RU2811175C1 - System for diagnostic condition of condition of tread surfaces of wheel set and method for diagnostic control of condition of tried surfaces of wheel set with its help - Google Patents

Abstract

FIELD: measurement technology.

SUBSTANCE: invention can be used to create a modern system for diagnostic monitoring of the condition of the rolling surfaces of the wheels of a wheelset as it moves along the railway in real time. A system for diagnostic monitoring of the condition of the rolling surfaces of wheels of a wheel set is claimed, containing a pair of optical sensors for each wheel of the wheel set, each of which is made in the form of an autonomous microprocessor module installed on a vibration-resistant platform and connected to a local information processing device connected to the railway information centre. One of the sensors is installed at the level of the inner side surface of the wheel, and the other - at the level of its outer side surface. To synchronize the operation of all optical sensors, a magnetic pedal mounted on the rail is used. The system includes two additional magnetic pedals, which are located symmetrically along the rail on both sides of the main pedal, and the distance between the centres of the additional magnetic pedals corresponds to the diameter of the wheel tread surface of the wheelset.

EFFECT: influence of uneven movement of the wheel in the area of measuring its tread surface profile is eliminated.

2 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использована при создании современной системы диагностического контроля состояния поверхностей катания колеса колесной пары при ее движении по железной дороге в реальном времени.The invention relates to the field of measurement technology and can be used to create a modern system for diagnostic monitoring of the state of the rolling surfaces of a wheelset wheel as it moves along the railway in real time.

В настоящее время, в связи с ростом скоростей движения рельсового транспорта, актуальной становится задача объективного контроля за техническим состоянием железнодорожного подвижного состава. Одним из узлов железнодорожного вагона, требующим постоянного контроля является колесная пара. Проводимые периодические осмотры колесных пар на станциях требуют значительных временных затрат, что существенно увеличивает время в пути. При этом при осмотрах присутствует элемент субъективизма, т.к. качество осмотра зависит от квалификации осмотрщика вагонов, количества обслуживаемого персонала и т.п. Для исключения элементов субъективизма необходим постоянный мониторинг движущегося подвижного состава за состоянием износа поверхности катания колеса колесной пары в течение всего времени ее эксплуатации, что позволит исключить аварийный выход из строя колес из-за наличия недопустимых дефектов поверхности катания, связанных с износом трущихся поверхностей, в частности появления таких дефектов как предельного проката (предельной высоты гребня) или износа, вертикального подреза гребня, опасной формы гребня, ширины и толщины обода и т.п.Currently, due to the increase in the speed of rail transport, the task of objective monitoring of the technical condition of railway rolling stock is becoming urgent. One of the components of a railway car that requires constant monitoring is the wheelset. Periodic inspections of wheel sets at stations require significant time, which significantly increases travel time. At the same time, during examinations there is an element of subjectivity, because the quality of the inspection depends on the qualifications of the wagon inspector, the number of personnel served, etc. To eliminate elements of subjectivity, it is necessary to constantly monitor the moving rolling stock for the state of wear on the tread surface of the wheelset during the entire period of its operation, which will eliminate emergency failure of the wheels due to the presence of unacceptable defects in the tread surface associated with wear of rubbing surfaces, in particular the appearance of such defects as maximum rolling (maximum height of the flange) or wear, vertical undercut of the flange, dangerous shape of the flange, width and thickness of the rim, etc.

Известна установка для измерения параметров качения колеса железнодорожного вагона (см. патент РФ №2153432, кл. В61K 9/12, 2000г.), основанная на измерении параметров профиля колеса при его прокатывании со скоростью маневрирования наружным краем поверхности качения по специальной стальной плите и одновременном облучении источником света с плоским лучом внутренней части поверхности катания колеса. Синхронно с облучением производят захват изображения светящегося профиля колеса при помощи телекамеры и после дальнейшей обработки полученного изображения на ЭВМ, осуществляют визуализацию измеренного профиля на мониторе.There is a known installation for measuring the rolling parameters of a railway car wheel (see RF patent No. 2153432, class B61K 9/12, 2000), based on measuring the parameters of the wheel profile when it is rolled at the speed of maneuvering the outer edge of the rolling surface on a special steel plate and at the same time irradiation of the inner part of the wheel tread surface by a light source with a flat beam. Synchronously with the irradiation, an image of the luminous profile of the wheel is captured using a television camera and, after further processing of the resulting image on a computer, the measured profile is visualized on the monitor.

Известная установка позволяет автоматизировать процесс измерения параметров качения колеса, но при этом имеет существенный недостаток.The known installation makes it possible to automate the process of measuring wheel rolling parameters, but it has a significant drawback.

Для измерения используется специальная установка, которая механически удерживает колесо на стальной плите, захватывающей только наружную часть поверхности качения. Поэтому невозможно осуществлять контроль в реальном времени при движении состава, а проводить процесс измерения возможно только на скорости маневрирования вагонов.For measurement, a special installation is used, which mechanically holds the wheel on a steel plate that covers only the outer part of the rolling surface. Therefore, it is impossible to monitor in real time while the train is moving, and the measurement process can only be carried out at the wagons’ maneuvering speed.

