Научная статья на тему 'ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОВЕРХНОСТЕЙ КАТАНИЯ КОЛЕСНОЙ ПАРЫ ВАГОНА ПРИ ПЛАНОВЫХ ВИДАХ РЕМОНТА'

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОВЕРХНОСТЕЙ КАТАНИЯ КОЛЕСНОЙ ПАРЫ ВАГОНА ПРИ ПЛАНОВЫХ ВИДАХ РЕМОНТА Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
78
8
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ЛАЗЕРНЫЙ ТРИАНГУЛЯЦИОННЫЙ ДАЛЬНОМЕР / ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ / ИЗМЕРЕНИЕ / КОЛЕСНАЯ ПАРА

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Лексутов Илья Сергеевич, Клюка Владислав Петрович

Предметом исследования является процесс применения оптических технологий бесконтактных измерений геометрических параметров колесной пары вагона в ходе эксплуатации и при осуществлении ремонта. Цель исследования - проработка методик натурных испытаний технологий контроля геометрических параметров деталей вагона при помощи оптического дальномера со взаимной верификацией полученных результатов при помощи численного моделирования с применением трехмерных цифровых моделей объектов и средств измерения. В результате исследования получены экспериментальные и расчетные зависимости показаний оптического датчика в ходе изменения взаимного положения объекта измерения (колесной пары) и дальномера. Для натурных испытаний были использованы два лазерных триангуляционных дальномера. Для численного моделирования была создана программа, которая позволяет генерировать трехмерную модель поверхности катания колесной пары, состоящую из множества точек, принадлежащих поверхности вращения. Моделирование заключается в поиске точек пересечения линии, заданной при помощи координат точки источника излучения в пространстве и направляющего вектора, с моделью поверхности катания. После вычислений результат выдается в виде таблицы с вычисленными дальностями и визуализируется в виде проекций трехмерной проволочной модели колеса и луча дальномера. Визуализация процесса численного моделирования важна для исключения неправильной интерпретации результатов расчетов и проверки соблюдения физического смысла получаемых при моделировании численных данных. Сравнение графиков показывает сходимость результатов и достаточную точность численных моделей и методик, которые можно применять в дальнейшем для планирования натурных испытаний проектируемых методик и оборудования для размерного контроля деталей вагона.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Лексутов Илья Сергеевич, Клюка Владислав Петрович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

INVESTIGATION OF THE PROCESS OF CONTACTLESS MEASUREMENT OF THE GEOMETRIC PARAMETERS OF THE ROLLING SURFACE OF THE WHEELSET OF A WAGON DURING PLANNED TYPES OF REPAIR

The subject of the study is the process of applying optical technologies for non-contact measurements of geometric parameters of a wagon wheelset during operation and repair. The purpose of the study is to study the methods of field testing of technologies for controlling the geometric parameters of car parts using an optical rangefinder, with mutual verification of the results obtained using numerical modeling using three-dimensional digital models of objects and measuring instruments. As a result of the study, experimental and calculated dependences of the optical sensor readings were obtained during the change in the relative position of the measuring object (wheelset) and the rangefinder. Two laser triangulation rangefinders were used for field tests. For numerical simulation, a program was created that allows generating a three-dimensional model of the rolling surface of a wheelset consisting of a set of points belonging to the surface of rotation. The simulation consists in finding the intersection points of a line defined using the coordinates of the point of the radiation source in space and the guiding vector with the model of the skating surface. After the calculations, the result is given in the form of a table with calculated ranges and visualized as projections of a three-dimensional wire model of a wheel and a rangefinder beam. Visualization of the numerical modeling process is important to avoid misinterpretation of the calculation results and to verify compliance with the physical meaning of the numerical data obtained during modeling. Comparison of graphs shows the convergence of the results and sufficient accuracy of numerical models and techniques that can be used in the future to plan full-scale tests of the designed techniques and equipment for dimensional control of railway car parts.

