Система для безконтактного дистанційного контролю технічного стану гребенів колісних пар рухомого складу залізничного транспорту

Реферат: Система для безконтактного дистанційного контролю технічного стану гребенів колісних пар рухомого складу залізничного транспорту, до складу якої входять дві пари вимірювальних сенсорних блоків, один з яких розміщено з зовнішнього боку кожної рейки, а другий - з її внутрішнього боку, кожний з яких щонайменше містить у собі джерело лазерного випромінювання і відеокамеру та її контролер. Кожний з внутрішніх сенсорних блоків додатково містить у собі також контролер збору даних, два датчики наближення колеса, датчик температури, віддалений датчик наближення потягу, віддалені робоче місце оператора та централізоване джерело живлення вузлів і блоків системи. Відповідні входи і виходи контролерів відеокамер кожної пари сенсорних блоків підключено до її контролера збору даних, до інших входів якого підключено відповідний датчик наближення колеса. До входів одного з контролерів збору даних також підключено датчик наближення потягу та датчик температури. Сенсорні блоки розміщено в двох зовнішніх і двох внутрішніх захисних термостабілізованих пиловодонепроникних корпусах, споряджених вікнами-ілюмінаторами з рухомою шторкою та виконавчими вузлами, керуючі входи яких з'єднано з відповідними виходами контролерів збору даних. Датчик наближення коліс виконано у вигляді оптоелектричної пари на основі випромінюючого світлодіоду та напівпровідникового приймача цього випромінювання, переважно видимого спектра. Кожний з датчиків наближення колеса прикріплено до відповідного внутрішнього захисного корпусу. UA 109255 U (12) UA 109255 U UA 109255 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до сфери залізничного транспорту, а саме до пристроїв для безконтактного дистанційного контролю технічного стану гребенів колісних пар рухомого складу рейкового, переважно залізничного транспорту. Колісні пари є одними з найважливіших елементів конструкцій рухомого складу залізничного та іншого рейкового транспорту. Саме ці елементи зазнають значних механічних навантажень та впливають на характеристики руху кожного локомотива чи вагона. Зовнішня поверхня (поверхня кочення) коліс має спеціальний профіль, що складається з гребеня (реборди), основної та бокової поверхонь і торцевої фаски. Гребені спрямовують рух коліс по колії та запобігають сходженню колісних пар з рейок. При взаємодії рейкової колії та рухомого складу невідворотно виникають напруження в точках контакту коліс з рейками, що призводить до зношення поверхонь тертя, а також до їх пружних і пластичних деформацій. При досягненні граничних припустимих меж зношення або при появі пошкоджень коліс і, зокрема, їх гребенів, такі колісні пари необхідно негайно вилучати з експлуатації для ремонту або ж утилізації. Несвоєчасне виявлення дефектів гребенів колісних пар спричиняє надмірне зношення рейкових колій та може викликати сходження потягів з рейок, особливо на стрілочних переводах. Дотепер параметри зношення гребенів колісних пар контролюються в основному за допомогою ручного вимірювального інструменту при простої рухомого складу. Як наслідок, через значну кількість вагонів і локомотивів, що знаходяться в експлуатації чи проходять транзитом, виявити дефектні колісні пари досить складно. Крім цього, достовірність ручного вимірювального контролю вкрай низька, оскільки його результати в значній мірі залежать від людського чинника. Серед відомих способів і засобів контролю технічного стану гребенів колісних пар рухомого складу рейкового транспорту найбільш перспективними, надійними, точними і достовірними є способи і засоби безконтактного дистанційного контролю технічного стану цих елементів безпосередньо під час руху потягів. Переважна більшість таких способів і засобів базується на способі лазерної тріангуляції, за яким розгорнутий в площину лазерний промінь освітлює поверхню об'єкта вимірювання та формує на ній світловий слід. Відбиття цього сліду, яке відтворює рельєф об'єкту, реєструється відеокамерою у