Известно устройство для контроля износа гребня колеса, содержащее оптический измерительный блок, включающий источник света, направляющий свет на поверхность гребня колеса и фотоприемник, принимающий отраженное от поверхности гребня излучение с предельным вертикальным подрезом (см. а.с. СССР №1211128, кл. В61K 9/12,1986 г.).A device for monitoring wheel flange wear is known, containing an optical measuring unit, including a light source that directs light onto the wheel flange surface and a photodetector that receives radiation reflected from the flange surface with a maximum vertical undercut (see A.S. USSR No. 1211128, class B61K 9/12,1986).

Известное устройство позволяет производить контроль гребня колеса в реальном времени во время движения подвижного состава. Однако оно имеет несколько существенных недостатков.The known device makes it possible to control the wheel flange in real time while the rolling stock is moving. However, it has several significant disadvantages.

Во-первых, оно имеет узкофункциональное назначение, т.е. контролирует только подрез гребня колеса, а, следовательно, требует дополнительного оборудования для обеспечения полного диагностического контроля поверхности катания колесной пары.Firstly, it has a narrowly functional purpose, i.e. controls only the undercut of the wheel flange, and, therefore, requires additional equipment to provide complete diagnostic control of the wheel pair tread surface.

Во-вторых, для получения воспроизводимых достоверных значений, пригодных для практического применения, необходимо жестко фиксировать фотоприемник относительно тележки вагона, т.к. при вибрации рельса измеренные значения будут значительно отличаться от реальных величин.Secondly, to obtain reproducible, reliable values suitable for practical use, it is necessary to rigidly fix the photodetector relative to the car bogie, because When the rail vibrates, the measured values will differ significantly from the actual values.

Известен комплекс диагностического контроля колесных пар подвижного состава (см. патент РФ на полезную модель №28348, кл. В61K 9/12, 2003 г.). Устройство включает пару оптических датчиков на каждое колесо колесной пары, соединенных с локальным устройством обработки информации, при этом один из датчиков установлен на уровне внутренней боковой поверхности колеса, а другой - на уровне его наружной боковой поверхности. При движении колеса мимо устройства, оптический датчик, установленный на уровне внутренней боковой поверхности колеса, отслеживает текущую координату внутренней боковой поверхности, а датчик, установленный на уровне наружной поверхности колеса - отслеживает координату наружной поверхности, включая и координаты поверхности катания колеса. На основании полученных координат, локальное устройство обработки информации рассчитывает профиль поверхности катания колеса и, сравнивая полученный профиль с эталонным значением, определяет основные дефекты поверхности катания колеса.A complex of diagnostic monitoring of rolling stock wheel pairs is known (see RF patent for utility model No. 28348, class B61K 9/12, 2003). The device includes a pair of optical sensors for each wheel of the wheelset, connected to a local information processing device, with one of the sensors installed at the level of the inner side surface of the wheel, and the other at the level of its outer side surface. When the wheel moves past the device, an optical sensor installed at the level of the inner side surface of the wheel tracks the current coordinate of the inner side surface, and a sensor installed at the level of the outer surface of the wheel tracks the coordinates of the outer surface, including the coordinates of the wheel's tread surface. Based on the obtained coordinates, the local information processing device calculates the profile of the wheel tread surface and, comparing the resulting profile with the reference value, determines the main defects of the wheel tread surface.

Основным недостатком известного технического решения является низкая помехоустойчивость устройства, приводящая к периодическим сбоям в работе. Это связано с наличием сильных промышленных электромагнитных помех, существующих на электрифицированных участках железной дороги. Поскольку информация с оптических датчиков, представляет собой электрические сигналы, то периодическое наложение на них сильных электромагнитных наводок, приводит к сильному искажению сигналов, что равнозначно потере информации о колесной паре. На основании искаженных сигналов, вычислительное устройство (блок обработки информации) неправильно рассчитывает истинный профиль поверхности катания колеса и, соответственно, определяет годность колесной пары к дальнейшей эксплуатации. Для пункта технического осмотра пропуск информации о любой колесной паре, требует дополнительного обследования нескольких вагонов или целого поезда, т.к. из-за частичного пропуска информации даже об одной колесной паре, не всегда понятно какая информация и о какой колесной паре и какого вагона потеряна.The main disadvantage of the known technical solution is the low noise immunity of the device, leading to periodic malfunctions. This is due to the presence of strong industrial electromagnetic interference that exists on electrified sections of the railway. Since information from optical sensors is electrical signals, the periodic application of strong electromagnetic interference to them leads to severe distortion of the signals, which is equivalent to the loss of information about the wheelset. Based on the distorted signals, the computing device (information processing unit) incorrectly calculates the true profile of the wheel's tread surface and, accordingly, determines the suitability of the wheelset for further use. For a technical inspection point, missing information about any wheel pair requires additional inspection of several cars or an entire train, because due to the partial omission of information even about one wheel pair, it is not always clear what information about which wheel pair and which car is lost.

