CC BY
66
Информатика, вычислительная техника и управление. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
УДК 681.518.5 Лукьянов Анатолий Валерианович,
д.т.н., проф., заведующий НИЛ «Техническая диагностика», ИрГУПС, e-mail: loukian_a@irgups.ru
Перелыгин Владимир Николаевич, зав. лабораториями кафедры ТМиП, ИрГУПС, e-mail: pereligin_vn@irgups.ru
Климов Иван Владимирович,
инженер ВЧД-6, ВСЖД
ВИЗУАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОПТИЧЕСКОГО МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ БУКС
A.V. Lukiyanov, V.N. Perelygin, I.V. Klimov
VISUAL SIMULATION AND EXPERIMENTAL STUDY OF OPTICAL METHOD FOR THE DETERMINATION OF AXLE BOXES AT TRAIN
Аннотация. В статье рассматриваются вопросы точного определения положения букс относительно датчика дистанционного контроля температуры (болометра) методом соосной установки оптического датчика расстояния и болометра. Представлены результаты компьютерного моделирования распознавания профиля буксы.
Ключевые слова: болометр, компьютерное моделирование, оптический датчик, угол сканирования, букса.
Abstract. In the article questions of exact definition of position of axle boxes over the sensor remote temperature control (bolometer) are considered by a method of coaxially consecutive installation of optical distance sensor and bolometer. Results of computer modelling for recognition of an axle box profile are presented.
Keywords: bolometer, computer simulation, an optical sensor scan angle, axle boxes.
Введение
В эксплуатационных условиях возникают различные неисправности букс, вызванные влиянием внешних условий, механическими деформациями, загрязнением, нарушением технологии изготовления, обслуживания и ремонта [1]. Наиболее часто встречающимися неисправностями буксовых узлов являются механические деформации и разрушения отдельных элементов, об-
воднение или загрязнение смазки, плохая подача смазки под подшипник и др. Характерным признаком большинства неисправностей буксового узла и колесной пары является повышение температуры корпуса буксы и шейки оси в процессе движения поезда.
На основе статистических данных работы средств контроля составлен следующий перечень основных причин ложных срабатываний аппаратуры КТСМ:
- попадание в зону сканирования температуры болометром:
- нагретых тормозных колодок и нагретого обода колеса,
- слива теплой воды (пассажирские поезда),
- нагрева шкива (пассажирские поезда),
- нагретого груза;
- блики и засветка солнечными лучами;
- засветка фоном неба при прохождении фитин-говых платформ.
Установлено, что скорость возрастания температуры неисправных элементов зависит от характера неисправности, скорости движения поезда, нагрузки на ось. Перегрев элементов ходовой части может вызвать повреждения (изломы, разрушения), при которых дальнейшая эксплуатация подвижного состава невозможна, а в некоторых случаях может привести к аварийным ситуациям.
Рис. 1. Сканирование буксового узла при моделировании и проведении эксперимента
Определение зоны сканирования с помощью компьютерного моделирования
Исследования проводились с использованием метода геометрического трехмерного моделирования с целью:
1) визуализации зоны бесконтактного сканирования температуры букс установкой КТСМ во время прохождения мимо нее поезда;
2) определения расстояния, угла и площади пятна сканирования в разных точках поверхности буксы;
3) определения оптимального положения и ориентации напольного оборудования с болометром относительно пути;
4) построения профилограмм расстояний до точек букс, имитирующих работу оптического датчика расстояния.
Для решения данной задачи использовался пакет программ визуального трехмерного моделирования 3Б8-МЛХ. Для визуализации процесса сканирования температуры буксы при прохождении поезда мимо комплекса КТСМ была создана трехмерная графическая модель тележки вагона, пути и напольной камеры с бесконтактным датчиком температуры - болометром, имеющим штатные настройки пространственного положения и ориентации на буксу.
Моделирование основано на свойствах оптики болометра аппаратуры КТСМ (угол зрения оптики для болометров БП-2 и БП-2М равен 3 градусам). При моделировании направление, в котором болометр сканирует буксовый узел, представлялось потоком светового излучения в виде конуса, источник которого находился в центре оптической системы болометра (рис. 1).
Исследование температурного поля буксы Для эффективной и точной работы аппаратуры КТСМ необходимо выбрать поверхность буксы с максимальной температурой.
