CC BY
627
УДК 681.518.52:629.4.027.5 + 681.7.069.24 + 625.03.031
С.В. Плотников, А.Н. Байбаков, В.М. Гуренко, В.И. Патерикин, С.П. Юношев, В.В.
Сотников, Ю.В. Чугуй
КТИ НП СО РАН, Новосибирск
ЛАЗЕРНЫЙ ДИАГНОСТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ КОНТРОЛЯ КОЛЕСНЫХ ПАР ВАГОНОВ НА ХОДУ ПОЕЗДА
Обеспечение безопасности движения на железнодорожном транспорте требует замены субъективного ручного контроля за состоянием вагонных колесных пар на стопроцентный автоматический, более точный и объективный контроль. Однако технические средства, способные обеспечить такой контроль в реальных условиях эксплуатации подвижного состава в России, до недавнего времени отсутствовали.
Проводимые на железных дорогах России периодические осмотры колесных пар на пунктах технического обслуживания (ПТО) требуют значительных временных затрат, что существенно увеличивает время нахождения подвижного состава в пути. Поэтому существует необходимость создания автоматизированной бесконтактной системы диагностики, позволяющей в реальном времени на ходу поезда измерять основные параметры колесных пар.
Анализ отечественной и зарубежной литературы показал, что в России и за рубежом велись и ведутся работы в этом направлении. Так, существуют устройства, обеспечивающие контроль геометрических параметров колес в условиях депо [1], в условиях специализированных крытых полигонов [2], а также на перегоне при низкой скорости движения поезда в условиях отсутствия атмосферных осадков [3]. Однако на текущий момент не существует устройств, обеспечивающих контроль геометрических параметров колесных пар на ходу поезда в реальных условиях эксплуатации.
Исходя из этого, сформулирована задача создания системы автоматического контроля колесных пар на ходу поезда. Такая система предназначается для измерения геометрических параметров поверхности катания, а также выявления износа и дефектов цельнокатаных колес на ходу поезда, регистрации неисправностей колесных пар и оперативной передачи полученной информации на ближайший пункт технического обслуживания (ПТО). Система должна контролировать следующие параметры колесных пар (рис. 1) грузовых вагонов:
- Ширину обода (рис. 1 поз. а);
- Толщину обода (b) от 18 до 80 мм;
- Толщину гребня (с) от 20 до 33 мм;
- Сумму толщин гребней на оси;
- Диаметр по поверхности катания (D1, D2) 844 до 964 мм;
- Расстояние между внутренними гранями колес (e) от 1437 до 1443
мм;
- Равномерный прокат (f) от 0 до10 мм;
- Разность диаметров колес в колесной паре A=D1-D2.
Рис. 1. Измеряемые параметры колесных пар
Измерение с погрешностью не более 0,5 мм необходимо производить при скоростях движения поезда от 15 до 60 км/час на перегоне при температуре окружающей среды от - 50° до +50° при наличии запыленности и атмосферных осадков.
Для решения указанной задачи в КТИ НП СО РАН разработан лазерный комплекс [4] для автоматического контроля геометрических параметров колесных пар вагонов на подходах к станции (в дальнейшем - КОМПЛЕКС).
Ниже приведены способ контроля, структура и состав КОМПЛЕКСА, результаты испытаний и опытной эксплуатации.
1. Способ контроля геометрии колесной пары на основе самосканирования
В основу технического решения при создании КОМПЛЕКСА положен принцип самосканирования колесной пары (рис. 2) с использованием набора активных лазерных дальномеров (триангуляционного типа), при котором каждое из колес параллельно и независимо сканируется двумя измерительными датчиками - внутренним и наружным, установленными внутри рельсового пути и снаружи соответственно.
Рис. 2. Принцип самосканирования колесной пары
При движении колесной пары каждый из датчиков измеряет текущее расстояние до поверхности колеса (вдоль заданного направления измерения). В итоге формируются сигналы, отражающие текущий профиль колесной
пары в некотором сечении, угол и высота которого определяются направлениями измерения датчиков.
