Способ измерения износа реборды железнодорожных колес и устройство для его осуществления

 

Способ основан на одновременном облучении электромагнитными волнами под острым углом к оси колесной пары рабочей поверхности реборды и по нормали к внутренней боковой поверхности обода колеса эталонной железнодорожной колесной пары, приеме сигналов, отраженных от реборды и обода, и измерения износа по отличию суммы разностей фаз сигнала на выходе генератора и сигнала отраженного от реборды и разность фаз сигнала на выходе генератора и сигнала, отраженного от обода колеса, полученных для контролируемой колесной пары, от целого числа π радиан, в при замене эталонной колесной пары на контролируемую. Устройство содержит генератор электромагнитных волн, два направленных устройства, связанных выходами основных каналов с двумя приемопередающими антеннами, трехканальный разветвитель сигналов, вход которого соединен с выходом генератора, а первый выход - с выходом направленного устройства, связанного с первой антенной, два амплитудных детектора, фазовращатель, три двухканальных разветвителя сигналов, два фазовых детектора, два пороговых устройства, сумматор сигналов по модулю, логический элемент И и ключевой элемент. Повышает надежность и точность измерения при упрощении конструкции. 2 с.п. ф-лы., 3 ил.

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

В процессе эксплуатации ЖД подвижных составов происходит изнашивание (утончение) реборды и ЖД колес, что может привести к ЖД катастрофе.

Известно устройство для контроля износа реборды колес колесной пары подвижного состава и способ его работы (СССР, ав.св. N 1211128, B 61 K 9/12, G 01 B 15/02, 21/02, Бюл. N 6, 15.02.84). Устройство 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. Реборду облучают электромагнитными волнами (эмв) оптического или инфракрасного диапазона волн. Волны, отраженные от реборды с допустимым износом, не попадают на вход чувствительного элемента. При предельном подрезе реборды луч, отраженный от реборды, попадает на вход чувствительного элемента, и устройство вырабатывает тревожный сигнал (импульс тока или напряжения). Недостаток этого устройства состоит в том, что оно не измеряет износ реборды, а лишь контролирует предельно допустимый ее подрез. 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, налипшей на излучатель и чувствительный элемент.

Также известно устройство для определения дефектов колес ЖД составов (радиального износа обода ЖД колеса, радиального износа реборды и ее ширины) и способ его работы, которое принято за прототип изобретения (PCT, патент N WO 92/00214, B 61 K 9/12, 1992 г.). 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 реборды входят: генератор электромагнитных волн, аттенюатор, трехканальный разветвитель сигналов, 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 со 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 со 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 обода колеса колесной пары. Устройство для измерения износа реборды работает следующим образом. Колесо внешней боковой поверхностью обода опирается на направляющий рельс, что устраняет возможное поперечное смещение колесной пары на рельсах. Между рабочей поверхностью реборды колеса и внутренней поверхностью головки рельса образуется зазор. Для колеса 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 входе индикатора 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; изготовители рельсов ответственности не несут. По условиям безопасной эксплуатации ЖД подвижных составов, ГОСТы категорически запрещают ограничивать продольные смещения колес, так как для этих целей служат реборды колес. Установка направляющих рельсов на двух ходовых рельсов недопустима, так как допуски длины при изготовлении колесной пары составляют 7 - 10 мм, что соизмеримо с допустимым износом реборды. Поэтому относительная погрешность измерения толщины реборды с помощью такого устройства составляет 70 - 100%, что неприемлемо при измерении износа реборды. Кроме того, направляющие рельсы не выдержат длительно ударов тысяч колес. Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является автоматическое измерение износа бесконтактным методом на ходу железнодорожного состава, увеличение надежности и точности измерения и упрощение конструкции. Технический результат достигается в описанных ниже способе и устройстве.

Способ измерения износа реборды железнодорожных колес основан на одновременном облучении электромагнитными волнами рабочей поверхности реборды и по нормали к внутренней боковой поверхности обода колеса эталонной железнодорожной колесной пары, приеме сигналов, отраженных от реборды и обода, и измерения износа по изменению сигналов на замене эталонной колесной пары на контролируемую, рабочую поверхность реборды колеса облучают под острым углом к оси колесной пары, измеряют разность, фаз сигнала на выходе генератора и сигнала, отраженного от реборды, и разность фаз сигнала на выходе генератора и сигнала, отраженного от обода колеса, суммируют по модулю полученные разности, а параметры тракта приема одного из отраженных сигналов устанавливают, изменяя фазу указанного сигнала с возможностью получения для эталонного колеса суммы указанных разностей, кратной целому числу π радиан, а износ определяют по отличию суммы указанных разностей фаз, полученных для контролируемой колесной пары, от упомянутого целого числа π радиан.