Текст научной работы на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОВЕРХНОСТЕЙ КАТАНИЯ КОЛЕСНОЙ ПАРЫ ВАГОНА ПРИ ПЛАНОВЫХ ВИДАХ РЕМОНТА»

УДК 629.4.012.5:629.463:629.4.018

И. С. Лексутов, В. П. Клюка

Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС), г. Омск, Российская Федерация

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОВЕРХНОСТЕЙ КАТАНИЯ КОЛЕСНОЙ ПАРЫ ВАГОНА ПРИ ПЛАНОВЫХ ВИДАХ РЕМОНТА

Аннотация. Предметом исследования является процесс применения оптических технологий бесконтактных измерений геометрических параметров колесной пары вагона в ходе эксплуатации и при осуществлении ремонта. Цель исследования - проработка методик натурных испытаний технологий контроля геометрических параметров деталей вагона при помощи оптического дальномера со взаимной верификацией полученных результатов при помощи численного моделирования с применением трехмерных цифровых моделей объектов и средств измерения. В результате исследования получены экспериментальные и расчетные зависимости показаний оптического датчика в ходе изменения взаимного положения объекта измерения (колесной пары) и дальномера. Для натурных испытаний были использованы два лазерных триангуляционных дальномера. Для численного моделирования была создана программа, которая позволяет генерировать трехмерную модель поверхности катания колесной пары, состоящую из множества точек, принадлежащих поверхности вращения. Моделирование заключается в поиске точек пересечения линии, заданной при помощи координат точки источника излучения в пространстве и направляющего вектора, с моделью поверхности катания. После вычисленийрезуль-тат выдается в виде таблицы с вычисленными дальностями и визуализируется в виде проекций трехмерной проволочной модели колеса и луча дальномера. Визуализация процесса численного моделирования важна для исключения неправильной интерпретации результатов расчетов и проверки соблюдения физического смысла получаемых при моделировании численных данных. Сравнение графиков показывает сходимость результатов и достаточную точность численных моделей и методик, которые можно применять в дальнейшем для планирования натурных испытаний проектируемых методик и оборудования для размерного контроля деталей вагона.

Ключевые слова: Лазерный триангуляционный дальномер, численное моделирование, измерение, колесная пара.

Ilya S. Leksutov, Vladislav P. Klyuka

Omsk State Transport University (OSTU), Omsk, the Russian Federation

INVESTIGATION OF THE PROCESS OF CONTACTLESS MEASUREMENT OF THE GEOMETRIC PARAMETERS OF THE ROLLING SURFACE OF THE WHEELSET OF A WAGON DURING PLANNED TYPES OF REPAIR

Abstract. The subject of the study is the process of applying optical technologies for non-contact measurements of geometric parameters of a wagon wheelset during operation and repair. The purpose of the study is to study the methods of field testing of technologies for controlling the geometric parameters of car parts using an optical rangefinder, with mutual verification of the results obtained using numerical modeling using three-dimensional digital models of objects and measuring instruments. As a result of the study, experimental and calculated dependences of the optical sensor readings were obtained during the change in the relative position of the measuring object (wheelset) and the rangefinder. Two laser triangulation rangefinders were used for field tests. For numerical simulation, a program was created that allows generating a three-dimensional model of the rolling surface of a wheelset consisting of a set ofpoints belonging to the surface of rotation. The simulation consists in finding the intersection points of a line defined using the coordinates of the point of the radiation source in space and the guiding vector with the model of the skating surface. After the calculations, the result is given in the form of a table with calculated ranges and visualized as projections of a three-dimensional wire model of a wheel and a rangefinder beam. Visualization of the numerical modeling process is important to avoid misinterpretation of the calculation results and to verify compliance with the physical meaning of the numerical data obtained during modeling. Comparison of graphs shows the convergence of the results and sufficient accuracy of numerical models and techniques that can be used in the future to plan full-scale tests of the designed techniques and equipment for dimensional control of railway car parts.

Keywords: Laser triangulation rangefinder, numerical simulation, measurement, wheelset.

Измерение параметров колесной пары в ходе эксплуатации и ремонта вагонов является важной задачей обеспечения безопасности движения. Колесная пара - это один из самых

нагруженных элементов вагона: через колесные пары и поверхности катания осуществляется механическое взаимодействие с передачей всей массы перевозимого груза и кузова на рельсы. При любой конструкции ходовых частей вагона поверхность колесной пары испытывает наиболее сильное воздействие фактора неподрессоренных масс элементов тележки. Поэтому самое первое звено, или составляющая ходовой части вагона, которое подвержено максимальному износу, - это поверхность катания и гребень колеса.

