Анализ отечественных систем диагностики прямолинейности рельсов

Размещено на http://www.allbest.ru/

3

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Дипломная работа

Анализ отечественных систем диагностики прямолинейности рельсов

Содержание

Введение

1.Общая часть

1.1 Краткое описание рельсобалочного цеха

1.1.1 Выплавка металла и разогрев заготовок

1.1.2 Рельсобалочный стан

1.1.3 Рельсоотделка

1.2 Причины искривления рельсов в процессе изготовления и пути их устранения

2 Специальная часть

2.1 Обзор установок контроля прямолинейности рельсов

2.1.1 “Станция замера криволинейности NDT-VHSM-082239-02”

2.1.2 Установка контроля кривизны рельса, работающая по методу “Сравнивающей линейки”

2.1.3 Оптическая установка контроля прямолинености рельсов

2.1.4 Установка “Днепрчерметавтоматики”

2.1.5 Установка “Элекон”

2.2 Сравнительный анализ методов контроля

2.3 Описание действующей на ОАО “ЕВРАЗ ЗСМК” системы

2.3.1 Состав устройства.

2.3.2 Устройство и работа составных частей

2.3.3 Общий принцип работы устройства

2.3.4 Указание мер безопасности

2.3.5 Подготовка устройства к работе

2.3.6 Порядок работы

2.3.7 Проверка технического состояния и обслуживание

2.3.8 Нормы расхода материала

3. Экономическая часть

3.1 Расчёт численности слесарей КИП и А

3.2. Расчёт заработной платы слесарей

4. Экономика производтва

4.1.Расчёт себестоимости одной УПЕ

4.2. Расчет затрат на эксплуатацию оборудования

5 БЕЗОПАСНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧНОСТЬ

5.1 Безопасность

5.1.1 Анализ условий труда

5.1.2 Мероприятия по электробезопасности

5.1.3 Пожарная безопасность

5.2 Экологичность

ЛИТЕРАТУРА

рельсобалочный цех контроль прямолинейность рельсы

Введение

Развитие железнодорожного транспорта, а следовательно повышение скорости и грузонапряженности приводит к нелинейному росту динамических нагрузок на верхнее строение пути, одним из важнейших компонентов которого является железнодорожный рельс. В отличие от элементов подвижного состава, рельс, как элемент системы безопасности, не поддается резервированию - это было бы слишком обременительно в экономическом плане. Поэтому во всем мире решение проблем надежности рельсов выполняют комплексно, одновременно по нескольким направлениям:

- непрерывное наблюдение за состоянием рельсов в ходе эксплуатации с целью выявления и изъятия т.н. остро-дефектных рельсов;

- периодическая шлифовка и смазка поверхности катания рельса непосредственно в пути для снятия поверхностных дефектов на этапе их зарождения;

- улучшение качества рельсовой стали и упрочнение готового проката на этапе производства с целью повышения эксплуатационной надежности;

- ужесточение выходного контроля на заводе-изготовителе для выявления возможных дефектов металлургического и прокатного происхождения, которые могут привести к разрушению рельса в ходе его эксплуатации.

Следует отметить, что два последних направления, с появлением жесточайшей конкуренцией среди производителей рельсовой продукции, начинают выходить на передний план. Любая страна, имеющая мало-мальски развитую сеть железных дорог, старается произвести рельсы у себя и, естественно, выйти с этой продукцией на мировой рынок.

Действительно, высокая себестоимость рельсового проката, вызванная в свою очередь многочисленными, чрезвычайно жесткими требованиями к параметрам конечного продукта, заставляют потребителя рельсов с максимальной осторожностью выбирать поставщика, опираясь, как правило, на оптимальность соотношения «цена-качество». При этом появляется естественное и законное требование покупателя - качество каждого рельса должно быть объективно гарантировано как организационным (например, по европейской системе качества ISO-9000), так и техническим обеспечением (средствами неразрушающего контроля).

Что же должно входить по европейским нормам в стандартный пакет средств комплексного неразрушающего контроля рельсов при их производстве? Итак, полный набор включает в себя 5 компонентов:

Многоканальную установку ультразвукового контроля (УЗК) для выявления внутренних дефектов по всему сечению рельса (обязательно).

Установку контроля прямолинейности рельса (обязательно).

Установку вихретокового контроля (ВТК) поверхностных дефектов (обязательно).

Установку для контроля профиля или размеров поперечного сечения рельсов (желательно).

Систему «верхнего уровня» для выдачи обобщающего сертификата на каждый рельс по результатам всех видов контроля (обязательно).

Дипломная работа посвящена вопросу проведения анализа отечественных систем диагностики прямолинейности рельсов.

При выполнении работы были использованы материалы, а также оперативные данные представленные начальником участка автоматизированного неразрушающего контроля М.М.Мамонтов.

1.Общая часть

1.1 Краткое описание рельсобалочного цеха

Прокатное производство является завершающим звеном металлургического цикла. В современных прокатных цехах технологические операции осуществляются по поточному и непрерывному принципам, позволяющим широко применять комплексную механизацию и автоматизацию. Поэтому механическое оборудование прокатных цехов является весьма сложным и разнообразным по назначению и конструкции.

Рельсобалочные цехи выпускают в основном железнодорожные рельсы типа P50, P65, OP50, OP65, швеллеры в термообработаном виде. Однако на рельсобалочных станах прокатывают также и другие сортовые профили: уголки, шпунты для гидросооружений, круглую заготовку и так далее.

Для прокатки этих профилей в цехе установлен рельсобалочный стан и соответствующие нагревательные печи и устройства для термической обработки и закалки концов рельсов.

Рисунок 1 -Блок-схема прокатного производства.

1.1.1 Выплавка металла и разогрев заготовок

В ЭСПЦ металл выплавляют в дуговых сталеплавильных печах, затем осуществляют внепечную доводку металла в АКОС или вакууматоре, а далее разливают в МНЛЗ (машина непрерывного литья заготовок), заготовка прямоугольного сечения поступает для нагрева на печи стана 500, а затем на печи Сименса. В печах Сименса заготовки подогревают для выравнивания температуры по сечению.



Рисунок 2 -Блок-схема выплавки металла и разогрева заготовок.

1.1.2 Рельсобалочный стан

Техническая характеристика стана:

Тип стана - линейный.

