Лазерный мир

Дубнищев Ю.Н., Сотников В.В., Чугуй Ю.В. // Электронный научный журнал Современные проблемы науки и образования ISSN 2070-7428, № 1 (часть 1), 2015 год, УДК 681.518.5 + 681.786.2; 535.8

Аннотация:
Рассмотрены методы размерного контроля колёс движущегося железнодорожного состава, основанные на оптических триангуляционных и доплеровских технологиях. Лазерные триангуляционные технологии к настоящему времени наиболее проработаны и реализованы в серийных российских системах «КОМПЛЕКС», обеспечивающих контроль геометрических параметров колёс на скоростях движения до 60 км/час. В настоящее время свыше 70 таких комплексов, объединённых в единую информационную систему, эксплуатируется на железных дорогах России, Белоруссии и Грузии. Лазерные доплеровские измерительные технологии могут быть полезны для контроля не только геометрических параметров, но и динамических, таких как, например, скорость проскальзывания колёс Обсуждается возможность применения лазерных доплеровских измерительных технологий для контроля геометрических и динамических параметров колёсных пар движущегося состава.

Описание на английском языке:
LASER METHODS OF THE DIMENSIONAL CONTROL OF THE MOVING TRAIN WHEELS
Dubnischev Yu.N. 1 Sotnikov V.V. 2, 1 Chuguy Yu.V. 2
1 Kutateladze Institute of Thermophysics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences
2 Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Abstract:
The methods of the size control of the moving railroad train wheels, based on the optical triangulate and laser Doppler technologies are considered. At present the laser triangulate technologies are most developed and implemented in the production Russian systems “COMPLEX”, which provide the control of the geometrical parameters of the wheels at a speed up to 60 km/h. Now, more than 70 such systems, assembled into the one informational system, exploited on the Russian, Belarusian and Georgia railroads. Laser Doppler measurement technologies can be useful not only for the control of the geometrical parameters, but also for that of the dynamical parameters such as, for example, The possibility of using the laser Doppler measuring technologies to control the geometrical and dynamic parameters of the moving railroad train wheels pair is discussed.

Создание систем контроля колёсных пар движущегося состава обусловлено необходимостью обеспечения безопасности и надёжности железнодорожного транспорта. Сравнительно недавно на железных дорогах ряда стран стали внедряться системы оптического контроля параметров колесных пар подвижного состава в движении [1–7].

Развитие систем бесконтактной диагностики движущихся колёсных пар основывается на разработке новых технических решенийс использованием современных достижений оптики, лазерной техники и информационных технологий. Большинство оптических систем размерного контроля движущихся колёсных пар основано на применении высокоскоростных цифровых камер. Однако применение цифровых камер ограничивается погодными условиями, особенно в зимних условиях таких стран, как, например, Россия. Кроме того, быстродействием и чувствительностью камеры ограничивается максимальная скорость движения, при которой осуществляется контроль. Российская система, получившая название «КОМПЛЕКС» [8], обеспечивает автоматический контроль геометрических параметров колёсных пар во время движения поезда, основанный на применении лазерных триангуляторов в режиме самосканирования. В работе [9] показано, что угловая скорость колеса, движущегося по рельсу, может измеряться методом, аналогичным способу определения крутящего момента цилиндрического вала путём измерения разности линейных скоростей в разнесённых точках на его вращающейся поверхности [10]. Информация об угловой скорости вращения колеса и линейной скорости его оси позволяет определить геометрический радиус колеса. Этот способ применим для контроля колёс с поверхностью катания аналогичной поверхности круглого цилиндра, что для железнодорожных колёс не выполняется, и в отсутствие проскальзывания при качении. Настоящая работа мотивирована проблемой развития методов оптического контроля колёсных пар движущегося состава на основе лазерных триангуляционных и доплеровских измерительных технологий.

Оптические методы размерного контроля колёс движущегося железнодорожного состава. Размерный контроль геометрических параметров железнодорожных колёс движущегося состава может быть обеспечен методами лазерной диагностики, в числе которых триангуляционные и лазерные доплеровские технологии являются наиболее адекватными проблеме.

Триангуляционный метод диагностики. Принцип работы триангуляционного измерителя иллюстрирует рис. 1. На пути движения колеса объективом формируется лазерный луч, который пересекается движущимся колесом. Точка пересечения лазерного луча с поверхностью катания колеса объективом 2 проектируется на позиционно-чувствительный фотоприёмник. Траектория перемещения проекции этой точки, получающаяся при движении колеса и регистрируемая позиционно-чувствительным фотоприёмником, определяет профиль поверхности катания колеса. Сигнал от позиционно-чувствительного приёмника фиксируется и обрабатывается сигнальным процессором.

Рис. 1. Принцип работы лазерного триангуляционного измерителя

Триангуляционный метод размерного контроля колёс реализован в российской системе «КОМПЛЕКС» [8], разработанной Конструкторско–технологическим институ­том научного приборостроения Сибирского отделения Российской академии наук.

Во время движения состава каждое из колёс параллельно и независимо сканируется двумя оптическими датчиками, один из которых установлен с внутренней стороны, а второй снаружи рельса. При прохождении колёсных пар в зоне контроля триангуляционные оптические датчики измеряют текущие расстояния до внешней и внутренней поверхностей каждого из колёс соответственно. В результате такого измерения формируются сигналы, несущие информацию о профилях колёс в сечениях, определяемых в координатном базисе, заданном положением датчиков. По восстановленному профилю вычисляются требуемые геометрические параметры. Внешний вид одного из вариантов системы «КОМПЛЕКС» приведен на рис. 2.

Рис. 2. Внешний вид системы «КОМПЛЕКС»

На железных дорогах России в настоящее время функционирует свыше 70 систем «КОМПЛЕКС», объединённых в единое информационное пространство. Обеспечивается высокая точность автоматических замеров в диапазоне скоростей движения поездов на участке контроля до 60 км/ч.

Лазерные доплеровские технологии контроля геометрических параметров железнодорожного колеса. Одно из направлений дальнейшего развития систем размерного контроля колёсных пар движущегося состава связано с возможностью применения лазерных доплеровских измерительных технологий. Лазерные доплеровские технологии помимо размерного контроля геометрических параметров позволяют получать информацию о радиусе и скорости проскальзывания колёс железнодорожных вагонов. Контроль скорости проскальзывания колеса локомотива позволяет оптимизировать вращающий момент, адаптируя энергетические параметры к условиям движения.

…

Измерение линейных скоростей в точках на поверхности колеса производится с применением доплеровских измерительных технологий на основе полупроводниковых лазеров. Реализация этого способа на железнодорожном транспорте позволит оперативно выявлять дефектные колёса, тем самым повышая безопасность.

Заключение

Рассмотрены методы размерного контроля колёс движущегося железнодорожного состава, основанные на оптических триангуляционных и доплеровских технологиях. Лазерные триангуляционные технологии к настоящему времени наиболее проработаны и реализованы в серийных российских системах «КОМПЛЕКС», обеспечивающих контроль геометрических параметров колёс при скорости до 60 км/час. Лазерные доплеровские измерительные технологии могут быть полезны для контроля не только геометрических параметров, но и динамических, таких как, например, скорость проскальзывания колёс. Возможность применения лазерных доплеровских технологий для создания систем размерного контроля колёс движущегося железнодорожного состава заслуживает внимания и развития.

Полное содержание статьи: http://science-education.ru/ru/article/view?id=18779