Устройство для контроля толщины реборды железнодорожных колес

 

Сущность изобретения: выход генератора электромагнитных волн соединен с входом первого разветвителя, выходы которого соединены с входами направленных устройств, выходы основных каналов которых соединены с входами антенн. Выход бокового канала одного направленного устройства соединен через фазовращатель с входом второго разветвителя, а выход бокового канала другого направленного устройства соединен с входом третьего разветвителя. Одни выходы этих разветвителей соединены с входами фазового детектора: опорным и сигнальным, а вторые выходы соединены с входами амплитудных детекторов. Выходы амплитудных детекторов соединены с входами первого и второго пороговых устройств, а выходы последних соединены с входами схемы И. Выход фазового детектора соединен с сигнальным входом ключевого элемента. Выход схемы И соединен с управляющим входом ключевого элемента, выход которого соединен с входом индикатора. Электрическая ось одной антенны направлена на боковую, рабочую поверхность реборды эталонного или контролируемого колеса под острым углом к их осям, а электрическая ось другой антенны направлена по нормали к внешней поверхности обода тех же колес. Устройство обеспечивает автоматический бесконтактный процесс измерения толщины реборды железнодорожных колес на ходу состава с повышенной точностью и помехозащищенностью, так как измерение толщины реборды производится фазовым методом. 4 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, может быть использовано для автоматического бесконтактного контроля толщины реборды железнодорожных (ЖД) колес подвижных составов.

В процессе эксплуатации ЖД подвижных составов происходит изнашивание (утончение) реборд ЖД колес, что может привести к ЖД катастрофе по причине схода состава с рельсов из-за разрушения утонченных реборд колес.

Известно устройство для контроля износа гребня колесной пары подвижного состава [1] Оно содержит излучатель и чувствительный к излучению элемент. Электрическая ось излучателя направлена на рабочую поверхность реборды колеса, ось взаимосвязанного с ним чувствительного элемента ориентирована по направлению излучения, отраженного от рабочей поверхности реборды с предельным вертикальным подрезом.

Недостаток этого устройства состоит в том, что оно может измерять лишь предельно допустимый максимальный подрез реборды колеса, а не ее износ. Кроме того, предельный подрез может быть обнаружен в оптическом или инфракрасном диапазонах длин электромагнитных волн. В этих диапазонах устройство неустойчиво к помехам в виде грязи.

Также известно устройство для определения дефектов колес ЖД составов (радиальный износа обода ЖД колеса, радиальный износ реборды и ее ширины), которое принято за прототип изобретения [2] Это устройство для каждого рельса содержит СВЧ-генератор, четыре приемопередающие антенны, разветвитель сигнала генератора на четыре канала, четыре направленных ответвителя, несколько амплитудных детекторов, фазовращатели, монтажную плату, направляющий рельс и новую ЖД колесную пару. Монтажная плата закреплена с внутренней стороны ходового рельса, а направляющий рельс с противоположной стороны этого рельса. На монтажной плате установлены три антенны, электрические оси которых перпендикулярны внутренней боковой поверхности обода колеса. Четвертая антенна установлена в углублении головки рельса с его внутренней стороны электрической осью в сторону рабочей поверхности реборды колеса и служит для измерения износа реборды.

В состав устройства для измерения износа толщины реборды входят генератор электромагнитных волн, аттенюатор, разветвитель сигналов на три канала, направленный ответвитель (первое направленное устройство), циркулятор (второе направленное устройство), две приемопередающие антенны, фазовращатель, два амплитудных детектора, индикаторное устройство, монтажная плата, направляющий рельс и новая колесная пара. Выход генератора соединен через аттенюатор и переключатель с входом разветвителя сигналов на три канала. Один выход этого разветвителя соединен с входом направленного ответвителя, боковой канал которого нагружен на один амплитудный детектор, а выход основного канала этого ответвителя соединен с входом второго направленного устройства (циркулятора). Выходы этого устройства соединены один с входом одной антенны, а другой через фазовращатель с входом другой антенны. Второй выход разветвителя соединен с согласованной нагрузкой, а третий с контроллером постоянного тока. Один выход контроллера соединен с индикатором, а другой с принтером. Одна антенна установлена в углублении внутренней поверхности головки рельса электрической осью в направлении рабочей поверхности реборды, а другая электрической осью перпендикулярно внутренней боковой поверхности ЖД колеса. Устройство для измерения износа реборды работает следующим образом. Колесо внешней боковой поверхностью обода опирается на направляющий рельс. Между рабочей поверхностью реборды колеса и внутренней поверхностью головки рельса образуется зазор. Для новой колесной пары этот зазор минимален. Измерительную схему с помощью фазовращателя настраивают на минимум суммарного сигнала двух антенн, когда на ходовых рельсах находится новая колесная пара. При износе реборды этот зазор увеличивается, о чем будет свидетельствовать разбаланс измерительной схемы, а именно на выходе схемы появится сигнал, по изменению амплитуды которого судят об износе реборды.

