Способ обнаружения дефектов поверхности катания колес железнодорожных транспортных средств в движении

Авторы патента:

Степанова Людмила Николаевна (RU)

Бехер Сергей Алексеевич (RU)

Кочетков Антон Сергеевич (RU)

G01B7/34 - для измерения шероховатости или неровностей поверхностей

Владельцы патента RU 2480711:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский государственный университет путей сообщения" (СГУПС) (RU)

Изобретение относится к технической диагностике и может быть использовано для обнаружения дефектов поверхности катания колес железнодорожных транспортных средств в движении. Технический результат: повышение достоверности обнаружения дефектов. Сущность: тензодатчики устанавливают симметрично парами на рельс. По сигналам с тензодатчиков определяют симметричные и асимметричные деформации шейки рельса. По превышению симметричными деформациями порога селекции, устанавливаемого в 3-4 раза выше уровня собственных шумов измерительной аппаратуры, задают номер колесной пары, равный единице. На измерительном участке длиной не менее двух длин окружности круга катания нового колеса определяют скорость движения поезда для определения полосы частот, в которой проводят частотную фильтрацию симметричных деформаций. При каждом последующем превышении фильтрованными симметричными деформациями порога селекции регистрируют следующую колесную пару. Затем проводят частотную фильтрацию асимметричных деформаций в полосе частот, определяемой частотой свободных колебаний рельса. Регистрируют максимумы асимметричных деформаций на каждой паре тензодатчиков. При совпадении максимумов на соседних парах тензодатчиков их сравнивают с порогом регистрации дефекта, определяемым по максимальной глубине допускаемого дефекта, диаметру колеса и скорости поезда. При превышении этого порога бракуют регистрируемую колесную пару. 1 табл., 4 ил.

Известен способ обнаружения дефектов поверхности катания колес в движении, заключающийся в том, что перед проведением контроля на шейку рельса над серединой каждой шпалы на измерительном участке бесстыкового пути симметрично с двух сторон рельса устанавливаются пары тензодатчиков, ориентированных вертикально. Пропускают подвижной состав с бездефектными колесами по измерительному участку пути и регистрируют сигналы с тензодатчиков, определяют деформации шейки рельса, вызванные вертикальной силой. Наличие дефекта определяют по превышению амплитудными значениями деформаций, вызванных вертикальной силой, более чем в 1,8 раза превышающих среднее значение деформаций, возникающих при прохождении бездефектных колес (Степанова Л.Н., Бехер С.А., Кочетков А.С. Использование тензометрии для контроля колес грузового вагона в движении // Контроль. Диагностика. 2008, №8, С.19-23, принят за аналог).

В известном способе сигналы с тензодатчиков, вызванные осевой нагрузкой и связанные с воздействием дефекта поверхности катания, находятся в близких частотных диапазонах, поэтому их сложно отделить друг от друга. В связи с этим высока вероятность пропуска дефектов типа коротких неровностей.

Наиболее близким к предлагаемому решению является способ обнаружения дефектов поверхности катания железнодорожных колес в движении, основанный на регистрации и сравнении с заданными предельными параметрами вертикальных динамических сил, возникающих при взаимодействии дефектных колес подвижного состава и пути. При этом участок пути длиной, равной периметру колеса, разбивают на три и более измерительные зоны одинаковой длины. Количество зон задают таким образом, чтобы колеса от соседних осей проходящего подвижного состава на данном участке пути не попадали одновременно в одну зону. На рельсах над каждой шпалой участка пути устанавливают тензодатчики и измеряют силы реакции шпал. Дополнительно устанавливают тензодатчики на концах каждой измерительной зоны и измеряют продольный изгиб рельса. При достижении колесной парой измерительной зоны, со всех тензодатчиков регистрируют сигналы, по которым определяют вертикальную силу, передаваемую от колеса на верхнее строение пути во время прохождения колеса по измерительной зоне. Вычисляют динамический коэффициент, равный отношению величины динамической силы к статической силе, которую определяют по медиане вертикальной силы. Наличие дефекта в колесе определяют по превышению динамическим коэффициентом заданного уровня. Номер дефектной колесной пары определяют подсчетом количества пройденных по измерительному участку колесных пар (Обнаружение некруглости колес // Железные дороги мира. 2003, №8, С.64-68, принят за прототип).