Число линий - три.

Число клетей - шесть, в том числе линия BD1-2 -две клети, линия стана «Тандем» - три клети(UR, E, UF), отдельно стоящая клеть

U0.

Система клетей:

- обжимные клети BD - дуо реверсивные; изготовитель фирма

«SMS Meer»;

- универсальная клеть UR реверсивная; изготовитель «SMS

Meer»;

- эджерная клеть E реверсивная; изготовитель «SMS Meer»;

- универсальная клеть UF реверсивная; изготовитель «SMS

Meer»;

-универсальная отдельно стоящая клеть U0 реверсивная; изготовитель «SMS Meer» (используется основном для прокатки рельсов)

для скоростного совмещённого движения);

Прокатка профилей Р65, Р65К, Р50, ОР65, ОР50, ОР43,

РК65, 49Е1, 54Е1, 60Е1производится с применением гидросбива печной окалины перед клетью BD1 и гидросбива вторичной окалины перед клетями линии стана «Тандем»

Рисунок 3 -Блок-схема рельсобалочного стана.

После прокатки на пилах горячей резки, рельс может быть порезан на четыре рельса по 25 метров, они в сыром виде идут на контроль в ТООЗ.

Сто метровые же рельсы, подвергаются дифференциальной закалке.

В отличие от объемной закалки, дифференциальная производится нагретым до высокой температуры воздухом под давлением. В печах дифференциальной закалки, производится термоупрочнение только головки рельса.

1.1.3 Рельсоотделка

Медленно охлажденные рельсы имеют стрелу прогиба 50-200 мм. Их правят на ролеправильном комплексе (РПК) и дополнительно на штемпельных прессах.

Правку по вертикальной плоскости осуществляют два три нижних и три верхних ролика. Которые создают давление, прогиб при котором равен 3-4 миллиметрам.

Правку в горизонтальной плоскости (усреднение серповидности) осуществляют шесть горизонтальных роликов. В процессе правки в рельсах возникает напряжение, несколько превышающие предел упругости стали. Лишь остаточные деформации, создаваемые роликами, делают рельс прямым.

В результате правки на РПК концевая часть рельса длинной 700 мм, не подвергается правке, а зона, находящаяся в пределах 700-1500 мм, выправляется частично. После правки рельс поступает на линию неразрушающего контроля ЛНК-100, где контролируется прямолинейность рельса установкой «Элекон-42», качество макроструктуры металла в зоне, ограниченной толщиной шейки и головки. А также производится контроль поверхности рельса на установке Вихретокового контроля. После проверки рельс пускают под пресс для правки концов. Выправленные рельсы поступают на сверлильно-фрезерные группы станков, где подгоняют рельс по длине, и производят сверление болтовых отверстий и фрезерование торцов.

Рисунок 4 -Блок-схема рельсоотделки.

1.2 Причины искривления рельсов в процессе изготовления и пути их устранения

Требования к выпускаемой продукции становятся все жестче, рельсы становятся дороже, а брак в продукции несет убытки комбинату. Рельсы должны удовлетворять многим требованиям, включая в том числе такие как прямолинейность и отсутствие внутренних дефектов. Так как повышение скорости движения поездов с 60 до 140 км/ч при наличии неровности 2 мм вызывает увеличение ускорения неподрессорных масс с 10 до 17g (g = 9,8 м/с²) Таким образом представляется необходимым решать задачу минимизации местных искривлений на рельсе при оптимальных затратах. Значительные потери производства рельсов происходят из-за неудовлетворительной прямолинейности.

Наблюдаются следующие виды неровностей рельсов, образующихся в процессе производства:

Местная продольная кривизна по поверхности катания в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

искривление концов в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

общее искривление по всей длине в вертикальной плоскости.

Основными технологическими факторами, определяющими прямолинейность рельсов, являются режимы прокатки и отделки. Оба эти параметра взаимообусловлены и взаимосвязаны, поэтому рассмотрение формирования одного из них необходимо производить с учётом другого. При этом необходимо учитывать отсутствие инструментария для оперативного контроля и измерения технологических режимов в реальном масштабе времени.

Искривление - результат упругопластических деформаций и вызывается следующими условиями:

неравномерность распределения пластической деформации при обработке металла давлением и возникновении при этом остаточных напряжений.

температурные напряжения при нагреве и охлаждении, зависящие от геометрии профиля.

напряжения, возникающие при фазовых превращениях, протекающих в объёме материала.

остаточные напряжения, возникающие от неравномерности деформации при термообработке в результате различия коэффициентов линейного расширения структурных составляющих.

режимы отделки изделий, ведущие к образованию локальных неровностей.

Одной из причин образования концевой кривизны считается порезка на дисковых пилах горячей резки. Подпор участка среза даёт эффект в 20-25%.

Получение стабильных показателей прямолинейности перед термообработкой позволяет получить столь же стабильные показатели и после закалки.

Из всего выше сказанного можно выделить 3 причины появления этих искривлений:

“Горячекатаная” волна связана с прокаткой рельсов на стане от того, как “эллипсуют” калибры на прокатном стане, данная волна будет “впечатана” в рельс.

Искривления, появляющиеся после прокатки. Например, во время отрезки рельса на мерные длины пилами, во время поперечных сталкиваний шлепперами на холодильниках, во время кантовки и укладки в короба.

Причина, которая может внести существенные искривления - правка на ролеправильных машинах (РПМ), несмотря на то, что ролеправильная машина предназначена для правки рельса. В связи с тем, что она не идеальна, у нее ярко выраженная периодичность (во первых, ролики установлены периодично, с определенным шагом, во вторых, сам ролик имеет цикл вращения), следовательно, ролеправильная машина может вносить и вносит определенные искажения в профиль рельса.

Анализ дефектности рельсов производства КМК за 10 лет (1981-1991 г.) и ЕВРАЗ ЗСМК показал, что одной из основных причин перевода рельсов во второй класс и повторный передел их является общая и концевая криволинейность.

класс - 83,4% от всех рельсов.

класс - 13,37%.

класс - 0,10%.

