Контроль геометричних параметрів залізничного колеса - Форум з неруйнівного контролю
Контроль геометричних параметрів залізничного колеса
Багаєв Кирило ОлександровичІнженер-програміст ДП «Юнітест», аспірант кафедри «Експериментальна ядерна фізика» СПбДПУ. Наукові інтереси – радіаційний вид ПК.
При виготовленні та експлуатації рухомого складу залізничного транспорту до збереження та контролю геометричних параметрів залізничних коліс висуваються досить високі вимоги. Незначні їх відхилення від номінальних ведуть до зниження як ходових та динамічних характеристик локомотивів та вагонів, так і безпеки їх експлуатації.
У залізничних коліс існує близько 30 геометричних параметрів, значення яких слід контролювати. При цьому низка параметрів потрібно вимірювати з дуже високою точністю. Наприклад, точність вимірювання максимального осьового жолоблення не повинна перевищувати 0,1 мм. Тому є необхідність створення високоточних комплексів для вимірювання геометричних параметрів залізничних коліс.
До цього часу вимірювання розмірів та їх відхилень від нормативів ґрунтувалося на застосуванні контактних приладів, насамперед шаблонів. Шаблони виготовляються для вимірювання профілю катання, товщини гребеня і т. д. Для вимірювання короблення використовують зазвичай контрольну плиту або шаблон павук. Дефектоскопіст повинен правильно докласти шаблон, а потім, застосовуючи щуп, визначити максимальний зазор.
Ця ідеологія має суттєві недоліки. Наприклад, депо є шаблони для контролю поверхні катання згідно з ГОСТ 9036-88. Якщо надходить директива проточувати колеса за дещо іншою методикою, наприклад, з так званим скошеним гребенем, то верстат для проточування легко переналаштовується, колеса виготовляютьвідповідно до нової директиви, але відразу постає проблема контролю якості проточки: колишні шаблони вже не підходять, а нові ще необхідно виготовити.
Існує багато проблем і при визначенні осьового жолоблення. Зазвичай колесо, вага якого 500 кг, кладуть на контрольну плиту, а потім за допомогою щупа визначають зазор між плитою та колесом по всій довжині його кола. У процесі експлуатації на контрольній плиті неминуче з'являються вищерблини. Отже результат вимірювань залежить від того, як на таку плиту лягло колесо.
Проблема точності вимірів при використанні контактних методів полягає ще й у тому, що результат вимірів багато в чому залежить від кваліфікації дефектоскопіста, від того, наскільки правильно він користується шаблонами, щупами і т.д.
Ще один суттєвий мінус контактних методів – це час контролю. Для того, щоб повністю проміряти колесо, дотримуючись всіх вимог ГОСТ, досвідченому дефектоскопіст потрібно близько 20 хв. Цей чинник суттєво гальмує весь процес виробництва. Наприклад, на ВАТ «Виксунський металургійний завод» продуктивність лінії виготовлення залізничного д-р. коліс - 70 шт/год. Час контролю одного колеса, необхідне підтримки цієї продуктивності, має становити 52 з. Зрозуміло, під час використання контактних приладів таку продуктивність підтримувати неможливо.
Таким чином, недоліками контактного методу вимірювань є: -Тривалість і трудомісткість процесу вимірювання і, як наслідок, відсутність реального контролю всіх необхідних параметрів; -залежність результатів вимірів від так званого «людського фактора»;
-залежність результатів вимірів від деформації контактних приладів у процесі експлуатації; -Неможливість переналаштовувати контактні прилади ввідповідно до змін вимог до кінцевої продукції (в даному випадку - до ж.-д. колес).
Подолання всіх вищевикладених вад можливе з використанням нової ідеології, заснованої на безконтактних методах контролю. Як засоби вимірювання пропонується використовувати лазерні датчики-дальноміри. Останніми роками з'явилося кілька фірм, які виготовляють такі прилади. Найбільший інтерес стосовно завдання контролю ж.-д. коліс представляють растрові далекоміри. Такі датчики за одне сканування знімають не одну точку, а профіль. Довжина поверхні, що сканується, може істотно коливатися в залежності від потужності лазера і похибки вимірювання. Наприклад, лазерні датчики РФ620 мають діапазон вимірювання по осі Х до 150 мм (рис. 1). По висоті такі датчики захоплюють діапазон від 100 до 350 мм. Чим менший діапазон вимірювання приладу - тим вища його точність. Швидкість сканування таких датчиків дуже висока - близько 100 сканів на секунду. За одне сканування датчик може отримати до 1024 пікселів.
