Pomiary geometrii profilu powierzchni tocznej kół

(1)

XIII K O N FEREN CJA NAUKOW A

„PO JA ZDY SZYN OW E ‘98”

ZN POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ 1998 Seria: TRA N SPO RT z.32, nr kol. 1393

Juliusz GRA BC ZY K Janusz M ADEJSKI Leszek SUCHECKI

POM IARY GEOM ETRII PROFILU POW IERZCHNI TOCZNEJ KÓŁ

Streszczenie. W referacie omawia się założenia projektowe i doświadczenia eksploatacyjne dwu nowych przenośnych przyrządów pom iarowych do pomiaru po

wierzchni tocznej kół. Jeden z nich przeznaczony jest do pomiaru param etrów geom e

trycznych profilu koła - O w, Og i qR ; używać go można jako elektronicznej suwmiarki.

Drugi z przyrządów służy do ciągłego pomiaru profilu koła, zm ierzone profile są następnie analizowane za pom ocą dedykowanego oprogram owania na kom puterze PC.

Przedstaw iono wyniki pom iarów przeprowadzonych w polowych w arunkach eksploata

cyjnych.

M EASUREM ENTS OF WFTEEL RUNNING SURFACE PROFILE GEOM ETRY

Sum m ary. The paper presents the design requirem ents and experience gained during the experim ental em ploym ent o f the two novel portable gauges for mesuring the profile o f the running surfaces o f wheels. One o f them is designed for m easuring the geom etri

cal param eters o f wheel - Ow, Og i qR, it may be used as an electronic gauge. The second gauge is used for the continuous m easurem ent o f the wheel profile, m easured profiles are later analysed by means o f the dedicated PC software package. Results o f m easure

m ents made in the field conditions are presented.

1. WSTĘP

Obecnie na PKP do kontroli profilu kół kolejowych stosuje się jeszcze powszechnie specjalizowane suwmiarki, szablony i elektroniczne przyrządy pom iarowe do szybkiego pom iaru wybranych parametrów geom etrycznych profilu. Rozwiązania te są zbyt mało dokładne, a pom iar w ym aga zbyt wiele czasu lub daje niewystarczającą ilość informacji.

Efektyw ne - szybkie i dokładne - pomiary profilu powierzchni roboczych kół stały się m ożliwe w m om encie pojawienia się przenośnego sprzętu pomiarowego zdolnego do pracy w warunkach polowych, oraz oprogram owania pozwalającego na zbiorcze opracowywanie w y

ników pom iarów uzyskanych za pom ocą tych urządzeń. Możliwy je st zatem na przykład nie tylko rzetelny i szybki pom iar paramatrów geometrycznych koła, takich jak Ow, Og i qR, ale także złożenie profilu teoretycznego koła z jego profilem rzeczywistym, sporządzanie w yk

(2)

resów błędów kształtu, czy analiza zm ian geometrii powierzchni postępujących w miarę zużyw ania się koła.

Profilom ierze do kół są przydatne na wszystkich etapach powstawania i eksploatacji kół kolejow ych i tram wajowych. M ogą służyć do sprawdzania poprawności pracy tokarek koło

wych i podtorow ych oraz do dokumentowania jakości profilu nowych zestawów kołowych lub profilu zestaw ów po regeneracji. System atyczna kontrola profilu kół kolejowych jest niezbędnym elem entem diagnostyki pojazdów trakcyjnych zapewniającym wczesne w ykryw a

nie nadm iernego zużycia kół. Koła o tak zmienionym profilu powodują z kolei przyspieszone zużycie toru, co sprawia, że kontrola geometrii kół je st istotnym czynnikiem podnoszącym także żyw otność nawierzchni kolejowej [1-4].

R ys. 1. Z a k re s z a d a ń p ro filo m ie rz y d o kół Fig. 1. S c o p e o f ta sk s o f th e w h eel p ro file g au g es

W czasie eksploatacji zestaw ów wyniki pom iarów profilom ierzem m ogą służyć do obser

wacji postępującego w czasie zużycia i do podejm owania decyzji o przekazaniu zestaw u do reprofilacji. W czasie okresowych kontroli profilu kół profilom ierz może służyć do w yzna

czania wartości param etrów Ow, Og i q, zgodnie z przepisami kolejowymi. Parametry te m ożna uznać za kryteria dopuszczalności eksploatacji zestawu, natomiast porównanie koła nowego z szablonem z wykorzystaniem szczelinom ierza należy uznać za kryterium jego po

prawności.

(3)

Pomiary geom etrii profilu . 73

Zakres zastosow ań omawianych profilomierzy i wymagana od nich zdolność do pracy w warunkach polow ych sprawiły, że zaprojektowano je jako urządzenia przenośne zdolne do przechow yw ania w yników pom iarów w pamięci. Wyniki pomiarów m ogą być opracowywane na kom puterze PC - przenośnym lub stacjonarnym, co um ożliwia bogate oprogramowanie um ożliwiające także dokumentowanie, archiwizację wyników pomiarów oraz dalsze wyko

rzystywanie po ich udostępnieniu odpowiedniem u dedykowanemu systemowi kom pu

terowemu.

