Контроль геометрических параметров железнодорожного колеса - Неразрушающий контроль | Форум Дефектоскопист
Неразрушающий контроль | Форум Дефектоскопист
Вернуться   Неразрушающий контроль | Форум Дефектоскопист > Форум Дефектоскопист > Статьи о дефектоскопии


Старый 05.04.2015, 10:03   #1
В мире НК
Бывалый
 
Аватар для В мире НК
 
Регистрация: 10.06.2013
Сообщений: 268
Благодарил(а): 0 раз(а)
Поблагодарили: 14 раз(а)
Записей в дневнике: 1
Репутация: 18
По умолчанию Контроль геометрических параметров железнодорожного колеса

Контроль геометрических параметров железнодорожного колеса

Об авторе


Багаев Кирилл Александрович
Инженер-программист ГП «Юнитест»,
аспирант кафедры «Экспериментальная ядерная физика» СПбГПУ.
Научные интересы - радиационный вид НК.

При изготовлении и эксплуатации подвижного состава железнодорожного транспорта к сохранению и контролю геометрических параметров железнодорожных колес предъявляются достаточно высокие требования. Незначительные их отклонения от номинальных ведут к снижению как ходовых и динамических характеристик локомотивов и вагонов,так и безопасности их эксплуатации.

У железнодорожных колес существует около 30 геометрических параметров, значение которых необходимо контролировать. При этом ряд параметров требуется измерять с очень высокой точностью. Например, точность измерения максимального осевого коробления не должна превышать 0,1 мм. Поэтому существует необходимость создания высокоточных комплексов для измерения геометрических параметров железнодорожных колес.

До настоящего времени измерение размеров и их отклонений от нормативов основывалось на применении контактных приборов, в первую очередь шаблонов. Шаблоны изготавливаются для измерения профиля катания, толщины гребня и т. д. Для измерения коробления используют обычно контрольную плиту или шаблон «паук». Дефектоскопист должен правильно приложить шаблон, а затем, используя щуп, определить максимальный зазор.

Эта идеология имеет существенные недостатки. Например, в депо имеются шаблоны для контроля поверхности катания согласно ГОСТ 9036-88. Если поступает директива протачивать колеса по несколько иной методике, к примеру, с так называемым скошенным гребнем, то станок для проточки легко перенастраивается, колеса изготавливают в соответствии с новой директивой, но тут же встает проблема контроля качества проточки: прежние шаблоны уже не подходят, а новые еще необходимо изготовить.

Существует много проблем и при определении осевого коробления. Обычно колесо, вес которого 500 кг, кладут на контрольную плиту, а затем с помощью щупа определяют зазор между плитой и колесом по всей длине его окружности. В процессе эксплуатации на контрольной плите неминуемо появляются выщерблины. А значит результат измерений зависит от того, как на такую плиту легло колесо.

Проблема точности измерений при использовании контактных методов состоит еще и в том, что результат измерений во многом зависит от квалификации дефектоскописта, от того, насколько правильно он пользуется шаблонами, щупами и т. д.

Еще один существенный минус контактных методов - это время контроля. Для того, чтобы полностью промерить колесо, соблюдая все требования ГОСТ, опытному дефектоскописту требуется около 20 мин. Этот фактор существенно тормозит весь процесс производства. К примеру, на ОАО «Выксунский металлургический завод» производительность линии изготовления ж.-д. колес - 70 шт/ ч. Время контроля одного колеса, необходимое для поддержания этой производительности, должно составлять 52 с. Разумеется, при использовании контактных приборов подобную производительность поддерживать нереально.

Таким образом, недостатками контактного метода измерений являются: -длительность и трудоемкость процесса измерения и, как следствие, отсутствие реального контроля всех требуемых параметров; -зависимость результатов измерений от так называемого «человеческого фактора»;

-зависимость результатов измерений от деформации контактных приборов в процессе эксплуатации; -невозможность перенастраивать контактные приборы в соответствии с изменениями требований к конечной продукции (в данном случае - к ж.-д. колесам).