Данный способ позволяет проводить браковку колес в движении по степени негативного воздействия дефектов на путь и возникновения дополнительных динамических сил при взаимодействии дефектного колеса с рельсом.

Недостатком способа, принятого за прототип, является необходимость изменения длины измерительных участков для контроля железнодорожных транспортных средств разных типов с различным межосевым расстоянием. Другим недостатком способа является высокая вероятность пропуска дефекта, связанная с тем, что тензодатчики используются для измерения вертикальных сил, при этом в способе не анализируется влияние боковых сил и эксцентриситета приложения вертикальной силы. Достоверность результатов контроля данного способа низкая, так как динамический коэффициент, используемый в критерии браковки, не учитывает колебательные процессы, вызванные ударным воздействием колеса с дефектом на рельс.

При разработке заявляемого способа обнаружения дефектов поверхности катания колес железнодорожных транспортных средств в движении была поставлена задача повышения достоверности обнаружения дефектов за счет регистрации и анализа колебательных процессов в рельсах, измерения деформаций, вызванных вертикальными силами и изгибающими моментами, уменьшения влияния состояния пути на результаты контроля.

Поставленная задача решается за счет того, что предлагается способ обнаружения дефектов поверхности катания колес железнодорожных транспортных средств в движении, заключающийся в том, что на измерительном участке прямолинейного пути на рельс устанавливают тензодатчики, в процессе движения колесной пары по измерительному участку регистрируют сигналы одновременно со всех тензодатчиков, по которым судят о наличии дефекта поверхности катания, причем тензодатчики устанавливают симметрично парами, по сигналам с тензодатчиков определяют симметричные и асимметричные деформации шейки рельса, по превышению симметричными деформациями порога селекции, устанавливаемого в 3-4 раза выше уровня собственных шумов измерительной аппаратуры, задают номер колесной пары равным единице, на измерительном участке, длиной не менее двух длин окружности круга катания нового колеса, определяют скорость движения поезда для определения полосы частот, в которой проводят частотную фильтрацию симметричных деформаций, и при каждом последующем превышении фильтрованными симметричными деформациями порога селекции, регистрируют следующую колесную пару, затем проводят частотную фильтрацию асимметричных деформаций в полосе частот, определяемой частотой свободных колебаний рельса и регистрируют при этом максимумы асимметричных деформаций на каждой паре тензодатчиков и при совпадении максимумов на соседних парах тензодатчиков, их сравнивают с порогом регистрации дефекта ε_p, определяемым по формуле:

где ξ=120 млн^-1/с - коэффициент;

h_∂ - максимальная глубина допускаемого дефекта, мм;

D - диаметр нового колеса, мм;

V - скорость поезда, м/с,

и при превышении этого порога регистрируемую колесную пару бракуют.

На фиг.1 схематично изображен фрагмент измерительного участка пути с тензодатчиками, где 1 - рельс; 2 - шпала; 3, 4 - пары тензодатчиков; 5 - колесо. На фиг.2а приведен график зависимости асимметричных деформаций шейки рельса от времени, на фиг.2б - его амплитудно-частотная характеристика при ударном воздействии на рельс. На фиг.3 изображен график зависимости симметричных деформаций от времени до фильтрации и после фильтрации при прохождении бездефектных колес, где ε_Qm - значение максимума симметричных деформаций от прохождения m-го колеса над парой тензодатчиков; ε_c - порог селекции симметричных деформаций для регистрации колесных пар. На фиг.4а приведен график зависимости фильтрованных симметричных деформаций от времени, на фиг.4б - график зависимости номеров контролируемых колесных пар от времени, на фиг.4в, г - график зависимости фильтрованных асимметричных деформаций на соседних парах тензодатчиков от времени в процессе контроля, где ε_ρ - порог селекции колесных пар; ε_p - порог регистрации дефекта.