Перевод во второй класс по причинам:

- забраковано0,30%

- по твёрдости0,10%

- по ударной вязкости0,93%

- по длине 7,83%

- по концевой кривизне4,53%

Передел по причинам:

- возврат на повторную плавку 16,54%

из них - по общей кривизне 6,49%

- по концевой кривизне 10,05%

- задержано по длине 0,37%

- повторный отпуск из-за высокого

уровня остаточного напряжения 0,62%

- высокий отпуск 0,25%

Как видно из данных показателей весьма значительные потери производства рельсов происходят из-за неудовлетворительной прямолинейности.

Для устранения выявленных причин искривления рельсов необходимо провести замену электродвигателей привода рольгангов на более скоростные. Таким образом удастся выровнять скоростные режимы прокатки и транспортировки рельсов.

1.3 ГОСТ на прямолинейность рельсов

В соответствии с ГОСТ 24182-80 для рельсов первого сорта допускается кривизна со стрелой прогиба f (не более 1/2200 длины, т. е. при длине рельса l = 12.5м f_max =5,68мм, при l =25м f_max =11,36 мм). Одиночная местная деформация или неровности не допускаются более 0,5 мм на базе 1 м, концевые искривления рельсов без болтовых отверстий на базе 1м f_max =0,5мм, с болтовыми отверстиями: в горизонтальной плоскости f_max = 1,0мм, в вертикальной f_max = 0,5мм.

2 Специальная часть

2.1 Обзор установок контроля прямолинейности рельсов

Наиболее старый, но до сих пор применяемый способ измерения прямолинейности, основан на использовании натянутой двумя свешивающимися грузами струны, по отношению, к которой и определяются величины стрел и прогиба. Метод неточен и трудоемок. Концевая кривизна и местные неровности на некоторых заводах измеряются с помощью метровой линейки, снабженной стрелочными механическими индикаторами.

Взамен им разработаны более точные методы, использующие различные физические явления и характеристики металла. Широко применяют оптический и лазерный способы. Сущность оптического метода сводится к тому, что направленный на контролируемую поверхность под определенным углом острый луч света отражается и улавливается фотопреобразователем; при смещении отражающей поверхности вследствие неровностей или кривизны величина отраженной энергии изменяется и соответственно изменяется сигнал фотопреобразователя. С помощью электронных и записывающих блоков аналоговый сигнал преобразуется в цифровую форму, а также фиксируется на самописце; отклонения от нормы запоминаются.

2.1.1 “Станция замера криволинейности NDT-VHSM-082239-02”

Линия контроля и измерения рельсов для НКМК представляет собой высоко-технологичную автоматизированную линию контроля. Эта линия разделена на несколько станций и согласно ндт классифицируется для контроля всех типов рельс. Длина рельса может достигать 105 м (для более детальной и точной информации просьба обратиться к секции 4.0 технической части контракта). Линия разработана для несколько типов неразрушающего контроля и обнаружения аномалий и дефектов в профиле, на поверхности и внутренних частях следующих типов рельсов:

· P43

· P50

· P65

· P65K

· UIC54

· UIC60

· S49

· 136RE

Рисунок 6. Общий вид станции.

Датчиками служат лазерные дальномеры, которые определяют расстояние до рельса по всему его ходу, тем самым составляя график прямолинейности. Эта установка измерения прямолинейности дорога в обслуживание, сложна в конструкции. При осаждение пыли и окалины на окна датчиков, ухудшается точность установки. В установке много трущихся частей, так как по всему ходу рельса через станцию, он поддерживается специальной конвейерной лентой.

2.1.2 Установка контроля кривизны рельса, работающая по методу “Сравнивающей линейки”

Разработано измерительное устройство, в котором кривизна рельса по всей длине сравнивалась с положением линейки длиной 2 м, копирующей в пространстве положение хорды, стягивающей концы рельса. На рисунке 6 изображена схема этой установки. Основными измеряющими элементами служат датчики измерений 3, 4, 5, 6, 7 и следящие 4', 5', 6', разности показаний которых попарно характеризуют прогиб рельса в трёх точках p,g,s.

Последовательность работы устройства следующая: при постановке рельса на измерительный рольганг датчики 3 и 7 автоматически приближаются к рельсу до соприкосновения с его концами, вызывая рассогласования схем 8 и 20, а также 9 и 21 сравнения сигналов.

1 - рельс; 2 - рольганг; 3, 4, 5, 6, 7 - измерительные датчики; 4' 5' 6' - следящие датчики; 8, 9 - преобразователи выходных сигналов датчиков 3' 7;10 - усилители; 11, 12, 13 - разностные блоки; 14, 15 - реверсивные электродвигатели; 16, 17, 18 - регистраторы; 19 - линейка - копир; 20, 21 - индуктивные катушки.

Рисунок- 7 Блок схема для измерения кривизны рельсов.

2.1.3 Оптическая установка контроля прямолинености рельсов

Сущность оптического метода сводится к тому, что направленный на контролируемую поверхность под определённым углом острый луч света отражается и улавливается фотопреобразователем; при смещении отражающей поверхности вследствие неровностей или кривизны величина отражённой энергии изменяется и соответственно изменяется сигнал фотопреобразователя. С помощью электронных и записывающих блоков аналоговый сигнал преобразуется в цифровую форму, а также фиксируется на самописце; отклонения от нормы запоминаются [2, 392].

2.1.4 Установка “Днепрчерметавтоматики”

Для оценки местной концевой кривизны в НИИАчермете НПО “Днепрчерметавтоматика” разработан механизм, схема которого изображена на рисунке 8. Основным его элементом служит параллелограмм, кинематика движения которого построена так, что верхняя сторона ВС длиной 1 м совершает плоскопараллельные перемещения и касается одним или двумя концами рельса. Тогда индуктивные датчики, вмонтированные заподлицо в верхней плоскости линейки, формируют электрические сигналы, пропорциональные воздушным зазорам и соответственно стрелам прогиба f₁, f₂, f'₁, f'₂, f'₃ [2, 394].

Рисунок 8 - Механизм “Днепрчерметавтоматики” для проверки прямолинейности рельсов.