Рис. 1. Диапазон измерения растрового лазерного датчика РФ 620

Преодоление всех вышеизложенных недостатков возможно с использованием новой идеологии, основанной на бесконтактных методах контроля. В качестве средств измерения предлагается использовать лазерные датчики-дальномеры. В последние годы появилось несколько фирм, изготавливающих такие приборы. Наибольший интерес применительно к задаче контроля ж.-д. колес представляют растровые дальномеры. Такие датчики за одно сканирование снимают не одну точку, а профиль. Длина сканируемой поверхности может существенно колебаться в зависимости от мощности лазера и погрешности измерения. Например, лазерные датчики РФ620* имеют диапазон измерения по оси Х до 150 мм (рис. 1). По высоте такие датчики захватывают диапазон от 100 до 350 мм. Чем меньше диапазон измерения прибора - тем выше его точность. Скорость сканирования таких датчиков весьма высока - порядка 100 сканов в секунду. За одно сканирование датчик может получить до 1024 точек.


Рис. 2. Принцип работы растрового сканера-дальномера

В основу работы растровых сканеров-дальномеров положен принцип оптической триангуляции (рис. 2).

Излучение полупроводникового лазера 1 формируется объективом 2 в виде линии 3 и проецируется на объект 7. Рассеянное на объекте излучение объективом 4 собирается на двумерной CMOS-матрице 5. Полученное изображение контура объекта анализируется сигнальным процессором 6, который рассчитывает расстояние до объекта (координата Z) для каждой из множества точек вдоль лазерной линии на объекте (координата Х).


Рис. 3. Общий вид комплекса

ЗАО «Виматек» (входит в ГП «Юнитест») разработало принципиально новый комплекс для измерения ж.-д. колес бесконтактным методом (рис. 3). В его основе лежит использование растровых лазерных датчиков. Установка была спроектирована так, чтобы избежать всех трудностей при контроле, описанных выше.

_______________________________________________
* Описание лазерных сканеров серии РФ620 фирмы «Рифтек». Интернет адрес российского представительства http://www.sensorika.com
Изображения
Тип файла: jpg 00.jpg (5.7 Кб, 31 просмотров)
Тип файла: jpg 1.jpg (67.5 Кб, 33 просмотров)
Тип файла: jpg 2.jpg (50.3 Кб, 33 просмотров)
Тип файла: jpg 3.jpg (60.5 Кб, 33 просмотров)
В мире НК вне форума   Ответить с цитированием
Старый 05.04.2015, 10:06   #2
В мире НК
Бывалый
 
Аватар для В мире НК
 
Регистрация: 10.06.2013
Сообщений: 268
Благодарил(а): 0 раз(а)
Поблагодарили: 14 раз(а)
Записей в дневнике: 1
Репутация: 18
По умолчанию

Механическая часть комплекса была предельно упрощена, что позволило существенно повысить надежность и износостойкость оборудования. Измерительная аппаратура легко интегрируется в существующую производственную линию. Колеса на пост контроля подаются непосредственно с конвейера завода. С помощью перекладчика колесо устанавливается на специальную план-шайбу с прорезями. Осуществляется контроль. После этого колесо вновь возвращается на конвейер. Управление механической частью комплекса осуществляется при помощи контроллеров Siemens.


Рис. 4. Линейка лазерных датчиков

В состав комплекса входит 7 растровых лазерных датчиков (рис. 4). Три датчика располагаются сверху, чтобы измерять внешнюю поверхность колеса, три - снизу, они снимают внутреннюю поверхность, а седьмой датчик сканирует поверхность катания. Диапазона трех датчиков хватает для того, чтобы полностью измерить профиль колеса по радиусу. В процессе контроля колесо вращается вокруг оси установки, угол вращения измеряется с помощью высокоточного энкодера. Таким образом, результатом измерений является набор профилей колеса и соответствующий им угол поворота вокруг оси вращения. Этой информации достаточно, чтобы восстановить трехмерную картину колеса.

Лазерные датчики сведены в единую сеть, объединенную на основе 485 интерфейса, по которому данные поступают на компьютер. Угол с энкодера, команды управления и контроля состояния установки поступают на компьютер через интерфейс сетевой карты. В состав комплекса входит компьютерная программа, которая устанавливает связь с контроллером и датчиками. Она получает все измеренные данные, анализирует их и рассчитывает все требуемые характеристики колеса. По окончании расчета на экран выводится список измеренных параметров и их соответствие нормам ГОСТ. Результаты контроля по локальной сети передаются на сервер предприятия, где производится автоматическая архивация данных. По результатам измерения создается протокол контроля и выдается заключение о годности колеса. Весь измерительный цикл занимает 30 с!