Проведенные тепловизионные исследования букс вагонов и локомотивов показали, что ложные срабатывания КТСМ происходят из-за того, что в зону сканирования, кроме букс могут попадать также разогретые детали колеса, тормозных колодок и др. Пример подтверждения ложного срабатывания приведен на термограмме, полученной при температуре окружающей среды -12 0С (рис. 2), на которой видно следующее распределение температуры: тормозная колодка (+12 0С), обод колеса (+5 0С), верхняя и нижняя поверхности корпуса подшипника (+5 и +1 0С) и, наконец, контролируемая КТСМ-1 крышка подшипника (-5 0С).
Определено, что наиболее нагретым элемен-
Рис. 2. Термоизображения буксы электровоза полученные на ПТОЛ Иркутск-Сортировочный с использованием термокамеры УапоСАМ
Информатика, вычислительная техника и управление. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
том в области считывания температуры буксы являются в нашем случае тормозные колодки, а максимальная температура буксы наблюдается на ее верхней поверхности. Однако температуру верхней поверхности буксы дистанционно контролировать невозможно по конструктивным соображениям. Поэтому болометр должен быть расположен под буксой, на минимальном удалении и ориентирован практически вертикально вверх.
Проведенное математическое моделирование теплового режима работы буксового узла подтвердило, что верхняя зона буксы и менее нагретая нижняя часть корпуса нагреваются больше, чем крепительная крышка.
Также установлено, что в диапазоне, предшествующем заклиниванию подшипника и связанного с этим аварийного интенсивного нарастания температуры градиент температуры по корпусу значительно выше, чем у крышки буксы. Поэтому в качестве зоны тепловой диагностики подшипников целесообразно использовать нижнюю поверхность корпуса буксы.
Кроме того, ориентация болометра КТСМ-1 на крышку подшипника недостаточно информативна ввиду сложности юстировки оптики, удаленности приемника ИК и меньшего нагрева крышки, чем корпуса буксы.
Влияние угла наблюдения на коэффициент излучения Известно, что коэффициент излучения материалов зависит от материала контролируемой поверхности и от угла наблюдения. Коэффициент излучения уменьшается при углах наблюдения, превышающих 70 градусов, одновременно увеличивается коэффициент отражения и визируемая пирометром или тепловизором температура становятся меньше действительной.
Поверхность буксового узла не является плоской, в разных ее точках направление нормали к ее поверхности изменяется согласно геометрическим свойствам участка поверхности, поэтому невозможно отыскать одно строго фиксированное значение угла между направлением сканирования и нормалью к поверхности. Авторами использовалось свойство проекций светового конуса на поверхность буксового узла. Исходя из этого, для отыскания зон сканирования поверхности буксового узла с коэффициентом излучения, отличным от 1, были сделаны расчеты:
а) реальной площади проекции светового конуса на поверхность буксового узла для каждого момента времени при прохождении буксы через зону сканирования;
б) расстояния от приемника излучения до геометрического центра проекций светового конуса на поверхность буксового узла для каждого момента времени;
в) площади проекций, соответствующих коэффициентам излучения е1 и е2, соответственно, для углов сканирования (относительно нормали к поверхности) 0 и 70 градусов.
Построен график изменения площади зоны сканирования буксового узла от времени прохождения относительно болометра (рис. 3, а), поделенный на зоны, где коэффициент излучения практически не изменяется (зона 1), и зону, где коэффициент излучения резко уменьшается (зона 2). График соответствует штатному расположению и ориентации напольной камеры КТСМ-1 (20 градусов к оси пути (рис. 3, б) и под углом 34 градуса к горизонту). Протяженность зоны 2 составляет 17 кадров, что составляет 36 % от зоны сканирования температуры буксового узла (47 кадров).
а)
б)
Рис. 3. Зависимость площади пятна сканирования буксового узла от времени прохождения относительно болометра при различном положении и ориентации напольной камеры: а - штатном для КТСМ-1; б - оптимальном
иркутским государственный университет путей сообщения
С использованием программы визуального моделирования найдены оптимальные углы ориентации приемников ИК-излучения, обеспечивающие при сканировании температуры 100 % направленность болометра на зону 1, т. е. под оптимальным углом к поверхности буксы, не превышающем 70 градусов (рис. 3, б). Оптимальная ориентация напольной камеры: 0 градусов к оси пути (параллельно внешнему рельсу на расстоянии 270 мм от него), 55 градусов к горизонту.
