устройство для контроля износа контактного провода

Формула изобретения

Устройство для контроля износа контактного провода, включающее источник света, зеркала системы слежения за положением контактного провода и фотоприемник, отличающееся тем, что на токоприемной пластине установлено рассеивающее цилиндрическое зеркало, а источник света, зеркала системы слежения за положением контактного провода и фотоприемник, который выполнен многоканальным в виде координатно-чувствительного фотодатчика, матричного и теплового фотоприемников, размещены в оптическом блоке, подвешенном на горизонтальной оси вращения, причем источник света оптически сопряжен с контролируемой поверхностью провода посредством рассеивающего зеркала и зеркал системы слежения за положением контактного провода.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике измерений геометрических параметров износа контактного провода на железной дороге.

В настоящее время известны методы измерения износа, основанные на измерении оставшейся массы металла, и методы, основанные на измерении геометрических параметров провода. Метод измерения износа контактного провода по ширине площадки трения является наиболее популярным при разработке устройств автоматической диагностики [1]. Существуют электроконтактные датчики износа проводов, основными недостатками которых является недолговечность и высокая погрешность из-за неидеального качества измеряемых поверхностей, кривизны и загрязнений проводов, а также из-за различных окисных пленок, образующихся как на поверхностях проводов, так и на самих контактах датчиков износа [2]. К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата, относится то, что в известных устройствах измерение износа проводов производится только при контакте измерительного устройства и изношенной поверхности провода и при фактическом отсутствии электроизоляции электрической части прибора от высокого напряжения контактной сети.

Существуют также оптико-электронные устройства для контроля износа контактных проводов. Известно устройство с фотодиодной матрицей [3] и осветителем, в котором изображение провода проецируется на матрицу, а измерительная головка перемещается вдоль полоза электродвигателем под управлением следящей системы. Измерение износа производится при механическом контакте измерительной головки с контактным проводом при невысоких скоростях движения до 50 км/час и неполной изоляции от высокого напряжения контактной сети, что также не позволяет достичь указанный ниже технический результат.

Известно также телевизионное устройство [4] с использованием волоконно-оптического преобразователя, перекрывающего световодами всю зону колебаний провода в его относительном движении вдоль токоприемника. В качестве источника подсветки контактного провода используется линейный осветитель, собранный из суперлюминесцентных светодиодов инфракрасного диапазона и работающий в импульсном режиме. Жгут из оптических волокон и линейный осветитель расположены на верхней раме токоприемника таким образом, что при его поднятии они оказываются на расстоянии 30-40 мм от нижней поверхности контактного провода и под углом 45^o к нему. При работе осветителя отраженный свет попадает на те оптические волокна жгута, которые оказываются под площадкой износа контактного провода. Ширина площадки износа измеряется числом освещенных волокон. Освещенные волокна выявляются фотодиодами, подключенными к оптическим соединителям на выходном конце жгута. Однако такое устройство слишком дорогостояще, т.к. представляет собой уникальный жгут из оптических волокон диаметром 0.2 мм каждое; линейная конфигурация его входного конца образована торцами волокон, расположенными в два ряда в шахматном порядке с расстоянием между волокнами 1 мм в каждом ряду. Результирующее расстояние между волокнами составляет 0.5 мм на протяжении всей длины входной части жгута, равной 1 м. Такая конструкция требует также дополнительной защиты от внешних загрязнений, что снижает точность измерений. Все это препятствует достижению указанного ниже технического результата.

Известно также лазерное устройство для контроля износа контактных проводов, содержащее источник света, зеркала системы слежения за положением контактного провода, устройство сканирования и фотодатчик [5]. В устройстве используется монохроматический луч лазера, сканирующий поперек контактного провода с помощью вращающегося барабана.

Отраженный световой импульс попадает на фотодатчик, позволяющий при корректно организованной подсветке регистрировать ширину изношенной поверхности провода. Время, в течение которого луч отражается от контактного провода, примерно пропорционально ширине его площадки износа. Скорость измерений составляет до 200 км/ч, однако реализация такого рода устройства наталкивается на следующие трудности. При относительных перемещениях провода в горизонтальном направлении в широких пределах изменяется угол между осью падающего луча и нормалью к поверхности провода, что вызывает очень большие колебания коэффициента отражения светового потока, так как изношенная поверхность имеет индикатриссу рассеяния света в пределах ограниченного угла около 10 градусов в плоскости, перпендикулярной оси провода. Большая часть информации теряется из-за ограниченности частоты сканирования, присущей механическим системам, а точность измерения снижается из-за неравномерности оптических свойств на уровне поперечного сечения лазерного луча. Все это в совокупности препятствует достижению указанного ниже технического результата.