2.1.5 Установка “Элекон”

С 1998 г. КМК приступил к 100% - му контролю прямолинейности железнодорожных рельсов измерителем “Элекон”. Прямолинейность движущегося рельса рассчитывается аналитически в зависимости от величины текущего зазора между непосредственным радиодатчиком и контролируемой поверхностью рельса. В отличие западных систем измерения прямолинейности рельсов (“KNORR”, “MESACON” и т. п.) где используются стандартные лазерные триангуляционные дальномеры, в измерителе “Элекон” применены специальные радиочастотные датчики, которые с высокой разрешающей способностью (порядка 5 микрон) измеряют расстояние до токопроводящей поверхности рельса. При этом несущественна загрязнённость поверхности рельса маслами, окалиной, краской и т. п., что по сравнению с западными измерителями резко повышает точность и достоверность получаемой информации, а также снимает проблему соответствующей подготовки поверхности рельса к проведению контроля. Перечисленные моменты позволили установить измеритель непосредственно в линии ролеправильных машин (РПМ), что дало реальный выигрыш в качестве правки за счёт исключения транспортного запаздывания после нанесения управляющих воздействий, а также создания человеко-машинной обратной связи, направленной на многофакторную оптимизацию технологии правки. “Элекон” помимо прямолинейности измеряет такой важный параметр как скрученность (штопорообразность) подошвы рельса. Кроме того “Элекон” измеряет разновысотность рельса по всей длине [8, 126-127].

2.2 Сравнительный анализ методов контроля

Основными недостатками вышеперечисленных методов (кроме установки “Элекон” является:

Они не позволяют проводить контроль прямолинейности рельсов при поступательном перемещении последних по транспортному рольгангу в условиях поточного рельсового производства;

Обязательность очистки рельсов от окалины и прочих загрязнений поверхности;

Необходимость образцового рельса с жесткими допусками по отклонениям от идеальной плоскости;

Высокие требования, предъявляемые к механизмам перемещения рельса через зону контроля;

Низкая скорость контроля (до 1 м/с).

Из выше приведенных недостатков видно, что метод контроля прямолинейности рельсов с помощью установки “Элекон” более предпочтителен, нежели остальные.

Так как при контроле этим методом нет необходимости очищать поверхность рельса, и есть возможность проверки дополнительных параметров: скрученность (штопорообразность) подошвы рельса, разновысотность рельса по всей длине, поэтому в качестве объекта прототипа выбираем именно установку “Элекон”. Более наглядно все эти недостатки можно представить в таблице 1.

Таблица 1 - Сравнение методов контроля прямолинейности рельсов.

Методы	Пункты сравнения
	Контролируемые поверхности	Загрязнённость поверхности	Точность измерения при загрязнении	Дополнительные контролируемые параметры	Необходимость присутствия человека в процессе контроля
1. “ NDT-VHSM-082239-02”	Вертикальная и горизонтальная плоскость (поверхность катания).	Несущественна загрязнённость поверхности рельса	Снижается точность измерения при загрязнение датчиков.	Скрученность (штопорообразность) подошвы рельса. Разновысотность рельса по всей длине.	Нет необходимости в присутствии человека при контроле.
2. Установка “Элекон”	1.Вертикальная плоскость (поверхность катания). 2.Горизонтальная плоскость (боковая поверхность)	Несущественна загрязнённость поверхности рельса.	Не снижает точность и достоверность получаемой информации.	Скрученность (штопорообразность) подошвы рельса. Разновысотность рельса по всей длине.	Нет необходимости в присутствии человека при контроле
3. Установка основанная на методе “сравнивающей линейки”	Вертикальная плоскость (поверхность катания)	Влияет	Снижает точность и достоверность получаемой информации.	Нет	Нет необходимости в присутствии человека при контроле
4. Оптическая установка	Вертикальная плоскость (поверхность катания)	Влияет	Снижает точность и достоверность получаемой информации.	Нет	Нет необходимости в присутствии человека при контроле
5. Установка “Днепрчерметавтоматики”	Вертикальная плоскость (поверхность катания)	Влияет	Снижает точность и достоверность получаемой информации.	Нет	Нет необходимости в присутствии человека при контроле

2.3 Описание действующей на ОАО “ЕВРАЗ ЗСМК” системы

Устройство контроля прямолинейности (УКП) "Элекон-42" предназначено для измерения отклонений проекций железнодорожных рельсов типа S49, Р50, UIC60, Р65, Р75 и др. на вертикальную и горизонтальную плоскость от прямой линии на заданном отрезке базовой длины. Рельсы транспортируются через зону контроля по рольгангу в положении "на подошве". При изменении конструкции рамы и подвески датчиков допускается контроль рельсов в положении "на боку".

УКП "Элекон" может осуществлять разбраковку контролируемых рельсов по трем произвольным уровням концевой и местной кривизны с помощью автоматической системы краскоотметки.

УКП "Элекон" позволяет получать графическую и цифровую информацию о профиле рельса в двух плоскостях, оценивать уровень скрученности и разновысотности рельса, составлять рапорт по результатам контроля за отчетные сутки.

УКП "Элекон" сохраняет информацию о контроле прямолинейности каждого рельса (в том числе дату и время) на жестком диске компьютера в специальной базе данных.

УКП "Элекон" позволяет проводить статистический анализ по отбраковке рельсов и уровню годного для каждого из браковочных уровней непосредственно в ходе контроля.

Основные технические характеристики представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Технические характеристики УКП «Элекон - 42.»

Тип контролируемого рельса	произвольный
Скорость движения рельса в зоне контроля, м/с	до 1,5
Базовая длина, м	до 3,5
Количество датчиков, шт	до 24
Число контролируемых плоскостей	до 2
в вертикальной плоскости (поверхность катания)	10
в горизонтальной плоскости (боковая поверхность)	20
в вертикальной плоскости	50
в горизонтальной плоскости	100
в вертикальной плоскости	20
в горизонтальной плоскости	30
Продолжительность цикла сканирования, мс, не более	32
Число каналов автоматической краскоотметки	до 2
Количество градаций браковочных уровней	до 9
Температура окружающего воздуха, °С:
в зоне операционного блока	(2010)
в зоне датчиков	(1040)
Относительная влажность, %	(3080) %
Атмосферное давление, кПа	(84106,7)
Напряжение питающей сети, В	(220 )
Частота питающей сети, Гц	(50 1)
Потребляемая мощность, ВА, не более	600
Средний срок службы, не менее	10 лет
Габаритные размеры рамы для крепления датчиков при базовой длине 3,5 м , мм, не более	1500x4300x800
Масса полного комплекта, кг, не более	70

2.3.1 Состав устройства

УКП "Элекон-42" содержит (см. рис. 11, 12):

-механическую часть для крепления измерительных датчиков 1;

-механизмы перемещения рельса через зону контроля 2;

-импульсные датчики пути 3 на входе и выходе измерительной установки (при относительно стабильной скорости транспортировки рельса могут отсутствовать);

-операционный блок 4, в состав которого входят IBM-совместимый компьютер, специализированный контроллер, установленный в один из слотов материнской платы компьютера и блок управления краскоотметчиками;

-радиочастотные датчики 5-10, 12, 13 для бесконтактного измерения расстояния до контролируемой поверхности;

-краскоотметчики 11 для автоматической разбраковки продукции.

