Контрол на геометрични параметри на железопътно колело - Форум за неразрушаващо изпитване

Контрол на геометричните параметри на железопътното колело

Багаев Кирил Александрович
Софтуерен инженер, SE "Unitest",
Аспирант на катедра „Експериментална ядрена физика”, СПбДПУ.
Научни интереси - радиационен тип NC.

При производството и експлоатацията на подвижния състав на железопътния транспорт се налагат доста високи изисквания за запазване и контрол на геометричните параметри на железопътните колела. Незначителните им отклонения от номиналните водят до намаляване както на ходовите, така и на динамичните характеристики на локомотиви и вагони, както и безопасността на тяхната експлоатация.

Железопътните колела имат около 30 геометрични параметъра, стойността на които трябва да се контролира. В този случай редица параметри трябва да се измерват с много висока точност. Например точността на измерване на максималната аксиална деформация не трябва да надвишава 0,1 mm. Следователно е необходимо да се създадат високо прецизни комплекси за измерване на геометричните параметри на железопътните колела.

Досега измерването на размерите и техните отклонения от стандартите се основаваше на използването на контактни устройства, предимно шаблони. Шаблоните са направени за измерване на профила на ролката, дебелината на билото и др. За измерване на изкривяване обикновено се използва контролна плоча или шаблон за паяк. Инспекторът трябва правилно да приложи шаблона и след това, използвайки манометър, да определи максималната празнина.

Тази идеология има значителни недостатъци. Например депото има шаблони за управление на подвижната повърхност в съответствие с ГОСТ 9036-88. Ако е получена директива за шлайфане на колела по малко по-различен метод, например с така наречения скосен гребен, тогава машината за нарязване се преконфигурира лесно, колелата са направени в съответствие с новата директива, но проблемът с набраздяването незабавно възниква контрол на качеството: старите образци вече не са подходящи, но все още трябва да се направят нови.

Има много проблеми при определяне на осовото извиване. Обикновено колело с тегло 500 kg се поставя върху контролна плоча и след това с помощта на габарит, разстоянието между плочата и колелото се определя по цялата му обиколка. По време на работа неизбежно се появяват вдлъбнатини върху контролната плоча. Това означава, че резултатът от измерването зависи от това как колелото е лежало върху такава плоча.

Проблемът с точността на измерването при използване на контактни методи е също така, че резултатът от измерването до голяма степен зависи от квалификацията на оператора на дефектоскоп, от това колко правилно той използва шаблони, сонди и т.н.

Друг съществен недостатък на методите за контакт е контролното време. За да се измери напълно колелото, спазвайки всички изисквания на GOST, опитен оператор на детектор на дефекти се нуждае от около 20 минути. Този фактор значително забавя целия производствен процес. Например, в OJSC Vyksa Metallurgical Plant, производителността на линия за производство на железопътни линии колела - 70 бр/ч. Времето, необходимо за управление на едно колело, за да се поддържа тази производителност, трябва да бъде 52 s. Разбира се, когато се използват контактни устройства, подобна производителност е нереалистично да се поддържа.

По този начин недостатъците на метода за контактно измерване са: - продължителността и трудоемкостта на процеса на измерване и, като следствие, липсата на реален контрол на всички необходими параметри; -зависимост на резултатите от измерванията от така наречения "човешки фактор";

-зависимост на резултатите от измерванията от деформация на контактните устройства по време на работа; -невъзможността за преконфигуриране на контактни устройства в съответствие с промените в изискванията за крайния продукт (в този случай за железопътни колела).

Преодоляването на всички горепосочени недостатъци е възможно с използването на нова идеология, основана на безконтактни методи за контрол. Предлага се да се използват лазерни датчици за далекомер като измервателни уреди. През последните години се появиха няколко компании, които произвеждат подобни устройства. Най-голям интерес във връзка с проблема за железопътния контрол. колелата представляват растерни далекомери. Такива сензори при едно сканиране отнемат не една точка, а профил. Дължината на сканираната повърхност може да варира значително в зависимост от мощността на лазера и грешката при измерване. Например лазерните сензори RF620 * имат обхват на измерване по оста X до 150 mm (фиг. 1). Във височина такива сензори покриват диапазона от 100 до 350 mm. Колкото по-малък е обхватът на измерване на устройството, толкова по-висока е неговата точност. Скоростта на сканиране на такива сензори е много висока - около 100 сканирания в секунда. Сензорът може да получи до 1024 точки за едно сканиране.

