Определение температуры подшипников колес поездов
Изобретение относится к измерительной технике. Предложена система для считывания состояния компонента ходовой части железнодорожного транспортного средства, которая включает в себя датчик (12), содержащий матрицу инфракрасных считывающих элементов (29). Каждый из этих элементов направлен на отличающуюся область целевой зоны (32) компонента ходовой части для генерирования данных характеристики сигнала, полученной при сканировании, соответствующих каждой отличающейся области. Датчик может быть ориентирован так, что, по меньшей мере, один из элементов будет принимать беспрепятственно поступающие сигналы инфракрасного излучения (33) от компонента ходовой части железнодорожного транспортного средства, проходящего мимо датчика. Система также включает в себя память (42) для хранения данных характеристик основных сигналов, соответствующих известным компонентам ходовой части. Кроме того, система включает в себя процессор (40) для обработки данных характеристики сигнала, полученной при сканировании, и для извлечения информации, характеризующей состояние исправности идентифицируемого компонента. Технический результат - устранение ошибочных показаний датчика инфракрасного излучения. 4 н. и 23 з.п. ф-лы, 18 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится в основном к области железнодорожного транспорта, а более конкретно - к определению состояния компонентов ходовых частей поездов.
Уровень техники
Безопасная и надежная работа железнодорожных систем зависит от надежности подвижных механизмов транспортных средств, передвигающихся по рельсам. Например, является важным контролировать состояние подшипников колес поездов для того, чтобы определить, показывает ли степень износа подшипников, что подшипники надо осмотреть и отремонтировать или заменить. Изношенные или поврежденные подшипники увеличивают трение качения колесной оси, тем самым увеличивая мощность, необходимую для тяги поезда. Кроме того, изношенные или поврежденные подшипники могут вызывать избыточный износ колесной оси поезда, а в случае отказа подшипников могут вызвать даже блокировку колесной оси, препятствующую вращению колес, что приводит к возможному риску возгорания из-за выделяемого тепла и возможному искрению, обусловленному трением заблокированного колеса, скрежещущего по рельсу.
Можно осуществлять непосредственный оперативный контроль температур подшипников с помощью таких датчиков температуры, установленных на железнодорожных вагонах, как термопары, расположенные около подшипников. Однако доказана ненадежность и/или относительная дороговизна таких методов при эксплуатации и техническом обслуживании. Один способ косвенного оперативного контроля состояния подшипников колес поездов заключается в том, чтобы измерять температуру подшипника колеса косвенным путем посредством буксы, окружающей подшипник колеса железнодорожного вагона поезда. Например, можно установить вдоль рельса датчики инфракрасного излучения (датчики ИК-излучения) для определения энергии ИК-излучения, испускаемой внешним подшипником колеса и характеризующей температуру подшипника колеса, когда железнодорожный вагон проходит датчик ИК-излучения. Однако применение такой системы может быть ограничено определенной конфигурацией колес железнодорожных вагонов, которая обеспечивает беспрепятственную измерительную траекторию от датчика к буксе, что может оказаться недостижимым для всех конфигураций колес железнодорожных вагонов. Кроме того, доказано, что при наличии внутренних подшипников колес на некоторых железнодорожных вагонах и локомотивах трудно осуществлять оперативный контроль из-за блокировки измерительных траекторий компонентами подвески и из-за различий среди компоновок колес подшипников. Кроме того, присутствие источников ИК-излучения около внутреннего подшипника, подвергаемого оперативному контролю, например, в коробках передачи или пружинах подвески, а также эффекты поперечного перемещения колесной оси, приводящего другие источники ИК-излучения на измерительную траекторию, могут привести к ошибочным показаниям датчиков ИК-излучения для подшипника. Другие источники ИК-излучения, которые могут мешать измерению температуры подшипника колеса поезда, могут включать в себя утечку смазки, отражения солнечных лучей, разный нагрев на разных сторонах поезда, искры от буксующих колес и тормозных средств, таких как дисковые тормоза. Соответственно, требуются усовершенствованные система и способ определения температуры подшипников колес поездов.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 представляет собой сечение возможной системы определения температуры подшипников колес поездов, часть которой встроена в металлическую железнодорожную поперечную стяжку или шпалу.
Фиг.2 представляет собой возможный график зависимости температуры от точек выборки ИК-излучения во времени для профиля ИК-излучения, принимаемого от подшипника колеса поезда с помощью системы определения согласно Фиг.1.
Фиг.3 представляет собой еще один возможный график зависимости температуры от точек выборки ИК-излучения во времени для профиля ИК-излучения, принимаемого от подшипника колеса поезда с помощью системы определения согласно Фиг.1, показывающий пик энергии.
Фиг.4 представляет собой еще один возможный график зависимости температуры от точек выборки ИК-излучения во времени для профиля ИК-излучения, принимаемого от подшипника колеса поезда с помощью системы определения согласно Фиг.1, показывающий вклады энергии ИК-излучения, принимаемые от компонентов помимо подшипника колеса поезда.
Фиг.5 представляет собой поперечное сечение шпалы согласно Фиг.1, по линии 5-5, показывающее подвеску для системы, установленной внутри шпалы.
Фиг.6 представляет собой частичное поперечное сечение подвески согласно Фиг.5, по линии 6-6.
Фиг.7-10 представляют собой возможные состояния колеса поезда и соответствующие профили сигналов ИК-излучения, которые могут быть получены от системы измерения подшипников колес поездов в одном варианте ее осуществления.
Фиг.11 представляет собой схематическое изображение возможной системы определения температуры подшипников колес поездов.