Наиболее близким по технической сути к заявляемому техническому решению (про- тотипом), является система диагностического контроля состояния поверхностей катания колесной пары (см. патент РФ на полезную модель №135605, кл. В61K 9/12, 2013 г.), содержащая пару оптических датчиков на каждое колесо колесной пары, каждый из которых выполнен в виде автономного микропроцессорного модуля, установленного на вибро- устойчивой платформе и соединенного с локальным устройством обработки информации, подключенного к информационному центру железной дороги, причем один из датчиков установлен на уровне внутренней боковой поверхности колеса, а другой - на уровне его наружной боковой поверхности, при этом для синхронизации работы всех оптических датчиков использована магнитная педаль, установленная на рельсе, которая срабатывает при появлении над ней передней кромки колеса колесной пары. Магнитная педаль запускает процесс сканирования оптическими датчиками внутренней и наружной боковых поверхностей колеса, которые измеряют текущие координаты, а микропроцессорный модуль, по указанным координатам создает «цифровой» портрет сканируемой поверхности. В локальном устройстве обработки информации (промышленном компьютере) на основе «цифровых» портретов сканируемых поверхностей формируется законченный профиль поверхности катания конкретного колеса, который сравнивается с эталонным профилем поверхности катания колеса, хранящимся в памяти локального устройстве. В результате такого сравнения промышленный компьютер определяет годность конкретного колеса к дальнейшему использованию. Готовый «цифровой» портрет состава, составленный из «цифровых» портретов колесных пар с конкретными пометками (срочная замена, возможно продолжительное/непродолжительное использование и т.п.) через сеть данных железной дороги передается в информационный центр железной дороги, где принимается решение о замене конкретной колесной пары.The closest in technical essence to the claimed technical solution (prototype) is a system for diagnostic monitoring of the condition of the rolling surfaces of a wheel pair (see RF patent for utility model No. 135605, class B61K 9/12, 2013), containing a pair of optical sensors for each wheel of the wheel pair, each of which is made in the form of an autonomous microprocessor module installed on a vibration-resistant platform and connected to a local information processing device connected to the railway information center, with one of the sensors installed at the level of the inner side surface of the wheel, and the other - at the level of its outer side surface, while to synchronize the operation of all optical sensors, a magnetic pedal mounted on the rail is used, which is activated when the leading edge of the wheelset wheel appears above it. The magnetic pedal starts the scanning process with optical sensors of the inner and outer lateral surfaces of the wheel, which measure the current coordinates, and the microprocessor module, using the specified coordinates, creates a “digital” portrait of the scanned surface. In a local information processing device (industrial computer), based on “digital” portraits of scanned surfaces, a complete profile of the rolling surface of a particular wheel is formed, which is compared with the reference profile of the rolling surface of the wheel stored in the memory of the local device. As a result of this comparison, the industrial computer determines the suitability of a particular wheel for further use. The finished “digital” portrait of the train, composed of “digital” portraits of wheel pairs with specific marks (urgent replacement, possible long/short-term use, etc.) is transmitted through the railway data network to the railway information center, where a decision on replacement is made specific wheelset.

Основным недостатком известного технического решения является существенное влияние неравномерности движения колеса в зоне измерения его профиля поверхности катания, что может приводить не только к повышению погрешности метода измерения, но даже к сбоям в измерениях. Связано это с тем, что в известном устройстве реализован метод самосканирования поверхностей колеса в процессе его движения по рельсу, поэтому любые нарушения равномерности движения колеса в зоне сканирования приводят к увеличению погрешности измерения. Таким образом, чем точнее удается измерять мгновенную скорость движения колеса в момент сканирования поверхностей, тем более высокую точность измерения обеспечивает известное устройство.The main disadvantage of the known technical solution is the significant influence of the uneven movement of the wheel in the area of measuring its tread surface profile, which can lead not only to an increase in the error of the measurement method, but even to failures in measurements. This is due to the fact that the known device implements a method of self-scanning of wheel surfaces during its movement along the rail, so any violation of the uniformity of wheel movement in the scanning zone leads to an increase in the measurement error. Thus, the more accurately it is possible to measure the instantaneous speed of the wheel at the moment of scanning the surfaces, the higher the measurement accuracy the known device provides.

Указанная неравномерность движения колесной пары в зоне измерения может быть вызвана несколькими причинами.The indicated uneven movement of the wheelset in the measurement area can be caused by several reasons.

Во-первых, это может быть связано с особенностями работы ходовой части вагона в процессе движения (за счет работы пружин, за счет кренов кузова вагона и т.д.).Firstly, this may be due to the peculiarities of the running gear of the car during movement (due to the operation of springs, due to the roll of the car body, etc.).

Во-вторых, неравномерность движения колеса может быть также связана с наличием на его поверхности катания дефектов поверхности, например, ползунов (плоских участков на круглой поверхности катания колеса).Secondly, uneven movement of the wheel can also be associated with the presence of surface defects on its rolling surface, for example, sliders (flat areas on the round rolling surface of the wheel).

В-третьих, к неравномерность движения колесной пары могут приводить рывки вагона, при которых движение колеса в зоне измерения сопоставимо с временем проводимого сканирования.Thirdly, uneven movement of the wheelset can be caused by car jerks, during which the movement of the wheel in the measurement zone is comparable to the scanning time.

В-четвертых, это может быть связано с наличием активных помех оптическому сигналу - обычно они вызываются снегом в зимний период времени, когда возрастает погрешность определения края колеса а, следовательно, и погрешность определения центра колеса, который используется при создании его «цифрового» портрета.Fourthly, this may be due to the presence of active interference to the optical signal - usually they are caused by snow in winter, when the error in determining the edge of the wheel increases and, consequently, the error in determining the center of the wheel, which is used to create its “digital” portrait.