Выявление и точная регистрация в конкретный момент времени текущей геометрии и неизбежно прогрессирующего износа поверхности колес косвенно обеспечивают контроль исправности и технического состояния и других систем вагона, например: тормозной системы, деформации тележки, ошибки при сборке тележки и комплектовании колесными парами. Для контроля размеров колесных пар разработаны и успешно используются оптические системы на основе триангуляционных дальномеров [1 - 4]. Процесс измерения в них полностью автоматизирован и позволяет собирать статистические данные об интенсивности изнашивания с привязкой к номеру вагона. Технологии, которые применяются для автоматизированного контроля технического состояния, на самом деле универсальны [10] и хорошо вписываются в современные инвестиционные программы ОАО «РЖД». В частности, в программе «Цифровая железная дорога» делается упор на создание «цифровых двойников» различных объектов. Их создание определяется возможностью переноса сложных технологических производственных процессов, которые выполняются во время наблюдений за состоянием реальных объектов, в компьютерную среду, где сначала формируется информационная трехмерная модель идеального объекта, которая затем корректируется по данным объективного контроля. В условиях проектирования, строительства и эксплуатации реальных объектов при внесении в них изменений важными являются требования точности, быстроты и эффективности. Эти требования удовлетворяются при помощи систем лазерного бесконтактного измерения.

Когда появляется технологическая возможность быстро вносить коррективы в свойства цифрового двойника, «точечная» регистрация данных об измерениях колес из нескольких пунктов контроля превращается в динамично меняющуюся картину. Данные по пути следования вагона сохраняются в одной базе данных с привязкой к номеру вагона, и становится возможным анализ «динамики» износа через регистрацию изменений в геометрических размерах и форме вагонных узлов и деталей. Это открывает перспективы для анализа поведения и динамики изменения технического состояния вагона в зависимости от условий эксплуатации и состояния инфраструктуры железной дороги. Становится возможным оценивать и сравнивать реальные эксплуатационные характеристики различных моделей и партий вагонов, зависимость стоимости жизненного цикла конкретного вагона от вариантов комплектации, начальной геометрии и других свойств нового вагона, истории технического обслуживания и других важных зависимостей, которые недоступны для изучения без точной регистрации и сбора данных об изменении свойств отдельных деталей вагона в процессе их износа.

При анализе публикаций по теме бесконтактных измерений замечено, что упор в них сделан в основном на практическую сторону применения измерительных установок. Происходит обсуждение результатов реального применения таких систем. Иногда работу бесконтактных систем проверяют другими автоматизированными средствами размерного контроля. При этом не делается попыток теоретического осмысления происходящих в ходе измерения процессов. Хотя на сложность отладки процесса указывает тот факт, что от начала разработки и внедрения, например, системы «Комплекс» до получения устойчивых показателей в реальных условиях эксплуатации прошли годы, в ходе которых потребовалось разработать специально под эту конкретную задачу свой дальномер. Часто публикации касаются только схемотехнических аспектов разработанных установок, обсуждается только состав применяемых модулей. Этого недостаточно для научного осмысления ценности и особенностей работы таких измерительных систем. Поэтому изучение процесса работы бесконтактных автоматизированных систем контроля технического состояния, в том числе и с применением цифровых технологий и натурных экспериментов в лабораторных условиях, является актуальным.

Целью данной работы является отработка алгоритмов и программного обеспечения для проведения моделирования процесса измерения геометрических параметров колесной пары при помощи системы лазерных дальномеров. Для верификации полученных результатов расчетные данные сравниваются с результатами натурного исследования с использованием реального дальномера.

Опыт по отработке процесса регистрации данных бесконтактных измерений проводился в лабораторных условиях при наличии отрезка пути длиной 6 м, на котором установлена грузовая тележка модели 18-9855. Особенностью способа установки рельсов под тележкой является небольшое количество опорных площадок. Для оценки воздействия веса тележки на рельсы, установленные таким способом, было измерено расстояние от нижней поверхности подошвы рельса в месте максимального удаления от соседних опор в полностью разгруженном и максимально нагруженном состоянии. Прогиб рельса составил не более 1,5 мм, что позволяет сделать вывод о незначительном влиянии податливости пути на результат измерений расстояния до поверхности катания колеса. Была исследована поверхность основания, на котором установлены рельсы. С помощью лазерного уровня и дальномера составлена карта относительных высот поверхности основания относительно базовой точки. Кроме этого измерены разница высот головок рельсов и изменение параметров колеи в нескольких характерных точках. Отклонение ширины колеи составило не более 1 мм в крайних точках отрезка пути. Разница между высотами крайних точек области размещения путей тележки составила менее 8 мм, что не может вносить значительных искажений в результаты измерений.

На рисунке 1 показана схема лабораторной установки, состоящей из тележки модели 189855, установленной на отрезке пути, и двух датчиков, позволяющих измерять расстояние и передавать данные в цифровом виде на компьютер для записи в табличном формате. В дальнейшем как в натурных измерениях, так и в вычислительном эксперименте принимается допущение об отсутствии погрешностей установки и расположения колесных пар и тележки на отрезке пути, так как в данной работе поставлена цель в первую очередь отработать информационную технологию сопоставления результатов натурных измерений и численных расчетов.