Это устройство имеет ряд недостатков. Антенна, измеряющая износ реборды, размещается в углублении головки рельса. Но ЖД ГОСТы категорически запрещают делать любые углубления в головке рельса, так как это может привести к поломке рельсов при эксплуатации и крушению ЖД состава и изготовители рельсов в этом случае не будут нести ответственности. По условиям безопасной эксплуатации ЖД подвижных составов ЖД ГОСТы категорически запрещают ограничивать продольные смещения колес, так как для этих целей служат реборды. Установка направляющих рельсов на двух ходовых рельсах напротив друг друга недопустима, так как допуски на изготовление длины оси колесной пары составляют 7-10 мм, что соизмеримо с допустимым износом реборд. Поэтому относительная погрешность измерения толщины реборды с помощью такого устройства составляет 50-70% что неприемлемо для целей измерения толщины реборд. Кроме того, направляющие рельсы не выдержат длительно ударов тысяч колес.

Техническим результатом изобретения является автоматическое измерение толщины реборды бесконтактным методом на ходу ЖД состава, увеличение надежности и точности измерения и упрощение конструкции.

Этот результат достигается благодаря тому, что устройство для контроля толщины реборды ЖД колес содержит генератор электромагнитных волн, три разветвителя на два канала, два направленных устройства, две приемнопередающие антенны, два амплитудных и один фазовый детекторы, фазовращатель, два пороговых устройства, ключевой элемент, логическую схему И, индикатор и эталонный объект, который выполнен в виде колеса новой ЖД колесной пары.

Выход генератора соединен с входом первого разветвителя, выходы которого соединены с входами направленных устройств, выходы основных каналов которых соединены с входами антенн. Выход бокового канала одного направленного устройства соединен через фазовращатель с входом второго разветвителя, а выход бокового канала другого направленного устройства соединен с входом третьего разветвителя. Одни выходы этих разветвителей соединены с входами фазового детектора: опорным и сигнальным, а вторые выходы соединены с входами амплитудных детекторов. Выходы амплитудных детекторов соединены с входами первого и второго пороговых устройств, а выходы последних соединены с входами схемы И. Выход фазового детектора соединен с сигнальным входом ключевого элемента. Выход схемы И соединен с управляющим входом ключевого элемента, выход которого соединен с входом индикатора.

Электрическая ось одной антенны направлена на боковую рабочую поверхность реборды эталонного или контролируемого ЖД колеса под острым углом к их осям, а электрическая ось другой антенны направлена по нормали к внешней поверхности обода тех же колес.

Отличительными признаками изобретения являются фазовый детектор, два дополнительных разветвителя, выполнение всех трех разветвителей на два канала, два пороговых устройства, ключевой элемент, логическая схема И, электрические связи введенных элементов схемы и местоположение антенн относительно колеса ЖД колесной пары.

Колеса ЖД колесной пары изготавливаются с допуском 2 мм. Толщина реборды на половине ее высоты равна 30 мм. Допустимый износ реборды составляет 7 мм. При длине рабочей волны, равной 2,8 см, максимальное изменение фазы за счет износа реборды составит π (при распространении волны в одном направлении p/2 и в другом также π/2). Погрешность измерения разности фаз между сигналами, отраженными от обода и реборды ЖД колеса, за счет допуска на изготовление колес составит Δ(ΔΦ) = 2πд/Λ = 0,2·2π/2,8 = 0,14π (1) где Δ(ΔΦ) погрешность измерения разности фаз; ΔΦ разность фаз сигналов, отраженных от обода колеса и его реборды; L -рабочая длина волны генератора; д допуск на изготовление ЖД колес (0,2 см).

Обод и реборда облучаются под разными углами, поэтому уменьшение толщины (Δl) реборды через измеренное значение разности фаз ΔΦ равно Dl = ΔΦΛcosα/4π (2) где α угол, образованный электрической осью антенны, облучающей реборду, и осью ЖД колеса.

Оптимальное значение угла a на ЖД России равно 25^o, так как в этом случае облучение происходит перпендикулярно боковой рабочей поверхности реборда. В этом случае отраженный ребордой сигнал будет иметь максимальное значение, а значит, максимально превышать сигналы, отраженные посторонними предметами (рельсами, шпалами и насыпью), что обеспечит максимальную точность измерения разности фаз DF. Конструкция устройства и способ его функционирования поясняются чертежами.

