя с выходом четвертого усилителя, выход третьего вычитателя соединен с первым входом делителя, второй вход которого связан через седьмой усилитель с выходом третьего усилителя, выход делителя соединен через восьмой усилитель с первым входом четвертого вычитателя, второй вход которого связан с выходом четвертого усилителя выходы третьего усилителя, делителя и четвертого вычитателя являются информационными. 4 ил.

Изобретение относится к железнодорожной автоматике, в частности к бесконтактным системам измерения износа поверхностей катания и скольжения колес подвижного состава и может быть использовано на пунктах контроля технического состояния ходовых частей локомотивов и вагонов в динамике.

Известно устройство для измерения износа поверхности катания колеса в динамике, содержащее высокочастотный генератор, индуктивный преобразователь, выполненный в виде двух измерительных катушек индуктивности и закрепленный под головкой рельса перпендикулярно плоскости его симметрии детектор, фильтр нижних частот и усилитель.

Возможности этого устройства ограничены измерением только износа поверхности катания колеса, а точность и достоверность контроля низкие, поскольку не учитывается влияние износа реборды колеса и смещение плоскости колеса в поперечном направлении рельсовой колеи, т.е. изменение зазора между внутренней поверхностью реборды и обращенной к ней поверхности головки рельса.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что в устройство, содержащее последовательно соединенные высокочастотный генератор, коммутатор и вихретоковый преобразователь, выполненный в виде трех измерительных катушек индуктивности, первая и вторая из которых треугольной намотки, третья прямоугольной, и закрепленный под головкой рельса перпендикулярно плоскости его симметрии и последовательно соединенные детектор, фильтр нижних частот и усилитель, введены дополнительно вторые детектор и фильтр нижних частот и третьи детектор и фильтр нижних частот, включенные соответственно последовательно, семь усилителей, четыре вычитателя, сумматор и делитель напряжения, первая треугольная катушка преобразователя подключена через первые детектор, фильтр и усилитель к первому входу сумматора, вторая треугольная катушка подключена через вторые детектор, фильтр и усилитель к второму входу сумматора, выход которого соединен с входом третьего усилителя, третья прямоугольная катушка подключена через третьи детектор и фильтр к первому входу первого вычитателя, второй вход которого связан через четвертый усилитель с выходом третьего усилителя, а выход первого вычитателя соединен с входом пятого усилителя, кроме того, выходы первого и второго фильтров соединены соответственно с первым и вторым входами второго вычитателя, выход которого подключен к первому входу третьего вычитателя, второй вход которого связан через шестой усилитель с выходом четвертого усилителя, выход третьего вычитателя соединен с первым входом делителя, второй вход которого связан через седьмой усилитель с выходом третьего усилителя, выход делителя соединен через восьмой усилитель с первым входом четвертого вычитателя, второй вход которого связан с выходом четвертого усилителя, выходы третьего усилителя, делителя напряжений и четвертого вычитателя являются информационными выходами устройства.

Технически результатом изобретения является обеспечение безопасности движения железнодорожного транспорта за счет расширения объема и повышения качества измерительной информации о техническом состоянии ходовой части подвижного состава, получаемой предложенным устройством.

К измерительной информации относятся следующие параметры: величина износа внутренней поверхности реборды колеса а; величина смещения плоскости колеса в поперечном направлении рельсовой колеи х; величина износа поверхности катания колеса h.

На фиг. 1 показано относительное положение колесной пары, рельсовой колеи и вихретокового преобразователя в профиле; на фиг. 2 конструкция катушек индуктивности преобразователя и износ поверхности катания колеса и внутренней поверхности реборды колеса (пунктирные линии); на фиг. 3 структурная схема устройства; на фиг. 4 фрагмент размещения трех преобразователей при контроле параметров группы колес в динамике по всей длине их окружности.

Устройство (фиг. 3) содержит генератор 1 высокой частоты, коммутатор 2, вихретоковый преобразователь 3, выполненный в виде трех катушек 4, 5 и 6 индуктивности, первая и вторая из которых треугольной намотки, третья - прямоугольной намотки, три детектора 7, 8 и 9, выходами соединенные с входами трех фильтров 10, 11 и 12 низких частот, восемь усилителей 13-20, четыре вычитателя 21-24, сумматор 25 и делитель 26 напряжения. Катушки 4-6 преобразователя 3 запитываются от генератора 1 через коммутатор 2 поочередно. Первая катушка 4 индуктивности подключена через первые детектор 7, фильтр 10 и усилитель 13 к первому входу сумматора 25, вторая катушка 5 подключена через вторые детектор 8, фильтр 11 и усилитель 14 к второму входу сумматора 25, выход которого соединен с входом четвертого усилителя 16, третья катушка 6 подключена через третьи детектор 9 и фильтр 12 к первому входу первого вычитателя 21, второй вход которого связан через пятый усилитель 17 с выходом четвертого усилителя 16, а выход первого вычитателя 21 соединен с входом третьего усилителя 15, кроме того выходы первого и второго фильтров 10 и 11 соединены соответственно с первым и вторым входами второго вычитателя 22, выход которого подключен к первому входу третьего вычитателя 23, второй вход которого связан через шестой усилитель 18 с выходом четвертого усилителя 16, выход третьего вычитателя 23 соединен с первым входом делителя 26, второй вход которого связан через седьмой усилитель 19 с выходом третьего усилителя 15, выход делителя 26 соединен через восьмой усилитель 20 с первым входом четвертого вычитателя 24, второй вход которого связан с выходом четвертого усилителя 16, а выходы третьего усилителя 15, делителя 26 напряжений и четвертого вычитателя 24 являются информационными выходами устройства.