Математическое обоснование способа измерения износа.

Обозначим возможное поперечное смещение колеса колесной пары на рельсах из-за износа пути буквой x, расстояния от фазовых центров антенн до фазовых центров отражений электромагнитных волн от реборды и обода колеса буквами a и b соответственно, а износ реборды Δa. Угол, образованный электрической осью антенны, облучающей реборду, и осью колеса, обозначим буквой α. Известно, что в случае обратного-радиолокационного отражения разность фаз ΔΦ когерентных электромагнитных волн определяется по формуле (1): ΔΦ = 2kl, (1) где k - волновое число, равное 2πΛ; Λ - длина электромагнитной волны, на которой ведется измерение; l - расстояние от фазового центра антенны до фазового центра отражений.

Сумма (Φ) разностей фаз (Φ_a) волн, отраженным от реборды, и разности фаз (Φ_b) обода колеса будет равна: (2) соответствует облучению реборды слева и смещению колесной пары на рельсах вправо, а (3) - облучению реборды слева и смещению колесной пары влево.

В первом приближении cos малого угла x в сумму разности фаз Φ не входит, так как cos такого угла с точностью до второго порядка равен 1. В таком приближении формулы (2) и (3) могут быть преобразования в вид: Φ = 2_k(a+Δ_a+b) (4) Для эталонной колесной пары Δ_a = 0. Сумму разностей фаз Φ₀ электромагнитных волн (эвм), отраженных от реборды и обода эталонного колеса с помощью фазовращателя, включенного в тракт одной из приемных антенн, делают кратной целому числу π рад. Это может быть зафиксировано по минимуму или нулю Φ₀ на выходе сумматора. Поэтому уравнение измерения износа реборды записывается в виде (5): Δ_a= Φ/2_k (5)
Из формулы (5) следует, что сумма фаз эмв, отраженных от реборды и обода колеса, пропорциональна износу толщины реборды с точностью до второго порядка малости относительно значения cos малого угла α, значение которого не может быть равно нулю и превышать 25^o. При значении угла 25^o рабочая поверхность реборды облучается по нормали к ее образующей. При износе реборды угол между рабочей поверхностью реборды и поверхностью круга катания приближается к 90^o, поэтому образуется уголковый отражатель. По этой причине при износе реборды отражение эмв от нее увеличивается, что положительно сказывается на точности измерения. При угле α меньше 5^o обратные отражения от внешней поверхности обода колеса могут стать соизмеримыми с отражением от реборды, что недопустимо, так как это приведет к увеличению погрешности измерения. Оптимальное значение угла α = 10 - 15^o, cos этих углов равен 0,98 - 0,97. Относительная погрешность измерения износа реборды составит не более 3% от максимально допустимого поперечного смещения колесной пары на рельсах, которое не превышает 30 мм. Следовательно, максимально возможная абсолютная погрешность измерения износа реборды из-за поперечного смещения колесной пары на рельсах составит 0,9 мм. Это менее 10% максимально допустимого износа реборды, равного 10 мм.

Устройство для контроля износа реборды ЖД колес содержит генератор электромагнитных волн (эмв) СВЧ диапазон, один трехканальный и три двухканальных разветвителя сигналов, два пороговых устройства, два направленных устройства, две приемопередающие антенны, два фазовых и два амплитудных детектора, фазовращатель, для пороговых устройства, сумматор сигналов, логическую схему И, ключевой элемент с управляемым разомкнутым контактом, индикатор и эталонный объект, который выполнен в виде колеса новой ЖД колесной пары.

Выход генератора соединен со входом трехканального разветвителя два выхода которого соединены со входами направленных устройств, а третий - с входом одного двухканального разветвителя. Выходы основных каналов направленных устройств соединены с входами антенн. Выход бокового канала каждого направленного устройства соединен с входом своего двухканального разветвителя.