В пакет программного обеспечения УКП "Элекон" входит следующий набор компьютерных программ:

Таблица 3 - Пакет программного обеспечения УКП «Элекон - 12»

Программа	Свойства
el-42.exe	программа для контроля прямолинейности рельсов в термоотделение РБЦ на рольганге за РПМ;
elevis.exe	программа для просмотра и вывода на принтер баз данных УКП "Элекон", а также для составления суточных рапортов и статистического анализа по контролю прямолинейности, скрученности и разновысотности;
ele_adj.exe	программа для юстировки (снятия статических, частотно-зазорных характеристик) радиочастотных датчиков УКП "Элекон";
ele_att.exe	программа для проведения метрологической аттестации УКП "Элекон";
ele_cfg42.exe	программа для изменения параметров конфигурации УКП "Элекон";
ele_tst42.exe	программа для тестирования и ремонта УКП "Элекон";
ele_rl42.exe	программа для изменения браковочных уровней контролярельсов.

2.3.2 Устройство и работа составных частей

Механическая часть для крепления измерительных датчиков 1 представляет собой металлическую конструкцию для неподвижной фиксации измерительных датчиков в зоне контроля. Механическая часть может быть снабжена приспособлениями для осевой центровки датчиков относительно оси рельса и устройствами для регулировки рабочего зазора "датчик-рельс" (при переходе с одного типа рельса на другой). Главное требование, предъявляемое к механической части - обеспечение стабильности ориентации рабочих плоскостей измерительных радиочастотных датчиков в ходе контроля рельса.

В качестве механизма 2 перемещения рельса через зону контроля может быть использован рольганг произвольной конструкции, обеспечивающий транспортировку рельса в положении на подошве (либо "на боку") со скоростью и размахом колебаний рельса во время движения в зоне измерительных датчиков по разделу 3.

Импульсные датчики пути (ДП) 3 служат для информирования программы УКП "Элекон-42" о том, что рельсом пройден очередной отрезок пути. Датчик пути может либо соприкасаться с рельсом непосредственно, либо получать крутящий момент от рельса через промежуточное механическое устройство (подпружиненный ролик рольганга, трайбаппарата и т.п.). Количество датчиков пути, а также их параметры задают соответствующими опциями программы ele_cfg42.exe. Максимальное количество ДП в системе - два, минимальное - ноль. Возможны три следующих варианта:

Скорость рельса может произвольно изменяться как во время контроля, так и во время выхода рельса из зоны контроля. В этом случае устанавливают два ДП. Первый ДП располагают перед первым (по ходу рельса) радиочастотным датчиком прямолинейности вертикальной плоскости, либо сразу за ним, т.е. до второго радиочастотного датчика вертикальной плоскости. Второй ДП располагают за последним из используемых в системе краскоотметчиком.

Скорость рельса во время контроля может изменяться произвольным образом, но относительно постоянна от момента выхода рельса из зоны контроля до момента прохождения заднего конца рельса мимо последнего краскоотметчика. В этом случае используется только один ДП, который располагают между первым и вторым радиочастотными датчиками прямолинейности вертикальной плоскости. Допускается размещение данного ДП перед первым радиочастотным датчиком вертикальной плоскости при условии наличия у ДП достаточного крутящего момента инерции, благодаря которому скорость выходящего рельса может быть "запомнена" до выхода заднего конца из зоны первого радиочастотного датчика вертикальной плоскости. "Сопровождение" рельса до краскоотметчиков осуществляется с помощью сигналов внутреннего таймера контроллера УКП "Элекон". Данный вариант является наиболее оптимальным с точки зрения эксплуатации системы.

Скорость рельса относительно постоянна как во время контроля, так и при выходе рельса. В этом случае датчики пути вообще не устанавливают, а УКП "Элекон-42" самостоятельно формирует временные интервалы, соответствующие пройденному рельсом отрезку пути.

Рисунок 9 - Схема УКП «Элекон»

В состав операционного блока 4 входят:

- IBM-совместимый компьютер;

- специализированный контроллер;

Блок управления краскоотметчиками (БУКО) 19 управляет краскоотметчиками 20 и 21. Количество краскоотметчиков, а также режимы их работы, устанавливаются с помощью соответствующих опций программы el_cfg42.exe.

IBM-совместимый компьютер осуществляет обработку цифровой информации, поступающей от специализированного контроллера, соответствующим образом обрабатывает ее, отображая на дисплее в удобном для оператора виде, делает необходимые расчеты, принимает решение о качестве рельса с точки зрения прямолинейности, сохраняет на жестком магнитном диске результаты контроля по каждому рельсу. Кроме того, компьютер выполняет работу по тестированию всех узлов УКП "Элекон", текущую калибровку датчиков и т.п.

Специализированный контроллер УКП "Элекон" устанавливается в один из ISA-слотов материнской платы IBM-совместимого компьютера. Он предназначен для высокоскоростной и высокоточной обработки информации, поступающей с радиочастотных измерительных датчиков. Функционально все датчики разбиты на два блока (блок датчиков вертикальной плоскости и блок датчиков горизонтальной плоскости). Сигналы с датчиков поступают на соответствующий измерительный блок специализированного контроллера. Работа блоков засинхронизирована таким образом, чтобы обеспечить максимальную производительность обработки информации.

Контроллер также анализирует информацию, которая поступает на операционный блок от датчиков пути, либо самостоятельно формирует сигналы, моделирующие сигналы датчиков пути.

