Устройство для бесконтактного измерения износа колес при движении рельсового подвижного состава

 

ОП И OН

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕаНаСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 03.08.72 (21) 1817397/11 с присоединением заявки № (51) М. Кл 2 В 61К 9/12

Совета Министров СССР ло делам изобретений и открытий (53) УДК 625.2.057.3 (088.8) Опубликовано 30.04.77. Бюллетень ¹ 16

Дата опубликования описания 30.05.77 (72) Авторы изобретения (71) Заявитель

В. Л. Образцов и В. П. Малышев

Уральское отделение Всесоюзного ордена Трудового Красного

Знамени научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ

ИЗНОСА КОЛЕС ПРИ ДВИЖЕНИИ РЕЛЪСОВОГО

ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

Гасударственный комитет (23) Приоритет

Изобретение относится к автоматике железнодорожного транспорта, в частности к автоматическому контролю предельного и неравномерного износа (проката) колес при безостановочном движении поезда.

Известны устройства для разбраковки колес, реализующие способ, основанный на применении токовихревых измерительных преобразователей, чувствительных к вертикальному перемещению гребня катящегося по рельсу колеса с износом поверхности катания относительно базовой поверхности отсчета, например поверхности катания рельса.

Наиболее близким техническим решением является устройство, содержащее путевые датчики регистрации прохода колес, блок определения скорости перемещения колес и блок управления, связанные с путевыми датчиками, и узел бесконтактного измерения проката, подключенный к блоку принятия решения.

Однако известные устройства обеспечивают разбраковку колес только по глубине неравномерного износа, в то время как динамическое воздействие колеса с неравномерным износом на необрессоренные узлы тележек вагонов и рельсовый путь зависят и от относительной протяженности (длины) отдельных неровностей (полуволн) . Это является существенным недостатком известных устройств, так как нормирование неравномерного износа колес в эксплуатации производится из условия ограничения динамических сил в контакте колес с рельсом или ускорений необрессоренных масс (буксовых узлов) вагонов.

Целью изобретения является повышение достоверности разбраковки колес по универсальному критерию — уклону отдельных неровностей.

10 Для этого предложенное устройство содержит узел вычисления уклона неровностей, подключенный своими входами к блоку определения скорости, блоку управления и одному из выходов узла бесконтактного измере15 ния проката, а выходом — ко второму входу блока принятия решения.

На фиг. 1 дана блок-схема устройства для бесконтактного измерения износа колес при движении рельсового подвижного состава; на фиг. 2 показаны формы напряжений в отдельных точках схемы и временные диаграммы, характеризующие работу устройства.

Устройство содержит путевые датчики 1 — 3 регистрации прохода колес, удаленные друг от друга на расстоянии 500 мм, блок 4 определения скорости, связанный с путевыми датчиками 1 и 2, блок 5 управления, связанный с блоком 4 определения скорости и путевыми датчиками 2 и 3, узел 6 бесконтактного изме30 рения проката, состоящий из высокочастот556073 ного контура 7, в состав которого входит измерительный преобразователь, жестко соединенный с рельсом, связанным с автогенератором 8, который подключен к блоку 9 выделения и центрирования низкочастотной составляющей огибающей амплитудно-изолированного (АИ) напряжения и к блоку 10 измерения среднего значения амплитудно-модулированного (АМ) напряжения несущей частоты, характеризующего общий прокат (износ).

Узел 11 вычисления уклона неровностей содержит блок 12 определения экстремальных значений переменной составляющей напряжения огибающей, выполняющей также функции бинарного квантования производной от напряжения переменной составляющей, который подключен к блоку 10, последовательно соединенные генератор 13 линейно-изменяющегося напряжения, блок 14 памяти для запоминания амплитуд напряжения и блок 15 деления напряжений. Узел 11 содержит также подключенную к блоку 4 последовательную цепь из генератора 16 линейно-изменяющегося напряжения, блока 17 памяти, блока

15, блока 18 умножения напря>кений, который связан с блоком 19 памяти, подключенным к блоку 5 управления. Узел 11 выходом связан с блоком 20 принятия решения, второй.вход которого подключен к блоку 10 измерения среднего значения АМ напря>кения несущей частоты.

Блоки 14 и 17 памяти служат для запоминания амплитуд напря>кений на выходах генераторов 16 и 13. Эти напряжения пропорциональны длине полуволны неровностей и скорости перемещения колес. Блок 19 памяти служит для запоминания напряжения, пропорционального размаху низкочастотного напряжения огибающ й, зависящего от глубины неровности.