Фиг.12 представляет собой возможные траектории сканирования ИК-излучением при сканировании внутреннего подшипника, находящегося между тяговым двигателем локомотива и опорным кронштейном.
Фиг.13А представляет собой условную схему, показывающую охват площади возможными траекториями сканирования ИК-излучением в окне определения, соответствующем измеряемому подшипнику.
Фиг.13 В представляет собой возможный график считываемого профиля температуры, соответствующего охвату площади возможными траекториями сканирования ИК-излучением согласно Фиг.13А.
Фиг.14 представляет собой возможные траектории сканирования ИК-излучением при сканировании части внутренней дорожки качения внешнего подшипника.
Фиг.15 представляет собой компоненты железнодорожного колеса в наложении на возможный профиль ИК-излучения, принятого от подшипника колеса поезда с помощью системы определения согласно Фиг.1.
Фиг.16А представляет собой возможный график считываемого профиля температуры, характеризующий колесо, демонстрирующее температуру ниже порога срабатывания аварийной сигнализации.
Фиг.16В представляет собой возможный график считываемого профиля температуры, характеризующий колесо, демонстрирующее температуру выше порога срабатывания аварийной сигнализации.
Подробное описание изобретения
Систему определения температуры компонентов ходовых частей поездов можно использовать для приема таких данных, как данные ИК-излучений, характеризующие температуру колеса железнодорожного вагона или подшипника колеса, состояние которого считывается, когда транспортное средство прокатывается мимо измерительного устройства системы. Система может включать в себя измерительные устройства, ориентированные на прием беспрепятственно поступающих ИК-излучений от компонентов ходовых частей железнодорожных вагонов. В одном варианте, датчик может включать в себя матрицу считывающих элементов, считывающих показания в областях, соседствующих с целевой зоной компонента, таких как внутренний подшипник и внешний подшипник колесной оси, соответственно. Данные, принимаемые от считывающих устройств, затем обрабатываются для извлечения информации, характеризующей исправность соответствующего компонента, состояние которого считывается. Данные можно обрабатывать с целью распознавания профиля основного сигнала, соответствующего известному типу компонента, и уменьшения паразитных ИК-излучений, принимаемых из источников ИК-излучения в окрестности измеряемого компонента. Для уменьшения эффектов удара и вибрации, которым может подвергнуться система, также предусмотрена подвеска системы, устанавливаемая в железнодорожной поперечной стяжке или шпале. Для идентификации типа компонента с последующей идентификацией - на основании типа сканируемого компонента - состояний сканируемого компонента, которые могут характеризовать аномальное состояние исправности, можно использовать методы анализа сигналов.
На Фиг.1 представлена возможная система 10 для определения температуры подшипников колес поездов. На Фиг.11 представлено схематическое изображение такой системы 10. Один или более датчиков, таких как датчик 12 внешнего подшипника и датчик 14 внутреннего подшипника, можно разместить в положении вдоль рельсового пути 16 для получения данных от подшипников колес, таких как внутренний подшипник 20 и внешний подшипник 18, колесной оси 22 поезда, когда колесная ось проходит мимо датчиков 12, 14. Датчики 12, 14 могут быть расположены в железнодорожном полотне рельсового пути 16, например, внутри поперечной стяжки или шпалы 24, выполненной с возможностью установки в ней датчиков 12, 14 и приема ИК-излучений от подшипников 18, 20. В одном варианте изобретения, каждый датчик 12, 14 может включать в себя зеркало для перенаправления ИК-излучений в приемник 28 датчика 12, 14 с тем, чтобы обеспечить возможность горизонтальной ориентации приемника 28 внутри шпалы 24. Датчики 12, 14 могут быть расположены вдоль оси 34, параллельной колесной оси 22 поезда, для приема ИК-излучений, испускаемых от низа 32 подшипника 18, 20 по траектории 30, перпендикулярной колесной оси 22. Излучения можно перенаправлять с помощью зеркала 26, например, под прямым углом относительно траектории 30, в приемник 28.
Как показано на Фиг.11, датчики 13 ИК-излучения колес можно разместить в положении вдоль рельсового пути 16 для получения данных ИК-излучений от колес 23, например внутренних поверхностей 25 колес 23, когда колесная ось проходит мимо датчиков 13. В еще одном варианте изобретения, показанном на Фиг.14, на часть колесной оси 22 поезда, например часть 111 колесной оси около внутреннего подшипника 20, можно направить датчик 113 для получения данных ИК-излучений от части 111 колесной оси.
Возвращаясь к Фиг.1, следует отметить, что каждый датчик 12, 14 может дополнительно включать в себя множество инфракрасных измерительных элементов 29, например диодных детекторов, чувствительных к ИК-излучению, или планарную матрицу, чувствительную к ИК-излучению и имеющую отдельные разрешающие пиксели, расположенные, например, вертикально внутри приемника 28 для приема соответствующих частей 33 ИК-излучений, испускаемых соответствующими подшипниками 18, 20. Соответственно, каждый инфракрасный измерительный элемент 29 принимает соответствующую часть энергии ИК-излучения, от целевой зоны, такой как низ 32 или торец 38 подшипника 18, 20, расположенной на расстоянии от частей ИК-излучений, принимаемых другими инфракрасными измерительными элементами 29 датчика. В одном варианте изобретения, датчики 12, 14 могут включать в себя пять элементов 29, таких как ртутно-кадмиево-теллуриевые (HgCdTe) элементы, расположенные в виде матрицы внутри датчика 12, 14. Четыре элемента можно использовать для сканирования, а пятый элемент 47 можно использовать для калибровки других элементов 29. Можно расположить калибрующий элемент 47 для наблюдения эталонного термоэлектрического полупроводникового охладителя 49, поддерживаемого при желаемой температуре, например -40 градусов по Цельсию, чтобы обеспечить начало отсчета при наличии связи по постоянному току для считываемых тепловых характеристик. Такая конструкция может обеспечить точность измерения абсолютной температуры, составляющую ±0,1 градуса Цельсия. Датчики 12, 14 могут передавать через объектив из селенида цинка и наблюдать за железнодорожным вагоном через внешний затвор, установленный на приборной стяжке, с помощью зеркала 26, имеющего переднюю поверхность, на траектории обзора. Зеркало 26 может включать в себя переднюю поверхность из золота для противодействия побежалости или налипанию других материалов. Зеркало 26 может быть вращающимся, например, со скоростью 10000 оборотов в минуту для сбрасывания загрязняющих веществ, которые могут осаждаться на зеркало 26.