Техническим результатом заявляемого технического решения является устранение основного недостатка прототипа, а именно, влияния неравномерности движения колеса в зоне измерения его профиля поверхности катания.The technical result of the proposed technical solution is the elimination of the main drawback of the prototype, namely, the influence of uneven movement of the wheel in the area of measuring its tread surface profile.

Указанный технический результат в системе диагностического контроля состояния поверхностей катания колеса колесной пары, содержащей пару оптических датчиков на каждое колесо колесной пары, соединенных с компьютером, а также датчик прогиба рельса, при этом один из пары оптических датчиков установлен на уровне внутренней боковой поверхности колеса, а другой оптический датчик пары установлен на уровне наружной боковой поверхности колеса, причем каждый из оптических датчиков выполнен в виде автономного микропроцессорного модуля, установленного на виброустойчивой платформе и соединенного с компьютером, который выполнен с возможностью обмена информацией с информационным центром железной дороги, а для синхронизации работы всех оптических датчиков использована магнитная педаль, установленная на рельсе, отличающаяся тем, что содержит две дополнительные магнитные педали, которые расположены вдоль рельса симметрично по обе стороны от основной педали, а расстояние между центрами дополнительных магнитных педалей соответствует диаметру поверхности катания колеса колесной пары; причем все оптические датчики и магнитные педали, а также датчик прогиба рельса через сигнальные шины подключены к внутренней общей шине, соединенной с компьютером, который в свою очередь подключен через шину обмена данных к общей информационной шине сети передачи данных железной дороги.The specified technical result in a system for diagnostic monitoring of the condition of the rolling surfaces of a wheel of a wheel set, containing a pair of optical sensors for each wheel of the wheel set, connected to a computer, as well as a rail deflection sensor, with one of the pair of optical sensors installed at the level of the inner side surface of the wheel, and another optical sensor of the pair is installed at the level of the outer side surface of the wheel, and each of the optical sensors is made in the form of an autonomous microprocessor module installed on a vibration-resistant platform and connected to a computer, which is configured to exchange information with the information center of the railway, and to synchronize the operation of all optical sensors, a magnetic pedal mounted on a rail is used, characterized in that it contains two additional magnetic pedals, which are located along the rail symmetrically on both sides of the main pedal, and the distance between the centers of the additional magnetic pedals corresponds to the diameter of the tread surface of the wheelset wheel; Moreover, all optical sensors and magnetic pedals, as well as the rail deflection sensor, are connected through signal buses to an internal common bus connected to a computer, which in turn is connected via a data exchange bus to the common information bus of the railway data transmission network.

Также заявлен способ диагностического контроля состояния поверхностей катания колеса колесной пары, функционирующий с помощью вышеописанной системы, характеризуется тем, что перед началом работы системы производят юстировку оптических датчиков, определяя их координаты относительно друг друга; перед началом измерений текущих координат для каждого из колес колесной пары по сигналу основной магнитной педали подают сигнал на включение оптических датчиков; при этом с датчика прогиба рельса в компьютер передают цифровой сигнал, который учитывает влияние прогиба рельса на результат измерений оптических датчиков; при движении колесной пары по рельсам у обоих колес одновременно сканируют оптическими датчиками внутренние и наружные поверхности, затем из полученных данных формируют наружные профили колес колесной пары, включая и профили поверхностей их катания, а также формируют внутренние профили колес; все сформированные профили колес в цифровом виде передают на компьютер по информационным шинам; выходные сигналы с оптических датчиков формируют цифровой портрет сканируемой им поверхности колеса, а в компьютере на основе полученных цифровых портретов сканируемых поверхностей колеса формируют законченный профиль поверхности катания, который уже сравнивают с эталонным профилем поверхности катания колеса, хранящимся в памяти компьютера; по результатам сравнения двух профилей с помощью компьютера определяют годность конкретного колеса к дальнейшему использованию; при этом в процессе измерений на все оптические датчики поступает информация с первой дополнительной магнитной педали, активацией которой отмечают, что пройден первый этап измерения профиля поверхности от начала колеса до его середины, а за ней передают информацию со второй дополнительной магнитной педали, активацией которой отмечают, что пройден второй этап измерения профиля поверхности от середины колеса до его конца; по собранной информации рассчитывают на компьютере мгновенные скорости на первом и втором этапах измерения профиля и по результатам этих расчетов делают вывод о достоверности полученного цифрового портрета колеса, если при измерении указанных скоростей они совпадают в допустимых пределах метрологической ошибки. Also claimed is a method for diagnostic monitoring of the condition of the tread surfaces of a wheelset wheel, operating using the above-described system, characterized by the fact that before the system starts operating, the optical sensors are adjusted, determining their coordinates relative to each other; before starting measurements of the current coordinates for each of the wheels of the wheelset, a signal is given from the main magnetic pedal to turn on the optical sensors; in this case, a digital signal is transmitted from the rail deflection sensor to the computer, which takes into account the influence of rail deflection on the measurement result of the optical sensors; when the wheelset moves along the rails, the inner and outer surfaces of both wheels are simultaneously scanned with optical sensors, then the outer profiles of the wheels of the wheelset are formed from the data obtained, including the profiles of their rolling surfaces, and the inner profiles of the wheels are also formed; all generated wheel profiles are digitally transmitted to a computer via data buses; output signals from optical sensors form a digital portrait of the wheel surface it scans, and in the computer, based on the obtained digital portraits of the scanned wheel surfaces, a complete tread surface profile is formed, which is already compared with the reference profile of the wheel tread surface stored in the computer memory; based on the results of comparing two profiles using a computer, the suitability of a particular wheel for further use is determined; in this case, during the measurement process, all optical sensors receive information from the first additional magnetic pedal, the activation of which indicates that the first stage of measuring the surface profile from the beginning of the wheel to its middle has been completed, and after it, information is transmitted from the second additional magnetic pedal, the activation of which is noted, that the second stage of measuring the surface profile from the middle of the wheel to its end has been completed; Based on the collected information, instantaneous speeds are calculated on a computer at the first and second stages of profile measurement and, based on the results of these calculations, a conclusion is drawn about the reliability of the resulting digital portrait of the wheel if, when measuring the indicated speeds, they coincide within the permissible limits of metrological error.