Заявляемый способ был реализован при контроле грузовых вагонов в движении с колесными парами РУ1-950 и РУ1Ш-950 (диаметр нового колеса по кругу катания D=0,95 м). Контроль выполняли на участке прямолинейного бесстыкового пути Западно-Сибирской железной дороги. Плотность укладки шпал n₀=2000 шт./км, ширина шпал по верхнему основанию Н₀=0,2 м, рельсы типа Р65. Минимальная рассчитанная длина измерительного участка составила:

L=m·3,14·D=2,5·3,14·0,95=7,46 м,

где n₀ - плотность укладки шпал, шт./км;

H₀ - ширина шпалы по верхнему основанию, м;

m - коэффициент;

D - диаметр нового колеса, м.

На измерительном участке длиной 7,5 м над центрами каждой из 15 шпал на высоте Н=82 мм на шейку рельса были наклеены 30 пар тензодатчиков, ориентированных вертикально (фиг.1). Сигналы с тензодатчиков регистрировали с помощью быстродействующей тензометрической микропроцессорной системы «Динамика-1», зарегистрированной в Государственном реестре средств измерений под №32885-06.

По измерительному участку пропускали подвижной состав и одновременно регистрировали системой сигналы со всех тензодатчиков. По сигналам с тензодатчиков система определяла симметричные деформации, которые вычислялись в соответствии с формулой:

где K_T - коэффициент тензочувствительности измерительной системы, млн^-1/В;

U_n' - электрическое напряжение, регистрируемое системой на тензодатчике n-ной пары, расположенного с внутренней стороны рельса (фиг.1), мВ;

U_n'' - - электрическое напряжение, регистрируемое системой на тензодатчике n-ной пары, расположенного с наружной стороны рельса (фиг.1), мВ.

При этом системой устанавливался порог селекции колесных пар в интервале времени от 1 до 2 с и превышающий в 3-4 раза уровень собственных шумов системы, определяемый ею по среднему квадратическому отклонению симметричных деформаций в соответствии с соотношением:

где W - количество измерений, выполненных системой за время от 1 до 2 с, по которым проводится вычисление среднего квадратического отклонения;

- среднее значение симметричных деформаций, млн^-1, определяемое по формуле:

Затем системой регистрировали сигнал симметричных деформаций, превышающий порог селекции, по которому в системе устанавливался номер колесной пары, равный единице. После этого по разности времен прохождения колеса над соседними тензодатчиками определялась скорость движения поезда, по которой определялись нижняя и верхняя границы полосы пропускания симметричных деформаций, при этом следующая колесная пара системой регистрировалась по превышению фильтрованными симметричными деформациями (см. фиг.3, фиг.4а, б) порога селекции, одновременно с этим определялись асимметричные деформации в соответствии с формулой:

ε_B=K_T·{U_n'-U_n'')/2,

где K_T - коэффициент тензочувствительности тензосистемы системы, млн^-1/В, и проводилась их частотная фильтрация в диапазоне частот от 0,8·f_соб, до 1,2·f_соб, где f_соб - собственная частота асимметричных колебаний рельса (см. фиг.2), затем системой регистрировались максимумы фильтрованных асимметричных деформаций на каждой паре тензодатчиков и при совпадении максимумов (фиг.4в, г) на соседних парах тензодатчиков определялся порог регистрации дефектов из выражения:

где ξ=120 млн^-1/с - коэффициент;

h_∂ - максимальная глубина допускаемого дефекта, мм;

D - диаметр нового колеса, мм;

V - скорость поезда, м/с,

и при превышении фильтрованными асимметричными деформациями порога регистрации дефекта (фиг.4в, г) колесная пара браковалась.

Всего в результате контроля в 2 поездах обнаружено 8 дефектов, результаты контроля приведены в таблице 1.

Таблица 1
Результаты контроля колесных пар грузовых вагонов в движении
№ п.п. дефекта	№ колесной пар с головы состава	Максимум асимметричных деформаций, млн^-1	№ пар тензодатчиков	скорость поезда, м/с	Размер дефекта, мм
1	8	196	6, 7	12	1,1
2	96	286	2, 3	11	1,6
3	152	262	7, 8	12	3,5
4	169	155	13, 14	13	1,3
5	231	198	2, 3	12	0,5
6	143	208	11, 12	12	0,8
7	69	160	6, 7	12	0,6
8	191	196	9, 10	13	0,7

Для подтверждения достоверности результатов контроля выполнен визуальный осмотр дефектных колесных пар после остановки на пункте технического обслуживания. Все дефекты, зарегистрированные предлагаемым способом, классифицированы как недопустимые, других недопустимых дефектов не обнаружено.