Хотя перпендикулярная ориентация траектории 30 может обеспечить датчикам 12, 14 прием ИК-излучения, не блокируемого другими компонентами (такими, как компоненты подвески, расположенные около подшипников 12, 14), достижение не загороженной траектории от подшипника 18, 20 к зеркалу 26 может оказаться невозможным в некоторых случаях. Например, низ 32 внешнего подшипника 18 локомотива может быть загорожен кожухом (не показан), что затрудняет поддержание свободной траектории до низа 32 внешнего подшипника 18 для приема ИК-излучений. В одном варианте изобретения, датчик 12 внешнего подшипника может быть отклонен от оси 34 на угол 36 таким образом, что траектория изображения внешнего подшипника может отклониться от перпендикуляра к колесной оси 22 на соответствующий угол 36. Например, траектория 31 изображения подшипника может располагаться под острым углом относительно торца 38 внешнего подшипника 18 колеса. Следовательно, ИК-излучение, испускаемое с незагороженной части внешнего подшипника 18, может измеряться датчиком 12, расположенным в железнодорожном полотне под поездом, без помех со стороны компонентов, расположенных около подшипника 18.
ИК-излучения, принимаемые из соответствующих частей 33 и преобразуемые в соответствующие сигналы, характеризующие величину получаемой энергии ИК-излучения, можно направлять в процессор 40 для дальнейшей обработки принимаемых сигналов, например, для определения указаний аномального нагрева подшипников. В одном варианте осуществления изобретения, процессор 40 может быть расположен на расстоянии от шпалы 24 и может быть соединен с датчиками 12, 14 посредством соответствующих кабелей 15, 45. Процессор 40 может принимать информацию о прохождении колес, выдаваемую одним или более датчиками 48, например такими, как индуктивные датчики, расположенные продольно вдоль рельса 17. Процессор 40 может осуществлять связь с памятью 42, например, для приема из памяти 42 аналитически и/или экспериментально полученной информации о диаграмме направленности излучения для проведения анализа с целью распознавания образа этой диаграммы в соответствии с одним вариантом изобретения. Обработанную информацию, например информацию, идентифицирующую состояние подшипника применительно к подшипнику колеса, состояние которого считывается, можно передавать посредством передатчика 44 на центральный монитор 46 для сообщения и/или уведомления об ухудшившемся состоянии подшипника, требующего обслуживания.
Процессор 40 также может осуществлять связь с базой 43 данных поезда, имеющей справочную информацию для каждого проходящего транспортного средства, связанную с относительным количеством колесных осей в поезде и относительным положением транспортного средства в поезде. Например, справочную информацию можно загрузить из удаленного источника посредством передатчика 44, имеющего конфигурацию приемопередатчика для приема и передачи информации. В еще одном варианте, специальные зарегистрированные данные о количестве вагонов из внешней системы, такой как система считывания меток автоматизированной идентификации оборудования (АИО), можно вводить в базу данных 43 для маркировки данных транспортного средства особым регистрационным номером транспортного средства.
В одном варианте изобретения, возможна конфигурация системы 10, обеспечивающая получение 120 выборок на элемент 29 на подшипник, определяемых на скоростях от 1,86 мили в час до 310 миль в час. Частоту выборки можно привести к скорости поезда, так что безотносительно скорости поезда можно делать 120 выборок на элемент 29 на измеряемый подшипник и 240 выборок на элемент 29 на измеряемое колесо. С помощью системы 10 можно определять температуры подшипников до 356 градусов по Фаренгейту и температуры колес до 1112 градусов по Фаренгейту.
Известные методы считывания энергии ИК-излучения, испускаемой подшипником колеса поезда, применяемые для определения подшипника колеса, имеющего температуру, превышающую нормальную рабочую температуру, приводят к созданию индикаторов, ненадежных при некоторых обстоятельствах, что приводит к ложным указаниям на горячие подшипники, вызывающим необязательную остановку поезда для осмотра подшипников, или к неучтенному горячему подшипнику, который действительно следовало бы осмотреть. Заявитель обнаружил, что обработка данных измерения энергии ИК-излучения методами, описываемыми в этом изобретении, может обеспечить более точные и надежные определения горячих подшипников. Некоторые проблемы, с которыми приходится сталкиваться при попытках провести дистанционные измерения энергии ИК-излучения подшипников колес поездов, включают в себя: паразитный шум ИК-излучения; такие источники ИК-излучения вблизи подшипника, как пружины или редукторы; разные конфигурации подшипников колес поездов и связанных с ними компонентов подвески и колес; и движение колесной оси поезда и связанных с ней компонентов, обуславливающее их попадание на траекторию определения посредством датчика ИК-излучения, что может происходить на протяжении режима качания колеса. В частности, внутренний подшипник 20 колесной оси 22 поезда может располагаться ближе к редуктору 39 (показанному пунктирной линией), который также может быть источником энергии ИК-излучения, которая может препятствовать ИК-излучениям, испускаемым подшипником 20. Следовательно, часть редуктора 39 или другого компонента, испускающего энергию ИК-излучения, например подвесной пружины (не показана), может обеспечивать подачу одной или более частей 33 ИК-излучений в датчик 14, например, когда колесная ось совершает поперечное движение во время качания, что приводит к уровню энергии ИК-излучения, который ошибочно включает в себя составляющую энергии ИК-излучения, обусловленную и внутренним подшипником 20, и одним или более другими источниками ИК-излучения, например редуктором 39. В другой конфигурации, показанной на Фиг.12, внутренний подшипник может быть видимым сквозь относительно узкое отверстие между тяговым двигателем 106 и опорным кронштейном 108 локомотива, что затрудняет получение точного показания температуры внутреннего подшипника из-за того, что мешают тяговый двигатель 106 и опорной кронштейн 108 локомотива.