Взаимодействие контроллера с компьютером осуществляется посредством многоуровневых аппаратных прерываний.



Рисунок 9 -Схема УКП «Элекон-42»

Специализированный контроллер УКП «Элекон-42» подключен к ЭВМ через LPT-порт. Контроллер предназначен для высокоскоростной обработки информации, поступающей с радиочастотных измерительных датчиков. Функционально все датчики разбиты на два блока (блок датчиков вертикальной плоскости и блок датчиков горизонтальной плоскости). Сигналы с датчиков поступают через коробку-коммутатор на соответствующие измерительные каналы специализированного контроллера. Работа каналов синхронизирована таким образом, чтобы обеспечить максимальную производительность обработки информации. Одновременно обрабатываются сигналы от 6 каналов.

БУКО предназначен для включения и отключения краскоотметчиков по соответствующим командам компьютера. Состоит из двух выпрямителей, стабилизатора напряжения и двух каналов управления, каждый из которых представляет собой ключевой усилитель с гистерезисом по входу. Радиочастотные датчики 5-18 и 22-27 служат для бесконтактного измерения расстояния до контролируемой поверхности. Принцип работы датчика основан на изменении добротности колебательного контура, а также его индуктивной составляющей и связанного с этим изменением генерируемой им частоты.

Поскольку радиочастотные датчики оценивают расстояние до токопроводящей поверхности (в данном случае контролируемой поверхности рельса), то такой мешающий фактор как загрязненность поверхности рельса краской, маслами и т.п. существенного влияния на результаты контроля не оказывает.

Маркеры (краскоотметчики) предназначены для автоматической разбраковки рельсов, а также для формирования отметки "факт контроля".

2.3.3 Общий принцип работы устройства

Устройство работает следующим образом. Контролируемый рельс 12 транспортируется с помощью механизмов перемещения рельса 2 через зону контроля в положении на подошве, при этом между радиочастотными датчиками 5-10, 12, 13 и поверхностью рельса имеются зазоры Hz, Hy, H12, H13, величина которых должна исключать возможность повреждения катушек радиочастотных датчиков (на практике 15 - 30 мм). Радиочастотные датчики 5-10 разделены на группы, которые используются для измерения прямолинейности рельса в определенной плоскостях. В каждой группе должно быть не менее трех радиочастотных датчиков. Так радиочастотные датчики 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17 служат для замера прямолинейности поверхности катания рельса (в вертикальной плоскости), а радиочастотные датчики 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18- для замера прямолинейности боковой поверхности (в горизонтальной плоскости).

Каждый из радиочастотных датчиков имеет собственную, уникальную зависимость вырабатываемой им частоты от величины рабочего зазора, или т.н. "частотно-зазорную" характеристику. Поскольку проекция рельса на горизонтальную плоскость симметрична, то "частотно-зазорная" характеристика радиочастотных датчиков 5,7,9,11,13 может быть описана двухмерной зависимостью, вариант которой представлен на рис.9. Здесь по оси абсцисс отложены величины рабочего зазора Hz в микронах, а по оси ординат - соответствующие этим зазорам частоты сигнала F, который формирует на своем выходе один из радиочастотных датчиков 5,7,9,11,13,15,17 Таким образом, операционный блок 4, измерив текущую частоту сигнала Fi, поступившего от этого радиочастотного датчика и зная его "частотно-зазорную" характеристику, может точно определить величину текущего рабочего зазора Hzi между радиочастотным датчиком и находящейся под ним поверхностью рельса.

Замеры зазоров в группе радиочастотных датчиков для оценки прямолинейности рельса в горизонтальной плоскости осуществляются несколько иначе. Поскольку проекция рельса на вертикальную плоскость не является симметричной, то "частотно-зазорная" характеристика радиочастотных датчиков 6,8,10,12,14,16,18 может быть описана трехмерной зависимостью (поверхность в трехмерном пространстве), вариант которой представлен на рис.10. Здесь по оси абсцисс отложены величины рабочего зазора Hy в микронах, по оси аппликат - величина смещения рельса в вертикальной плоскости Hz в микронах, а по оси ординат - соответствующая этим зазорам и смещениям частоты сигнала F, который формирует на своем выходе один из радиочастотных датчиков 6,8,10,12,14,16,18. Таким образом, операционный блок 4, измерив текущую частоту сигнала Fi, поступившего от этого радиочастотного датчика, зная его трехмерную "частотно-зазорную" характеристику и величину вертикального смещения рельса Hzi, информацию о котором он только что получил от соседнего датчика "вертикальной" группы (радиочастотные датчики 5,7,9,11,13,15), может точно определить величину текущего рабочего зазора Hyi между радиочастотным датчиком и находящейся под ним поверхностью рельса.



Рисунок 10 - Частотно-зазорная характеристика датчика вертикальной плоскости.

Рисунок 11 - Частотно-зазорная характеристика датчика горизонтальной плоскости.

Полученная таким образом информация с датчиков используется для оценки прямолинейности рельса, которая рассчитывается операционным блоком 4 аналитически по одному или нескольким известным алгоритмам решения подобных задач. В простейшем случае, величины местных прогибов на j-том участке рельса длиной L (Рис. 12) в вертикальной и горизонтальной плоскостях, могут быть получены из соотношения:

Wj = (H1j + H3j) / 2 - H2j - R (1)

где Wj - величина отклонения профиля рельса в заданной плоскости от прямой линии под средним радиочастотным датчиком на j-том участке рельса, мкм;

H1j - величина рабочего зазора между первым по ходу рельса радиочастотным датчиком в заданной плоскости (радиочастотные датчики 5 или 6) и поверхностью рельса на j-том участке рельса, мкм;

H3j - величина рабочего зазора между последним по ходу рельса радиочастотным датчиком в заданной плоскости (радиочастотные датчики 9 или 10) и поверхностью рельса на j-том участке рельса, мкм;

H2j - величина рабочего зазора между средним радиочастотным датчиком в заданной плоскости (радиочастотные датчики 7 или 8) и поверхностью рельса на

j-том участке рельса, мкм;

R - интегральная величина отклонения пространственного расположения радиочастотных датчиков от прямой линии (рис.15) на механической части для крепления измерительных датчиков 1;

j - номер текущего участка рельса длиной L, находящегося в данный момент времени в зоне контроля. Значение j изменяется после прихода на вход операционного блока 4 очередного сигнала с одного из импульсных датчиков пути 3 который сигнализирует о том, что рельсом очередной раз пройден заданный отрезок пути dS .



