Устройство для контроля рельефа поверхности износа головки рельса

 

Изобретение относится к технике бесконтактного контроля параметров головки рельса и может быть использовано в передвижных контрольно-измерительных лабораториях железнодорожного транспорта как в статичном состоянии, так и в динамике. Сущность технического решения заключается в том, что матричный вихретоковый преобразователь выполнен в виде множества катушек индуктивности, центры которых совмещены в одной точке и лежат на центральной оси преобразователя. Устройство позволяет повысить достоверность контроля за счет квазиодновременного локального измерения нескольких точек поверхности износа головки рельса. По точкам аппроксимируется рельеф поверхности износа, а по нему измеряется ширина, глубина и угол износа в любой точке этой поверхности. 3 ил.

Изобретение относится к средствам бесконтактного контроля параметров бокового износа головки рельса и может быть использовано в передвижных контрольно-измерительных лабораториях железнодорожного транспорта как в статике, так и динамике.

Известны устройства для контроля рельефа поверхности износа головки рельса, содержащие генератор высокой частоты, коммутатор, матричный вихретоковый преобразователь, размещенный нормально к поверхности катания головки рельса, амплитудные детекторы, входами подключенные к выходам преобразователя, компенсаторы, входы которых соединены с выходами детекторов, схема обработки сигналов преобразователя, входами связанная с выходами компенсаторов, и блок памяти с регистратором [1].

Эти устройства позволяют измерять только одну точку рельефа поверхности износа головки рельса в его поперечном профиле на уровне 13 мм от поверхности катания рельса и по полученному значению измерения косвенно судят о полном износе (параметрах износа) головки. В практике поверхность износа головки рельса в поперечном сечении носит нелинейный характер, поэтому для получения более достоверного результата износа необходимо измерять несколько точек рельефа поверхности в поперечном сечении рельса.

Наиболее близким техническим решением является устройство, содержащее также высокочастотной генератор, коммутатор, матричный вихретоковый преобразователь и компьютер для моделирования параметров износа головки рельса [2].

В описании этого устройства не раскрыта структурная схема преобразователя. Однако проведенные эксперименты на этом устройстве показали высокую сходимость экспериментальных и теоретических результатов, что позволяет выбрать оптимальные параметры электромагнитной матрицы преобразователя и его структуру, тем самым сократить сроки разработки измерительного устройства и уменьшить финансовые затраты на разработку.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что в устройстве, содержащем генератор высокой частоты, коммутатор, матричный вихретоковый преобразователь, размещенный нормально к поверхности катания головки рельса, амплитудные детекторы, входами подключенные к выходам преобразователя, компенсаторы, входы которых соединены с выходами детекторов, схема обработки сигналов преобразователя, входами связанная с выходами компенсаторов, и блок памяти с регистратором, преобразователь выполнен в виде n катушек индуктивности преобразователя, центры которых совмещены в одной точке и лежат на центральной оси преобразователя, перпендикулярной поверхности катания головки рельса, при этом размер в направлении поперечного сечения рельса каждой последующей из n катушек индуктивности, начиная от внутренней, выполнен по величине больше размера предыдущей катушки, а количество амплитудных детекторов и компенсаторов выбрано равным количеству n катушек.

Техническим результатом изобретения является обеспечение безопасности движения железнодорожного транспорта за счет повышения достоверности определения рельефа поверхности головки рельса в его поперечном профиле. Достоверность повышена вследствие квазиодновременного локального измерения "n" точек поверхности износа головки поперечного сечения рельса, по которым апроксимируется рельеф кривой поверхности износа, а по нему измеряется ширина, глубина и угол износа в любой точке этой поверхности.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства; на фиг. 2 показана схема размещения преобразователя над головой рельса на установочной высоте h₀; на фиг. 3 - конструкция матричного преобразователя в плане.

Устройство содержит (фиг. 1) генератор 1 высокой частоты, коммутатор 2, матричный вихретоковый преобразователь 3, состоящий из катушек индуктивности 4, 5,...,n, амплитудные детекторы 6, 7,...,n, компенсаторы 8, 9,...,n, схему обработки 10 информационных сигналов преобразователя 3, блок памяти 11 и регистратор 12. Генератор 1 подключен через коммутатор 2 к катушкам индуктивности 4, 5,...,n вихретокового преобразователя 3, выходы которого соединены со входами амплитудных детекторов 6,7,..,n, а выходы детекторов связаны со входами компенсаторов 8, 9,...,n. Выходы компенсаторов 8, 9,...,n подключены к входам схемы 10 обработки сигналов, а далее информационные сигналы попадают в блок памяти 11 и фиксируются на регистраторе 12.

Влияние высокой частоты возбуждения катушек индуктивности 4, 5,...,n преобразователя 3 устраняется коммутатором 2, который подключает катушки поочередно к генератору 1. Коммутатор 2 управляется опорным напряжением от тактового генератора (на фиг. 1-3 не показан). Частота коммутации выбирается из условий достаточности времени опроса информации с каждой из катушек с одной стороны и быстродействия опроса с другой стороны, но то и другое зависит от динамики процесса (скорости движения поезда).