Рисунок 1 - Схема установки лазерных дальномеров относительно тележки вагона: 1 - наклонный дальномер для сканирования поверхности катания (основной); 2 - горизонтальный дальномер, установленный параллельно осям системы координат в точку контроля диаметра колеса

Для подготовки натурного испытания лазерного дальномера использовались металлические линейки и цифровой инклинометр ADA ProDigit RUMB. Для измерения диаметра колес по кругу катания применялись скоба ДК и лазерный уровень на штативе. На рисунке 2 показана схема установки двух дальномеров. В ходе испытания в качестве основных датчиков использованы два лазерных триангуляционных дальномера LS5. Дальномер 1 использовался для измерения расстояния до поверхности катания колесной пары, а дальномер 2 - для измерения пути, пройденного колесной парой относительно первого неподвижного дальномера в ходе измерений. Дальномер 1 выставлялся по инклинометру относительно горизонтальной плоскости. Относительно осей Z и X в горизонтальной плоскости угол 45 о выставлялся по линейкам.

При проведении натурных испытаний и численного моделирования была принята система координат с нулевой точкой отчета, через которую проходят ось колесной пары и перпендикулярная ей плоскость внутренней вертикальной поверхности колеса. Таким образом, ось Х

направлена от внешней стороны тележки внутрь, ось Y направлена вверх, а ось Ъ - от тележки к месту наблюдения, направление движения тележки предполагается от наблюдателя. Дальномер, таким образом, измеряет расстояние от датчика до удаляющегося левого колеса по отношению к наблюдателю. Основной дальномер был размещен под углом 45 ° к вертикальной оси координат Y и под углом 45 ° к осям координат 0Х и 0Y в плоскости ЪХ (см. рисунок 2). При таком расположении направляющий вектор луча дальномера в пространстве будет иметь координаты (cos(45 о); 1; -cos(45 о)). В ходе подготовки натурных испытаний с учетом формы и размеров корпуса дальномера и особенностей его крепления удалось установить, что начальная точка источника лазерного излучения находится на удалении (-255; -415,5; 527) мм по соответствующим осям от нулевой точки системы отсчета, что было принято за исходные данные для численного моделирования.

Рисунок 2 - Схема установки дальномеров: 1 - наклонный дальномер установлен по инклинометру относительно горизонтальной плоскости и вертикали V под углом 45 2 - дальномер для контроля перемещения

колеса в ходе измерений

Для ускорения расчетов модель обода колеса была ограничена сектором с раствором 90 ° части поверхности вращения, обращенным внешней стороной в сторону дальномера. Моделирование производилось при помощи компьютерной программы, написанной в среде разработки приложений Delphi 7. При экспорте геометрических данных модели поверхности катания была использована библиотека экспорта геометрических данных для графической САПР «Компас» [5]. Исследования, проводимые авторами ранее [6] с непосредственным использованием трехмерных моделей и встроенных механизмов исследования трехмерных объектов, а также механизмов экспорта геометрических данных с применением указанной программы, не установили надежных и приемлемых по удобству, точности и качеству способов для имитационного моделирования. Поэтому потребовалась разработка собственной компьютерной программы.

Упрощенная модель колеса (или цифровой двойник) была аппроксимирована при помощи 475200 точек, принадлежащих стандартной поверхности катания. Это позволило обеспечить погрешность определения координат пересечения луча дальномера с криволинейной поверхностью на уровне не более 0,2 мм в продольном направлении и 0,25 мм в поперечном направлении поверхности, являющейся следом вращения образующей. Обеспеченная таким образом погрешность расчетов достаточна для сравнения с натурными данными. Погрешность измерений лазерных датчиков составляет для наклонного дальномера 0,6 мм, а для дальномера регистрации пройденного колесной парой расстояния - 1,5 мм по дальности. Таким образом,

32 ИЗВЕСТИЯ Транссиб = № 4(48)

ожидаемая точность результатов моделирования на начальном этапе в несколько раз превышает точность, которую могут обеспечить реальные средства измерения. При построении геометрической модели предполагается равенство диаметров левого и правого колес и стандартный профиль обода в соответствии с ГОСТ 10791-2011 «Колеса цельнокатаные». Профиль поверхности колеса аппроксимирован при помощи 264 точек, лежащих на кривой линии его сечения.