Кроме того, геометрические различия между конфигурациями колесной оси поезда, колеса и компонентов подвески могут привести к ошибочным показаниям. Например, если система 10 измерения имеет конфигурацию, обеспечивающую считывание некоторой целевой зоны определения для соответствующей геометрической конфигурации колесной оси, колеса и компонента подвески, но вынуждена иметь дело с другой конфигурацией (например, более габаритный редуктор попадает в поле обзора или внешний подшипник, имеющий высоту над железнодорожным полотном, отличающуюся от той, для которой предназначена конфигурация системы, например, из-за отличающегося диаметра колеса), то система 10 измерения может считывать ошибочное показание ИК-излучения. Следует отметить, что варианты настоящего изобретения можно использовать для установления различий между одним или более разными компонентами, которые могут попасть в относительно горячее состояние, характеризующее неправильную работу компонента. Например, может оказаться желательным определить, является ли подшипник или редуктор компонентом в горячем состоянии. Соответственно, способы согласно настоящему изобретению не ограничиваются определением состояний подшипников, потому что такие способы также применимы для определения состояний неправильной работы в других механических компонентах, таких как редуктор, тормозные диски и/или тормозные колодки, и т.д.
Усовершенствованная система определения, выполненная с возможностью идентификации повышенных температур компонентов для множества конфигураций подшипников колес поездов, колесных осей, колес и компонентов подвески, а также состояний этих компонентов поездов, предусматривает проведение одного или более новых процессов над принимаемой энергией ИК-излучения для определения температуры подшипника, исходя из которой можно сделать заключение о состоянии исправности подшипника. На Фиг.2 представлен возможный график зависимости температуры от точек выборки ИК-излучения во времени для ИК-излучений, принимаемых от подшипника колеса поезда. На Фиг.2 показаны импульсы 54, 56 определения, генерируемые, например, индуктивными детекторами 48 колес, когда колесо 23 поезда проходит мимо детектора 48 (как показано на Фиг.1). Данные ИК-излучений можно непрерывно собирать с помощью процессора 40, оперативно контролирующего данные, принимаемые от датчиков 12, 14 ИК-излучения, например, в связи с моментом времени, когда колесо 23 первично определяется, как показано нарастающим фронтом 62 первого импульса 56. Сбор данных можно завершать в момент времени, связанный со спадающим фронтом импульса определения колеса, таким как спадающий фронт 60 второго импульса 54. Соответственно, синхронизацию улавливания ИК-излучений можно коррелировать с захватом колеса 23, чтобы гарантировать, что происходит захват ИК-излучений подшипников колеса, соответствующих проходящему колесу 23. Используя два датчика колеса и измеряя время между импульсами определения колес, можно определить скорость поезда и использовать ее для динамического регулирования момента захвата в связи с импульсами определения колеса, чтобы гарантировать, что захват излучений подшипников колеса будет происходить, когда колесо будет проходить мимо датчиков 12, 14.
В одном варианте изобретения, можно использовать метод получения выборок для изоляции заключенной в окне части 58 профиля 50 температуры, определяемого посредством ИК-излучения и передаваемого в процессор 40 соответствующим измерительным элементом 29 датчика 12, 14, показанного на Фиг.1. Метод создания окна можно применять для исключения паразитных сигналов ИК-излучения, находящихся вне заключенной в окне части 58, которую можно захватывать. Ширину 52 окна 51 можно предварительно задавать или динамически регулировать для улавливания желаемой заключенной в окне части 58 профиля 50 с целью исключения нежелательных частей 63, 64 сигнала, находящихся вне заключенной в окне части 58. Такие нежелательные части могут включать в себя профили ИК-излучений, характеризующие другие компоненты, испускающие энергию ИК-излучения, в окрестности подшипника колеса, такие как пружины, выхлопные трубы или тормозные компоненты. Например, часть 63, превышающая порог 66 срабатывания аварийной сигнализации, такой как порог срабатывания аварийной сигнализации температуры, можно игнорировать, поскольку эта часть 63 находится вне желательной части 58 и может характеризовать энергию ИК-излучения, испускаемую другой деталью поезда, не являющейся подшипником. В одном варианте изобретения, положение окна 51 можно регулировать для компенсации различий между железнодорожными вагонами или компонентами железнодорожных вагонов, чтобы гарантировать, что, по меньшей мере, один элемент 29 «увидит» часть с пиком температуры компонента, на который этот элемент направлен.