Сущность заявляемого технического решения поясняется рисунками, приведенными на Фиг.1 - 3.The essence of the proposed technical solution is illustrated by the drawings shown in Figures 1 - 3.

На Фиг.1 представлен и представлен рисунок заявляемого устройства, поясняющий принцип контроля поверхности катания колеса колесной пары, включающий: колесо 1 с поверхностью катания 2, внутренней 3 и наружной 4 боковыми поверхностями; рельс 5; оптические датчики 6 и 7, расположенные на вертикальных опорах 8, установленных на виброустойчивых платформах 9; три магнитные педали - 10, 11 и 12.Figure 1 shows and presents a drawing of the inventive device, explaining the principle of monitoring the tread surface of a wheel of a wheelset, including: wheel 1 with tread surface 2, inner 3 and outer 4 lateral surfaces; rail 5; optical sensors 6 and 7 located on vertical supports 8 mounted on vibration-resistant platforms 9; three magnetic pedals - 10, 11 and 12.

На Фиг.2 приведена структурная схема заявляемого устройства. Устройство включает две пары оптических датчиков 13а и 13б на правое колесо, а 14а и 14б - на левое. Датчики 13а и 14а расположены снаружи рельсового пути 5, причем каждый в своем автономном корпусе и измеряют профили наружных боковых поверхностей 4 колесной пары, а датчики 13б и 14б измеряют профили внутренних боковых поверхностей 3 и расположены в общем корпусе, установленном между рельсами 5. Все три автономных корпуса с оптическими датчиками 13а, 13б, 14а и 14б установлены на общей виброустойчивой платформе 15. На структурной схеме также представлена магнитная педаль 10 (магнитные педали 11 и 12, расположенные в ряд следом за ней условно не показаны) и датчик прогиба рельса 16. Для связи всех оптических датчиков 13 а, 13б, 14а и 14б, магнитных педалей 10, 11 и 12, а также датчика прогиба рельса 16 используются сигнальные шины 17а - 17д, подключенные к внутренней общей шине 18. Шина 18 через шину обмена данных 20 соединена с компьютером 19, который, в свою очередь, подключен через шину обмена данных 21 к общей информационной шине 22 сети передачи данных железной дороги.Figure 2 shows a block diagram of the proposed device. The device includes two pairs of optical sensors 13a and 13b for the right wheel, and 14a and 14b for the left. Sensors 13a and 14a are located outside the rail track 5, each in its own autonomous housing and measure the profiles of the outer side surfaces 4 of the wheel pair, and sensors 13b and 14b measure the profiles of the inner side surfaces 3 and are located in a common housing installed between the rails 5. All three autonomous housings with optical sensors 13a, 13b, 14a and 14b are installed on a common vibration-resistant platform 15. The block diagram also shows a magnetic pedal 10 (magnetic pedals 11 and 12, located in a row next to it, are not shown) and a rail deflection sensor 16. To communicate all optical sensors 13a, 13b, 14a and 14b, magnetic pedals 10, 11 and 12, as well as the rail deflection sensor 16, signal buses 17a - 17d are used, connected to the internal common bus 18. Bus 18 is connected through the data exchange bus 20 with a computer 19, which, in turn, is connected via a data exchange bus 21 to a common information bus 22 of the railway data network.

На Фиг.3 приведена структурная схема центрального двухканального оптического датчика (боковые оптические датчики имеют аналогичную структурную схему, но выполнены одноканальными). Оптический датчик представляет собой автономный микропроцессорный модуль 23, который включает: оптический датчик модуля 24 с лазерами 25а и 256 и оптическими приемниками 26а и 26б (он выполнен на основе оптического объектива, в фокусе которого установлен линейный фотоприемник); блок управления оптическими датчиками модуля 27; шину передачи данных 28; микропроцессорное устройство 29 с микропроцессором 30, устройством ввода-вывода 31 и энергонезависимой памятью 32.Figure 3 shows a block diagram of a central two-channel optical sensor (the side optical sensors have a similar block diagram, but are made single-channel). The optical sensor is an autonomous microprocessor module 23, which includes: an optical sensor module 24 with lasers 25a and 256 and optical receivers 26a and 26b (it is based on an optical lens, at the focus of which a linear photodetector is installed); module 27 optical sensor control unit; data bus 28; microprocessor device 29 with a microprocessor 30, an input/output device 31 and non-volatile memory 32.