В основу роботи растрових сканерів-далекомірів покладено принцип оптичної тріангуляції (рис. 2).
Випромінювання напівпровідникового лазера 1 формується об'єктивом 2 у вигляді лінії 3 і проектується на об'єкт 7. Розсіяне на об'єкті випромінювання об'єктивом 4 збирається на двовимірній CMOS-матриці 5. Отримане зображення контуру об'єкта аналізується сигнальним процесором 6, який розраховує відстань до об'єкта (координата Z) кожній з безлічі точок уздовж лазерної лінії на об'єкті (координата Х).
ЗАТ «Віматек» (входить до ДП «Юнітест») розробило принципово новий комплекс для виміру залізничної станції. коліс безконтактним методом (рис. 3). У його основі лежить використання растрових лазерних датчиків. Установка була спроектована так, щобуникнути всіх труднощів під час контролю, описаних вище.
Механічна частина комплексу була гранично спрощена, що дозволило суттєво підвищити надійність та зносостійкість обладнання. Вимірювальна апаратура легко інтегрується у існуючу виробничу лінію. Колеса на пост контролю подаються безпосередньо з конвеєра заводу. За допомогою перекладача колесо встановлюється на спеціальну план-шайбу з прорізами. Здійснюється контроль. Після цього колесо знову повертається на конвеєр. Управління механічною частиною комплексу здійснюється за допомогою контролерів Siemens.
До складу комплексу входить 7 растрових лазерних датчиків (рис. 4). Три датчики розташовуються зверху, щоб вимірювати зовнішню поверхню колеса, три знизу, вони знімають внутрішню поверхню, а сьомий датчик сканує поверхню катання. Діапазону трьох датчиків вистачає для того, щоб повністю виміряти профіль колеса по радіусу. В процесі контролю колесо обертається навколо осі установки, кут обертання вимірюється за допомогою високоточного енкодера. Таким чином, результатом вимірювань є набір профілів колеса і відповідний кут повороту навколо осі обертання. Цієї інформації достатньо, щоб відновити тривимірну картину колеса.
Лазерні датчики зведені в єдину мережу, об'єднану на основі 485 інтерфейсу, яким дані надходять на комп'ютер. Кут з енкодера, команди управління та контролю стану установки надходять на комп'ютер через інтерфейс мережної картки. До складу комплексу входить комп'ютерна програма, яка встановлює зв'язок із контролером та датчиками. Вона отримує всі виміряні дані, аналізує їх та розраховує всі необхідні характеристики колеса. Після закінчення розрахунку на екран виводиться список виміряних параметрів та їхвідповідність нормам ГОСТ. Результати контролю за локальною мережею передаються на сервер підприємства, де проводиться автоматична архівація даних. За результатами виміру створюється протокол контролю та видається висновок про придатність колеса. Весь вимірювальний цикл займає 30 секунд!
Ще однією істотною перевагою комплексу є автоматичне збереження результатів контролю до бази даних. Архівуються результати контролю, номер колеса, ПІБ дефектоскопіста, номер зміни і т. д. Є можливість здійснювати вибірку з бази даних на прізвище дефектоскопіста, дату, номер зміни тощо.
Комплекс вимірює такі параметри колеса:
-ширина обода колеса; -виліт маточини; -максимальне осьове жолоблення; -діаметр по колу катання; -еліптичність кола катання; -внутрішній діаметр обода з внутрішньої сторони; -внутрішній діаметр обода із зовнішнього боку; - товщина обода з внутрішньої сторони; -товщина обода із зовнішнього боку; -довжина маточини; -зовнішній діаметр маточини із зовнішнього боку; -зовнішній діаметр маточини з внутрішньої сторони; -діаметр отвору маточини; -товщина маточини з внутрішньої сторони; -товщина маточини із зовнішнього боку; -різниця ширини обода; - різниця внутрішньої товщини обода по периметру; -різницю зовнішньої товщини обода по периметру; -різниця внутрішньої товщини маточини (різниця маточини); -різниця діаметрів внутрішніх поверхонь обода; -ексцентриситет отвору маточини щодо кола катання; -найбільший зазор між реальним та теоретичним профілем катання; -паралельність торцевих поверхонь маточини та бічної поверхні обода з внутрішньої сторони колеса; -товщина диска (перехід обід/диск); -товщина диска (перехід диск/ступиця); -максимальний розвал чи піднутрення; -профіль катання, зазор у контрольних точках; -різниця товщини диска по периметру радіусу (перехід обід/диск); -різниця товщини диска по периметру радіусу (перехід диск/ступиця).