Рисунок 3 синтезирован в программе и иллюстрирует геометрический смысл численного моделирования процесса применения оптической технологии для контроля параметров колеса. Неподвижно установленный дальномер своим лучом как бы разрезает движущееся колесо наискосок, так как относительно колеса в момент прохода тележки лучи прибора расположены на наклонной плоскости, параллельной оси 02. На рисунке 3 поверхность катания показана «проволочной» моделью, где к кругам следов вращения крайних точек внешнего профиля колеса относительно оси 0Х «приклеены» экземпляры образующей криволинейной линии поверхности вращения (профиль поверхности катания колеса).

В ходе моделирования процесса измерения для ускорения операций обработки массивов данных было заменено реальное движение колесной пары относительно неподвижного датчика на движение «виртуального» датчика в трехмерном пространстве относительно неподвижной геометрической модели обода колеса. На рисунке 3 (вид А) следы от движения точки Мо источника излучения нужно отсчитывать слева направо.

Рисунок 3 - Визуализация пространственной геометрической модели поверхности катания колеса и положения найденных в ходе моделирования точек пересечения движущегося измерительного луча с поверхностью: М0 - точка источника излучения дальномера; М1 - точка падения луча. Движение источника излучения в пространстве задавалось параллельно оси 2 в положительном направлении с шагом 2 мм

Процесс исследования «цифрового двойника» поверхности колесной пары состоит из нескольких этапов. Сначала загружаются геометрические данные, полученные при помощи двумерной части САПР «Компас», которая позволяет с высокой точностью создавать и исследовать положение двумерных примитивов, из которых состоит стандартный профиль поверхно-

сти катания. Данные извлекаются при помощи универсальной библиотеки [5]. Затем цифровые данные обрабатываются в программе для моделирования, где можно задать диаметр колеса, соответствующий реальному объекту. В данном случае диаметр равен 961 мм (получен ручным измерением). После этого из двумерного контура, расположив его в трехмерном пространстве в плоскости 0XY, при помощи применения операции вращения в пространстве относительно оси 0Х получаем поле точек, принадлежащих поверхности катания. Массив пространственных точек получается структурированным, что в дальнейшем позволит разработать алгоритмы оптимизации для ускорения процесса моделирования. Далее, применяя элементарные [7] операции с векторами в пространстве, находим точки пересечения аппроксимированной поверхности и прямой линии, соответствующей в модели лазерному лучу дальномера. После вычисления расстояния между исходной точкой (источником излучения) и точкой пересечения с поверхностью результат записывается в массив-таблицу и сохраняется в файле. Затем точка источника излучения переносится на нужный шаг и процесс расчета повторяется циклично до достижения нужного расстояния перемещения источника излучения. Данные натурного испытания и виртуального эксперимента затем можно сравнить в форме графика зависимости, показанной на рисунке 4.

Рисунок 4 - Результат измеренной дальности от датчика до поверхности катания по результатам моделирования (сплошная линия) и натурным испытаниям (линия с точками). Для примерной оценки соответствия расчетных и измеренных дальностей положению падающего луча лазера на поверхности объекта на график наложено изображение стандартного профиля поверхности катания колеса

«Виртуальный датчик» за один шаг моделирования перемещался на 2 мм из точки Мо с пространственными координатами (-255; -415,5; 527) в положительном направлении оси 2. Смоделировано 110 шагов измерения расстояния от дальномера до поверхности катания. Расчеты проводились с использованием чисел с плавающей точкой двойной точности длиной 8 байт. Сравнение производилось с 32 точками, полученными в натурном испытании. Отсутствие механизации и автоматизации процесса натурных измерений и влияние на этот процесс веса тележки в сборе обусловили неравномерность интервала измерений по пути движения объекта относительно неподвижных датчиков.

Сравнение результатов моделирования с данными, полученными с использованием реального дальномера (см. рисунок 4), показывает хорошее соответствие, особенно заметное в области первых двух третей поверхности катания. Параметр L на графике (см. рисунок 4) соответствует зарегистрированной дальности от неподвижного датчика до поверхности катания в

месте измерения диаметра колеса (70 мм от внутренней грани), по которому можно регистрировать пройденный тележкой путь в направлении от датчика в ходе натурного испытания. К этому же расстоянию приведен путь движения источника излучения (точка Мо) в ходе численного моделирования. Параметр D на рисунке 4 соответствует зарегистрированному расстоянию от наклонного дальномера в ходе натурного и виртуального испытаний. Разницу в расчетной и экспериментальной дальности пришлось минимизировать, так как наличными средствами оказалось невозможно точно измерить реальные координаты источника лазерного излучения дальномера. В дальнейших исследованиях планируется увеличить точность определения пространственного положения дальномера при натурных испытаниях путем конструирования механизированной установки на основе модулей линейного перемещения.