Преобразователь 3 предназначен для преобразования измеряемых параметров в электрический сигнал. Конструктивно преобразователь 3 состоит из n накладных катушек индуктивности, размещенных нормально к поверхности катания головки рельса. Центры намотки катушек n совмещены в одной точке и лежат на центральной оси Z-Z преобразователя 3, перпендикулярной к поверхности катания рельса. Размер каждой из n последующих катушек в направлении X-X плоскости поперечного сечения головки рельса, начиная от внутренней меньшей по размеру катушки преобразователя 3, выполнен по величине больше размера предыдущей катушки. Размер катушек в направлении Y-Y продольной оси рельса может быть различным, хотя для упрощения технологии намотки катушек и обработки результатов измерения информации каждой из катушек n этот размер рекомендуется выполнить равным. Форма катушек должна быть симметричной относительно оси Y-Y. Катушка разного размера обладает разной чувствительностью к измеряемому расстоянию до точки, находящейся на поверхности головки рельса в направлении вертикальной оси Z-Z, и поэтому позволяет определить точный зазор до точки поверхности износа в поперечном сечении рельса.

Компенсаторы 8, 9,...,n напряжений предназначены для компенсации уровней начальных напряжений U_0i (i=n - число катушек, компенсаторов), соответствующих значениям напряжений на катушках при h₀ = 10 и при отсутствии износа головки рельса. Компенсаторы представляют собой блоки, собранные на операционных усилителях, на первые входы которых поступают через амплитудные детекторы промодулированные измеряемыми параметрами напряжения с катушек 4, 5,. . . ,n, а на вторые входы подаются опорные уровни напряжений U₀ от тактового генератора (на фиг. 1-3 не показан), значения которых устанавливаются величиной, соответствующей значениям напряжений на катушках при h₀ = 10 мм и отсутствии износа. Для обеспечения с одной стороны сглаживания импульсов, вызванных коммутацией, а с другой - пропускания полезного сигнала с минимальными искажениями, на выходах компенсаторов включены либо емкости определенной величины, либо в цепь обратной связи операционных усилителей включены фильтры.

Схема 10 обработки сигналов предназначена для оцифровки и унификации информационных сигналов преобразователя 3, которые затем подаются в блок 11 хранения информации, а в случаях требования визуального контроля - на регистратор 12. В качестве регистратора может быть использован визуальный прибор типа монитора.

Техническим результатом изобретения может быть обеспечение безопасности движения железнодорожного транспорта за счет повышения информативности о техническом состоянии рельса железнодорожного полотна.

Работа устройства. Преобразователь 3 располагают нормально над рельсом. С генератора 1 подается через коммутатор 2, обеспечивающий дискретное возбуждение катушек преобразователя 3, высокочастотное напряжение. При протекании через катушки индуктивности преобразователя 3 токов высокой частоты вокруг каждой из них создается электромагнитное поле, которое наводит в токопроводящем материале контролируемой головки рельса вихревые токи, вызывающие в рельсе первичную электродвижущую силу, а в катушках - вторичную электродвижущую силу. Величина взаимодействия первичной и вторичной электродвижущих сил является мерой измерения измеряемого параметра. Поскольку каждая из катушек преобразователя 3 имеет разный размер в сечении X-X, то ее диапазон измерения расстояния до определенной точки головки рельса (зазора между преобразователем и точкой рельефа поверхности износа) различен и измеряемое расстояние эквивалентно размеру катушки. Чем больше n катушек, тем больше можно измерить точек поверхности износа.

Техническим результатом изобретения является повышение безопасности движения железнодорожного транспорта.

Источники информации 1. Устройство для технической диагностики рельсового пути. Патент РФ N 2066646.

2. Диагностика рельефа поверхности бокового износа головки рельса. В кн. : Неразрушающий контроль и диагностика. Т. 1. Тезисы докладов на 15 Российской НТК. М., 1999, с. 215.

Формула изобретения

Устройство для контроля рельефа поверхности износа головки рельса, содержащее генератор высокой частоты, коммутатор, матричный вихретоковый преобразователь, размещенный нормально над головкой рельса, амплитудные детекторы, входами подключенные к выходам преобразователя, компенсаторы, входы которых соединены с выходами детекторов, схема обработки сигналов преобразователя, соединенная входами с выходами компенсаторов, блок памяти и регистратор, отличающееся тем, что преобразователь выполнен в виде n катушек индуктивности, центры которых совмещены и лежат на центральной оси преобразователя, перпендикулярной к поверхности катания головки рельса, при этом размер каждой последующей из n катушек в плоскости поперечного сечения рельса и преобразователя, начиная от внутренней, выполнен по величине больше размера предыдущей катушки, а количество амплитудных детекторов и компенсаторов выбрано равным соответственно количеству n катушек.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3