На выходе блока 15 образуется сигнал, пропорциональный длине, а на выходе блока

18 сигнал, пропорциональный уклону измеряемой неровности; Блок 20 вырабатывает диагностический сигнал о соответствии величин общего и неравномерного износа колес допускаемым значениям. Сигнал принятия решения вырабатывается после выхода контролируемого колеса из зоны действия измерительного преобразователя, ограниченного путевыми датчиками 2 и 3.

В устройстве используется токовихревой метод, основанный на применении высокочастотных измерительных преобразователей.

Устройство работает следующим образом.

При отсутствии в зоне действия измерительного преобразователя гребня колеса напря>кение на выходе контура 7 имеет вид: (2) Н= Н,.з1п t+ q 2»У .

20

25 (4) U„(t) = Но sin2-(„1, U, (t) = U, sin 2»f,t, где Us — среднее значение огибающей ср

АМ-напряжения за период, характеризующий общий прокат, а колебание Uo sin(2 f»t+q) характеризует неравномерный волнообразный

05 износ h поверхности катания колес. высокой где U,— амплитуда напряжения частоты; (, — несущая частота;

t — текущее время.

Рассмотрим случай, когда на поверхности катания колеса имеется неровность синусоидального вида

h = h, sin

5 2l где h, х — текущие значения ординаты и абсциссы неровности;

1 — длина полуволны неровности;

10 hΠ— максимальная амплитуда неровности.

При перекатывании колеса с синусоидальной неровностью в зоне чувствительности вихретокового измерительного преобразователя расстояние между гребнем колеса и поверхностью высокочастотного контура 7, жестко соединенного с рельсом, изменяется по синусоидальному закону: где FIo — максимальное расстояние между измерительным преобразователем и греонем колеса;

V-- скорость движения поезда;

<р — начальная фаза синусоидальной неровности, с которой колесо зашло в зону чувствительности преобразозо вателя.

При уменьшении расстояния Н увеличиваются потери в контуре 7, связанные, главным образом, с уменьшением его добротности, что приводит к соответствующему изменению амплитуды генерируемого напряжения автогенератора 8, т. е. происходит амплитудная модуляция несущей частоты вида (3) низкочастотным напряжением: где U — амплитуда модулирующего напряжения, определяемого выражением

Uo =5FFo, 45

Н

f» — условная частота модулирующего колебания;

S †-чувствительность преобразователя к вертикальным перемещениям

50 гребня;

Ho — вертикальное перемещение гребня колеса;

Т» — условный период модулирующего колебания.

Лмплитудно - модулированное напряжение на выходе автогенератора 8 имеет вид:

U, (/) = (U, + Uo sin (2-f„+ y)) sin2»f,t (5) 556073

Среднее значение проката колеса за условный период Так можно определить по формуле:

То

К (6) т т, о, где 7 ю„=- — — период усреднения;

Lo — часть длины окружности колеса, на

К которой производились измерения.

Напряжение на выходе автогенератора 8 изменяется по закону амплитудно-модулированного колебания, причем модулирующее напряжение изменяется во времени в соответствии с изменением расстояния H между гребнем катящегося колеса с неравномерным износом и поверхностью измерительного преобразователя, жестко связанного с базой отсчета на рельсе. Поэтому средний износ колеса можно определить по среднему значению напряжения на выходе генератора

Ti<. и цмакс + умии

U,,(h„I = — ) (U.„(O к= о (7)

1к.п где Т,.< — — фактически реализуемыи

V период усреднения;

L — длина контура преобразователя., Для измерения общего проката колес достаточно к выходу автогенератора 8 подключить вольтметр среднего значения. В формуле (7)

Uìàêñ и U мин — соответственно максимальные

АМ AM и минимальные значения AM-напряжения несущей частоты на выходе автогенератора 8.

Из выражения (5) видно, что для определения неравномерного проката необходимо выделить низкочастотное колебание Uo, X

Х sin (2лf,;t+y), изменяющееся в соответствии с изменением расстояния Н между гребнем колеса и измерительным преобразователем.