вигляді двомірного цифрового зображення. В результаті обробки сформованих зображень визначаються геометричні параметри об'єкту, що контролюється. Перевагами способу лазерної тріангуляції є його безконтактність, можливість вимірювання зі значних відстаней відносно об'єкту та невелика тривалість одного робочого циклу, яка визначається технічними характеристиками пристрою, що реєструє оптичне випромінювання (відбиття створеного лазерним променем світлового сліду), та потужністю обчислювальних засобів для обробки цифрових зображень. Сенсори, за допомогою яких здійснюється реалізація способу лазерної тріангуляції, мають компонуватись в окремих блоках, що забезпечують жорстке кріплення оптичних компонентів (джерела лазерного випромінювання та складових відеокамери). Однією з особливостей здійснення безконтактного дистанційного контролю технічного стану гребенів колісних пар рухомого складу залізничного та іншого рейкового транспорту зі застосуванням способу лазерної тріангуляції є те, що, виходячи з форми гребеня, отримання зображення його повного профілю вимагає застосування для кожного колеса двох сенсорних блоків, які мають бути розміщені по різні боки кожної рейки колії. При цьому сенсорні блоки, їх контролери та датчики наближення коліс мають встановлюватись безпосередньо на виділеній дільниці рейкової колії і тому потребують надійного захисту за допомогою спеціальних корпусів від дії таких зовнішніх чинників, як атмосферні опади, пил, низькі та високі температури, вібрація, електромагнітні завади від контактних залізничних мереж, випромінювання зовнішніх джерел природного та штучного освітлення, що можуть впливати на функціонування оптичних приладів. Крім реалізації функцій захисту сенсорних блоків, їх контролерів та датчиків наближення коліс від впливу зазначених чинників, спеціальні корпуси мають забезпечувати підтримування в своїх внутрішніх порожнинах температуру не нижче за регламентовану, а також функціонування пристрою протидії запотіванню та забрудненню оптичних приладів та механізму, який за допомогою спеціальної шторки здійснює відкривання вікон-ілюмінаторів для роботи сенсорів на інтервал часу, необхідний для виконання вимірювань. Є відомими системи, в яких використовується спосіб лазерної тріангуляції для безконтактної автоматизованої діагностики технічного стану поверхонь кочення колісних пар рухомого складу залізничних потягів, наприклад, системи "ARGUS" компанії "Hegenscheidt-MFD" (Німеччина), "Tread View" компанії "АЕА Technology Rail" (Велика Британія), "WMPS" компанії "Lynxraile" (Австралія), "Wheel Spec" компанії "Imagemap" (США). Загальні недоліки відомих систем полягають в тому, що ці системи або потребують спеціальної вимірювальної дільниці з особливим профілем рейок, наприклад, як система "ARGUS", або ж здатні функціонувати при досить низькій швидкості потягів - від 15 до 40 км/год. [Буряк С.Ю. Диагностирование состояния 1 UA 109255 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 поверхности катания колес подвижного состава железных дорог // Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту. - 2013. - вип. 1 (43) - С. 22-29]. Відомою є система "E.V.A. Vision Talgo" для безконтактної автоматизованої діагностики технічного стану поверхонь кочення колісних пар рухомого складу залізничних потягів розробки компанії "Talgo" (Іспанія). Система забезпечує вимірювання способом лазерної тріангуляції практично всіх параметрів, необхідних для визначення технічного стану поверхонь кочення колісних пар залізничних вагонів і локомотивів. Основним недоліком цієї системи є те, що вона має суттєві обмеження за умовами функціонування - розрахована на експлуатацію переважно в умовах депо зі спеціальним профілем рейок і може забезпечувати виконання вимірювань тільки у випадках, коли швидкість руху потягу складає (0-15) км/год. Крім цього, відома система має досить складні схемо-конструктивну архітектуру і програмне забезпечення, а всі її складові побудовано виключно на базі застосування електронних, електротехнічних та електромеханічних вузлів [http://www.talgo.com/. Найбільш близьким аналогом є автоматизована діагностична система контролю параметрів колісних пар вагонів "Комплекс", до складу якого входять дві пари лазерно-оптичних колісних датчиків, кожна з яких містить у собі один зовнішній і один внутрішній колісний датчик, модулі збору даних (контролерів) цих датчиків, блок синхронізації, датчик температури складових системи, індуктивні датчики коліс, сервер, блок електронної комутації і віддалене автоматизоване робоче місце оператора, причому одні виходи кожної пари зовнішніх і внутрішніх лазерно-оптичних колісних датчиків підключено до одних входів відповідних модулів збору даних, до відповідних входів цих модулів підключено виходи індуктивних датчиків коліс, інші виходи кожної пари зовнішніх і внутрішніх лазерно-оптичних колісних датчиків з'єднано з відповідними входами блоку синхронізації, до інших входів якого підключено датчик температури та виходи індуктивних датчиків коліс і одні лінії зв'язку з сервером, другі лінії зв'язку сервера з'єднано з блоком електронної комутації, до входів якого підключено другі виходи модулів збору даних, треті лінії зв'язку сервера з'єднано з віддаленим автоматизованим робочим місцем оператора, при цьому за винятком індуктивних датчиків коліс і віддаленого автоматизованого робочого місця оператора всі складові системи закомпоновано в захисних термостабілізованих пиловодонепроникних зовнішніх і внутрішніх корпусах, керуючі входи виконавчих вузлів яких підключено до відповідних виходів блока синхронізації та модулів збору даних [http://www.tdisie.nsc.ru/Rus/complex_rus.html]. Автоматизована діагностична система контролю параметрів колісних пар вагонів "Комплекс", дозволяє здійснювати автоматизований безконтактний дистанційний контроль низки геометричних параметрів поверхонь кочення колісних пар рухомого складу залізничного транспорту безпосередньо під час руху потягів при швидкості цього руху до 60 км/год. Один з основних недоліків даної системи пов'язано з обмеженою швидкодією, складністю виготовлення та налагодження індуктивних датчиків коліс, промислових зразків яких з необхідними параметрами не існує. Інший недолік полягає в складності і обмеженні надійності керування виконавчими вузлами захисних термостабілізованих пиловодонепроникних корпусів, в яких розміщено основні складові системи - прототипу, що обумовлено негативним впливом зовнішніх кліматичних і механічних чинників навколишнього середовища на надійність функціонування електронних та електротехнічних пристроїв цих виконавчих вузлів. В основу корисної моделі поставлена задача - підвищення надійності системи за рахунок спрощення і підвищення швидкодії датчиків коліс, а також зменшення залежності надійності керування виконавчими вузлами захисних термостабілізованих пиловодонепроникних корпусів від впливу зовнішніх кліматичних і механічних чинників навколишнього середовища. Задача, що поставлена, вирішується тим, що в системі для безконтактного дистанційного контролю технічного стану гребенів колісних пар рухомого складу залізничного транспорту, до складу якої входять дві пари вимірювальних сенсорних блоків, один з яких розміщено з зовнішнього боку кожної рейки, а другий - з її внутрішнього боку, кожний з яких щонайменше містить у собі джерело лазерного випромінювання і відеокамеру та її контролер, при цьому кожний з внутрішніх сенсорних блоків додатково містить у собі також контролер збору даних, два датчики наближення колеса, датчик температури, віддалений датчик наближення потягу, віддалені робоче місце оператора та централізоване джерело живлення вузлів і блоків системи, відповідні входи і виходи контролерів відеокамер кожної пари сенсорних блоків підключено до її контролера збору даних, до інших входів якого підключено відповідний датчик наближення колеса, до входів одного з контролерів збору даних також підключено датчик наближення потягу та датчик температури, причому сенсорні блоки розміщено в двох зовнішніх і двох внутрішніх 2 UA 109255 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 захисних термостабілізованих