Рисунок 12 - Схема расположения датчиков над контролируемой поверхностью рельса.

Величина R в выражении (1) определяется в ходе контроля и постоянно уточняется, в результате чего обеспечивается условие минимизации погрешности измерений, связанных с дрейфом геометрических параметров механической части для крепления измерительных датчиков 1 и неплоскостностью рольганга 2. Для определения значения R в заданной плоскости используется следующее выражение:

(2)

где N - общее количество оценок W(j) на участке рельса с протяженностью, равной максимальной длине волны на контролируемых рельсах. Таким образом, из оценок местных искривлений рельса удаляются низкочастотное влияние рольганга 2 и общая кривизна рельса, которая в соответствии с ГОСТ измеряется иным способом.

Рисунок 13- Скручиваемость рельса.

Информация с дополнительных радиочастотных датчиков 12 и 13 используется для оценки скрученности рельса. В соответствии с нормативными требованиями величина скрученности рельса в положении "на подошве" определяется по величине зазора Т между поверхностью, на которой располагается контролируемый рельс, и одним из краев подошвы рельса (рис.13). Операционный блок 4, получив информацию с радиочастотных датчиков 12 и 13 определяет величины зазоров H12 и H13 (рис.13). При этом справедливы выражения:

t = H13 - H12 (3)

= arctg (t / b) (4)

Tj = t * (B/b) * cos (5)

где t - величина разности рабочих зазоров радиочастотных датчиков 13 и 12, мкм;

H12,H13 - величины рабочих зазоров датчиков 13 и 12, соответственно, мкм; - угол наклона оси текущего сечения рельса к вертикальной оси Z, град.; Tj - оценка величины скрученности текущего, j-го сечения рельса, мм;

B - ширина подошвы рельса, мм;

b - расстояние между осями радиочастотных датчиков 12 и 13, мм.

При прохождении рельсом очередного отрезка, с одного из датчиков пути 3 поступает соответствующий импульс, и операционный блок 4 запоминает очередной результат вычислений Tj в соответствующем массиве. Одновременно запоминается информация о текущей высоте рельса (рис.13), которая при малых изменениях углах с достаточной точностью может быть определена из выражения

Hrj = Hb - (Hz + (H12 + H13)/2)(6)

где, Hrj - оценка высоты текущего сечения рельса, мкм;

Hb -расстояние между радиочастотного датчика 7 и линией установки радиочастотных датчиков 12 и 13, мкм;

Hz - зазор между радиочастотным датчиком 7 и поверхностью катания рельса.

Рисунок14- Вид рельса в зоне контроля с переди.

После выхода очередного рельса из зоны контроля операционный блок 4 усредняет полученные замеры по формулам:

(7)

(8)

где, Rt - величина систематической погрешности при оценке скрученности рельса, которая связана с непараллельностью линии расстановки дополнительных радиочастотных датчиков по отношению к плоскости механизмов перемещения рельса через зону контроля, мкм;

Rh - средняя высота рельса, мкм;

M - количество выполненных замеров на проконтролированном рельсе.

Заключительным этапом является окончательное уточнение полученных результатов по формулам (9) и (10), при этом из замеров скрученности убирается систематическая погрешность Rt, а из замеров разновысотности - неопределенность значений Hb и .

Tj^ = Tj - Rt(9)

Hrj^ = Hrj - Rh(10)

где Tj^ - уточненное значение j-го элемента массива скрученности для данного рельса, мкм (j изменяется от 1 до M);

Hrj^ - величина разновысотности в j-ом элементе массива разновысотности для данного рельса, мкм (j изменяется от 1 до M).

Межосевое расстояние b (рис. 13) для повышения точности и чувствительности контроля должно быть соизмеримо с шириной подошвы контролируемого рельса, однако его верхнее значение ограничивается амплитудой возможных случайных поперечных смещений рельса вдоль оси Y (рис.8) и определяется неравенством:

(11)

где r - радиус катушек радиочастотных датчиков 12, 13, мкм;

Ay - максимально-возможная амплитуда поперечных смещений рельса во время контроля, мкм.

Радиочастотным датчикам присущ такой серьезный недостаток, как медленный дрейф "частотно-зазорной" характеристики при изменении внешних условий (температура окружающей среды, влажность, атмосферное давление, старение элементов электрической схемы т.п.).

Для устранения влияния этого фактора предусмотрена возможность автоматической, регулярной проверки параметров радиочастотных датчиков с целью минимизации погрешности измерения. Указанная задача решается следующим образом. После того, как очередной рельс покидает зону контроля, операционный блок измеряет у каждого радиочастотного датчика значение асимптотической частоты F, соответствующей бесконечному удалению рельса от соответствующего радиочастотного датчика, и сравнивает измеренное значение с соответствующей величиной Fa (фиг. 3), которая была получена при юстировке данного датчика. Если в результате сравнения этих двух величин появляется разница Fa, то все последующие вычисления зазоров Hz, Hy, H12, H13 выполняются с коррекцией на величину Fa для соответствующего датчика.

2.3.4 Указание мер безопасности

При эксплуатации, техническом обслуживании и периодической аттестации устройства необходимо соблюдать "Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей" и "Правила техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей", а также требования ГОСТ 12.2.007.0.

Электроаппаратура УКП "Элекон" до момента подключения системы к цепям электропитания должна быть надежно заземлена со стороны разъема контроллера .

Ремонтные работы и замена элементов должна производится в специально оборудованном месте при отключенном питании электросети.

В процессе эксплуатации устройства надлежит руководствоваться действующими на предприятии инструкциями по технике безопасности.

2.3.5 Подготовка устройства к работе

Файл программ elecon.exe, ele_rl.exe и ele_cfg42.exe размещают в одной директории (далее эта директория будет именоваться рабочей). Остальные программы из пакета п.4 могут располагаться в произвольных местах, в том числе и в рабочих директориях указанных файлов.