Данные сечения соответствуют сечениям колесной пары плоскостями, наклоненными к горизонтальной плоскости под некоторыми известными (заранее определенными) углами установки датчиков. Далее, эти сечения в системе отсчета датчиков, пересчитываются в общую (глобальную) ортогональную систему отсчета, в которой ось Х направлена вдоль оси пути, ось У - поперек оси пути, ось Ъ - вертикально вверх. Затем, получив координаты точек на поверхности колеса в глобальной системе координат и используя дополнительные параметры взаимного расположения датчиков, полученные при калибровке КОМПЛЕКСА, рассчитываются координаты точек в системе отсчета колеса. Таким образом, восстанавливается поперечное сечение (разрез) колесной пары. Типичный профиль восстановленного поперечного сечения приведен на рис. 3. Затем по восстановленному профилю вычисляются требуемые геометрические параметры, при этом алгоритм расчета параметров повторяет методику их измерения при помощи стандартного контактного инструмента.
Рис. 3. Восстановленный поперечный профиль колеса
2. Структура и состав Комплекса
Для реализации данной задачи разработаны структура и состав комплекса, представленные на функциональной схеме (рис. 4) и включающие в себя напольное, постовое оборудование и АРМ оператора безопасности ПТО.
Напольное оборудование Комплекса смонтировано на железнодорожном пути на общей раме и включает в себя колесные наружные датчики (1 на рис. 4), датчики температуры (2), колесные внутренние датчики (3), датчики синхронизации (магнитные педали, 4).
Постовое оборудование КОМПЛЕКСА, устанавливаемое в отапливаемом помещении вблизи напольного оборудования, включает в себя блок управления и синхронизации (БУС, 5), два независимых модуля сбора данных (МСД) и сервер (6).
Управление работой КОМПЛЕКСА осуществляется блоком управления и синхронизации (БУС). Данный блок принимает сигнал о приближении поезда («Дальнее оповещение») от средств автоматики железной дороги и выдает сигнал серверу на подготовку к измерениям. Подготовка включает в себя тестирование измерительных датчиков и аппаратуры в целом. Далее, прохождение колесных пар по зоне контроля фиксируется при помощи магнитных педалей, по которым формируются импульсы начала (СТАРТ) и конца измерения (СТОП) для данной колесной пары. По сигналу СТАРТ модули сбора данных начинают фиксировать данные с датчиков и запоминать их в буфере до сигнала СТОП. После прохода поезда БУС формирует сигнал «Конец поезда». Получив данный сигнал, сервер переводит измерительные датчики в ждущий режим и принимает от модулей сбора данных накопленные блоки информации.
3. Оптико-электронные измерительные датчики
Для реализации предложенного принципа измерения параметров колесных пар необходимы дальномеры, удовлетворяющие жестким требованиям. А именно, они должны обеспечивать измерение расстояния до движущейся поверхности с различными рассеивающими свойствами. Погрешность измерения должна быть порядка 0.1% и ниже, не допускается зависимости погрешности от типа поверхности. Быстродействие не менее 105 измерений в секунду. Измерения должны производиться в условиях сильных внешних помех и фоновых засветок, как постоянных, так и переменных.
Анализ показал, что не существует серийно выпускаемых датчиков с подобными характеристиками. По этой причине в рамках реализации проекта для использования в качестве дальномеров были разработаны, изготовлены и
протестированы лазерные датчики положения (ЛДП) триангуляционного типа (рис. 5).
б)
Лазер
а) 1
Объектив 1
Профиль колеса
Диапазон ДZ
3 — датчик
4
4 — пром. компьютер
Рис. 5. Принцип действия системы контроля геометрических параметров колесных пар на ходу поезда (а), оптическая схема триангуляционного
измерителя (б)
На поверхности колеса 1, движущегося по рельсам 2, фокусируется излучение лазерного диода измерительного датчика 3. Рассеянное излучение собирается апертурой приемного объектива, который строит изображение освещенного участка поверхности на позиционно-чувствительного фотоприемника. Сигнал от позиционно-чувствительного приемника фиксируется и обрабатывается промышленным компьютером 4.
Созданные датчики (модель Лабракон® ЛДП 170/410, рис. 6) имеют двухканальный аналоговый выход, (от 0 до 10 В), сигналы с которых поступают на входы платы АЦП модуля сбора данных. Аналоговые сигналы первого и второго каналов преобразуются в цифровой код. Затем вычисляется отношение разности сигналов с двух каналов АЦП к их сумме и по калибровочной таблице определяется координата контролируемой поверхности. Эта координата (поверхности колеса в системе отсчета датчика) используется далее для построения профиля колеса и расчета его геометрических параметров.