пиловодонепроникних корпусах, споряджених вікнамиілюмінаторами з рухомою шторкою та виконавчими вузлами, керуючі входи яких з'єднано з відповідними виходами контролерів збору даних, згідно з корисною моделлю, датчик наближення коліс виконано у вигляді оптоелектричної пари на основі випромінюючого світлодіоду та напівпровідникового приймача цього випромінювання, переважно видимого спектра, при цьому кожний з датчиків наближення колеса кріпиться до відповідного внутрішнього захисного корпусу. До складу системи введено спільні для всіх корпусів один трилінійний двопозиційний пневморозподільник і повітряний дросель з глушником для регулювання швидкості прямого і зворотного руху шторок вікон-ілюмінаторів всіх захисних корпусів та другий трилінійний двопозиційний пневморозподільник і повітряний дросель для регулювання повітряного потоку, забезпечуючого обдування оптичних приладів сенсорних блоків, а до складу кожного зі захисних корпусів - виконавчі вузли у вигляді пневмоциліндру з пружинним поверненням і повітряного дроселя з глушником для приведення у рух шторки вікон-ілюмінаторів та сопла для обдування оптичних приладів сенсорного блоку. Підвищення надійності системи, яка пропонується, у порівнянні з найближчим аналогом досягається тим, що оптоелектричний датчик наближення колеса практично нечутливий до впливу зовнішніх кліматичних та механічних чинників навколишнього середовища та електромагнітних завад, матеріалу рухомого об'єкту, просторового положення, має достатньо високу швидкодію та відносно просту конструкцію, в якій відсутні вимірювальні індуктивні елементи, а його налагодження не вимагає складних операцій й може здійснюватися за допомогою потенціометру або кнопок програмування. Введення до системи пневматичних пристроїв керування виконавчими вузлами захисних термостабілізованих пиловодонепроникних корпусів замість електронних і електромеханічних засобів керування забезпечує підвищення надійності та спрощення здійснення цього керування за рахунок відсутності чутливості пневматичних пристроїв до впливу зовнішніх кліматичних і механічних чинників навколишнього середовища та електромагнітних завад, а також за рахунок живлення цих пристроїв стисненим і практично кондиціонованим повітрям, властивості якого не залежать від стану і властивостей повітря, що оточує залізничні та інших рейкові колії. Корисну модель пояснюють креслення: Фіг. 1 - схема розташування захисних термостабілізованих пиловодонепроникних корпусів системи для безконтактного дистанційного контролю технічного стану гребенів колісних пар рухомого складу залізничного транспорту; Фіг. 2 - схема побудови оптоелектричного датчика наближення колеса; Фіг. 3 - схема пневматична принципова пристроїв керування виконавчими вузлами захисних термостабілізованих пиловодонепроникних корпусів. Всі захисні термостабілізовані пиловодонепроникні корпуси - зовнішні 1 та 2 і внутрішні 3 та 4 (Фіг. 1) - системи для безконтактного дистанційного контролю технічного стану гребенів колісних пар рухомого складу залізничного транспорту закріплено на базовій шпалі 5, що встановлюється безпосередньо під рейками 6 та 7 колії паралельно її штатним шпалам і кріпиться до кожної рейки за допомогою болтових з'єднань 8 та 9. Базову шпалу 5 виконано у вигляді зварної конструкції прямокутного перерізу, основою якої є балка зі сталевого прокату типу швелер. Знизу балку закрито днищем, яке прикріплено до балки зварюванням. До верхньої горизонтальної поверхні балки також зварюванням прикріплено дві горизонтальні пласкі плати 10 захисних корпусів і дві горизонтальні пласкі плати 11 для встановлення на них зовнішніх 1 та 2 і внутрішніх 3 та 4 захисних корпусів відповідно за допомогою відповідних болтових з'єднань. В кожній боковій стінці балки 5 під кожною з плат 10 і 11 передбачено отвори для кабелів, якими захисні корпуси з'єднано між собою та зі зовнішніми складовими системи і які прокладено через внутрішню порожнину балки 5. Кожний з двох оптоелектричних датчиків 1 наближення колеса (Фіг. 2) закріплено ззовні відповідного внутрішнього