Заявляемый способ обнаружения дефектов поверхности катания колес железнодорожных транспортных средств в движении позволяет повысить достоверность обнаружения дефектов за счет регистрации и анализа колебательных процессов в рельсах, путем измерения симметричных деформаций, вызванных вертикальными силами, и асимметричных деформаций, вызванных изгибающими моментами. Проведенная частотная фильтрация в наиболее информативных диапазонах позволила уменьшить влияние состояния пути на результаты контроля.

Способ обнаружения дефектов поверхности катания колес железнодорожных транспортных средств в движении, заключающийся в том, что на измерительном участке прямолинейного пути на рельс устанавливают тензодатчики, в процессе движения колесной пары по измерительному участку регистрируют сигналы одновременно со всех тензодатчиков, по которым судят о наличии дефекта поверхности катания, отличающийся тем, что тензодатчики устанавливают симметрично парами, по сигналам с тензодатчиков определяют симметричные и асимметричные деформации шейки рельса, по превышению симметричными деформациями порога селекции, устанавливаемого в 3-4 раза выше уровня собственных шумов измерительной аппаратуры, задают номер колесной пары, равным единице, на измерительном участке длиной не менее двух длин окружности круга катания нового колеса определяют скорость движения поезда для определения полосы частот, в которой проводят частотную фильтрацию симметричных деформаций, и при каждом последующем превышении фильтрованными симметричными деформациями порога селекции регистрируют следующую колесную пару, затем проводят частотную фильтрацию асимметричных деформаций в полосе частот, определяемой частотой свободных колебаний рельса, регистрируют максимумы асимметричных деформаций на каждой паре тензодатчиков, при совпадении максимумов на соседних парах тензодатчиков их сравнивают с порогом регистрации дефекта ε_р, определяемым по формуле
,
где ξ=120 млн^-1/с - коэффициент;
h_∂ - максимальная глубина допускаемого дефекта, мм;
D - диаметр нового колеса, мм;
V - скорость поезда, м/с,
и при превышении этого порога бракуют регистрируемую колесную пару.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в машиностроении для контроля шероховатости поверхности электропроводных изделий, например, из нержавеющей стали в процессе электролитно-плазменной обработки.

Профилометр для контроля микрогеометрии коллекторов электрических машин // 2422767

Изобретение относится к измерительной технике. .

Сканирующий зондовый микроскоп, совмещенный с устройством измерения массы и диссипативных свойств // 2407021

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам измерения с помощью сканирующего зондового микроскопа рельефа, линейных размеров и физических характеристик поверхности объектов в режимах сканирующего туннельного микроскопа и атомно-силового микроскопа.

Сканирующий зондовый микроскоп с контролируемой средой измерения // 2401983

Изобретение относится к зондовой микроскопии, а именно к устройствам, обеспечивающим комплексные исследования сложных объектов при контроле и создании требуемой среды измерения.

Устройство для измерения шероховатости наружной сферической поверхности детали (варианты) // 2392583

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения шероховатости наружной сферической поверхности детали. .

Способ контроля плоскостности поверхностей трубопроводной арматуры и устройство для его осуществления // 2386104

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, используемой при послеремонтном контроле поверхностей крупногабаритной трубопроводной арматуры /ТПА/. .

Нутромер // 2381440

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для использования в качестве устройства измерения линейных величин неровностей профиля поверхности внутренней полости трубы.

Способ изготовления ступенчатого высотного калибровочного стандарта для профилометрии и сканирующей зондовой микроскопии // 2371674

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для усовершенствования работы инструментов, измеряющих высоту рельефа поверхности, и для сертификации высотных стандартов.

Способ бесконтактного измерения профиля контролируемой поверхности в динамических режимах // 2331043

Изобретение относится к машиностроению, а именно к области создания средств и методов бесконтактного измерения неровностей поверхностей, геометрических размеров, эксцентриситета и перемещений деталей машин и механизмов.