Еще одним существенным достоинством комплекса является автоматическое сохранения результатов контроля в базу данных. Архивируются результаты контроля, номер колеса, ФИО дефектоскописта, номер смены и т. д. Имеется возможность осуществлять выборку из базы данных по фамилии дефектоскописта, дате, номеру смены и т. п.

Комплекс измеряет следующие параметры колеса:

-ширина обода колеса;
-вылет ступицы;
-максимальное осевое коробление;
-диаметр по кругу катания;
-эллиптичность круга катания;
-внутренний диаметр обода с внутренней стороны;
-внутренний диаметр обода с внешней стороны;
- толщина обода с внутренней стороны;
-толщина обода с внешней стороны;
-длина ступицы;
-наружный диаметр ступицы с наружной стороны;
-наружный диаметр ступицы с внутренней стороны;
-диаметр отверстия ступицы;
-толщина ступицы с внутренней стороны;
-толщина ступицы с наружной стороны;
-разность ширины обода;
-разность внутренней толщины обода по периметру;
-разность наружной толщины обода по периметру;
-разность внутренней толщины ступицы (разностенность ступицы);
-разность диаметров внутренних поверхностей обода;
-эксцентриситет отверстия ступицы относительно круга катания;
-наибольший зазор между реальным и теоретическим профилем катания;
-параллельность торцевых поверхностей ступицы и боковой поверхности обода с внутренней стороны колеса;
-толщина диска (переход обод/диск);
-толщина диска (переход диск/ступица);
-максимальный развал или поднутрение;
-профиль катания, зазор в контрольных точках;
-разность толщины диска по периметру радиуса (переход обод/диск);
-разность толщины диска по периметру радиуса (переход диск/ступица).

Хочется особо остановиться на ряде важнейших нюансов, которые необходимо было учесть при создании комплекса и программного обеспечения. Ввиду упрощения механической части комплекса, колесо устанавливалось так, что его физический центр и центр вращения оси установки не совпадают. Более того, плоскость колеса может не быть перпендикулярна плоскости сканирования. Таким образом, все вычисления весьма сильно усложнились, так как пришлось иметь дело с данными в трехмерной системе координат. Например, если бы колесо было жестко центрировано и выровнено на плоскости план-шайбы, можно было бы обойтись двумя координатами с датчиков, энкодер был бы не нужен. Но в этом случае срок эксплуатации комплекса был бы меньше, а время контроля больше.

Для вычисления всех необходимых диаметров (по кругу катания, обода с внутренней и внешней сторон и т. д.) был применен метод наименьших квадратов. Координаты точек, лежащих на искомой окружности, переводятся из цилиндрической системы координат в декартову, затем проецируются на усредненную (также по методу наименьших квадратов) плоскость и подставляются в стандартный алгоритм аппроксимации эллипсом. Тем самым сразу вычисляется «средний» диаметр и эллиптичность.


Рис. 5. Профиль катания колеса; синие точки -измеренный профиль, красные - теоретический

Для вычисления отклонения поверхности катания от теоретического профиля была построена аналитическая функция, задающая профиль катания согласно ГОСТ 9036-88 (рис. 5). Затем, согласно тому же ГОСТ, функция программно совмещалась с боковой поверхностью обода с внутренней стороны, и вычислялись зазоры по всему периметру профиля. Измеренный и теоретический профиль выводятся на монитор компьютера.

Другим очень важным аспектом является калибровка и юстировка оборудования. Для того чтобы получать корректные профили колеса от совокупности датчиков, необходимо правильно выставить эти датчики по периметру измерительной линейки. Лучи сканировния датчиков верхней и нижней линеек должны лежать в одной плоскости и иметь одинаковый наклон. Плоскость сканирования должна проходить через центр вращения установки. Эта задача была решена с помощью юстировочного лазера.