Примеры работы системы диагностического контроля состояния поверхностей катания колеса колесной пары показаны на Фиг.4-Фиг.6.Examples of the operation of the diagnostic monitoring system for the condition of the rolling surfaces of a wheelset wheel are shown in Fig. 4-Fig. 6.

На Фиг.4 показано состояние тревоги и предупреждения по показателю толщины гребня в режиме администратора.Figure 4 shows the alarm and warning status of the ridge thickness indicator in the administrator mode.

На Фиг.5 показано отображение сигналов и контрольных точек тревожного показания толщины гребня 23.3 мм.Figure 5 shows the display of signals and control points for an alarm reading of a ridge thickness of 23.3 mm.

На Фиг.6 показаны сигналы и контрольные точки допустимого показания толщины гребня 30.1 мм.Figure 6 shows the signals and control points for an acceptable ridge thickness reading of 30.1 mm.

Осуществление изобретенияCarrying out the invention

Устройство, представленное на Фиг.1 - Фиг.3 работает следующим образом. Перед началом работы системы производят юстировку оптических датчиков 13а, 13б, 14а и 14б, т.е. производят точное определение их координат относительно друг друга. Перед началом измерений текущих координат для каждого из колес колесной пары из компьютера 19 по сигналу магнитной педали 10 поступает сигнал на включение оптических датчиков 13а, 13б, 14а и 14б. При этом с датчика прогиба рельса 17 в компьютер 19 поступает цифровой сигнал, который учитывает влияние прогиба рельса на результат измерений оптических датчиков 13а, 13б, 14а и 14б. При движении колесной пары по рельсам 5, у обоих колес 1 одновременно сканируется внутренние поверхности 3 и наружные поверхности 4. Далее оптические датчики 13а и 14а формируют наружные профили колес 1 колесной пары, включая и профили поверхностей их катания 2, а оптические датчики 13б и 14б формируют внутренние профили колес 1. Все сформированные профили колес в цифровом виде поступают в компьютером 19 по информационным шинам 17а-17д, 18 и 20. The device shown in Figure 1 - Figure 3 works as follows. Before the system starts operating, the optical sensors 13a, 13b, 14a and 14b are adjusted, i.e. make an accurate determination of their coordinates relative to each other. Before starting measurements of the current coordinates for each of the wheels of the wheelset, a signal is received from the computer 19 via a signal from the magnetic pedal 10 to turn on the optical sensors 13a, 13b, 14a and 14b. In this case, a digital signal is sent from the rail deflection sensor 17 to the computer 19, which takes into account the influence of the rail deflection on the measurement result of the optical sensors 13a, 13b, 14a and 14b. When a wheel set moves along rails 5, both wheels 1 simultaneously scan the inner surfaces 3 and outer surfaces 4. Next, optical sensors 13a and 14a form the outer profiles of wheels 1 of the wheel pair, including the profiles of their rolling surfaces 2, and optical sensors 13b and 14b internal profiles of wheels 1 are formed. All generated wheel profiles are digitally sent to computer 19 via information buses 17a-17d, 18 and 20.

Выходные сигналы с оптических датчиков 13а и 13б, а также 14а и 14б, каждый из которых выполнен в виде микропроцессорного модуля 23 (см. Фиг.3) формирует цифровой портрет сканируемой им поверхности колеса. The output signals from optical sensors 13a and 13b, as well as 14a and 14b, each of which is made in the form of a microprocessor module 23 (see Figure 3), forms a digital portrait of the wheel surface it scans.

В компьютере 19 на основе полученных цифровых портретов сканируемых поверхностей колеса формируется законченный профиль поверхности катания 2, который уже сравнивается с эталонным профилем поверхности катания колеса, хранящимся в памяти компьютера 19. В результате такого сравнения компьютер 19 определяет годность конкретного колеса к дальнейшему использованию. In the computer 19, based on the obtained digital portraits of the scanned surfaces of the wheel, a complete profile of the tread surface 2 is formed, which is already compared with the reference profile of the tread surface of the wheel stored in the memory of the computer 19. As a result of this comparison, the computer 19 determines the suitability of a particular wheel for further use.

Готовый цифровой портрет состава, составленный из цифровых портретов всех колесных пар с конкретными пометками (срочная замена, возможно продолжительное/непродолжительное использование и т.п.) через сеть данных железной дороги 22 передается в информационный центр, где принимается решение о замене конкретной колесной пары.A ready-made digital portrait of the train, composed of digital portraits of all wheel sets with specific marks (urgent replacement, possible long/short-term use, etc.) is transmitted through the railway data network 22 to the information center, where a decision is made to replace a specific wheel pair.

В процессе измерения на все оптические датчики поступает информация с магнитной педали 11 (она указывает, что пройден первый этап измерения профиля поверхности от начала колеса до его середины), а за ней информация с магнитной педали 12 (она указывает, что пройден второй этап измерения профиля поверхности от середины колеса до его конца). Указанная информация позволяет рассчитать мгновенные скорости на первом и втором этапах измерения профиля и по результатам этих расчетов сделать вывод о достоверности полученного цифрового портрета колеса.During the measurement process, all optical sensors receive information from the magnetic pedal 11 (it indicates that the first stage of measuring the surface profile from the beginning of the wheel to its middle has been completed), followed by information from the magnetic pedal 12 (it indicates that the second stage of measuring the profile has been completed surface from the middle of the wheel to its end). This information allows you to calculate the instantaneous speeds at the first and second stages of profile measurement and, based on the results of these calculations, draw a conclusion about the reliability of the resulting digital portrait of the wheel.