Способ измерения рельефа поверхности объекта с использованием сканирующего зондового микроскопа // 2329465

Изобретение относится к области сканирующей зондовой микроскопии. .

Способ определения кинетики износа поверхностей деталей машин // 2494342

Изобретение относится к машиностроению, в частности к способам изучения процесса износа поверхностей деталей машин. Сущность: подают ток на контактирующие детали, нагруженные в соответствии с реальными условиями эксплуатации. Регистрируют изменение силы тока в цепи во времени. Рассчитывают текущее значение общего сопротивления электрической цепи, используя зависимость для текущего изменения опорной контактной площади микронеровности, являющейся функцией изменения величины контактного сближения поверхностей. Определяют текущее значение силы тока по высоте микрорельефа. Задаются рядом значений моментов времени и определяют изменение величины контактного сближения поверхностей от времени (эксплуатационного износа) и изменение опорной контактной площади микронеровности от времени. Технический результат: расширение возможности исследования микрогеометрии поверхностей, возможность прогнозировать кинетику изменения микрорельефа в реальных условиях эксплуатации и сделать выводы о предпочтительности применения того или иного микрорельефа в реальных условиях эксплуатации. 6 ил.

Устройство автоматического контроля прямолинейности сварных стыков рельсов и способ его использования // 2520884

Изобретение относится к измерительной технике. Устройство используют для контроля отклонения от прямолинейности поверхности боковой рабочей грани головки рельса в горизонтальной плоскости и поверхности катания головки рельса в вертикальной плоскости бесконтактным методом. Устройство автоматического контроля прямолинейности сварных стыков рельсов содержит корпус, механическую часть, торцевые панели, бесконтактные датчики базирования, датчики бесконтактного измерения расстояния до поверхности рельса и электронный блок. Механическая часть состоит из базирующих призм, закрытых с внешней стороны торцевыми панелями, которые имеют вырезы, соответствующие поверхностям, ответным контролируемым, между которыми установлены встроенные магниты. Каждая призма имеет опорные наконечники, контактирующие с контролируемыми поверхностями. Рядом с наконечниками расположены бесконтактные датчики базирования, сопряженные с электронным блоком. В центральной части корпуса между вспомогательными призмами расположены датчики бесконтактного измерения расстояния до поверхности рельса, сопряженные с электронным блоком, осуществляющим отображение отклонений от прямолинейности на аналоговых индикаторах и на графическом дисплее и хранение результатов отклонения в блоке памяти. Изобретение касается также способа использования этого устройства. В результате обеспечивается возможность получить наглядную и достоверную информацию, сокращается время, необходимое для контроля прямолинейности сварных стыков рельсов. 2 н.п. ф-лы, 10 ил.

Способ изготовления иглы кантилевера сканирующего зондового микроскопа // 2562164

Использование: для изготовления иглы кантилевера сканирующего зондового микроскопа. Сущность изобретения заключается в том, что для изготовления иглы кантилевера используют хрупкую прозрачную подложку, которую заполняют оптически прозрачной жидкостью и в горизонтальном положении укладывают в пластическую массу, которую периодически замораживают и размораживают. Затем с помощь источника света с направленным плоским световым потоком воздействуют на подложку, добиваясь появления микротрещин на подложке, которые впоследствии разрушают подложку, в результате чего происходит скалывание и образование иглы кантилевера. В качестве подложки можно использовать любой подручный хрупкий материал. Технический результат: повышение производительности и снижение материалоемкости при изготовлении иглы кантилевера со сверхострой вершиной. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Система и способ измерения поверхности // 2608326

