Устройство для измерения тепловых зазоров в стыках рельсов железнодорожного пути

 

Устройство для измерения величины теплового зазора в стыках рельсов железнодорожного пути относится к железнодорожной автоматике, а именно к системам диагностики технического состояния железнодорожной колеи, и может быть использовано для бесконтактного динамического контроля состояния стыков рельсовой нити. Устройство для измерения величины теплового зазора в стыках рельсов железнодорожного пути содержит генератор, прямоугольный датчик зазора, устанавливаемый продольной осью вдоль продольной оси контролируемого рельса и состоящий из двух прямоугольных трансформаторных вихретоковых преобразователей измеряемого параметра в электрический сигнал, установленных в его корпусе продольными осями поперек его продольной оси, обмотки возбуждения которых подключены к выходу генератора, два измерительных усилителя, каждый из которых входом соединен с измерительной обмоткой соответствующего преобразователя датчика зазора, сумматор, входами подключенный к выводам измерительных усилителей, и процессорный узел обработки и регистрации информации. Устройство снабжено прямоугольным измерителем высоты, устанавливаемым продольной осью вдоль продольной оси контролируемого рельса и состоящим из двух прямоугольных трансформаторных вихретоковых преобразователей высоты в электрический сигнал, ширина каждого из которых меньше половины ширины головки контролируемого рельса, установленных в его корпусе продольными осями вдоль и с поперечным и продольным взаимным смещением относительно его продольной оси. Обмотки возбуждения преобразователей подключены к выходу генератора, два других измерительных усилителя входами соединены с измерительной обмоткой соответствующего преобразователя измерителя высоты. Схема сравнения каждым входом подключена к выходу соответствующего из двух других измерительных усилителей. Устройство имеет вычитатель, один вход которого соединен с выходом сумматора, другой вход - с выходом схемы сравнения, а выход - с входом процессорного узла обработки и регистрации информации. Устройство позволяет повысить точность измерений тепловых зазоров в стыках рельсов железнодорожной колеи в динамическом режиме. 2 ил.

Изобретение относится к железнодорожной автоматике, а именно к системам диагностики технического состояния железнодорожной колеи, и может быть использовано для бесконтактного диагностического контроля величины тепловых зазоров в стыках рельсов.

Известны вихретоковые устройства для многопараметрового контроля, в том числе и величины зазора в стыках, технического состояния железнодорожного пути, содержащие генератор, вихретоковый преобразователь, интерфейс и вычислительную машину [1].

Однако в устройстве [1] не предусмотрен узел измерения высоты нахождения вихретокового преобразователя над поверхностью катания контролируемого рельса, что приводит к возникновению существенной погрешности в измерениях величины зазора в стыке, так как выходной сигнал такого преобразователя зависит не только от величины стыкового зазора, но и от мгновенного значения высоты преобразователя над рельсом в момент измерения.

Наиболее близким по сущности к заявляемому техническому решению является вихретоковое устройство для многопараметрового контроля объектов путей сообщения, содержащее генератор, вихретоковый преобразователь контролируемого параметра в электрический сигнал, процессорный узел обработки и регистрации информации [2].

Однако в этом устройстве также не предусмотрен узел измерения текущего значения высоты нахождения вихретокового преобразователя над рельсом, что приводит к возникновению значительной погрешности измерений параметров рельсовой колеи, в том числе и стыкового зазора, особенно во время движения по путям с износом боковой поверхности головки рельса Кроме того, примененный в этом устройстве вихретоковый преобразователь параметрического типа делает его пригодным к использованию лишь при постоянной температуре окружающего воздуха и после длительного прогрева его электрических цепей, так как амплитуда выходного сигнала такого преобразователя существенно изменяется при изменениях температуры.

Техническим результатом изобретения является обеспечение повышения безопасности движения поездов за счет более точного измерения величины тепловых зазоров в стыках рельсов.

Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что в устройство для измерения величины теплового зазора в стыках рельсов железнодорожного пути, содержащее генератор, прямоугольный датчик зазора, устанавливаемый продольной осью вдоль продольной оси контролируемого рельса и состоящий из двух прямоугольных трансформаторных вихретоковых преобразователей измеряемого параметра в электрический сигнал, установленных в его корпусе продольными осями поперек его продольной оси, обмотки возбуждения которых подключены к выходу генератора, два измерительных усилителя, каждый из которых входом соединен с измерительной обмоткой соответствующего преобразователя датчика зазора, сумматор, входами подключенный к выходам измерительных усилителей, и процессорный узел обработки и регистрации информации, введены прямоугольный измеритель высоты, устанавливаемый продольной осью вдоль продольной оси контролируемого рельса и состоящий из двух прямоугольных трансформаторных вихретоковых преобразователей высоты в электрический сигнал, ширина каждого из которых меньше половины ширины головки контролируемого рельса, установленных в его корпусе продольными осями вдоль и с поперечным и продольным взаимным смещением относительно его продольной оси, обмотки возбуждения которых подключены к выходу генератора, два других измерительных усилителя, каждый из которых входом соединен с измерительной обмоткой соответствующего преобразователя измерителя высоты, схема сравнения, каждым входом подключенная к выходу соответствующего из двух других измерительных усилителей, и вычитатель, один вход которого соединен с выходом сумматора, другой вход - с выходом схемы сравнения, а выход - с входом процессорного узла обработки и регистрации информации.