Датчики устанавливаются в закрепленные на жесткой раме термостабилизированные корпуса. Внутри корпуса поддерживается постоянная температура от 49 до 51 °С. Корпус имеет шторки для защиты оптических каналов, которые используются также при самотестировании датчиков.
Разработанные датчики успешно прошли полный цикл государственных испытаний для целей утверждения типа средства измерения и внесены в госреестр средств измерений. Собственная погрешность датчиков при диапазоне измерения более 200 мм не превосходит 0,2 мм. Быстродействие датчика достигает 500 000 измерений в секунду.
Рис. 6. Датчик Лабракон® ЛДП 170/410
4. Результаты испытаний и опытной эксплуатации Комплексов Первый экспериментальный образец КОМПЛЕКСА, реализующий контроль геометрических параметров, смонтирован и с 06.05.2002 года находится в непрерывной эксплуатации на 32 км нечетного подхода станции «Инская» (внешний вид системы приведен на рис. 7). За время эксплуатации (более 2 лет) КОМПЛЕКС показал надежную работу при различных погодных условиях, в том числе во время дождя и снега.
Рис. 7. Внешний вид системы Комплекс
Экспериментальные исследования точности и достоверности контроля проводились путем сравнения результатов автоматических измерений разработанным КОМПЛЕКСОМ и ручных замеров традиционным контактным способом на неподвижном поезде на ПТО. Результаты многократных сравнительных замеров подтверждают высокую стабильность и точность автоматических замеров в диапазоне скоростей движения поездов на участке контроля до 60 км/ч.
Проведенные измерения позволили оценить достоверность работы КОМПЛЕКСА и принципиальную возможность диагностики колесных пар на ходупоезда. Подтверждаемость показаний за первые месяцы работы составила от 50 до 80 % по различным параметрам. В процессе доработки напольной аппаратуры и программного обеспечения этот показатель был улучшен до 65 - 92 %.
В настоящее время в эксплуатации находится десять КОМПЛЕКСОВ, установленных на Западно-Сибирской, Московской, Восточно-сибирской, Забайкальской и Красноярской железных дорогах.
За время работы КОМПЛЕКСОВ проконтролировано более 31 млн. колес, сформировано более 325 тысяч тревожных сообщений, отцеплено более 14 тысяч вагонов.
Заключение
Предложенная концепция контроля геометрических параметров колесных пар в движении на основе самосканирования и использование лазерного триангуляционного метода, адаптированного для контроля движущихся объектов, позволила создать автоматическую оптико-электронную систему для контроля и диагностики колесных пар вагонов на ходу поезда.
Такой КОМПЛЕКС обеспечивает автоматический контроль толщины обода и гребня, диаметра колес и других параметров поперечного профиля колесной пары при скоростях движения до 60 км/ч в жестких климатических условиях (от - 50 до + 50 °С), что в полной мере отвечает требованиям эксплуатации. Результаты испытаний подтвердили надежную работу КОМПЛЕКСА в различных условиях окружающей среды и высокую достоверность контроля.
Применение созданных диагностических систем позволяет заметно повысить безопасность движения на железнодорожном транспорте.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. «Автоматическая диагностика колесных пар с помощью системы ARGUSÄ^, 2001, № 12// G. Hauschild et al. Glasers Annalen, 2000, № 12, S. 615-625.
2. «Оценка систем измерения колес»/ ЖДМ, 2003, № 11// R Morgan et al. Railway Track & Structures, 2002, № 7, S 13-15.
3. «Измерение параметров колесных пар подвижного состава в движении»/ А.З. Венедиктов, В.Н. Демкин, Д.С. Доков// «ЖДМ», 2003, № 9.
4. Автоматический контроль геометрических параметров колесных пар во время движения поезда [Текст] /А.Н. Байбаков, В.М. Гуренко, В.И. Патерикин, СП. Юношев, С.В. Плотников, В.В. Сотников В.В., Ю.В. Чугуй // Автометрия. - 2004г. - Т. 40, № 5. - С. 94 - 103.
©С.В. Плотников, А.Н. Байбаков, В.М. Гуренко, В.И Патерикин, С.П. Юношев, В.В.
Сотников, Ю.В. Чугуй, 2005