Выход двухканального разветвителя соединен через аттенюатор с сигнальным входом фазового детектора, а выход другого двухканального разветвителя соединен через фазовращатель с сигнальным входом другого фазового детектора. Входы опорного сигнала фазовых детекторов соединены с выходами двухканального разветвителя, который соединен с трехканальным разветвителем.

Вторые выходы двухканальных разветвителей, входы которых соединены с выходами боковых каналов направленных устройств, соединены с входами своих амплитудных детекторов, выходы которых соединены с входами своих пороговых устройств. Выходы пороговых устройств соединены с разными входами схемы И.

Выходы фазовых детекторов соединены с разными входами сумматора, выход которого соединен с сигнальным входом ключевого элемента. Управляющий вход этого элемента соединен с выходом схемы И. Выход ключевого элемента соединен с входом индикатора.

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

Отличительными признаками изобретения являются: два фазовых детектора, два пороговых устройства, три двухканальных разветвителя сигналов, сумматор сигналов фазовых детекторов, ключевой элемент, логическая схема И, электрические связи введенных элементов измерительной схемы и расположение оси одной из антенн относительно рабочей поверхности реборды колеса ЖД колесной пары.

На фиг. 1 представлена электрическая структурная схема устройства по изобретению; на фиг. 2 приведены диаграмма напряжений на выходах различных элементов устройства во времени прохождения колес ЖД состава мимо антенн (U_пу1 - напряжение на выходе первого порогового устройства; U_пу2 - напряжение на выходе второго порогового устройства; U_выхΣ напряжение на выходе сумматора сигналов фазовых детекторов; U_вых.КЭ - напряжение на выходе ключевого элемента).

На фиг. 3 представлена схема расположения антенн относительно реборды и обода ЖД колеса.

На фигурах введены обозначения: 1 - генератор электромагнитных волн (Г); 2 - трехканальный разветвитель (ТР); 3 - двухканальный разветвитель (ДР1, ДР2 и ДР3); 4 - направленное устройство (НУ1 и НУ2); 5 - приемопередающая антенна (А1 и А2); 6 - переменный аттенюатор (Ат); 7 - фазовый детектор (ФД1 и ФД2); 8 - фазовращатель (ФВ); 9 - усилитель (У); 10 - сумматор по модулю сигналов фазовых детекторов (Σ); ; 11 - амплитудный детектор (АД1 и АД2); 12 - пороговое устройство (ПУ1 и ПУ2); 13 - логическая схема И (И); 14 - ключевой элемент (КЭ); 15 - индикатор (Инд); 16 - реборда ЖД колеса (РК); 17 - обод ЖД колеса (ОК).

Генератор 1 эмв может быть выполнен на полупроводниках по известным схемам автогенераторов со стабилизацией частоты кварцем. Для устранения неоднозначности отсчета суммы разности фаз отражений от реборды и обода колеса длина волны генератора должна быть больше учетверенного значения максимально допустимого износа реборды 10 мм, т.е. больше 40 мм. Генератор может быть выполнен мощностью в единицы мВт с амплитудной модуляцией звуковой частоты.

Разветвители сигналов 2 и 3 на три и два канала могут быть выполнены полосковым, волноводным, на коаксиальной или двух проводной линиях и т.п.

Направленное устройство 4 может быть выполнено на полосковой линии, на кабеле, на волноводе и т.п.

Приемоперадающая антенна 5 может быть выполнена рупорной, в виде открытого конца волновода, быть диэлектрической и т.п.

Переменный аттенюатор 6 может быть выполнен ножевого типа, поляризационным - пленочным, ферритовым, с применением запредельного волновода и т.п.

Фазовый детектор 7 может быть собран на резисторах, индуктивности, емкостях и диоде.

Фазовращатель 8 может быть выполнен тромбонным, поляризационным, ферритовым, с использованием раздвижной линии и т.п. с максимальным изменением фазы не менее 2π рад.

Усилитель 9 может быть выполнен на полупроводниковых приборах звуковой частоты по известным схемам усилителей.

Сумматор 10 по модулю может быть собран на потенциометре со средней точкой. К одной половине потенциометра подключается выход одного фазового детектора, а к другой - другого фазового детектора и так, чтобы выходные напряжения фазовых детекторов складывались, т.е. последовательно. С крайних точек потенциометра снимается измеряемое выходное суммарное (по модулю) напряжение, пропорциональное износу реборды.