На Фиг.15 показаны компоненты железнодорожного колеса, содействующие идентифицируемым тепловым профилям, накладываемым на возможный профиль 50 ИК-излучения, принимаемый от колеса 23 поезда системой 10 определения. Как показано на чертеже, тормозные башмаки 116, воздействующие на обод 112 колеса, создают заметные пики 118 температуры башмаков и пики 120 температуры обода, тогда как охлаждающая колесо пластина 114 колеса 23 демонстрирует впадину 122 температуры охладителя в профиле 50. При анализе профиля 50 с целью определения состояния горячего колеса можно игнорировать пики 118 температуры башмаков и пики 120 температуры обода, потому что интересующей температурой является температура 122 пластины 114 колеса. Например, на Фиг.16А показан возможный график считываемого профиля 50 температуры, характеризующий заторможенное колесо и демонстрирующий существующие пики 118 температуры башмаков и пики 120 температуры обода, но имеющий температуру 112 колеса, которая ниже порога 66 срабатывания аварийной сигнализации. На Фиг.16 В показан возможный график считываемого профиля 50 температуры, характеризующий заторможенное колесо и демонстрирующий существующие пики 118 температуры башмаков и пики 120 температуры обода, а также демонстрирующий состояние горячего колеса, потому что температура 122 пластины колеса выше порога 66 срабатывания аварийной сигнализации.
Положение окна 51 относительно профиля 50 ИК-излучения можно выбрать в соответствии с определением колеса 23, как показано импульсами 54, 56 определения колеса, таким образом, что окно 51 расположится приблизительно по центру вокруг заключенной в окне части 58. В другом варианте осуществления заключенную в окне часть 58 можно выбрать с тем, чтобы изолировать некоторую часть принимаемой энергии ИК-излучения, представляющую интерес и подлежащую анализу. В одном варианте изобретения, можно придать окну 51 размеры, соответствующие профилю подшипника наибольшего диаметра, который, как предполагается, предстоит учитывать, а центральное положение 53 окна 51 можно выбрать находящимся в середине профиля 50, характеризующей осевую линию измеряемого подшипника. На Фиг.13А представлена диаграмма, иллюстрирующая соответствующие площадки 35 охвата возможными сканирующими лучами ИК-излучения в пределах окна 51 определения, соответствующего измеряемому подшипнику, при этом от 2-х до 4-х сканирующих лучей попадают внутрь окна 51. Используя охват 4-мя сканирующими лучами и динамический выбор лучей с наибольшим охватом на основании определенных тепловых характеристик, можно уловить профиль температуры подшипника с помощью, по меньшей мере, одного из лучей, независимо от изменений в положении платформы. Например, когда сканируют внутренний подшипник 20, показанный на Фиг.12, по меньшей мере, некоторые из лучей пересекают внутренний подшипник 20, а остальные лучи, не пересекающие подшипник 20, можно проигнорировать. На Фиг.13 В показан возможный график считываемого профиля температуры, соответствующий площадкам 35, сканирование которых показано на Фиг.13А.
В другом варианте изобретения, показанном на Фиг.3, профили 68 резких пиков, связанных с общим профилем 50 определенной температуры, например, внутри окна, можно исключить как потенциально ошибочные показания. Такие профили 68 пиков могут характеризовать паразитное излучение или отражение, так что для обеспечения точного определения температуры подшипников может потребоваться фильтрация. Например, профили 68 относительно резких пиков можно идентифицировать, задавая порог для изменений значений ряда выборок за предварительно определенный период времени и исключая любые данные, характеризующие профиль 68 пика, являющегося нежелательно резким по сравнению со всем профилем 50 определенной температуры в целом.
В еще одном варианте изобретения, источники тепла около того подшипника, состояние которого считывается, например выхлопные трубы, генераторы и компоненты подвески, могут мешать измерению температуры подшипника, что может привести к определению значения температуры вне диапазона, желательного для подшипника, тогда как на самом деле температура подшипника находится в пределах желательного диапазона. Усовершенствованная система для считывания состояния подшипников колес предусматривает метод распознавания профиля ИК-излучения для идентификации компонента, представляющего интерес с точки зрения измерения температуры. Метод распознавания профиля ИК-излучения обеспечивает корреляцию принимаемой энергии ИК-излучения с известной конфигурацией подшипника и возможность отфильтровывать, например, паразитную или другую энергию ИК-излучения, не генерируемую посредством конфигурации подшипника, состояние которого считывается. Например, как показано на Фиг.1, память 42 можно сконфигурировать для хранения множества известных профилей или параметров излучения, характеризующих профили излучения для соответствующих профилей подшипников или колесных осей, которые, как ожидается, должна будет измерять система 10. Процессор 40 можно сконфигурировать для сравнения данных ИК-излучения, принимаемых от датчиков 12, 14, и доступа в память 42 для корреляции принимаемых данных ИК-излучения с известным профилем или параметрами, характеризующими известный профиль, чтобы определить, совпадает ли принимаемый профиль ИК-излучения с известным профилем. Например, процессор 40 может использовать методы совмещения кривых для сравнения частей кривых известного профиля, чтобы определить, совпадает ли принимаемый профиль с известным профилем. В другом варианте, можно применять к принимаемому сигналу цифровые методы обработки сигналов, такие как быстрое преобразование Фурье, для сравнения преобразованных параметров с известными параметрами.
На Фиг.4 показан возможный профиль ИК-излучения для тепловых характеристик подшипника W-типа. Известные профили подшипников, хранящиеся в памяти 42, можно сравнить с принимаемым профилем 50, чтобы доказать, что принимаемый профиль 50 является допустимым профилем для проведения измерения температуры подшипника. Сразу же после идентификации действительного типа профиля, профиль 50 можно проконтролировать, чтобы определить, превышает ли он порог 66 срабатывания аварийной сигнализации. Частями 63, 64 принимаемого профиля, находящимися вне окна 51 и потенциально характеризующими другие источники ИК-излучения, помимо подшипника, можно пренебречь перед проведением сравнения. Если принимаемый профиль не совпадает с известным профилем, можно пренебречь измерением или пометить его для дальнейшего исследования.