Указанное выполнение системы диагностического контроля, благодаря наличию трех магнитных педалей, позволяет существенно повысить точность и достоверность измерения за счет значительного уменьшения неравномерности движения колеса. Это достигается за счет привязки сканируемой базовой поверхности к трем реперным точкам, соответствующим началу, центру и концу измеряемого участка, что позволяет точно измерять мгновенные скорости колеса во время сканирования передней и задней частей колеса. The specified implementation of the diagnostic control system, thanks to the presence of three magnetic pedals, can significantly increase the accuracy and reliability of the measurement by significantly reducing the unevenness of the wheel movement. This is achieved by linking the scanned reference surface to three reference points corresponding to the beginning, center and end of the measured area, which allows you to accurately measure instantaneous wheel speeds while scanning the front and rear of the wheel.

Так, например, при относительном изменении скорости колеса на интервале от переднего края колеса до его центра и от центра до конца колеса менее 0.1%, точность измерения возрастает в 10 и более раз.So, for example, when the relative change in wheel speed in the interval from the front edge of the wheel to its center and from the center to the end of the wheel is less than 0.1%, the measurement accuracy increases by 10 times or more.

В случае, если при измерении указанных скоростей они совпадают (в допустимых пределах метрологической ошибки), то результаты измерения признаются достоверными, а полученный цифровой портрет колеса считается правильным.If, when measuring the indicated speeds, they coincide (within the permissible limits of metrological error), then the measurement results are considered reliable, and the resulting digital portrait of the wheel is considered correct.

Таким образом, нарушения равномерности движения колеса в зоне сканирования, которые приводят в прототипе к увеличению погрешности измерения, выявляются благодаря использованию дополнительных магнитных педалей 11 и 12, которыми удается фиксировать прохождение этапов измерения профиля поверхности от начала колеса до его середины, а также от середины колеса до его конца. Эти данные позволяют рассчитать мгновенные скорости на первом и втором этапах измерения профиля. А чем точнее удается измерять мгновенную скорость движения колеса в момент сканирования поверхностей, тем более высокую точность измерения обеспечивает система диагностического контроля.Thus, disturbances in the uniformity of wheel movement in the scanning zone, which lead to an increase in the measurement error in the prototype, are detected through the use of additional magnetic pedals 11 and 12, which manage to record the passage of the stages of measuring the surface profile from the beginning of the wheel to its middle, as well as from the middle of the wheel until its end. These data make it possible to calculate instantaneous velocities at the first and second stages of profile measurement. And the more accurately it is possible to measure the instantaneous speed of the wheel at the moment of scanning the surfaces, the higher the accuracy of the measurement is ensured by the diagnostic monitoring system.

Опытная проверка заявляемого устройства подтвердила его помехоустойчивость в условиях электромагнитных полей, существующих на электрифицированных участках железной дороги. Устройство в процессе опытной эксплуатации подтвердило эффект от использования трех магнитных педалей как на измерении профилей колес колесных пар грузовых вагонов диаметром 1000 мм, так и при измерении профилей колес локомотивов - 1250 мм. Эксплуатационная подтверждаемость показаний проводилась при скоростях следования составов через зону контроля от 10 до 90 км/ч составила 98,2% по толщине обода и 99,4% по толщине гребня колеса.An experimental test of the proposed device confirmed its noise immunity in the conditions of electromagnetic fields existing on electrified sections of the railway. During trial operation, the device confirmed the effect of using three magnetic pedals both in measuring the wheel profiles of wheel pairs of freight cars with a diameter of 1000 mm, and when measuring the profiles of locomotive wheels - 1250 mm. The operational confirmability of the readings was carried out at train speeds through the control zone from 10 to 90 km/h and amounted to 98.2% for the thickness of the rim and 99.4% for the thickness of the wheel flange.

Примеры работы системы диагностического контроля состояния поверхностей катания колеса колесной пары показаны на Фиг.4-Фиг.6.Examples of the operation of the diagnostic monitoring system for the condition of the rolling surfaces of a wheelset wheel are shown in Fig. 4-Fig. 6.

Таким образом, заявляемая система позволяет с высокой достоверностью своевременно выявлять колеса с дефектами поверхностей катания, причем непосредственно в процессе эксплуатации подвижного состава, а значит, тем самым, снижать аварийность на железнодорожном транспорте, связанную с эксплуатацией неисправных колесных пар.Thus, the inventive system allows, with high reliability, to timely identify wheels with defects in the rolling surfaces, directly during the operation of the rolling stock, and therefore, thereby, reduce the accident rate in railway transport associated with the operation of faulty wheel sets.