Работата на растерни скенери-далекомери се основава на принципа на оптичната триангулация (фиг. 2).

Излъчването на полупроводниковия лазер 1 се образува от лещата 2 под формата на линия 3 и се проектира върху обекта 7. Радиацията, разпръсната върху обекта от лещата 4, се събира върху двумерна CMOS матрица 5. полученото изображение на контура на обекта се анализира от сигналния процесор 6, който изчислява разстоянието до обекта (Z координата) за всяка от многото точки по лазерната линия на обекта (X координата).

ЗАО Vimatek (част от Държавното предприятие Unitest) разработи принципно нов комплекс за измерване на железопътни линии. колела по безконтактен метод (фиг. 3). Тя се основава на използването на растерни лазерни сензори. Инсталацията е проектирана да избягва всички трудности при управление, описани по-горе.

Механичната част на комплекса беше изключително опростена, което даде възможност значително да се увеличи надеждността и износоустойчивостта на оборудването. Приборите могат лесно да бъдат интегрирани в съществуваща производствена линия. Колелата се подават към контролния пост директно от конвейерната лента на завода. С помощта на превключвател колелото е монтирано на специална шайба с прорези. Контролът е в ход. След това колелото отново се връща към конвейера. Механичната част на комплекса се контролира от контролери на Siemens.

Комплексът включва 7 растерни лазерни сензора (фиг. 4). Три датчика са разположени отгоре за измерване на външната повърхност на колелото, три отдолу, те измерват вътрешната повърхност, а седми сензор сканира подвижната повърхност. Обхватът от три сензора е достатъчен за пълно измерване на профила на колелото по радиуса. По време на процеса на управление колелото се върти около оста на монтажа, ъгълът на въртене се измерва с помощта на високо прецизен енкодер. По този начин резултатът от измерването е набор от профили на колелата и съответния ъгъл на въртене около оста на въртене. Тази информация е достатъчна за възстановяване на триизмерната картина на колелото.

Лазерните сензори се комбинират в една мрежа, обединена на базата на интерфейс 485, чрез който данните се предават на компютър. Ъгъл от енкодера, командите за контрол и наблюдение на състоянието на инсталацията се изпращат към компютъра чрез интерфейса на мрежовата карта. Комплексът включва компютърна програма, която установява комуникация с контролера и сензорите. Той получава всички измерени данни, анализира ги и изчислява всички необходими характеристики на колелото. В края на изчислението на екрана се показва списък на измерените параметри и тяхното съответствие със стандартите GOST. Резултатите от контрола се предават чрез локалната мрежа на корпоративния сървър, където данните се архивират автоматично. Въз основа на резултатите от измерванията се създава контролен протокол и се издава заключение за годността на колелото. Целият цикъл на измерване отнема 30 s!

Друго значително предимство на комплекса е автоматичното записване на резултатите от контрола в базата данни. Архивират се резултатите от тестването, номера на колелото, пълното име на инспектора, номера на смяната и др. Възможно е да се избере от базата данни по името на инспектора, дата, номер на смяната и др.

Комплексът измерва следните параметри на колелото:

-ширина на джантата на колелото;
-напускане на главината;
-максимална аксиална деформация;
-диаметър на търкалящия се кръг;
-елиптичност на кръга за езда;
-вътрешен диаметър на джантата отвътре;
-вътрешен диаметър на джантата отвън;
- дебелина на джантата отвътре;
-дебелина на джантата отвън;
-дължина на главината;
-външен диаметър на главината отвън;
-външния диаметър на главината отвътре;
-диаметър на отвора на главината;
-дебелината на главината отвътре;
-дебелината на главината отвън;
-разлика в ширината на джантата;
-разликата във вътрешната дебелина на джантата по периметъра;
-разликата във външната дебелина на джантата по периметъра;
-разликата във вътрешната дебелина на главината (разлика в дебелината на стената на главината);
-разликата в диаметрите на вътрешните повърхности на джантата;
-ексцентричност на отвора на главината спрямо кръга на търкаляне;
-най-голямата разлика между реалния и теоретичния профил на езда;
-успоредност на крайните повърхности на главината и страничната повърхност на джантата от вътрешната страна на колелото;
-дебелина на диска (преход джанта/диск);
-дебелина на диска (преход диск/главина);
-максимален наклон или подрязване;
-профил на търкаляне, хлабина в контролните точки;
-разликата в дебелината на диска около периметъра на радиуса (преход джанта/диск);
-разлика в дебелината на диска около периметъра на радиуса (преход диск/главина).