В другом варианте изобретения, данные излучений, принимаемые от каждого из множества измерительных элементов 29 для одного и того же подшипника, можно сравнивать друг с другом для оценки достоверности каждого из профилей ИК-излучения, обеспечиваемых соответствующими измерительными элементами 29. Например, если один или более профилей ИК-излучения, принимаемых от измерительных элементов 29 датчика, включают в себя составляющие энергии ИК-излучения (например, энергии ИК-излучения, испускаемой редуктором, расположенным рядом с измеряемым подшипником) в дополнение к энергии ИК-излучения из измеряемого подшипника, то профили ИК-излучения, включающие в себя составляющие, не связанные с подшипником, можно отфильтровать, воспользовавшись методами распознавания образов.
В еще одном варианте изобретения можно измерять градиенты 70, 72 профиля 50, чтобы определить, включает ли в себя измерение ИК-излучения компонент ИК-излучения из другого источника. Например, известно, что тормозные диски, расположенные около подшипников колеса, могут обуславливать градиенты 70, 72 известного профиля 50 ИК-излучения на краях 74, 76 окна 51 оценки, отличающиеся от тех, которые ожидаются для известного профиля. Если один или более градиентов 70, 72 оказываются отличающимися от тех, которые ожидаются для некоторого профиля, то принимаемый профиль можно нормализовать, чтобы устранить эффекты других компонентов ИК-излучения и согласовать его с известным профилем для проведения определения температуры подшипника.
На Фиг.7-10 представлены возможные состояния колеса поезда и соответствующие профили сигналов ИК-излучения, которые могут быть получены от системы измерения подшипников колес поездов в одном варианте ее осуществления. Например, блокировка части подшипника колеса и/или тепловых труб и утечка смазки может привести к получению профилей ИК-излучения, показанных на графике выходного сигнала ИК-излучения согласно Фиг.7, где каждая кривая отображает выходной сигнал из соответствующего измерительного элемента. Отражения солнечных лучей и/или перегретые внешние дисковые тормоза могут привести к получению профилей ИК-излучения, показанных на графике выходного сигнала ИК-излучения согласно Фиг.8. Искры, летящие от скользящих колес, могут привести к получению профилей ИК-излучения, показанных на графике выходного сигнала ИК-излучения согласно Фиг.9. В случае внутреннего подшипника, редуктор и стопорящие детали могут мешать измерению, проводимому на внутреннем подшипнике, что приведет к получению профилей ИК-излучения, показанных на графике выходного сигнала ИК-излучения согласно Фиг.10. С помощью таких вышеописанных методов, как создание окна, определение пиков, определение градиентов и распознавание образов, можно выявлять фактическую температуру подшипника из профилей сигналов ИК-излучения.
В другом варианте изобретения, показанном на Фиг.14, можно определить конкретные части подшипника для анализа тепловой характеристики этого подшипника. Например, как показано на Фиг.14, целями могут быть конкретные дорожки качения подшипника, например внутренняя дорожка 110 качения внешнего подшипника 18, так что части 33 ИК-излучений, соответствующие таким компонентам, принимаются датчиком для анализа. Информацию о тепловом профиле, касающуюся части, состояние которой считывается, можно использовать, чтобы выявить подшипник, подлежащий проверке или ремонту. В еще одном варианте изобретения, информацию, собранную посредством определения ИК-излучения, можно анализировать для реализации определения ударов и нагрузок, например, путем применения методов распознавания образов к принимаемым профилям 50.
В другом варианте изобретения, информацию, полученную с помощью системы 10, можно объединять с информацией из других источников, чтобы сделать достоверным и интенсифицировать анализ состояния исправности подушек рельсов. Например, информацию, собранную другими датчиками, такими как датчик 41 отклонения рельса, можно связать с соответствующей информацией об ИК-излучениях, собранной системой 10 и характеризующей состояние горячего подшипника, и можно использовать для подтверждения определения упомянутого состояния. Упомянутое связывание может осуществить процессор 40, или его можно осуществить в некотором отдаленном месте, например в мониторе 46.
На основании вышеизложенного описания можно воплотить описанные способы с помощью методов компьютерного программирования или инженерной разработки, предусматривающих использование программного обеспечения, программно-аппаратного обеспечения, аппаратного обеспечения или любой их комбинации или подгруппы, при этом технический эффект заключается в том, чтобы определить состояние компонента ходовой части железнодорожного транспортного средства, демонстрирующее характеристику сигнала, полученную при сканировании, соответствующую типу компонента, в ответ на сканирование его датчиком. При наличии средств кодирования, считываемых компьютером, любую программу, получаемую таким образом, можно воплотить или предусмотреть в рамках одного или нескольких считываемых компьютером носителей информации, создавая таким образом компьютерный программный продукт, т.е. изделие производства, соответствующее изобретению. Например, считываемые компьютером носители информации могут содержать команды программы для кода компьютерной программы, предназначенного для обработки принимаемых данных изображений, характеризующих изображения, получаемые в окрестности локомотива. Считываемые компьютером носители информации также могут включать в себя код компьютерной программы для обработки принимаемых данных местоположения, характеризующих географическое местоположение локомотива при получении изображений. Кроме того, считываемые компьютером носители информации могут включать в себя код компьютерной программы для доступа в базу данных наземных ориентиров железных дорог, содержащую множество наземных ориентиров железных дорог, связанных с соответствующими географическими местоположениями, представляющими собой метки наземных ориентиров, для корреляции меток наземных ориентиров с данными изображений и данными местоположений с целью генерирования данных изображений, коррелированных с наземными ориентирами.