захисного корпусу. Основними компонентами оптоелектричного датчика 1 є джерело 2 світлового випромінювання (переважно видимого спектру), фокусуючі це випромінювання та його відбиття оптичні лінзи 3 та 4 відповідно, напівпровідниковий фотоприймач 5 відбитого від внутрішньої поверхні колеса світлового потоку. До складу пневматичних пристроїв системи входять один трилінійний двопозиційний пневморозподільник 1 (Фіг. 3) і повітряний дросель 2 з глушником та другий трилінійний двопозиційний пневморозподільник 3 і повітряний дросель 4, а до складу кожного зі захисних корпусів - пневмоциліндр 5 з пружинним поверненням і повітряним дроселем 6 з глушником, а також сопло 7 для обдування оптичних приладів сенсорного блока. 3 UA 109255 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Опис роботи складових системи для безконтактного дистанційного контролю технічного стану гребенів колісних пар рухомого складу залізничного транспорту. Кожний з двох оптоелектричних датчиків 1 наближення колеса (Фіг. 2) розміщено ззовні відповідного внутрішнього захисного корпусу під таким кутом і таким чином, що за відсутності наближення колеса 6 світловий потік, який створюється за допомогою джерела 2 світлового випромінювання та оптичної лінзи 3, розсіюється у навколишньому середовищі, а при прокоченні вздовж рейки 7 колеса 6 рухомого складу залізничного транспорту повз датчик 1 забезпечується відбиття цього світлового потоку від внутрішньої поверхні колеса 6, внаслідок чого це відбиття світлового потоку через оптичну лінзу 4 надходить до чутливого входу напівпровідникового фотоприймача 5. В результаті цього в датчику 1 сформується відповідний інформаційний сигнал, який надійде до контролера збору даних сенсорного блоку відповідного внутрішнього захисного корпусу, що, у свою чергу, викличе надходження з цього контролера сигналів дозволу до контролерів відеокамер зовнішнього та внутрішнього сенсорних блоків їх відповідної пари, за допомогою яких почнуть здійснюватись безконтактні вимірювання параметрів технічного стану гребеня колеса 6. При цьому зображення поверхонь кочення колеса 6, які сприймаються відеокамерами зовнішнього та внутрішнього сенсорних блоків їх відповідної пари, за допомогою контролерів цих відеокамер перетворюються в цифрові сигнали, що надходять до контролера збору даних відповідної пари сенсорних блоків, а з цього контролера по лінії цифрового зв'язку - до комп'ютера віддаленого робочого місця оператора. В момент припинення надходження до фотоприймача 5 відбиття світлового потоку, створюваного за допомогою джерела 2 світлового випромінювання та оптичної лінзи 3, припиниться і надходження відповідного інформаційного сигналу з виходу датчика 1 до контролера збору даних, що обумовить припинення надходження до цього контролера цифрових сигналів з контролерів відеокамер відповідних сенсорних блоків. При надходженні відповідного сигналу з інформаційного виходу віддаленого датчика наближення потягу до контролера збору даних одного з внутрішніх сенсорних блоків системи з одного із виходів цього контролера надійде сигнал перемикання трилінійного двопозиційного пневморозподільника 1 (Фіг. 3), потік повітря через який регулюється за допомогою повітряного дроселю 2 з глушником. З виходу пневморозподільника 1 (Фіг. 3) повітряний потік надійде до пневмоциліндру 5 з пружинним поверненням, яким споряджено кожний зовнішній та внутрішній блок системи, при цьому швидкість спрацьовування кожного пневмоциліндру 5 регулюється за допомогою відповідного повітряного дроселя 6 з глушником. В результаті спрацьовування пневмоциліндрів 5 в кожному зі зовнішніх та внутрішніх захисних корпусів системи прийде до руху і відчинить вікна-ілюмінатори їх шторка і тим самим будуть підготовлені умови для здійснення вимірювань параметрів гребенів колісних пар за допомогою сенсорних блоків системи. Одночасно з цим або зі зсувом часу з відповідного виходу того ж контролера збору даних надійде сигнал перемикання трилінійного двопозиційного пневморозподільника 3, з виходу якого повітряний потік через повітряний дросель 