Бих искал да се спра особено на редица най-важни нюанси, които трябваше да бъдат взети предвид при създаването на комплекс и софтуер. Поради опростяването на механичната част на комплекса колелото е монтирано така, че неговият физически център и центърът на въртене на оста на инсталацията да не съвпадат. Освен това равнината на колелото може да не е перпендикулярна на равнината на сканиране. По този начин всички изчисления станаха много трудни, тъй като трябваше да се справят с данни в триизмерна координатна система. Например, ако колелото е здраво центрирано и подравнено в равнината на плоскостната шайба, две координати от сензорите могат да се откажат, енкодерът няма да е необходим. Но в този случай експлоатационният живот на комплекса би бил по-кратък, а времето за контрол - по-дълго.

За да се изчислят всички необходими диаметри (за търкалящия се кръг, джантата от вътрешната и външната страна и т.н.), беше приложен методът на най-малките квадрати. Координатите на точките, лежащи върху желаната окръжност, се преобразуват от цилиндрична координатна система в декартова, след това се проектират върху усреднената (също по метода на най-малките квадрати) равнина и се заменят в стандартния алгоритъм за приближение на елипса. Това незабавно изчислява "средния" диаметър и елиптичност.

За да се изчисли отклонението на повърхността на търкаляне от теоретичния профил, е изградена аналитична функция, която задава профила на търкаляне в съответствие с GOST 9036-88 (фиг. 5). След това, съгласно същия GOST, функцията се комбинира програмно със страничната повърхност на джантата отвътре и пропуските се изчисляват по целия периметър на профила. Измереният и теоретичен профил се показва на монитора на компютъра.

Друг много важен аспект е калибрирането и подравняването на оборудването. За да се получат правилни профили на колелата от набор от сензори, е необходимо тези сензори да бъдат правилно подравнени по периметъра на измервателната линийка. Сканиращите лъчи на сензорите на горната и долната линейка трябва да лежат в една и съща равнина и да имат същия наклон. Сканиращата равнина трябва да премине през центъра на въртене на инсталацията. Тази задача беше решена с помощта на лазер за подравняване.

След поставянето на сензорите е необходимо да се калибрира, тоест да се определи относителното положение на координатните системи на всеки и след това да се изравнят началото на координатните системи на всички сензори с оста на въртене. За калибриране е разработен специален шаблон с висока точност. Представлява владетел с 30 мм широки и 30 мм високи еквидистантни дюзи, разположени на разстояние 70 мм една от друга. Шаблонът е направен с висока точност, всички размери са измерени с шублер, устройство, чиято точност е по-висока от точността на използваните сензори. Шаблонът е инсталиран на оста на въртене вместо колелото и сканиран от всички сензори. По този начин, след измерване на шаблона, е възможно да се изчисли разстоянието от всички сензори до оста на въртене, разстоянието между линиите на сензора и относителното положение на началото на координатните системи по оста Z.

Страничният сензор, който измерва повърхността на търкаляне, може да бъде в три различни позиции, в зависимост от диаметъра на колелото. Всички позиции се калибрират и съхраняват на компютъра. Когато превключвате на различен размер на колелото, просто заредете файла с необходимото калибриране.

Друга важна задача е метрологичното сертифициране на инсталацията. Тъй като комплексът е уникален по рода си, като такъв, няма метод за неговото сертифициране. Решено е да се измерват всички параметри на колелата, като се използва високо прецизно, сертифицирано оборудване от CimCore (САЩ) и след това, въз основа на резултатите от сравнението с данните на комплекса, да се направи заключение за неговата точност. Тази процедура беше проведена успешно. Трябва да се отбележи, че отне около 8 часа (!).

И така, комплексът на компанията "Vimatech" позволява да се измерват геометричните параметри на колелото за 30 секунди, като същевременно има много висока механична надеждност. Това е отлична алтернатива на предишните методи за контрол на размера на колелата. В момента комплексът е пуснат в експлоатация в Стоманодобивната фабрика Викса.

1. ГОСТ 9036-88. Твърдо валцувани колела. Дизайн и размери.