Считываемыми компьютером носителями информации могут быть, например, стационарный (жесткий) диск, дискета, оптический диск, магнитная лента, полупроводниковая память, например постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), и т.д., или любая передающая и/или принимающая среда, такая как Internet либо другая сеть, или линия связи. Изделие производства, содержащее компьютерный код, может быть изготовлено и/или использовано путем исполнения кода непосредственно с одного носителя, путем копирования кода с одного носителя на другой носитель или путем передачи кода через сеть.
Специалист в области вычислительной техники сможет объединить программное обеспечение, созданное согласно вышеизложенному описанию, с подходящим аппаратным обеспечением компьютера общего назначения или специального назначения, чтобы создать компьютерную систему или компьютерную подсистему, воплощающую способ согласно изобретению. Устройство для воплощения, использования или продажи изобретения может представлять собой одну или несколько систем обработки, включающих в себя, но не ограничиваясь, центральный процессор (ЦП), память, запоминающие устройства, линии связи и устройства, серверы, устройства ввода-вывода или подкомпоненты одной или более систем обработки, включая программное обеспечение, программно-аппаратное обеспечение, аппаратное обеспечение или любую их комбинацию или подгруппу, которые воплощают изобретение.
Если она установлена в железнодорожной шпале 24, согласно Фиг.1, система 10 может подвергаться воздействию вибрации и механических напряжений, когда по шпале 24 проходит поезд. На Фиг.5 показано сечение шпалы 24 по линии 5-5, и с частичным вырезом показана усовершенствованная подвеска 88 для системы 10, установленной внутри шпалы 24. Шпала 24 может содержать полую часть 80 оболочки, имеющую установочную полость 84 и крышку 82, прикрепленную, например, вокруг верхнего края 86 оболочки 80. Подвеска 88 обеспечивает подвешивание несущего элемента 90, к которому могут быть прикреплены такие компоненты системы 10, как датчик 12, 14 (не показаны), и предохраняет несущий элемент 90 вместе с любыми прикрепленными к нему компонентами системы от вибрации и ударов.
В одном варианте изобретения, подвеска 88 включает в себя крепящую крышку часть 92, прикрепленную к крышке 82, крепящую несущий элемент часть 94, прикрепленную к несущему элементу 90, и деформируемый элемент 96, находящийся между крепящей крышку частью 92 и крепящей несущий элемент частью 94, для обеспечения относительного движения между частями 92 и 94. Деформируемый элемент 96 может быть прикреплен к любой из частей 92 и 94 или к обеим.
В варианте осуществления, показанном на Фиг.6, деформируемый элемент 96 содержит трубчатый элемент, такой как пружина, который выполнен с возможностью деформации, например, в поперечном сечении, с переходом от круглого поперечного сечения 98 к овальному поперечному сечению 100 (показанному овалом, очерченным сплошной линией), причем этот переход осуществляется под действием силы 102, прикладываемой посредством крепящей крышку части 92. Подвеска 88 может включать в себя ограничивающий деформацию элемент 104, например, частично окружающий деформируемый элемент 96, чтобы ограничить величину деформации, испытываемой деформируемым элементом 96. В одном варианте осуществления, ограничивающий деформацию элемент 104 может содержать элемент с поперечным сечением С-образной формы, имеющий размер, выбранный из условия ограничения деформации деформируемого элемента 96 желаемой величиной. Деформируемый элемент 96 может быть прикреплен к крепящей крышку части 92, крепящей несущий элемент части 94, или к обеим частям 92, 94, чтобы обеспечить движение частей 92, 94 одна относительно другой.
Хотя изобретение было описано в контексте того, что в настоящее время является предпочтительным вариантом осуществления изобретения, для специалистов в данной области техники будут очевидны многие изменения и модификации. Соответственно предполагается, что изобретение не ограничивается упомянутым конкретным иллюстративным вариантом осуществления, а должно быть истолковано в рамках сущности и объема прилагаемой формулы изобретения.
1. Система для считывания состояния компонента ходовой части железнодорожного транспортного средства, содержащая
датчик, содержащий матрицу инфракрасных считывающих элементов, причем каждый из элементов направлен на отличающуюся область целевой зоны компонента ходовой части железнодорожного транспортного средства для приема соответствующих частей энергии ИК-излучения, для генерирования данных характеристики соответствующего сигнала, полученной при сканировании, соответствующих каждой отличающейся области, причем датчик ориентирован так, что, по меньшей мере, один из элементов принимает беспрепятственно поступающее ИК-излучение при прохождении компонента ходовой части железнодорожного транспортного средства мимо датчика,
память для хранения данных характеристик основных сигналов, соответствующих известным компонентам ходовой части, и
процессор, осуществляющий связь с датчиком и памятью, для обработки данных характеристики сигнала, полученной при сканировании, в соответствии с данными характеристик основных сигналов, соответствующих известным компонентам ходовой части, для идентификации типа сканируемого компонента ходовой части железнодорожного транспортного средства и для извлечения информации, характеризующей состояние исправности идентифицируемого компонента ходовой части железнодорожного транспортного средства.
2. Система по п.1, дополнительно содержащая датчик колеса, генерирующий данные о прохождении колеса, используемые процессором для корреляции положения колеса с данными характеристики сигнала, полученной при сканировании.