Заявляемое автором изобретение ставит своей целью при обеспечении полной изоляции электрической части прибора от высокого напряжения контактной сети повысить точность непрерывного контроля степени износа провода, обеспечить кроме традиционно контролируемого равномерного по длине провода износа по ширине площадки трения возможность обнаружения и регистрации участков локального износа провода, обеспечить возможность регистрации участков локального перегрева в точках крепления токоподводов. В настоящее время локальный перегрев обнаруживается путем визуального наблюдения при помощи дорогостоящих тепловизоров. Т.е. при осуществлении изобретения достигаемый технический результат будет заключаться в повышении точности измерения параметров при обеспечении бесконтактного многоканального непрерывного контроля проводов контактной сети.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном устройстве для контроля износа контактного провода, включающем источник света, зеркала системы слежения за положением контактного провода и фотоприемник, согласно изобретению на токоприемной пластине установлено рассеивающее цилиндрическое зеркало, а источник света, зеркала системы слежения за положением контактного провода и фотоприемник, который выполнен многоканальным в виде координатно-чувствительного фотодатчика, матричного и теплового фотоприемников, размещены в оптическом блоке, подвешенном на горизонтальной оси вращения, причем источник света оптически сопряжен с контролируемой поверхностью провода посредством рассеивающего зеркала и зеркал системы слежения за положением контактного провода.

Выполнение устройства для контроля износа провода в виде оптического блока, подвешенного на горизонтальной оси, и оптически сопряженного с ним рассеивающего зеркала, установленного на токоприемной пластине, позволяет непрерывно следить за проводом как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях. Возможность регистрации износа площадки трения на координатно-чувствительном фотодатчике, получение изображения и регистрация участков локального износа (эрозии) на матричном приемнике и регистрация участков локального перегрева в точках крепления токоподводов на тепловом фотоприемнике, благодаря корректной непрерывной подсветке провода с помощью цилиндрического рассеивающего зеркала, обеспечивает повышение точности измерений износа проводов и позволяет производить своевременную замену изношенных проводов.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными (идентичными) всем существенным признакам заявленного изобретения, что соответствует условию "новизна". Результаты поиска показали также, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, что соответствует условию "изобретательский уровень".

Устройство для контроля износа контактного провода представлено на фиг. 1 - общая схема устройства, на фиг. 2 - функциональная схема, на фиг. 3 - схема расположения изображения провода на матричном приемнике, на фиг. 4 - схема расположения провода на координатно-чувствительном фотодатчике.

Устройство для контроля износа контактного провода 1, представленное на фиг. 1, состоит из следующих узлов и деталей. Оптический блок 2 установлен в изолированном помещении вагона-лаборатории на расстоянии 3-5 метров от токоприемника 3. На токоприемнике 3 закреплено рассеивающее зеркало 4 в виде узкой полосы цилиндрической формы с радиусом кривизны около 3-5 метров. Образующая цилиндрического рассеивающего зеркала 4 располагается вертикально. Оптический блок 2 может наклоняться вокруг горизонтальной оси при помощи рычажной системы 5, соединенной с пантографом 6 токоприемника 3 изоляционной штангой 7.

На фиг. 2 представлена функциональная схема устройства. В нижней части оптического блока 2 размещен источник света 8 с фокусирующим элементом 9. В верхней части оптического блока 2 располагаются спектроделительное зеркало 10, приемный объектив 11, светоделительное зеркало 12, матричный приемник 13, координатно-чувствительный фотодатчик (КЧФД) 14 и тепловой приемник 15, включающий в себя вогнутое зеркало 16. Указанные элементы оптически сопряжены с проводом 1 через блок зеркал слежения 17, поворачивающихся вокруг оси , при помощи приводного двигателя 18. Электронный блок 19 служит для управления матричным приемником 13, а также для вывода видеосигнала. КЧФД 14 подключен к многоканальному усилителю 20. Логическое устройство 21 служит для формирования сигналов управления блоком зеркал слежения 17 и выделения сигналов локального износа. Вычислительное устройство 22 служит для обработки всей имеющейся информации и для вычисления истинной ширины изношенной поверхности провода 1. Вычислительное устройство 22 контролирует значения углов и , снимаемых с преобразователей 23 и 24, а также вычисляет значения углов .