В рабочей директории создают поддиректорию SENSORS. Эта поддиректория в свою очередь должна содержать текстовой файл ele_rail.txt (создается автоматически программой ele_cfg.exe) и поддиректории, имена которых совпадают с типом тех рельсов, которые предполагается подвергать контролю, например P50, P65, S49 и т.д. Следует помнить, что во всех случаях буквы в типе рельса должны быть латинские!

Подключают радиочастотные датчики, руководствуясь следующими правилами:

- если контролируется прямолинейность только в одной плоскости (вертикальной):

1-й блок, каналы:

1 - входной датчик прямолинейности вертикальной плоскости;

2 - средний датчик прямолинейности вертикальной плоскости;

3 - выходной датчик прямолинейности вертикальной плоскости.

2-й блок, каналы:

1 - левый датчик скрученности (факультативно);

2 - правый датчик скрученности (факультативно);

- если контролируется прямолинейность в 2-х плоскостях (вертикальной и горизонтальной):

1-й блок, каналы:

1 - входной датчик прямолинейности вертикальной плоскости;

2 - средний датчик прямолинейности вертикальной плоскости;

3 - выходной датчик прямолинейности вертикальной плоскости;

4 - левый датчик скрученности (факультативно);

2-й блок, каналы:

1 - входной датчик прямолинейности горизонтальной плоскости

2 - средний датчик прямолинейности горизонтальной плоскости

3 - выходной датчик прямолинейности горизонтальной плоскости

4 - правый датчик скрученности (факультативно)

Если хотя бы один из датчиков скрученности не будет подключен, то при запуске программы УКП «Элекон» автоматически отключит контроль скрученности, но продолжит контроль прямолинейности.

Запускают из рабочей директории программу ele_cfg.exe.

Если программа запускается впервые (определяется по отсутствию файла elecon.cfg), то на экран выводится сообщение:

Введите латинскую букву, соответствующую типу рельса, например:

s - сырые

k - калёные

l - любые

Введите букву: _

С помощью клавиатуры и клавиши <Enter> вводят латинскую букву (как правило, k), которая далее будет применяться при создании расширения имен файлов баз данных «Элекон-42». Файлы с данными расширениями будут создаваться автоматически в начале каждых новых суток во время работы УКП "Элекон" в поддиректории "DB", которая также автоматически создается в рабочей директории. В последующем эту букву в любой момент можно скорректировать с помощью соответствующей опции программы ele_cfg42.exe.

Далее на экран выводится следующее сообщение:

Введите латинскую букву, соответствующую типу рельса, например:

s - сырые

k - калёные

l - любые

Введите букву: k

Номер последнего проконтролированного рельса? (0…99999999): _

Вводят номер рельса из указанного интервала. В последующем этот номер в любой момент, при необходимости, можно скорректировать с помощью соответствующей опции программы ele_cfg42.exe.

Далее программа ele_cfg42.exe выводит на экран свое главное меню (рис. 15).

Рисунок 15 - Главное меню.

С помощью курсорных клавиш и <Enter> выбирают опцию «Количество контролируемых плоскостей (для прямолинейности)» и устанавливают нужное количество (как правило, «2», т.е. вертикальная и горизонтальная). Если контролю следует подвергать только одну плоскость (вертикальную), то на соответствующий запрос вводят цифру «1».

Выбирают опцию «Количество датчиков в одной плоскости (для прямолинейности)» и указывают необходимое количество датчиков прямолинейности, как правило «3».

Выбирают опцию «Необходимость сохранения скрученности, разновысотности, зазоров», и устанавливают (либо убирают) признаки необходимости сохранения соответствующих баз данных.

Выбирают опцию «Место расположения датчика скрученности» и вводят цифру, соответствующую порядковому номеру датчика вертикальной плоскости, под которым расположен датчик скрученности.

Выбирают опцию «Датчики пути и скорость рельса». Устанавливают количество датчиков пути (как правило «1» или «0») и в зависимости от установленного значения, отвечают на несколько уточняющих вопросов, касающихся технических характеристик используемого датчика или заменяющего его таймера. Цель при работе с данной опцией состоит в том, чтобы обеспечить условия, при которых расстояние между соседними пунктами в сохраняемых массивах было около 100 мм, а длина рельса на профилограммах отличалась от их действительной длины не более чем на 5% . Если длина подавляющего большинства контролируемых рельсов регламентирована и постоянна (например, 25 м), то можно сделать опцию «[ ] Необходимость адаптации шага датчика пути в ходе контроля» активной, ответив при этом на запрос о длине большинства подвергаемых контролю рельсов.

Выбирают опцию «Параметры оцифровки шкал» и при необходимости уточняют модульные значения максимумов шкал прямолинейности, скрученности и разновысотности, а также их шаг оцифровки.

Выбирают опцию «Параметры краскоотметки» и устанавливают количество подключенных к системе краскоотметчиков (как правило, 1), а также необходимость и периодичность их автоматического срабатывания для исключения «подсыхания» краски во время длительных простоев.

Выбирают опцию «Время начала рабочих смен» и с помощью курсорных клавиш и <Enter> выбирают время окончания-начала рабочих смен (для автоматического обнуления счетчиков статистики контроля). Время, в которое будет происходить обнуление, обозначено мерцающими цифрами.

Выбирают опцию «Подключение датчиков и выбор типа рельсов». Из надписи «Тип выбранного рельса: ххх» определяют тип выбранного в данный момент рельса, и если он не соответствует требуемому, то с помощью опции «Выбор типа рельса» вносят необходимые изменения. Информация по выбранному типу рельса сохраняется в файле ele_rail.txt.

Выбирают опцию «Подключение датчиков вертикальной плоскости (поверхность катания)» (Рис. 15). Сравнивают имена фактически подключенных датчиков вертикальной плоскости по п.8.3 с именами датчиков в правой части экрана (нумерация по ходу движения рельса). При несоответствии имен, с помощью клавиш <PageUp> и <PageDown> выделяют мерцающей рамкой порядковую позицию нужного датчика. С помощью курсорных клавиш, в окне резервных датчиков (левая часть экрана), устанавливают маркер выделения на имя фактически подключенного датчика и сравнивают дату юстировки с датой указанной на бирке датчика. Если указанные даты совпадают, то нажимают <Enter> и файл выбранного датчика программно подключается к нужной позиции.