На фиг.1 приведена структурная схема устройства; на фиг.2 - взаимное расположение трансформаторных вихретоковых преобразователей измерителя высоты.

Устройство содержит генератор 1, датчик зазора 2, устанавливаемый продольной осью вдоль продольной оси контролируемого рельса и состоящий из двух прямоугольных трансформаторных вихретоковых преобразователей 3 и 4 измеряемого параметра в электрический сигнал, установленных в его корпусе продольными осями поперек его продольной оси, обмотки возбуждения которых подключены к выходу генератора 1, два измерительных усилителя 5 и 6, каждый из которых входом соединен с измерительной обмоткой соответствующего из преобразователей 3 и 4 датчика зазора, сумматор 7, входами подключенный к выходам измерительных усилителей 5 и 6, процессорный узел 8 обработки и регистрации информации, прямоугольный измеритель высоты 9, устанавливаемый продольной осью вдоль продольной оси контролируемого рельса и состоящий из двух прямоугольных трансформаторных вихретоковых преобразователей 10 и 11 высоты в электрический сигнал, ширина каждого из которых меньше половины ширины головки контролируемого рельса, установленных в его корпусе продольными осями вдоль и с поперечным и продольным взаимным смещением относительно его продольной оси, а обмотки возбуждения подключены к выходу генератора 1, два других измерительных усилителя 12 и 13, каждый из которых входом соединен с измерительной обмоткой соответствующего из преобразователей 10 и 11 измерителя высоты, схема сравнения 14, каждым входом подключенная к выходу соответствующего из двух других измерительных усилителей 12 и 13, и вычитатель 15, один вход которого соединен с выходом сумматора 7, другой вход - с выходом схемы сравнения 14, а выход - с входом процессорного узла 8 обработки и регистрации информации.

Устройство работает следующим образом Высокочастотное напряжение с выхода генератора 1 одновременно поступает на обмотки возбуждения трансформаторных вихретоковых преобразователей (ТВП) 3, 4, 10 и 11, создавая вокруг них электромагнитное поле, взаимодействующее с контролируемым рельсом. Под действием этого поля в приповерхностной области головки рельса возникают вихревые токи, плотность которых зависит от ее геометрических параметров, а также от взаимного расположения ТВП и объекта контроля. Электромагнитное поле вихревых токов воздействует на измерительные обмотки ТВП 3, 4, 10 и 11, наводя в них ЭДС, пропорциональную вихревым токам. Полученное на выходах каждой из измерительных обмоток напряжение поступает на вход соответствующего из измерительных усилителей 5, 6, 12 и 13. Для повышения чувствительности датчика зазора 2 он выполнен в виде двух ТВП 3 и 4, сигналы которых, возникающие при прохождении над стыковым зазором железнодорожной нити, складываются сумматором 7. Амплитуда этих сигналов U_вых зависит в основном от ширины этого зазора и от высоты h нахождения датчика 2 над поверхностью катания рельса в момент измерения: U_вых = U_з+U_Δh, (1) где U_з - напряжение на выходе сумматора 7 при номинальном значении высоты h(Δh = 0), пропорциональное величине стыкового зазора; U_Δh - напряжение, пропорциональное величине отклонения высоты Δh нахождения датчика 2 над рельсом от ее номинального значения h.

При ходовых измерениях первоначально установленная в стационарных условиях номинальная высота h не остается постоянной, и во время движения вагона-путеизмерителя практически всегда имеется некоторое изменяющееся случайным образом отклонение Δh, приводящее к увеличению или уменьшению выходного напряжения датчика зазора U_вых нa величину U_Δh, являющуюся погрешностью измерений величины стыкового зазора.

Для того чтобы устранить эту погрешность, в данном устройстве введен измеритель высоты 9, постоянно вырабатывающий сигнал U_в, пропорциональный изменениям высоты h и равный U_Δh. Напряжения U_вых и U_в подаются на аналоговую схему сравнения 14, которая выбирает из двух сигналов, поступающих на ее вход от ТВП 10 и 11 через измерительные усилители 12 и 13, меньший и подает его на вход вычитателя 15, на другой вход которого поступает напряжение U_вых от сумматора 7. На выходе вычитателя 15 образуется разность двух напряжений: U_вых-U_Δh = U_з+U_Δh-U_Δh = U_з, (2) В результате, как видно из выражения (2), независимо от текущего значения высоты нахождения датчика над поверхностью катания рельса на вход процессорного узла 8 обработки и регистрации информации поступает только напряжение U_з, пропорциональное величине теплового зазора в стыке рельсов.