Для этого на выходе автогенератора 8 включен блок 9 выделения и центрирования низкочастотной составляющей огибающей АМ-напряжения. Размах амплитуд низкочастотной составляющей характеризует глубину неравномерного износа. В рассматриваемом случае размах, определяемый за время Т» равен

2Uo (случай синусоидального износа поверхности катания колеса). В общем случае при произвольной форме неравномерного проката размах амплитуд определяется как:

Ug — U,+(U,) (8) где UI и С4 — соответственно амплитуды положительной и отрицательной полуволн центрированной низкочастотной составляющей на выходе блока 9. Чтобы определить фактический уклон iнеровности,,необходимо сначала найти границы ее отдельных ветвей, т. е. определить ее протяженность 1. Протяженность неровности 1 можно определить путем фиксирования экстремальных значений низкочастотной составляющей

U„(t) = UoÄsin (2II ft+cp), т. е. значений U„(t), равных UI u Uq. Эта операция может выполняться дифференцированием низкочастотной огибающей U (t), так как при U (t) = UI или U> первая производная обращается в О.

U„(t) = — Uo 2-.f„cos (2 f„t + у). (9)

Дифференцированный сигнал U(t) в блоке

12, кроме того, подвергается бинарному квантованию, т. е. на выходе его формируются двухполярные импульсы, длительность которых определяется.

Б 1

20 где i — длина неровности;

V — скорость поезда;

t(— время прохождения неровности в зоне контроля измерительного датчика.

25 Включенный на выходе блока 12 генератор

13 линейно изменяющегося напряжения вырабатывает напряжение

U,=mt„, 30 где m — коэффициент преобразования генератора 13;

t(— темп нарастания напряжения.

Подставляя выражение (10) в (11), получим соотношение:

U =и—

V (12) Из соотношения (12) видно, что напряжение на выходе генератора 13 находится в обрат40 ной зависимости от скорости V. При определении длины неровности необходимо исключить скорость из выражения (12). Эту операцию осуществляет блок 15 деления напряжения, на входы которого поступают напряжения с

45 блоков 17 и 14.

Блок 17 памяти запоминает напряжение, вырабатываемое генератором 16 линейно-изменяющегося напряжения, значение которого определяется выражением

50 lo

UI — И вЂ”, V (13) где m — коэффициент преобразования генератора 16;

4 — расстояние между датчиками 1 и 2;

Uv — напряжение, пропорциональное длительности управляющего импульса напряжения на выходе блока 4 определения скорости.

Uy l

Промежуточная операция, выполняемая блоком 15, записывается в виде соотношения

556073 где D — сигнальный импульс на выходе блока 15, пропорциональный длине неровности;

L0 — — — — постоянный коэффициент.

lo

Как видно из соотношения (14), отношение

У вЂ” =Lpl не зависит от скорости поезда, и, Uv кроме того, функция отношения напряжений, вырабатываемых блоками 16 и 13, прямо пропорциональна длине неровности.

Поскольку уклон i определяется как: о

2Ь

l (15) U„Uy

U) (I 7) или, подставляя из выражения (14) значение

Uó отношения, получим

Uv — 1о (18) Из выражения (18) видим, что 1 прямо пропорционально величине уклона i, определяемого выражением (15), и не зависит от скорости движения поезда на участке контроля. а напряжение Un, зафиксированное в блоке 19 памяти, пропорционально величине 2ЙО=НО, Так как У„=КЯНО, (16)

U( то, разделив Un на — (или умножив на

Uv

Uv

), получаем выражение

U) Таким образом, производя операцию Un.

Uy — в блоке 18 умножения напряжений, поU) лучаем на выходе последнего напряжение, 5 пропорциональное истинному значению уклона неровности на поверхности катания колеса. Последовательности выполнения операций иллюстрируется на фиг. 2, Токовихревой метод, основанный на приме10 нении высокочастотных автогенераторных измерительных преобразователей, обеспечивает принципиальную возможность осуществления непрерывного или кусочно-непрерывного бесконтактного контроля износа по всей длине

15 окружности катящегося колеса с высокой точностью. В этом его основное преимущество перед другими точечными (дискретными) методами контроля.

Формула изобретения

Устройство для бесконтактного измерения износа колес при движении рельсового подвижного состава, содержащее путевые датчики регистрации прохода колес, блок опре25 деления скорости перемещения колес и блок управления, связанные с путевыми датчиками, узел бесконтактного измерения проката, подключенный к блоку принятия решения, о тл и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью повышения достоверности разбраковки, устройство содержит узел вычисления уклона неровностей, подключенный своими входами к блоку определения скорости перемещения колес, блоку управления и к одному из выходов узла бесконтактного измерения проката, а выходом— ко второму входу блока принятия решения.

556073

I //

/ /y

4- Ъг. 2

Составитель И. Горелова

Техред Т. Добровольская Корректор О. Тюрина

Редактор А. Купрякова

Заказ 1120/6 Изд. № 411 Тираж 630 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, K-35, Раушская наб., д. 4/5

Типография, пр. Сапунова, 2