Отличия в дальности D на сравнительной диаграмме проявляются в области перехода конуса поверхности катания в гребень. Эти отличия нивелируются к вершине гребня. Причиной значимого отличия могут являться особенности обработки оптического сигнала самим датчиком при появлении переотражений лазерного луча от наклонной поверхности объекта. Кроме этого реальный профиль колеса несколько отличается от стандартного. В области перехода поверхности катания в гребень у реального колеса наблюдается провал, совпадающий по своему месту расположения с местом наибольших отличий на рисунке 4.

На рисунке 5 приведен график, представляющий абсолютную погрешность расчетных значений дальности и показаний реального дальномера. Для получения такого графика пришлось разработать специальную подпрограмму, использующую в своей работе механизм линейной интерполяции для получения промежуточных значений дальности в промежутках между точками опытных данных, так как расчетные данные получены с равномерным шагом по оси абсцисс, а опытные получены с произвольным шагом. Подпрограмма позволяет сравнивать два графика и подсчитывать суммарные различия двух рядов данных. Эта функциональность использовалась при построении итоговой зависимости погрешности по ходу движения колеса, так как суммарная погрешность минимизировалась путем варьирования возможной ошибки взаимного позиционирования реального и виртуального дальномеров по оси измерительного луча. Как видно из графика на рисунке 5, максимальные отклонения расчетных и натурных данных наблюдаются в области перехода профиля конусной части составной поверхности (в области расположения круга катания) в гребень и на вершине гребня.

Я, мм1

720

740

760

780

800

820

840

860

880

900

Ц мм

Рисунок 5 - Функция абсолютной погрешности Я расчетной дальности и дальности по натурным измерениям

в зависимости от хода колесной пары вдоль оси 2

Анализ графика абсолютной погрешности на первый взгляд не внушает оптимизма. Однако на получение такого результата повлияло множество факторов, которые должны быть учтены в последующих исследованиях. Первый фактор - это отличие реального профиля колеса от стандартного. Колесная пара, установленная в лаборатории, является новой, поэтому

для нее был принят стандартный профиль. Второй фактор - неверная оценка расположения реального дальномера относительно колеса, так как элементы кронштейна, на который установлен реальный дальномер, препятствуют использованию наличных средств измерений (линейка), а универсальная координатно-измерительная машина, которая могла бы помочь в определении положения реальных объектов в трехмерном пространстве, недоступна. Третий фактор - это погрешность расположения колесной пары и самой тележки относительно осей в принятой системе координат. Следует сказать, что объект измерения имеет некоторые особенности. Реальная тележка собрана с использованием боковых рам с разницей баз, выходящей за пределы допустимой согласно эксплуатационным документам. Головки левого и правого рельсов Р65, на которых установлена тележка, расположены на разном уровне, так как один является новым, а другой - бывшим в употреблении с изношенной головкой. Таким образом, угловое положение реальной оси колесной пары может иметь значительные отличия от идеализированной модели. Четвертый фактор - это неизвестные особенности дальномера. На некоторые такие особенности указывают места на графике погрешности, совпадающие с максимальным наклоном профиля в области гребня. На графике (см. рисунок 5) просматриваются также паттерны в виде арки, повторяющиеся с периодом примерно 40 мм в области основной поверхности катания, которые могут говорить об особенностях обработки сигнала микропроцессором дальномера.

Таким образом, при сравнении результатов натурного испытания и результатов моделирования видно, что разработанные алгоритмические модели и использованный способ вычисления расстояний позволяют с достаточной достоверностью применять их для отработки технологии бесконтактных измерений размеров и формы деталей подвижного состава. Виртуальные эксперименты позволяют с большой скоростью и точностью разрабатывать средства для лазерного бесконтактного контроля ходовой части инновационных вагонов, оборудованных тележками 18-9855 и 18-9810. Скорейшее внедрение новых систем для автоматизированного контроля технического состояния актуально, так как тележки указанных типов изготовлены с более жесткими относительно старых моделей допусками на размеры и требуют более точных измерений при контроле их характеристик. С помощью оптических дальномеров можно обеспечить быстрый и эффективный контроль технического состояния при прохождении плановых и внеплановых видов ремонта грузовых вагонов. По опыту применения существующих систем можно утверждать, что с их применением можно контролировать толщину и ширину обода отдельного колеса, толщину гребня, величину равномерного проката, диаметр колеса по кругу катания, можно оценивать состояние не только отдельных колес, но и относительные характеристики, такие как расстояние между ободьями колес в колесной паре, разницу диаметров колес в одной паре, в составе тележки и вагона, контролировать углы набегания колес на рельс. С некоторой вероятностью можно выявлять ползуны, выщербины и другие локализованные повреждения колес. Кроме того, можно контролировать параметры тележек: выявлять перекосы рам тележек, измерять высоту плоскости подпятника, его горизонтальность, высоту опорных поверхностей скользунов надрессорных балок тележек и другие отклонения параметров, влияющие на безопасность перевозок грузов и пассажиров по железной дороге. Дополнение трудоемкого и длительного этапа натурных испытаний для подбора характеристик оптических датчиков автоматизированным процессом численного моделирования ускорит внедрение цифровых технологий диагностирования технического состояния вагона и реализацию на железнодорожном транспорте программы «Цифровая железная дорога».