На фиг.1 представлена электрическая структурная схема устройства.

На фиг. 2 приведены диаграммы напряжений на выходах различных элементов устройства во время прохождения колес ЖД состава мимо антенн (U_пу1 - напряжение на выходе первого порогового устройства; U_пу2 напряжение на выходе второго порогового устройства; U_фд напряжение на выходе фазового детектора; U_вых.кэ напряжение на выходе ключевого элемента).

На фиг.3 представлена часть ЖД колеса, контактирующая с головкой рельса, где 01 и 02 точки пересечения электрических осей антенн с поверхностями реборды и обода ЖД колеса.

На фиг. 4 представлена схема расположения антенн относительно реборды и обода ЖД колеса.

На фигурах 1 генератор электромагнитных волн (Г), 2 двухканальный разветвитель (РМ1, РМ2 и РМ3), 3 направленное устройство (НУ1, НУ2), 4 - приемопередающая антенна (А1 и А2), 5 аттенюатор (Ат), 6 фазовращатель (ФВ), 7 амплитудный детектор (АД1 и АД2), 8 фазовый детектор (ФД), 9 - усилитель (У), 10 пороговое устройство (ПУ1 и ПУ2), 11 ключевой элемент (КЭ), 12 логическая схема И(И), 13 индикатор (Инд), 14 реборда ЖД колеса (РК), 15 обод ДЖ колеса (ОК), 16 головка ЖД рельса.

Генератор 1 может быть выполнен на полупроводниках по известным схемам автогенераторов со стабилизацией частоты кварцем СВЧ-диапазона, например, на волне 2,8 см. При длине волны меньше 2,8 см может возникнуть неоднозначный отсчет разности фаз DF, а при существенно более длинной волне уменьшится абсолютное значение изменения фазы DF, а следовательно, возрастает погрешность измерения. Генератор может быть выполнен мощностью в единицы мВт с амплитудной модуляцией звуковой частоты.

Двухканальный разветвитель 2 может быть выполнен полосковым, волноводным в виде Т-моста, на коаксиальной или двухпроводной линии и т.п.

Направленное устройство 3 может быть выполнено на полосковой линии, на кабеле, на волноводе и т.п.

Приемопередающая антенна 4 может быть выполнена рупорной, в виде открытого конца волновода, быть диэлектрической и т.п.

Аттенюатор 5 может быть выполнен ножевым, поляризационным-пленочным, ферритовым, с применение запредельного волновода и т.п.

Фазовращатель 6 может быть выполнен тромбонным, поляризационным, ферритовым, с использование раздвижной линии и т.п.

Амплитудный детектор 7 может быть выполнен на СВЧ полупроводниковом диоде и т.п.

Фазовый детектор 8 может быть собран на резисторах, индуктивностях, емкостях и диоде.

Усилитель 9 может быть выполнен на полупроводниковых приборах звуковой частоты.

Пороговое устройство 10 может быть выполнено на резисторе и диоде.

Ключевой элемент 11 должен содержать по меньшей мере один управляемый открытый контакт и может быть выполнен на микросхемах.

Схема И 12 может быть выполнена на микросхеме по меньшей мере с двумя входами (двумя открытыми, последовательно соединенными контактами).

Индикатор 13 с одним входом может быть выполнен стрелочным, цифровым, а также в виде счетчика с пороговым устройством на входе или самописца.

Устройство для контроля толщины реборды ЖД колес содержит генератор 1, три двухканальных разветвителя 2, два направленных устройства 3, две приемопередающие антенны 4, аттенюатор 5, фазовращатель 6, два амплитудных 7 и один фазовый 8 детекторы, три усилителя 9, два пороговых устройства 10, ключевой элемент 11, схему И 12, индикатор 13 и эталонную колесную пару.

Выход генератора 1 соединен с входом первого разветвителя 2(РМ1), выходы которого соединены с входами направленных устройств 3 (НУ1 и НУ2), выходы основных каналов которых соединены с входами антенн 4 (А1 и А2). Выход бокового канала НУ2 соединен через фазовращатель 6 с входом разветвителя РМ3, а выход бокового канала НУ1 соединен с входом РМ2 через аттенюатор 5. Одни выходы РМ2 и РМ3 соединены с входами фазового детектора 8, а вторые их выходы соединены с входами амплитудных детекторов 7 (АД1 и АД2). Выходы АД1 и АД2 соединены с входами первого (ПУ1) и второго (ПУ2) пороговых устройств 10 через усилители 9.Выходы ПУ1 и ПУ2 соединены с входами схемы И 12. Выход фазового детектора 8 соединен с сигнальным входом ключевого элемента 11. Выход схемы И соединен с управляющим входом ключевого элемента 11, выход которого соединен с входом индикатора 13 (фиг.1).