4 надійде до сопла 7 кожного захисного корпусу системи, що забезпечить обдування цим потоком оптичних приладів сенсорних блоків для запобігання їх можливому запотіванню та видалення з них пилу та інших чужорідних частинок, які можуть бути на робочих поверхнях цих оптичних приладів. Повернення до вихідного стану пневморозподільників 1 та 2, а, відтак, і шторок вікон-ілюмінаторів захисних корпусів системи і сопел обдування оптичних приладів сенсорних блоків, здійснюється за відповідними сигналами керуючого цими пневморозподільниками контролера збору даних. Для забезпечення надійної та ефективної роботи пневматичних пристроїв системи стиснене повітря, яке до системи надходить з централізованого або автономного компресора, має підводитись до неї через блок 8 підготовки повітря, де це повітря зазнає фільтрації та осушення. Ознаки, які відрізняють систему для безконтактного дистанційного контролю технічного стану гребенів колісних пар рухомого складу залізничного транспорту, що пропонується, від системи - найближчого аналога та інших подібних систем аналогічного призначення, існуючих згідно з відомим рівнем техніки, обумовлюють технічний результат, за яким досягається підвищення надійності системи за рахунок спрощення і підвищення надійності та швидкодії датчиків коліс, а також зменшення залежності керування виконавчими вузлами захисних термостабілізованих пиловодонепроникних корпусів від впливу зовнішніх кліматичних та механічних і електромагнітних чинників навколишнього середовища. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 60 1. Система для безконтактного дистанційного контролю технічного стану гребенів колісних пар рухомого складу залізничного транспорту, до складу якої входять дві пари вимірювальних 4 UA 109255 U 5 10 15 20 25 сенсорних блоків, один з яких розміщено з зовнішнього боку кожної рейки, а другий - з її внутрішнього боку, кожний з яких щонайменше містить у собі джерело лазерного випромінювання і відеокамеру та її контролер, при цьому кожний з внутрішніх сенсорних блоків додатково містить у собі також контролер збору даних, два датчики наближення колеса, датчик температури, віддалений датчик наближення потягу, віддалені робоче місце оператора та централізоване джерело живлення вузлів і блоків системи, відповідні входи і виходи контролерів відеокамер кожної пари сенсорних блоків підключено до її контролера збору даних, до інших входів якого підключено відповідний датчик наближення колеса, до входів одного з контролерів збору даних також підключено датчик наближення потягу та датчик температури, причому сенсорні блоки розміщено в двох зовнішніх і двох внутрішніх захисних термостабілізованих пиловодонепроникних корпусах, споряджених вікнами-ілюмінаторами з рухомою шторкою та виконавчими вузлами, керуючі входи яких з'єднано з відповідними виходами контролерів збору даних, яка відрізняється тим, що датчик наближення коліс виконано у вигляді оптоелектричної пари на основі випромінюючого світлодіоду та напівпровідникового приймача цього випромінювання, переважно видимого спектра, при цьому кожний з датчиків наближення колеса кріпиться до відповідного внутрішнього захисного корпусу. 2. Система для безконтактного дистанційного контролю технічного стану гребенів колісних пар рухомого складу залізничного транспорту за п. 1, яка відрізняється тим, що до складу системи введено спільні для всіх корпусів один трилінійний двопозиційний пневморозподільник і повітряний дросель з глушником для регулювання швидкості прямого і зворотного руху шторок вікон-ілюмінаторів всіх захисних корпусів та другий трилінійний двопозиційний пневморозподільник і повітряний дросель для регулювання повітряного потоку, забезпечуючого обдування оптичних приладів сенсорних блоків, а до складу кожного зі захисних корпусів виконавчі вузли у вигляді пневмоциліндру з пружинним поверненням і повітряного дроселя з глушником для приведення у рух шторки вікон-ілюмінаторів та сопла для обдування оптичних приладів сенсорного блока. 5 UA 109255 U Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6