Список литературы

1. Комиссаров, А. В. Автоматизированный диагностический комплекс для измерения геометрических параметров колесных пар / А. В. Комиссаров, К. В. Григорьев. - Текст : непосредственный // Вагоны и вагонное хозяйство. - 2011. - № 3. - С. 14-15.

2. Лазерные триангуляционные датчики положения в промышленных системах контроля и диагностики / А. Н. Байбаков, В. И. Ладыгин [и др.]. - Текст : непосредственный // Автометрия. - 2004. - Т. 40. - № 2. - С. 105-113.

3. Лазерный диагностический комплекс для контроля колесных пар вагонов на ходу поезда / С. В. Плотников, А. Н. Байбаков [и др.]. - Текст : непосредственный // Гео-Сибирь. -Новосибирск. - 2005. - Т. 6. - С. 64-70.

4. Современное состояние и перспективы развития измерительно-диагностических систем на железнодорожном транспорте / А. З. Венедиктов, О. В. Пальчик [и др.]. - Текст : непосредственный // Наука и техника транспорта. - 2005. - № 4. - С. 18-27.

5. Лексутов, И. С. Свидетельство № 50200801323 об отраслевой регистрации разработки «Модуль экспорта геометрических данных». - Москва : ВНТИЦ, 2008. - Текст : непосредственный.

6. Лексутов, И. С. Использование графического ядра конструкторской САПР для моделирования процесса контроля технического состояния вагона / И. С. Лексутов, В. П. Клюка. -Текст : непосредственный // Инновационные проекты и технологии в образовании, промышленности и на транспорте : материалы научной конференции. - Омск : Омский гос. ун-т путей сообщения, 2019. - С. 76-80.

7. Ефимов, Н. В. Краткий курс аналитической геометрии : учебник / Н. В. Ефимов. -Москва : Наука, 1975. - 272 с. - Текст : непосредственный.

8. Дистанционный размерный контроль колес в движущемся железнодорожном составе / А. Н. Байбаков, К. И. Кучинский [и др.]. - Текст : электронный // Современные проблемы науки и образования. - 2013. - № 6. - URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=11191 (дата обращения: 09.12.2021).

9. Буйносов, А. П. Методы автоматизированного измерения параметров колесных пар при движении электровоза / А. П. Буйносов, А. М. Кислицын. - Текст : непосредственный // Научно-технический вестник Поволжья. - 2013. - № 6. - С. 174-177.

10. Алтынцев, М. А. Создание метрической имитационной модели «цифрового двойника» активным методом дистанционного зондирования земли / М. А. Алтынцев, П. А. Карпик. -Текст : непосредственный // Вестник СГУГиТ. - 2020. - Т. 25. - № 4. - С. 58-67.

References

1. Komissarov A. V., Grigoriev K. V. Automated diagnostic complex for measuring geometrical parameters of wheel sets [Avtomatizirovannyy diagnosticheskiy kompleks dlya izmereniya ge-ometricheskikh parametrov kolesnykh par]. Vagony i vagonnoe khoziaistvo - Wagons and wagon facilities, 2011, no. 3, pp. 14 - 15.

2. Baibakov A. N., Baibakov A. N., Ladygin V. I., et al. Lazernyye triangulyatsionnyye datchiki polozheniya vpromyshlennykh sistemakh kontrolya i diagnostiki (Laser triangulation position sensors in industrial control and diagnostic systems). Avtometriia - Avtometriya, 2004, vol. 40, no. 2, pp. 105 - 113.

3. Plotnikov S. V., Baibakov A. N. and others. Laser diagnostic complex for monitoring wheelset pairs of cars on the move of the train [Lazernyy diagnosticheskiy kompleks dlya kontrolya kolesnykh par vagonov na khodu poyezda]. Geo-Sibir' - Geo-Siberia, 2005, vol. 6, pp. 64 - 70.