Коммутатор 2 предназначен для устранения электромагнитного взаимовлияния катушек 4-6, что достигается поочередным подключением каждой из катушек 4-6 к запитываемому их генератору 1. Коммутатор 2 управляется опорным напряжением, например, от тактового генератора (на фиг. не показано).

Вихретоковый преобразователь 3 предназначен для преобразования измеряемых параметров в электрический сигнал. Первая 4 и вторая 5 катушки намотаны в форме идентичных треугольников, а третья катушка 6 в форме вытянутого прямоугольника и размещены в параллельных накладных плоскостях (идеально, когда плоскости совмещены). Основания катушек 4 и 5 совмещены в плане соответственно с длинными противоположными сторонами катушки и равны им по величине, а вершины катушек 4, 5 вписаны соответственно в основания друг другу. Для обеспечения контроля всей длины l_о окружности колеса длина l и количество преобразователей 3 (фиг. 2 и 4) выбираются в зависимости от размеров между колесными парами, тележками подвижного состава и смежными колесными парами сдвоенных тележек, а ширина b преобразователя 3 выбирается не менее суммы проектной ширины реборды и максимального смещения реборды (плоскости колеса) в поперечном направлении рельсовой колеи. Если необходимо осуществлять контроль параметров одиночного колеса, то длина l преобразователя 3 выбирается не менее длины l_о окружности контролируемого колеса. Если необходимо контролировать параметры колеса в составе тележки с базой l₅= 2400 мм (пассажирский вагон), то длина l преобразователя 3 выбирается не более половины длины l_о окружности колеса, и в этом случае устанавливаются два преобразователя 3. Если база тележки l_б= 1200 мм (грузовой вагон), то длина l преобразователя 3 выбирается не более трети длины l_о окружности колеса, и устанавливают три преобразователя 3, причем просвет между ними не должен превышать 5-10% величины l_о. Для обеспечения электромагнитной помехозащищенности и защиты от механических воздействий преобразователь 3 размещен в металлическом корпусе, а со стороны рабочей поверхности закрыт крышкой из диэлектрического материала, проницаемого для электромагнитных волн. Преобразователь 3 (фиг. 2) закреплен под головкой рельса перпендикулярно плоскости его симметрии. Фильтры 10-12 нижних частот предназначены для компенсации уровней начальных напряжений U_oi(i 1, 2, 3 число катушек), соответствующих значениям напряжений на катушках 4-6 при 0, х 0, h 0, сглаживания импульсов, вызванных коммутацией, и пропускания полезных сигналов с минимальными искажениями. Исходные значения уровней напряжений U_oi на фильтрах 10-12 устанавливают генератором опорного напряжения на фиг. не показано).

Техническим результатом изобретения является обеспечение безопасности движения железнодорожного транспорта, что достигается за счет введения в устройство дополнительных функциональных блоков и их связей между собой.

Вихретоковый преобразователь 3 располагают под торцом реборды колеса на установочном зазоре h_o при а 0, х 0, h 0 и устанавливают на фильтрах 10-12 исходные значения уровней напряжений U_oi, что обеспечивается на эталонных колесной паре и рельсовом пути (фиг. 1), т.е. при проектных значениях а_o и х_o.

С генератора 1 подается через коммутатор 2 высокочастотное напряжение на катушки 4-6 преобразователя 3. При протекании через катушки 4-6 токов высокой частоты вокруг каждой из них создается электромагнитное поле, которое наводит в токопроводящем материале вихревые токи, вызывающие в катушках 4-6 вторичную электродвижущуюся силу. В общем случае величина вторичной ЭДС катушек 4 и 5 зависит от всех трех параметров а, х и h, а катушки 6 зависит от двух параметров а и h и не зависит от х за счет продольной симметрии конструкции катушки 6.

Следовательно, напряжения на катушках 4-6, промодулированные измеряемыми параметрами а, х, h можно выразить в виде уравнений: где U_oi начальные напряжения на катушках при а 0, х 0, h 0, - крутизна выходной характеристики преобразователя 3 (чувствительность) к изменению параметра h; чувствительность к изменению параметров а, х; чувствительность к изменению параметра а.