Датчик зазора 2 и измеритель высоты 9 установлены на общей жесткой балке таким образом, что их нижние поверхности находятся в одной плоскости. При закреплении балки на неподрессоренной раме ходовой тележки вагона датчик 2 и измеритель 9 устанавливают нижними поверхностями параллельно поверхности катания рельса и тогда они оказываются на одной высоте над нею. Для компенсации погрешности измерения высоты, вызываемой поперечными смещениями ходовой тележки в колее во время движения или при контроле участков рельсовой нити со значительным износом боковой поверхности головки рельса, прямоугольный измеритель высоты выполнен в виде пары ТВП 10 и 11, расположенных продольными осями вдоль продольной оси измерителя с поперечным и продольным взаимным смещением относительно этой оси (фиг 2). Размеры ТВП и величина их поперечного взаимного смешения выбраны такими, что в движении по крайней мере один из ТВП 10 и 11 находится над неизношенной областью поверхности катания рельса, и именно его сигнал выделяется схемой сравнения 14 для передачи на вычитатель 15, так как сигнал от другого из ТВП 10 и 11, находящегося в этот момент вне зоны магнитного контакта с контролируемым рельсом, имеет существенно большую величину и задерживается схемой сравнения 14, настроенной на выделение минимального из двух сигналов.

Продольное смещение одного из ТВП 10 и 11 по отношению к другому предотвращает их взаимовлияние и возникновение дополнительных помех и погрешностей.

Таким образом, технический результат, являющийся целью данного изобретения и состоящий в повышении точности измерений величины тепловых зазоров в стыках железнодорожных рельсов, в данном устройстве достигается за счет введения в него прямоугольного измерителя высоты, устанавливаемого продольной осью вдоль продольной оси контролируемого рельса и состоящего из двух прямоугольных трансформаторных вихретоковых преобразователей высоты в электрический сигнал, ширина каждого из которых меньше половины ширины головки контролируемого рельса, установленных в его корпусе продольными осями вдоль и с поперечным и продольным взаимным смещением относительно его продольной оси, обмотки возбуждения которых подключены к выходу генератора, двух других измерительных усилителей, каждый из которых входом соединен с измерительной обмоткой соответствующего преобразователя измерителя высоты, схемы сравнения, каждым входом подключенной к выходу соответствующего из двух других измерительных усилителей и вычитателя, один вход которого соединен с входом сумматора, другой вход - с выходом схемы сравнения, а выход - с входом процессорного узла обработки и регистрации информации.

Источники информации: 1. SU, авт. с вид. 1589195, кл. G 01 N 27/90, 1990.

2. RU, патент 2082640 C1, кл. В 61 К 9/00,1996.

Формула изобретения

Устройство для измерения величины теплового зазора в стыках рельсов железнодорожного пути, содержащее генератор напряжения, датчик зазора, устанавливаемый над серединой контролируемого рельса на неподрессоренной раме ходовой тележки вагона-путеизмерителя, состоящий из корпуса прямоугольной формы, установленного продольной осью вдоль продольной оси рельса, и двух прямоугольных трансформаторных вихретоковых преобразователей измеряемого параметра в электрический сигнал с обмоткой возбуждения, подключенной к выходу генератора напряжения, и измерительной обмоткой каждый, размещенных в корпусе датчика зазора параллельно поверхности рельса продольными осями поперек продольной оси корпуса датчика зазора, два измерительных усилителя, каждый из которых входом соединен с измерительной обмоткой соответствующего преобразователя, сумматор, каждым из двух входов подключенный к выходу соответствующего измерительного усилителя, и процессорный узел обработки и регистрации информации, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, в него введены измеритель высоты, состоящий из корпуса прямоугольной формы, установленного продольной осью над и вдоль продольной оси рельса, и двух прямоугольных трансформаторных вихретоковых преобразователей высоты в электрический сигнал с обмоткой возбуждения, подключенной к выходу генератора напряжения, и измерительной обмоткой каждый, ширина каждой из которых меньше половины ширины головки контролируемого рельса, размещенных в корпусе измерителя высоты продольными осями вдоль продольной оси корпуса измерителя высоты с поперечным смещением в противоположные стороны относительно этой оси и с взаимным продольным смещением, два других измерительных усилителя, каждый из которых входом соединен с измерительной обмоткой соответствующего преобразователя измерителя высоты, схема сравнения, каждым из двух входов подключенная к выходу соответствующего из двух других измерительных усилителей, и вычитатель, один из двух входов которого соединен с выходом сумматора, другой вход - с выходом схемы сравнения, а выход - с входом процессорного узла обработки и регистрации информации.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2