Исходя из вышесказанного, можно сформулировать основные требования к новому расположению приемников излучения:
- приемник излучения должен сканировать нижнюю часть корпуса буксы (зону максимального тепловыделения);
- в процессе сканирования излучательные свойства поверхности не должны ухудшаться;
- в зону сканирования не должны попадать засвеченные солнцем области поверхности буксового узла;
- в зону сканирования не должен попадать шкив привода генераторов пассажирских вагонов;
- качество сканирования не должно зависеть от типа подвижного состава, оно должно быть одинаковым для подвижного состава как с полом, так и без него;
- в зону сканирования не должна попадать горячая вода при сливе у пассажирских вагонов.
Нижняя часть поверхности корпуса буксы является оптимальной зоной для сканирования, поскольку она затенена как боковой рамой тележки, так и рамой вагона и самим корпусом, т. е. попадание на эту поверхность прямых солнечных лучей невозможно. Нижняя часть корпуса буксы является также наиболее нагретой частью.
Визуальное моделирование и экспериментальное исследование использования оптического бесконтактного датчика расстояния для идентификации положения букс проходящего поезда
Определение положения букс относительно болометра в установках КТСМ осуществляется с использованием штатных электромагнитных датчиков, расположенных на железнодорожном полотне и задающих зону сканирования относительно системы координат этих датчиков [2, 4]. Данные датчики требуют точной настройки на момент прохождения букс, т. е. взаимного согласования системы координат датчиков и угловых
координат болометра, расположенного в напольном устройстве КТСМ, что весьма трудоемко и не решает ряда проблем. Электромагнитные датчики плохо работают при малых скоростях движения поезда (менее 30 км/час) и практически не работают при скоростях менее 10-15 км/ч. Из-за постоянной вибрации от проходящих поездов, усадки и температурной деформации полотна угловая ориентация болометра нарушается, что сказывается на точности измерений. Приходится устанавливать датчики положения букс с запасом по зоне сканирования температуры, что приводит к попаданию в эту зону посторонних нагретых предметов, а значит и к ложным срабатываниям аппаратуры КТСМ. Рассогласованное положение координат установки электромагнитных датчиков и угловых координат болометра приводит к уменьшению зоны сканирования температуры болометров при увеличении скорости поездов.
Оптимальным решением этой проблемы является соосная установка болометра и датчика, определяющего положение букс относительно зоны сканирования болометра.
Таким датчиком является оптический датчик расстояния, установленный соосно с болометром, который с точностью до 1 мм определяет расстояние до элементов проходящего поезда. Зоны расположения букс имеют определенный, повторяющийся профиль на профиллограммах (рис. 4), фиксируемых датчиком расстояния. Этот профиль выделяется с помощью отдельной программы (или «зашитой» в микропроцессор). При этом сигнал о начале прохождения профиля буксы в зоне считывания температуры болометром выдается в устройство управления болометром. Поверхности или области пространства, которые не являются частью геометрии буксового узла, не будут подлежать сканированию, поскольку датчик их не будет распознавать как буксовый узел [3].
Измерение расстояний оптическим бесконтактным датчиком при прохождении участка контроля тележкой (кадры 18-100 на рис. 4) имитировалось средствами компьютерного моделирования. Модель тележки выполнена в виде двух боковых рам с колесными парами и буксовыми узлами. Целью компьютерного моделирования в этом случае являлось выяснение возможности распознавания поверхностей буксовых узлов при прохождении поезда через участок контроля.
Информатика, вычислительная техника и управление. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
Рис. 4. Профиллограмма расстояний до поверхности тележки при штатной ориентации приемника инфракрасного излучения (болометра) установки КТСМ-1 (выделены участки прохождения букс)
Рис. 5. Кадры трехмерного компьютерного моделирования
На рис. 5 приведены кадры трехмерного компьютерного моделирования прохождения тележки через зону сканирования температуры, а на рис. 6 показана профиллограмма расстояний до деталей тележки и буксового узла при оптимальной ориентации напольной камеры.