После выставления датчиков необходимо произвести калибровку, т. е. определить взаиморасположение систем координат каждого, а затем совместить начала систем координат всех датчиков с осью вращения. Для калибровки был разработан специальный высокоточный шаблон. Он представляет собой линейку с эквидистантными насадками шириной и высотой 30 мм, расположенными на расстоянии 70 мм друг от друга. Шаблон был изготовлен с высокой точностью, все размеры были замерены с помощью штангенциркуля, прибора, чья точность выше точности используемых датчиков. Шаблон устанавливается на ось вращения вместо колеса и сканируется всеми датчиками. Таким образом, измерив шаблон, можно вычислить расстояние от всех датчиков до оси вращения, расстояние между линейками датчиков и взаиморасположение начал систем координат по оси Z.

Боковой датчик, который измеряет поверхность катания, может находиться в трех различных положениях - в зависимости от диаметра колеса. Для всех положений производится калибровка и сохраняется на компьютере. При переходе на другой типоразмер колеса достаточно загрузить файл с нужной калибровкой.

Еще одной важнейшей задачей является метрологическая аттестация установки. Так как комплекс является уникальным в своем роде, то как таковой методики для его аттестации не существует. Было принято решение произвести измерение всех параметров колеса с помощью высокоточного, сертифицированного оборудования фирмы CimCore (США), а затем по результатам сравнения с данными комплекса делать вывод о его точности. Данная процедура была успешно проведена. Стоит отметить, что на измерение одного колеса с помощью американской установки ушло порядка 8 ч (!).

Итак, комплекс фирмы «Виматек» позволяет осуществить измерение геометрических параметров колеса за 30 с, при этом имеет очень высокую механическую надежность. Он является отличной альтернативой прежним методам контроля размеров колес. В данный момент проходят пуско-наладка комплекса на Выксунском металлургическом заводе.

Литература

1. ГОСТ 9036-88. Колеса цельнокатаные. Конструкция и размеры.
Изображения
Тип файла: jpg 4.jpg (48.0 Кб, 34 просмотров)
Тип файла: jpg 5.jpg (50.2 Кб, 36 просмотров)
В мире НК вне форума   Ответить с цитированием
Старый 05.04.2015, 18:40   #3
admin
Администратор
 
Аватар для admin
 
Регистрация: 16.04.2012
Сообщений: 2,135
Благодарил(а): 55 раз(а)
Поблагодарили: 243 раз(а)
Записей в дневнике: 3
Репутация: 200
По умолчанию

Багаев К.А. Контроль геометрических параметров железнодорожного колеса. − В мире НК. – Сентябрь 2007 г. − № 3 (37). − С. 71–73. Статья любезно предоставлена редакцией журнала «В мире НК» (http://www.ndtworld.com). Наиболее точная и достоверная версия – в прикрепленном файле.
Вложения
Тип файла: pdf 37_71_73.pdf (1.20 Мб, 4 просмотров)
admin вне форума   Ответить с цитированием
Ответ
Похожие темы
Тема Автор Раздел Ответов Последнее сообщение
Разряды дефектоскопистов? Giblib Общие вопросы 80 09.06.2016 11:21
Аттестация персонала, выполняющего контроль качества оборудования и трубопроводов на В мире НК Статьи о дефектоскопии 7 05.11.2014 05:02
Система Российских стандартов, нормативных и методических до admin Статьи о дефектоскопии 5 28.01.2014 13:53
Эксплуатационный неразрушающий контроль и работоспособность admin Статьи о дефектоскопии 33 30.05.2013 16:38
Контроль геометрических параметров железнодорожного колеса admin Статьи о дефектоскопии 1 22.02.2013 18:36


Опции темы
Опции просмотра

Ваши права в разделе
Вы не можете создавать новые темы
Вы не можете отвечать в темах
Вы не можете прикреплять вложения
Вы не можете редактировать свои сообщения

BB коды Вкл.
Смайлы Вкл.
[IMG] код Вкл.
HTML код Выкл.

Быстрый переход

VK Defektoskopist OK Defektoskopist Facebook Defektoskopist Instagram Defektoskopist YouTube Defektoskopist


Текущее время: 14:46. Часовой пояс GMT +3. Copyright ©2000 - 2018. Перевод: zCarot.
Внимание, коллеги! В целях нормальной работы форума администрация оставляет за собой право на обработку персональных данных зарегистрированных пользователей. В случае вашего несогласия просьба написать жалобу на defektoskopist.ru@gmail.com