Данное изобретение относится, в целом, к области абразивной подготовки поверхности, а более конкретно к способам и устройству измерения профиля подготовленной поверхности. Заявленная группа изобретений включает способ измерения поверхности и устройство измерения поверхности. Причем способ содержит этапы, на которых осматривают множество образцов первой неровной поверхности обрабатываемой детали в двух измерениях, причем каждый из множества образцов имеет, по существу, одинаковый размер, определяют, на основе осмотров образцов, общее число выступов поверхности на каждом из множества образцов, получают предел допустимых отклонений из статистической изменчивости общего числа выступов поверхности на каждом из множества образцов, причем предел допустимых отклонений задается для указания условия выхода за допуск для общего числа выступов поверхности на второй неровной поверхности обрабатываемой детали, осматривают участок второй неровной поверхности обрабатываемой детали в двух измерениях, причем участок имеет, по существу, тот же размер, что и один из множества образцов, определяют, на основе осмотра участка второй неровной поверхности обрабатываемой детали, общее число выступов поверхности на участке и сравнивают общее число выступов поверхности на участке с пределом допустимых отклонений, чтобы определять, находится ли вторая неровная поверхность обрабатываемой детали в условиях выхода за допуск. Технический результат заключается в обеспечении способа и устройства измерения поверхности, посредством которых возможно проводить осмотр и измерение поверхности обрабатываемой детали, например, определять, находится ли профиль поверхности в пределах желаемых спецификаций, пределов допустимых отклонений или допусков, идентифицируя выступы и/или впадины на поверхности, а также возможно идентифицировать изменения и неровности поверхности, вызванные другими условиями, возникающими во время подготовки поверхности, такими как вибрация, температура, скорость колеса и т.п. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 7 ил.

Датчик контроля толщины осадка // 2624657

Использование: для создания датчиков контроля толщины осадка в осадкообразующих жидкостях. Сущность изобретения заключается в том, что датчик контроля толщины осадка содержит электроды, выполненные в виде двух плоских гребенок, имеющих зубья и основание в виде плоских прямоугольников, соединенных между собой и нанесенных на плоское диэлектрическое основание датчика, зубья одной гребенки входят в зазоры между зубьями второй гребенки с образованием равномерно чередующихся зубьев и зазоров между ними, ширина зазора между зубьями равна ширине зуба, погружаемые в сосуд с жидкостью, образующей осадок, электроды включены в схему измерения емкости между этими электродами, где с двух диаметрально расположенных углов датчика установлены дополнительные электроды таким образом, что на каждом упомянутом углу располагаются по меньшей мере три плоских Г-образных электрода, при этом внутренний Г-образный электрод образован зубом и основанием соответствующей плоской гребенки. Технический результат: обеспечение возможности повышения точности измерений. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Датчик контроля толщины тонкопленочных диэлектрических материалов // 2624660

Использование: для создания датчиков контроля толщины тонкопленочных диэлектрических материалов. Сущность изобретения заключается в том, что датчик контроля толщины тонкопленочных диэлектрических материалов содержит электроды, выполненные в виде двух плоских гребенок, имеющих зубья и основание в виде плоских прямоугольников, соединенных между собой и нанесенных на плоское диэлектрическое основание датчика, зубья одной гребенки входят в зазоры между зубьями второй гребенки с образованием равномерно чередующихся зубьев и зазоров между ними, ширина зазора между зубьями равна ширине зуба, при этом упомянутые электроды включены в схему измерения емкости между этими электродами, где с двух диаметрально расположенных углов датчика установлены дополнительные электроды таким образом, что на каждом упомянутом углу располагаются, по меньшей мере, два плоских Г-образных электрода, при этом внутренний Г-образный электрод образован зубом и основанием соответствующей плоской гребенки. Технический результат: обеспечение возможности повышения точности измерения. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Способ контроля поверхности катания железнодорожных колёс в движении // 2625256

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для обнаружения дефектов поверхности катания железнодорожных колес в движении. Сущность: на участке пути на рельс на середине высоты устанавливают тензодатчики парами симметрично с двух сторон шейки рельса и ориентируют вертикально. В процессе движения колесной пары по измерительному участку определяют симметричные деформации и проводят их частотную фильтрацию в зависимости от скорости движения. Номер колеса определяют по количеству превышений порога селекции. Регистрируют локальные минимумы симметричных деформаций, определяют скорость и продольную координату колеса на рельсе, момент входа колеса в зону чувствительности пары тензодатчиков. Используя фильтрованные симметричные деформации и эталонные деформации, определяют вертикальную силу от колеса на рельс. При превышении силой ее критического значения колесную пару бракуют. Технический результат: повышение достоверности результатов контроля поверхности катания колес грузовых вагонов в движении для своевременного выявления дефектов за счет уменьшения влияния траектории движения колеса по поверхности катания рельса на параметры диагностических сигналов. 1 табл., 3 ил.