Амплитудный детектор 11 может быть выполнен на СВЧ полупроводниковом диоде.

Пороговое устройство 12 может быть выполнено на резисторе и диоде.

Схема И 13 может быть выполнена на микросхеме по меньшей мере с двумя входами (двумя открытыми и последовательно соединенными контактами) и одним выходом.

Ключевой элемент 14 должен содержать по меньшей мере один управляемый открытый контакт и может быть выполнен на микросхеме.

Индикатор 15 может быть выполнен стрелочным, цифровым, а также в виде счетчика с пороговым устройством на входе или самописца.

Устройство для измерения износа реборды ЖД колес содержит (фиг. 1) генератор 1 электромагнитных волн (эмв), один трехканальный 2 и три двухканальных 3 разветвителя сигналов, два направленных устройства 4, две приемопередающие антенны 5, аттенюатор 6, два фазовых 7 и два амплитудных 11 детектора, фазовращатель 8, четыре усилителя 9, сумматор 10, два пороговых устройства 12, схему И 13, ключевой элемент 14, индикатор 15 и колесо эталонной колесной пары (реборду 16 и обод 17).

Выход генератора 1 соединен со входом трехканального разветвителя 2 ТР, два выхода которого соединены со входами направленных устройств 4 НУ1 и НУ2, а третий - с входом третьего разветвителя 3 ДР3. Выходы основных каналов направленных устройств 4 соединены с входами антенн 5 А1 и А2. Выход бокового канала направленного устройства 4 НУ1 соединен с входом первого разветвителя 3 ДР1, а выход другого направленного устройства 4 НУ2 соединен с входом второго разветвителя 3 ДР2.

Один выход разветвителя 3 ДР1 соединен через аттенюатор 6 с сигнальным входом фазового детектора 7 ФД1, а вход его опорного сигнала соединен с одним выходом третьего разветвителя 3 ДР3. Выход бокового канала направленного устройства 4 НУ2 соединен с входом второго разветвителя 3 ДР2. Один выход разветвителя 3 ДР2 соединен через фазовращатель 8 с сигнальным входом фазового детектора 7 ФД2, а вход его опорного сигнала соединен с вторым выходом третьего разветвителя 3 ДР3.

Второй выход разветвителя 3 ДР1 соединен с входом амплитудного детектора 11 АД1, выход которого через усилитель 9 соединен с входом порогового устройства 12 ПУ1. Второй выход разветвителя 3 ДР2 соединен с входом амплитудного детектора 11 АД2, выход которого через усилитель 9 соединен с входом порогового устройства 12 ПУ2. Выходы пороговых устройств соединены с разными входами схемы И 13.

Выходы фазовых детекторов 11 АД1 и АД2 через усилители 9 соединены с разными входами сумматора 10, выход которого соединен с сигнальным входом ключевого элемента 14. Управляющие вход этого элемента соединен с выходом схемы И 13. Выход ключевого элемента 14 соединен с входом индикатора 15.

Электрическая ось антенны 5 А1 направлена на боковую, рабочую поверхность реборды эталонного или контролируемого колеса под углом 10^o к их оси, а электрическая ось антенны 5 А2 направлена по нормали к внутренней боковой поверхности обода тех же колес (фиг. 3).

Для уменьшения влияния излучений одной приемопередающей антенны на другую антенны устанавливаются так, что их электрические оси в пространстве не пересекаются, а поляризации излучения этих антенн взаимно ортогональны.