4. Venediktov A. Z., Palchik O. V., et al. Current state and prospects for the development of measuring and diagnostic systems in railway transport [Sovremennoye sostoyaniye i perspektivy razvitiya izmeritelno-diagnosticheskikh sistem na zheleznodorozhnom transporte]. Nauka i tekhnika transporta - Science and technology of transport, 2005, no. 4, pp. 18 - 27.

5. Leksutov I. S. Svidetel'stvo № 50200801323 ob otraslevoi registratsii razrabotki «Modul' ek-sporta geometricheskikh dannykh» (Certificate No. 50200801323 on the branch registration of the computer programm «Geometric data export module»). Moscow: VNTITs Publ., 2008.

6. Leksutov I. S., Klyuka V. P. Using the graphic core of a design CAD for modeling the process of monitoring the technical condition of a car [Ispol'zovanie graficheskogo iadra konstruktorskoi SAPR dlia modelirovaniia protsessa kontrolia tekhnicheskogo sostoianiia vagona]. Innovatsionnye proekty i tekhnologii v obrazovanii, promyshlennosti i na transporte: materialy nauchnoi konfe-rentsii (Innovative projects and technologies in education, industry and transport: materials of a scientific conference). - Omsk, 2019, pp. 76 - 80.

7. Efimov N. V. Kratky kurs analiticheskoy geometrii (Short course of analytical geometry). Moscow: Nauka Publ., 1975, 272 p.

8. Baybakov A. N., Kuchinsky K. I., Plotnikov S. V., Sotnikov V. V., Chugui Yu. V. Remote dimensional control of wheels in a moving train [Distantsionnyy razmernyy kontrol' koles v dvizhushchemsya zheleznodorozhnom sostave]. Sovremennye problemy nauki i obrazovaniia -Modern problems of science and education, 2013, no. 6. Available at: https://science-educa-tion.ru/ru/article/view?id=11191 (accessed 09 December 2021).

9. Buinosov A. P., Kislitsyn A. M. Methods of automated measurement of the parameters of wheel pairs during the movement of an electric locomotive [Metody avtomatizirovannogo izmereniya parametrov kolesnykh par pri dvizhenii elektrovoza]. Nauchno-tekhnicheskii vestnikPovolzh'ia - Scientific and technical bulletin of the Volga region, 2013, no. 6, pp. 174 - 177.

10. Altyntsev M. A., Karpik P. A. Creation of a metric simulation model of a «digital twin» by the active method of remote sensing of the earth [Sozdaniye metricheskoy imitatsionnoy modeli «tsifrovogo dvoynika» aktivnym metodom distantsionnogo zondirovaniya zemli]. Vestnik SGUGiT - Bulletin of SSUGiT (Siberian State University of Geosystems and Technologies), 2020, vol. 25, no. 4, pp. 58 - 67.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Лексутов Илья Сергеевич

Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).

Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.

Кандидат технических наук, доцент кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство», ОмГУПС.

Тел.: +7 (3812) 31-22-84.

E-mail: Leksutov@mail.ru

Клюка Владислав Петрович

Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).

Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.

Кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Вагоны и вагонное хозяйство», ОмГУПС.

Тел.: +7 (3812) 31-22-84.

E-mail: vklyuka@mail.ru

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS

Leksutov Ilya Sergeevich

Omsk State Transport University (OSTU).

35, Marx av., Omsk, 644046, the Russian Federation.

Ph. D. in Engineering, associate professor of the department «Railway cars and railway car facilities», OSTU.

Phone: +7 (3812) 31-22-84.

E-mail: Leksutov@mail.ru

Kluka Vladislav Petrovich

Omsk State Transport University (OSTU).

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

35, Marx av., Omsk, 644046, the Russian Federation.

Ph. D. in Engineering, Docent, head of the department «Railway cars and railway car facilities», OSTU.

Phone: +7 (3812) 31-22-84.

E-mail: vklyuka@mail.ru

БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION

Лексутов, И. С. Исследование процесса бесконтактного измерения геометрических параметров поверхности катания колесной пары вагона при плановых видах ремонта / И. С. Лексутов, В. П. Клюка. -Текст : непосредственный // Известия Транссиба. -2021. - № 4 (48). - С. 29 - 38.

Leksutov I. S., Kluka V. P. Investigation of the process of contactless measurement of the geometric parameters of the rolling surface of the wheelset of a wagon during planned types of repair. Journal of Transsib Railway Studies, 2021, no. 4 (48), pp. 29 - 38 (In Russian).

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.