Хочеться особливо зупинитися на низці найважливіших нюансів, які необхідно було врахувати під час створення комплексу та програмного забезпечення. Зважаючи на спрощення механічної частини комплексу, колесо встановлювалося так, що його фізичний центр і центр обертання осі установки не збігаються. Більш того, площина колеса може бути перпендикулярна площині сканування. Таким чином, всі обчислення дуже ускладнилися, оскільки довелося мати справу з даними в тривимірній системі координат. Наприклад, якби колесо було жорстко центроване і вирівняне на площині план-шайби, можна було б обійтися двома координатами датчиків, енкодер був би не потрібен. Але в цьому випадку термін експлуатації комплексу був би меншим, а час контролю більшим.
Для обчислення всіх необхідних діаметрів (по колу катання, обода з внутрішньої та зовнішньої сторін тощо) було застосовано метод найменших квадратів. Координати точок, що лежать на шуканому колі, переводяться з циліндричної системи координат в декартову, потім проектуються на усереднену (також за методом найменших квадратів) площину і підставляють стандартний алгоритм апроксимації еліпсом. Тим самим відразу обчислюється «середній» діаметр та еліптичність.
Для обчислення відхилення поверхні катання від теоретичного профілю було побудовано аналітичну функцію, яка задає профіль катання згідно з ГОСТ 9036-88 (рис. 5). Потім, згідно з тим же ГОСТ, функція програмно поєднувалася з бічною поверхнею обода з внутрішньої сторони, і обчислювалися зазори по всьому периметру профілю. Вимірянийта теоретичний профіль виводяться на монітор комп'ютера.
Іншим дуже важливим аспектом є калібрування та юстування обладнання. Щоб отримувати коректні профілі колеса від сукупності датчиків, необхідно правильно виставити ці датчики по периметру вимірювальної лінійки. Промені сканування датчиків верхньої та нижньої лінійок повинні лежати в одній площині та мати однаковий нахил. Площина сканування має проходити через центр обертання установки. Це завдання було вирішено за допомогою юстирувального лазера.
Після виставлення датчиків необхідно провести калібрування, тобто визначити взаєморозташування систем координат кожного, а потім поєднати початку систем координат всіх датчиків з віссю обертання. Для калібрування було розроблено спеціальний високоточний шаблон. Він є лінійкою з еквідистантними насадками шириною і висотою 30 мм, розташованими на відстані 70 мм один від одного. Шаблон був виготовлений з високою точністю, всі розміри були заміряні за допомогою штангенциркуля, приладу, чия точність вища за точність використовуваних датчиків. Шаблон встановлюється на вісь обертання замість колеса та сканується всіма датчиками. Таким чином, вимірявши шаблон, можна обчислити відстань від усіх датчиків до осі обертання, відстань між лінійками датчиків і взаєморозташування систем координат по осі Z.
Бічний датчик, який вимірює поверхню катання, може перебувати у трьох різних положеннях – залежно від діаметра колеса. Для всіх положень проводиться калібрування та зберігається на комп'ютері. При переході на інший типорозмір колеса достатньо завантажити файл із потрібним калібруванням.
Ще одним найважливішим завданням є метрологічна атестація установки. Так як комплекс є унікальним у своєму роді, то якТакої методики щодо його атестації немає. Було прийнято рішення виміряти всі параметри колеса за допомогою високоточного, сертифікованого обладнання фірми CimCore (США), а потім за результатами порівняння з даними комплексу робити висновок про його точність. Ця процедура була успішно проведена. Варто зазначити, що на вимірювання одного колеса за допомогою американської установки пішло близько 8 годин (!).
Отже, комплекс фірми «Віматек» дозволяє виміряти геометричні параметри колеса за 30 с, при цьому має дуже високу механічну надійність. Він є чудовою альтернативою колишнім методам контролю розмірів коліс. На даний момент проходять пуско-налагодження комплексу на Виксунському металургійному заводі.
1. ГОСТ 9036-88. Колеса цілокатані. Конструкція та розміри.