На фиг. 3 показана схема расположения изображения провода 1 на матричном приемнике 13. Это изображение представляет собой освещенную полосу в пределах параллелограмма ABCD, угол наклона которого ₁ зависит от значения углов , и .

На фиг. 4 представлена схема расположения изображения провода на координатно-чувствительном фотодатчике 14, где показано взаимное расположение оптически сопряженных матричного приемника 13, координатно-чувствительного фотодатчика 14, а также изображение освещенного участка провода 1.

Устройство, представленное на фиг. 1 и 2, работает следующим образом.

Пучок света I от источника света 8 освещает провод 1 через фокусирующий элемент 9, зеркало слежения 17 и рассеивающее зеркало 4, которое увеличивает угловое поле светового пучка в горизонтальной плоскости на угол 10-15 градусов, что связано с оптическими характеристиками изношенной поверхности провода и способствует повышению энергетической однородности подсветки. Отраженный от провода световой пучок II в вертикальной плоскости параллелен первичному лучу 1, так как зеркало 4 и провод 1 образуют своими отражающими поверхностями прямой двугранный угол, вследствие чего он попадает в зрачок приемного канала. Таким образом обеспечивается одновременное совпадение момента облучения провода 1 источником света 8 и попадание изображения освещенного участка провода на три фотоприемника 13, 14, 15. Точное оптическое сопряжение центров фотоприемников обеспечивается юстировкой. При небольшом смещении X изображения провода (фиг. 4) в горизонтальной плоскости возникает неравенство потоков световой энергии на соседних площадках КЧФД 14. Логическое устройство 12 формирует сигнал управления положением блока зеркал слежения 17, уменьшающий величину X до приемлемого минимума, с помощью приводного двигателя 18. Таким образом обеспечивается автоматическое совмещение центров полей зрения трех приемных каналов с центром освещенного участка изношенной поверхности провода. Сопряжение источника света 8 с проводом 1 через рассеивающее зеркало 4 в вертикальной плоскости достигается применением рычажной кинематической системы 5, которая выполняет функцию принудительного слежения за высотой провода 1. Длина отрезка GH (фиг. 3) является измеренным в масштабе значением ширины В изношенной поверхности провода. Вследствие того, что провод натянут зигзагообразно, он всегда образует с полотном дороги некоторый угол , что приводит к изменению ракурса истинного сечения провода и искажению формы и размеров его. По одному из возможных алгоритмов вычислитель 22 осуществляет действия по расчету истинного размера изношенной поверхности по значениям углов , и ₁.

Понятно, что в непрерывно снимаемом с каждой площадки КЧФД 14 сигнале содержится информация о мгновенном значении ширины изношенной поверхности B₁ и наличии локальных дефектов поверхности, которая может быть получена с помощью логического устройства 12 и вычислителя 22.

Таким образом, предлагаемое автором изобретение обеспечивает следующие технические преимущества:

1) Повышение точности измерения за счет наличия рассеивающего зеркала, позволяющего корректно освещать провод на всем протяжении измерения независимо от изменения положения контактной сети, а также за счет сочетания следящего зеркала и телекамеры, позволяющих увеличить размер изображения изношенной поверхности в телевизионном кадре.

2) Многоканальный контроль параметров контактной сети за счет наличия широкополосного канала для непрерывного контроля малоразмерных участков электроэрозионного износа и износа по ширине площадки трения провода, а также теплового канала для непрерывного контроля участков локального перегрева в точках крепления токоподводов.

Источники информации

1. Михеев В.П. Приборы для измерения износа контактных проводов. //Сб. науч. тр. Томского электромеханического института инж. ж.-д. транспорта. т. 35, 1962, с. 112-118.

2. Устройство для непрерывного измерения износа контактного провода. А. с. ЧССР, N 159029. Заявл. 23.05.72. N 3491-72, опубл. 15.07.75, кл. G 42 В 10/00 (G 01 В 5/10).

3. Матье Г. Прибор для измерения износа контактного провода. // Железные дороги мира. 1979, N 8, с. 3-12.

4. Патент РФ N 2000225, МПК В 60 М 1/12, B 60 L 3/12, опубл. 07.09.93 г. , БИ N 33-36, 1993 г.

5. Камитани А. Измерение степени истирания контактного провода с помощью лазера. Тэцудо гидзюцу кэнкю сире. - 1980, N 4 (37), с. 172-178.