Сравнение графиков на рис. 4 и рис. 6 показывает, что при оптимальной ориентации камеры профиллограмма поверхности буксы имеет более четкий и простой характер, что повышает достоверность идентификации букс проходящего поезда. Поэтому с позиции качества распознавания буксового узла форма профиллограммы при ориентации на нижнюю часть буксы наиболее предпочтительна (рис. 6).
Алгоритм распознавания профиля буксы возможно реализовать на основе сопоставления профиллограммы, получаемой при работе датчика
с формой заранее известных параметрических кривых, а также с помощью контроля координаты расстояния до поверхности буксового узла.
Для выяснения точности и правильности созданной компьютерной модели работы оптического датчика и геометрической модели тележки вагона с буксами было проведено экспериментальное моделирование. Эксперимент проводился на базе лаборатории кафедры ЭПС (мини-депо) ИрГУПС с использованием тележки от грузового вагона ЦНИИ-ХЗ-0, оптического датчика расстояния PREXISCO, штатива для фиксации в заданном направлении датчика расстояния, фотоаппарата для записи результатов измерения расстояния с датчика (рис. 7).
Результаты измерения расстояния записывались фотоаппаратом в видеофайл с последующей обработкой и записью данных в формат Excel и
иркутским государственный университет путей сообщения
Рис. 6. Профиллограмма поверхности тележки при оптимальной ориентации приемника инфракрасного излучения на нижнюю часть корпуса буксового узла (моменты прохождения буксы выделены цветом)
построением фактической профиллограммы. При прохождении тележки над датчиком измеряется расстояние до точки поверхности тележки и строится кривая расстояния (рис. 8).
На графиках имеются некоторые различия в профиллограммах, полученных экспериментально и путем моделирования. Из-за различного времени срабатывания датчика на графиках наблюдаются неидентичные кривые и неодинаковое количество точек замера в зоне прохода буксы над датчиком расстояния. Поверхность тележки окрашена в черный цвет, имеет на поверхности области загрязнения пылью и маслом, большую шероховатость поверхности - до 5 мм, выбоины и сколы. Черный
цвет имеет большую поглощающую способность исходящего излучения от датчика расстояния, поэтому отраженный луч не всегда отражается от поверхности тележки и возвращается в приемник. В итоге прибор производит измерения расстояния в различные промежутки времени, выполняя повторное сканирование.
Заключение
Найдены оптимальные углы ориентации приемников ИК-излучения с помощью средств компьютерного моделирования, обеспечивающие направленность приемников ИК-излучения на зону тепловыделения буксовых узлов. Произведена
Информатика, вычислительная техника и управление. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
0,55 I-1-1-1-1-1-1 I-1 I-1 I-1 I-1-1-1-1-1-1 I-1 I-i—i—i—i—1—1-1
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
Точки измерения. Л®
Рис. 8. Экспериментальная профиллограмма расстояний до деталей тележки при ориентировании болометра на нижнюю часть буксы (моменты прохождения буксы выделены цветом)
оценка качества ориентации приемников ИК-излучения при использовании оптимальных углов ориентации.
Проанализирована возможность использования оптического датчика в установках КТСМ, произведено компьютерное моделирование его работы, предложен алгоритм работы датчика в установках КТСМ.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Прогрессивные технологии обеспечения безопасности движения поездов и сохранности перевозимых грузов : монография / В.А. Гапанович, И.И. Галлиев, Ю.И. Матяш, В.П. Клюка. - М. : ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на
ж.-д. транспорте», 2008. - 220 с.
2. Комплекс технических средств для модернизации аппаратуры ПОНАБ-3 и ДИСК-Б «КТСМ-01», руководство по эксплуатации ИН7.359.00 РЭ.
3. Пат. № 2373093, Российская Федерация, МПК B61K 9/04, B61L 1/16. Устройство повышения качества контроля подвижного состава / А.В. Лукьянов, Н.Н. Пашков, В.Н. Перелыгин ; заявитель и патентообладатель Иркутский гос. ун-т путей сообщения. - № 2007144809/11, заявл. 03.12.2007; опубл. 20.11.2009, Бюл. № 32. - 10 с. : ил.
4. Руководство по эксплуатации средств контроля: КТСМ-01Д для автоматического обнаружения перегретых букс и заторможенных колесных пар на ходу поезда / Омск, 2002. - 18 с.