3. Система по п.1, дополнительно содержащая датчик отклонения рельса, генерирующий данные отклонения рельса, используемые процессором для корреляции считываемого отклонения рельса с данными характеристики сигнала, полученной при сканировании.
4. Система по п.1, дополнительно содержащая передатчик для передачи информации об исправности в устройство, удаленное от процессора.
5. Система по п.4, в которой передатчик содержит приемник для приема информации из удаленного устройства.
6. Система по п.1, дополнительно содержащая базу данных, осуществляющую связь с процессором, для выдачи справочной информации для поезда, сканируемого системой.
7. Система по п.1, в которой датчик расположен с обеспечением направления его элементов под острым углом по отношению к ориентации компонента ходовой части железнодорожного транспортного средства.
8. Система по п.7, в которой компонент содержит внешний подшипник колеса железнодорожной колесной оси.
9. Система по п.7, в которой компонент содержит поверхность колеса, имеющуюся у железнодорожного колеса.
10. Система по п.1, в которой датчик дополнительно содержит калибрующий элемент, принимающий инфракрасное излучение от стандартного средства измерения температуры для использования при калибровке других элементов датчика.
11. Система по п.1, в которой отличающиеся области, по меньшей мере, частично перекрывают друг друга.
12. Способ определения состояния компонента ходовой части железнодорожного транспортного средства, демонстрирующего характеристику сигнала, полученную при сканировании и соответствующую типу компонента, в ответ на сканирование его датчиком, заключающийся в том, что
получают данные характеристики сигнала, полученной при сканировании, и соответствующие компоненту ходовой части железнодорожного транспортного средства, сканируемого датчиком, при приеме соответствующих частей энергии ИК-излучения,
идентифицируют тип компонента ходовой части железнодорожного транспортного средства на основании принимаемых данных характеристики сигнала, полученной при сканировании, и
обрабатывают полученные данные характеристики сигнала, полученной при сканировании, для определения состояния компонента на основании идентифицированного типа компонента.
13. Способ по п.12, в котором идентификация типа компонента ходовой части железнодорожного транспортного средства включает в себя сравнение полученных данных характеристики сигнала, полученной при сканировании, по меньшей мере, с одной из множества известных характеристик основных сигналов.
14. Способ по п.12, в котором обработка полученных данных характеристики сигнала, полученной при сканировании, включает в себя фильтрацию данных для удаления информации, не характеризующей идентифицированный тип.
15. Способ по п.12, в котором обработка полученных данных характеристики сигнала, полученной при сканировании, включает в себя определение ситуации, когда часть данных превышает предварительно заданный порог.
16. Способ по п.12, в котором обработка полученных данных характеристики сигнала, полученной при сканировании, включает в себя корреляцию считываемого положения железнодорожного колеса с соответствующими данными характеристики сигнала, полученными для компонентов ходовой части, связанных с колесом.
17. Способ по п.16, дополнительно включающий создание окна данных характеристики желательного сигнала на основании корреляции считываемого положения железнодорожного колеса с соответствующими данными характеристики сигнала, полученной при сканировании.
18. Способ по п.17, дополнительно включающий игнорирование находящихся вне окна частей данных характеристики сигнала, полученной при сканировании.
19. Способ по п.17, в котором сканируемый компонент ходовой части железнодорожного транспортного средства представляет собой колесо, подшипник колеса или колесную ось.
20. Способ определения состояния компонента ходовой части железнодорожного транспортного средства, заключающийся в том, что сканируют компонент ходовой части железнодорожного транспортного средства с помощью датчика, содержащего матрицу инфракрасных считывающих элементов, каждый из которых направлен на отличающуюся область целевой зоны компонента для приема соответствующих частей энергии ИК-излучения и для генерирования данных характеристики соответствующего сигнала, полученной при сканировании, и соответствующих каждой отличающейся области, обрабатывают данные для идентификации типа сканируемого компонента ходовой части железнодорожного транспортного средства и фильтруют упомянутые данные в соответствии с идентифицированным типом компонента для удаления информации, не характеризующей идентифицированный тип, и проводят определение состояния компонента.
21. Способ по п.20, в котором фильтрация включает в себя усечение информации, соответствующей нежелательной области целевой зоны.
22. Способ по п.20, в котором отличающиеся области целевой зоны, по меньшей мере, частично перекрывают друг друга.
23. Устройство подвески для полой железнодорожной шпалы, вмещающей систему для считывания состояния компонента ходовой части железнодорожного транспортного средства по любому из пп.1-11, при этом шпала имеет оболочку, образующую полость для подвески, крышку, закрывающую полость для подвески, и несущий элемент, расположенный внутри полости, при этом устройство содержит:
крепящую крышку часть для крепления к крышке, крепящую несущий элемент часть, расположенную на расстоянии от крепящей крышку части, для крепления к несущему элементу, и деформируемый элемент, расположенный между крепящей крышку частью и крепящей несущий элемент частью, для обеспечения перемещения между крышкой и несущим элементом, вследствие чего несущий элемент изолирован от вибрации и ударов, воздействию которых подвергается шпала.
24. Устройство по п.23, в котором деформируемый элемент содержит радиально деформируемый трубчатый элемент, продольно расположенный между крепящей крышку частью и крепящей несущий элемент частью.
25. Устройство по п.24, в котором радиально деформируемый трубчатый элемент содержит пружину.
26. Устройство по п.23, дополнительно содержащее ограничивающий элемент, который ограничивает деформацию деформируемого элемента.
27. Устройство по п.26, в котором ограничивающий элемент содержит трубчатый элемент с поперечным сечением С-образной формы, продольно расположенный, в частности, вокруг деформируемого элемента.