Разные знаки перед третьими слагаемыми в (1) и (2) от изменения х обусловлено ассиметричностью расположения катушек 4 и 5 относительно продольной оси преобразователя 3.

Напряжения U_i с амплитудных детекторов 7-9 подаются на фильтры 10-12, в которых значения начальных напряжений U_oi компенсируются, и на выходах сумматора 25, первого вычитателя 21 и второго вычитателя 22 получаем напряжения в виде: U₁·К₁ + U₂·К₂= h_т·К₄ (4)
U₃ h_т·К₃= а·К₃ (5)
U₁ U₂ h_т·К₆ + а·х·К₇ (6)
где К_j постоянные коэффициенты, получаемые в результате совместного решения уравнений (4)-(6), при этом численные значения коэффициентов обеспечиваются в восьми усилителях 13-20, j 1-8.

h_т f(а, х, h) значение текущего зазора между преобразователем 3 и торцевой поверхностью реборды колеса в функции от параметров а, х и h. Совместное решение уравнений (4)-(6) дает следующие зависимости:



h K₈·x·h_т
Из системы уравнений (7)-(10) получим значения параметров а, х, h. Напряжения U₁ и U₂ c выходов фильтров 10, 11, умноженные соответственно на коэффициенты К₁ и К₂ первого и второго усилителей 13 и 14, складываются в сумматоре 25. Полученная сумма, умноженная на коэффициент (1/К₄) усиления четвертого усилителя 16, представляет собой преобразование (7) в виде напряжения, характеризующего величину h_т, зависящую от параметров а, х, h. Разность напряжений U₃ и U·(h_тК₅), полученная в первом вычитателе 21, умноженная на коэффициент (1/К₃) третьего усилителя 15, представляет собой преобразование (8) в виде напряжения, однозначно, т.е. всегда одного знака, характеризующего величину износа а боковой поверхности реборды колеса.

Для параметров х и h осуществляются аналогичные преобразования напряжений U₁ U₃ в схеме обработки (фиг. 3), после чего получают выражения (9) и (10) в виде напряжений, по которым судят о параметрах х и h, а в зависимости от знака перед выражением (9) определяют направление смещения плоскости колеса относительно данного рельса. Неравномерность износа h поверхности катания колеса типа ползуна (лыски) и а боковой поверхности реборды колеса оценивают по пульсациям переменных составляющих напряжений с выходов третьего усилителя 15 и четвертого вычитателя 24, для этого данные с информационных выходов устройства подаются на регистратор (на фиг. не показано), где информация запоминается и анализируется. По амплитуде пульсаций напряжений с выходов усилителя 15 и вычитателя 24 судят о глубине неравномерности износа контролируемых поверхностей колеса, а по длительности пульсаций этих напряжений о длине износа. Техническим результатом изобретения является обеспечение безопасности движения железнодорожного транспорта за счет получения систематической информации одновременно об износе поверхности катания колеса и боковой поверхности реборды колеса и смещении плоскости колеса в перпендикулярном направлении, т.е. в поперечной плоскости рельсовой колеи.

Формула изобретения

Устройство для диагностики ходовых частей подвижного состава, содержащее последовательно соединенные высокочастотный генератор, коммутатор и вихретоковый преобразователь, выполненный в виде трех измерительных катушек индуктивности и закрепленный под головкой рельса перпендикулярно плоскости его симметрии, последовательно соединенные детектор, фильтр низких частот и усилитель, отличающееся тем, что в него введены вторые и третьи последовательно включенные детекторы и фильтры нижних частот, семь усилителей, четыре вычитателя, сумматор и делитель напряжений, первая катушка преобразователя подключена через первые детектор, фильтр и усилитель к первому входу сумматора, вторая катушка через вторые детектор, фильтр и усилитель к второму входу сумматора, выход которого соединен с входом третьего усилителя, третья катушка через третьи детектор и фильтр к первому входу первого вычитателя, второй вход которого связан через четвертый усилитель с выходом третьего усилителя, а выход первого вычитателя соединен с входом пятого усилителя, причем выходы первого и второго фильтров соединены соответственно с первым и вторым входами второго вычитателя, выход которого подключен к первому входу третьего вычитателя, второй вход которого связан через шестой усилитель с выходом четвертого усилителя, выход третьего вычитателя соединен с первым входом делителя напряжений, второй вход которого связан через седьмой усилитель с выходом третьего усилителя, выход делителя напряжений связан через восьмой усилитель с первым входом четвертого вычитателя, второй вход которого связан с выходом четвертого усилителя, выходы третьего усилителя, делителя напряжений и четвертого вычитателя являются информационными выходами устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4