Электрическая ось антенны А1 направлена на боковую рабочую поверхность реборды эталонного или контролируемого колеса под углом 25^o к их оси, а электрическая ось антенны А2 направлена по нормали к внешней поверхности обода тех же колес.

Устройство работает следующим образом.

Включают генератор 1, с помощью антенн А1 и А2 облучают реборду и обод эталонного колеса. Этими же антеннами принимают отраженные от реборды и обода сигналы. Эти сигналы проходят через фазовые и амплитудные каналы. Фазовые каналы включают ФВ 6, вход и один выход РМ3, вход опорного сигнала ФД 8, а также Ат 5, вход и один выход РМ2 и сигнальный вход фазового детектора 8. Один амплитудный канал включает Ат 5, вход РМ2 и другой его выход, АД1 7, У 9, ПУ1 10 и один вход схемы И 12. Второй амплитудный канал включает ФВ 6, вход РМ3 и другой его выход, АД2 7, У 9, ПУ2 10 и второй вход схемы И 12. С фазового детектора сигнал поступает на сигнальный вход КЭ 11, контакт которого разомкнут, и на индикатор сигнал не поступает, если сигналы в амплитудных каналах меньше порогов ПУ1 и ПУ2. Если сигналы в обоих амплитудных каналах больше пороговых значений, сигналы поступают на схему И, которая срабатывает замыкается контакт КЭ 11, на индикатор поступает сигнал с фазового детектора. С помощью ФВ 6, изменяя его положение, добиваются минимального показания индикатора 13. С помощью Ат 5 этот минимум можно углубить путем выравнивания амплитуд в обоих амплитудных каналах. После этого эталонное колесо заменяют контролируемым. Можно пропустить мимо антенн 4 целый ЖД состав. По индикатору 13 отсчитывают разность фаз сигналов, отраженных от реборды и обода контролируемых колес. По формуле (2) определяют степень износа реборды насколько она утончилась. Если шкалу индикатора проградуировать в мм, тогда отсчет износа реборды можно производить непосредственно со шкалы индикатора.

Необходимо отметить что фазовый канал включен всегда, но на индикатор сигнал поступает только тогда, когда в амплитудных каналах сигналы превышают пороговые напряжения на пороговых устройствах ПУ1 и ПУ2.

Измерение толщины реборды бесконтактным методом на ходу ЖД состава достигается за счет отсутствия контакта устройства с колесами ЖД колесных пар. Автоматическое измерение достигается за счет того, что схема измерения включена всегда. Увеличение надежности и точности измерения достигается за счет использования фазового метода измерения, который более точен и более помехозащищен. Конструкция упростилась за счет исключения монтажной платы, направляющих рельсов и не требует доработки конструкции рельса, так как антенны предложенного устройства могут крепится не к рельсу, а к шпалам.

Формула изобретения

Устройство для контроля толщины реборды железнодорожных колес, содержащее генератор электромагнитных волн, разветвитель сигналов, два направленных устройства, две приемоперадающие антенны, два амплитудных детектора, фазовращатель, вход которого соединен с боковым каналом первого направленного устройства, индикатор и эталонную колесную пару, электрическая ось одной из антены направлена в сторону рабочей поверхности реборды колеса, а другой на боковую поверхность обода того же колеса, отличающееся тем, что в него введены дополнительно два разветвителя сигналов, фазовый детектор, два пороговых устройства, ключевой элемент с разомкнутым контактом и логическая схема И, причем все три разветвителя выполнены на два канала, кроме того, выход генератора соединен с входом первого разветвителя, выходы которого соединены с входами направленных устройств, выходы основных каналов этих устройств соединены с входами антенн, выход фазовращателя с входом второго разветвителя, один выход которого соединен с первым входом фазового детектора, а второй с входом одного амплитудного детектора, выход бокового канала второго направленного устройства соединен с входом третьего разветвителя, один выход которого соединен с вторым входом фазового детектора, а другой выход с входом второго амплитудного детектора, выход каждого амплитудного детектора через свое пороговое устройство соединен с разными входами схемы И, выход которой соединен с управляющим входом ключевого элемента, причем выход фазового детектора соединен с сигнальным входом ключевого элемента, а выход которого соединен с входом индикатора, кроме того, электрическая ось одной из антенн направлена по нормали к рабочей поверхности реборды, а электрическая ось другой антенны по нормали к внешней поверхности обода того же колеса.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4