Способ измерения износа реборды с помощью описанного устройства состоит в следующем. Реборду 16 эталонного колеса облучают электромагнитными волнами СВЧ диапазона в направлении ее боковой, рабочей поверхности под острым углом к оси колеса (фиг. 3) с помощью антенны 5 А1. В качестве эталонного колеса применяют колеса новой колесной пары. Обод 17 колеса также облучают когерентными волнами по нормали к его внутренней боковой поверхности с помощью антенны 5 А2. Этими антеннами одновременно принимают эмв, отраженные ребордой и ободом колеса в обратном направлении. С помощью фазовых детекторов 7 ФД1 и ФД2 измеряют разность фаз отраженных волн по отношению к фазе волн на выходе генератора 1. С помощью сумматора 10 суммируют по модулю измеренные значения разностей фаз эмв, отраженных от реборды и обода. Затем с помощью фазовращателя 8 изменяют фазу волн, отраженных от обода колеса так, чтобы сумма фаз волн, отраженных от реборды и обода в точке приема, была кратна π рад. Этот факт устанавливают по минимальному показанию индикатора 15. С помощью аттенюатора 6 можно добиться нулевого показания индикатора 15. Заменяют эталонное колесо на измеряемое и по отличию суммы разности фаз от целых π рад, по формуле (5) определяют износ реборды колеса, который пропорционален изменению этой суммы.

Необходимо отметить, что фазовые каналы включены всегда, но на индикатор 15 сигнал с сумматора 10 поступает только тогда, когда в амплитудных каналах сигналы одновременно превышают пороговые напряжения пороговых устройствах 12 ПУ1 и ПУ2 (фиг. 2).

Измерение износа реборды бесконтактным методом на ходу ЖД состава достигается за счет отсутствия контакта антенн 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 точнее амплитудного, так как более помехозащищен. Конструкция упростилась за счет исключения монтажной платы направляющих рельсов и не требует доработки конструкции ходового рельса, так как антенны предложенного устройства могут крепиться к шпалам или зажимам к подошве рельса, без нарушения его целостности.

При включении устройства в систему свободного ЖД пути с путевыми датчиками и синхронизации их работы можно будет определять к какой по счету колесной паре принадлежат показания индикатора.

Формула изобретения

1. Способ измерения износа реборды железнодорожных колес, основанный на одновременном облучении электромагнитными волнами рабочей поверхности реборды и по нормали к внутренней боковой поверхности обода колеса эталонной железнодорожной колесной пары, приеме сигналов, отраженных от реборды и обода, и измерения износа по изменению сигналов при замене эталонной колесной пары на контролируемую, отличающийся тем, что рабочую поверхность реборды колеса облучают под острым углом к оси колесной пары, измеряют разность фаз сигнала на выходе генератора и сигнала, отраженного от реборды, и разность фаз сигнала на выходе генератора и сигнала, отраженного от обода колеса, суммируют по модулю полученные разности, а параметры тракта приема одного из отраженных сигналов устанавливают, изменяя фазу указанного сигнала с возможностью получения для эталонного колеса суммы указанных разностей, кратной целому числу π радиан, а износ определяют по отличию суммы указанных разностей фаз, полученных для контролируемой колесной пары, от упомянутого целого числа π радиан.

2. Устройство для контроля износа реборды железнодорожных колес, содержащее генератор электромагнитных волн, два направленных устройства, связанных выходами основных каналов с двумя приемопередающими антеннами, электрическая ось первой из которых направлена в сторону рабочей поверхности реборды колеса, а электрическая ось второй - в сторону внутренней поверхности обода колеса, трехканальный разветвитель сигналов, вход которого соединен с выходом генератора, а первый выход - с входом направленного устройства, связанного с первой антенной, два амплитудных детектора, фазовращатель, индикатор и эталонная железнодорожная колесная пара, отличающееся тем, что в него введены три двухканальных разветвителя сигналов, два фазовых детектора, два пороговых устройства, сумматор сигналов по модулю, логический элемент И и ключевой элемент, причем трехканальный разветвитель сигналов вторым выходом каждого из двух других соединен с боковым каналом соответствующего направленного устройства, один выход - с входом соответствующего амплитудного детектора, выходом через соответствующее пороговое устройство связан с соответствующим входом лирического элемента И, второй выход одного из двух упомянутых последними двухканальных разветвителей сигналов подключен к сигнальному входу одного из фазовых детекторов, а второй выход другого через фазовращатель - к сигнальному выходу другого фазового детектора, вход каждого из фазовых детекторов соединен с соответствующим входом сумматора сигналов по модулю, выход которого соединен с сигнальным входом ключевого элемента, управляющий вход которого подключен к выходу логического элемента И, а выход - к входу индикатора, при этом предназначенная для облучения реборды приемопередающая антенна размещена с возможностью образования острого угла между ее электрической осью и осью эталонной или контролируемой колесной пары.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3