Claims (2)

1. Система диагностического контроля состояния поверхностей катания колес колесной пары, содержащая пару оптических датчиков на каждое колесо колесной пары, соединенных с компьютером, а также датчик прогиба рельса, при этом один из пары оптических датчиков установлен на уровне внутренней боковой поверхности колеса, а другой оптический датчик пары установлен на уровне наружной боковой поверхности колеса, причем каждый из оптических датчиков выполнен в виде автономного микропроцессорного модуля, установленного на виброустойчивой платформе и соединенного с компьютером, который выполнен с возможностью обмена информацией с информационным центром железной дороги, а для синхронизации работы всех оптических датчиков использована магнитная педаль, установленная на рельсе, отличающаяся тем, что содержит две дополнительные магнитные педали, которые расположены вдоль рельса симметрично по обе стороны от основной педали, а расстояние между центрами дополнительных магнитных педалей соответствует диаметру поверхности катания колеса колесной пары; причем все оптические датчики и магнитные педали, а также датчик прогиба рельса через сигнальные шины подключены к внутренней общей шине, соединенной с компьютером, который в свою очередь подключен через шину обмена данных к общей информационной шине сети передачи данных железной дороги.1. A system for diagnostic monitoring of the condition of the rolling surfaces of wheels of a wheel set, containing a pair of optical sensors for each wheel of the wheel set, connected to a computer, as well as a rail deflection sensor, with one of the pair of optical sensors installed at the level of the inner side surface of the wheel, and the other optical the pair sensor is installed at the level of the outer side surface of the wheel, and each of the optical sensors is made in the form of an autonomous microprocessor module installed on a vibration-resistant platform and connected to a computer, which is configured to exchange information with the railway information center, and to synchronize the operation of all optical sensors a magnetic pedal is used installed on the rail, characterized in that it contains two additional magnetic pedals, which are located along the rail symmetrically on both sides of the main pedal, and the distance between the centers of the additional magnetic pedals corresponds to the diameter of the wheel tread surface of the wheelset; Moreover, all optical sensors and magnetic pedals, as well as the rail deflection sensor, are connected through signal buses to an internal common bus connected to a computer, which in turn is connected via a data exchange bus to the common information bus of the railway data transmission network. 2. Способ диагностического контроля состояния поверхностей катания колес колесной пары, функционирующий с помощью системы по п.1, характеризуется тем, что перед началом работы системы производят юстировку оптических датчиков, определяя их координаты относительно друг друга; перед началом измерений текущих координат для каждого из колес колесной пары по сигналу основной магнитной педали подают сигнал на включение оптических датчиков; при этом с датчика прогиба рельса на компьютер передают цифровой сигнал, который учитывает влияние прогиба рельса на результат измерений оптических датчиков; при движении колесной пары по рельсам у обоих колес одновременно сканируют оптическими датчиками внутренние и наружные поверхности, затем из полученных данных формируют наружные профили колес колесной пары, включая и профили поверхностей их катания, а также формируют внутренние профили колес; все сформированные профили колес в цифровом виде передают на компьютер по информационным шинам; выходные сигналы с оптических датчиков формируют цифровой портрет сканируемой ими поверхности колеса, а в компьютере на основе полученных цифровых портретов сканируемых поверхностей колеса формируют законченный профиль поверхности катания, который уже сравнивают с эталонным профилем поверхности катания колеса, хранящимся в памяти компьютера; по результатам сравнения двух профилей с помощью компьютера определяют годность конкретного колеса к дальнейшему использованию; при этом в процессе измерений на все оптические датчики поступает информация с первой дополнительной магнитной педали, активацией которой отмечают, что пройден первый этап измерения профиля поверхности от начала колеса до его середины, а за ней передают информацию со второй дополнительной магнитной педали, активацией которой отмечают, что пройден второй этап измерения профиля поверхности от середины колеса до его конца; по собранной информации рассчитывают на компьютере мгновенные скорости на первом и втором этапах измерения профиля и по результатам этих расчетов делают вывод о достоверности полученного цифрового портрета колеса, если при измерении указанных скоростей они совпадают в допустимых пределах метрологической ошибки. 2. The method for diagnostic monitoring of the condition of the rolling surfaces of wheels of a wheelset, operating using the system according to claim 1, is characterized by the fact that before the system starts operating, the optical sensors are adjusted, determining their coordinates relative to each other; before starting measurements of the current coordinates for each of the wheels of the wheelset, a signal is given from the main magnetic pedal to turn on the optical sensors; in this case, a digital signal is transmitted from the rail deflection sensor to the computer, which takes into account the influence of rail deflection on the measurement result of the optical sensors; when the wheelset moves along the rails, the inner and outer surfaces of both wheels are simultaneously scanned with optical sensors, then the outer profiles of the wheels of the wheelset are formed from the data obtained, including the profiles of their rolling surfaces, and the inner profiles of the wheels are also formed; all generated wheel profiles are digitally transmitted to a computer via data buses; output signals from optical sensors form a digital portrait of the wheel surface they scan, and in the computer, based on the resulting digital portraits of the scanned wheel surfaces, a complete tread surface profile is formed, which is already compared with the reference profile of the wheel tread surface stored in the computer memory; based on the results of comparing two profiles using a computer, the suitability of a particular wheel for further use is determined; in this case, during the measurement process, all optical sensors receive information from the first additional magnetic pedal, the activation of which indicates that the first stage of measuring the surface profile from the beginning of the wheel to its middle has been completed, and after it, information is transmitted from the second additional magnetic pedal, the activation of which is noted, that the second stage of measuring the surface profile from the middle of the wheel to its end has been completed; Based on the collected information, instantaneous speeds are calculated on a computer at the first and second stages of profile measurement and, based on the results of these calculations, a conclusion is drawn about the reliability of the resulting digital portrait of the wheel if, when measuring the indicated speeds, they coincide within the permissible limits of metrological error.