2. PRZY RZĄ D DO CIĄGŁEJ KONTROLI PROFILU KÓL KOLEJOW YCH

N ow e urządzenie pomiarowe, jakim jest profilomierz A-B - om ówione wcześniej ju ż szerzej w pracach [4, 5], służy do pomiarów przekroju poprzecznego obrzeży kół kolejowych.

Pomiary m ogą być wykonywane zarówno w warunkach polowych, ja k i na obrabiarkach do obróbki kół. Przyrząd jest bazowany na bocznej powierzchni koła i na jego średnicy tocznej i pozwala na uzyskanie rozdzielczości lepszej od 0,15 mm. Dopuszczalne je st kilkakrotne prowadzenie końcówki po tej samej części powierzchni - oprogramowanie przyrządu pozw ala na jednoznaczne wyznaczenie profilu, a jego dokładność nie zależy od kwalifikacji obsługi.

U kład sterow ania profilom ierza rejestruje w pamięci wyniki przeprowadzonej sesji pom ia

rowej. Pojem ność zainstalowanej w rejestratorze pamięci um ożliwia zapam iętanie około 40 pomiarów, a przy w pełni naładowanym akumulatorze możliwa je st praca ciągła przez 6 godzin. Pam ięć, w której zapisane są wyniki pomiarów, ma swoje własne podtrzym anie zasilania - w yłączenie wyłącznika głównego przyrządu nie powoduje więc utraty danych. Po zakończeniu pom iarów zebrane wyniki przenoszone są do komputera PC poprzez łącze RS232. Zm ierzone profile m ogą być następnie dokładnie analizowane - w miarę potrzeby, za pom ocą specjalistycznego oprogramowania stanowiącego część składow ą system u pom ia

rowego.

Rysunki przedstawiające wyniki pom iarów m ożna wyświetlać na ekranie monitora, dru

kować, m ierzyć i porównywać ze wzorcami lub innymi rysunkami. O braz zm ierzonego pro

filu m ożna poddaw ać na ekranie transformacjom: obracać go, przesuwać i skalować, można go także opisyw ać i wymiarować w różnych układach współrzędnych - rys.2. O program owa

nie dostarczane w raz z profilomierzem pozwala na pomiar i analizę bądź to wybranych frag

mentów profilu obrzeża, bądź też na odniesienie się do jego całości. W ymiary podawane na rysunkach są w ynikiem analizy profilu obrzeża przeprowadzonej przez użytkownika po przeniesieniu w yników pomiaru do pamięci komputera PC, zaś siatka i oznaczenia są do

dawane autom atycznie przez system analizy i prezentacji wyników.

Profilom ierz m oże być przydatny na wszystkich etapach powstawania i eksploatacji kół kolejowych i tram wajowych. W czasie eksploatacji zestawów z kolei wyniki pom iarów pro

filom ierzem m ogą służyć do obserwacji postępującego w czasie zużycia i do podejm ow ania decyzji o przekazaniu zestawu do reprofilacji. W czasie okresowych kontroli profilu kół pro

filomierz m oże także służyć do wyznaczania wartości parametrów O w, Og i qr zgodnie z przepisami kolejowymi.

Profilom ierz służy do trzyparametrowego badania geometrii przekroju poprzecznego kół kolejowych, dla których wyznaczane są parametry Ow, O g i qR. Przyrząd ten służy do pomiaru param etrów geom etrycznych obrzeży kół zestawów kołowych w agonów i lokomotyw. Pomiar prowadzony je st w cyklu autom atycznym po zamocowaniu przyrządu pom iarowego na m ie

rzonym kole i uruchom ieniu trybu pomiarowego. Po wykonaniu serii pom iarów ich wyniki

(4)

P om iar: W024P3.RYS P om iar: W024L3.RYS W z o r z e c : 3 2 U I C 1 3 5 .R Y S

Rys.2. Przykładow e profile bieżni kół

Fig.2. Exem plary profiles o f the running surfaces o f wheels

SKALA 1.8:1

rabczyk, J. Madejski, L Suchecki

(5)

Pomiary geom etrii profilu 75

przenosi się do pam ięci komputera PC dla dalszej analizy - zadania te realizuje oprogram owa

nie dostarczane wraz z przyrządem pomiarowym.

3. BU D O W A I EK SPLOATACJA PROFILOM IERZA OwOgQr DO O BRZEŻY KÓŁ

Przyrząd bazowany je st na trzech punktach wyznaczających płaszczyznę boczną koła i dwu punktach na obrzeżu koła. Końcówki pomiarowe zamocowane są na dwu prostoliniowych prow adnicach bezluzowych i połączone są z przetwornikiem fotoimpulsowym. Zastosowany w przyrządzie przetwornik pozwala na uzyskanie rozdzielczości lepszej niż 0.019 mm. Zakres pom iarowy przyrządu pozwala na pomiar obrzeży kół o szerokości od 135 do 140 mm i wy

sokości do 40 mm. Przyrząd zbudowany je st z dwóch części połączonych z sobą kablem - profilom ierza oraz rejestratora (układu sterowania i rejestracji wyników pomiarów). Na płycie czołowej rejestratora znajduje się klawiatura i wyświetlacz alfanumeryczny LCD.

Przyrząd je st przystosowany do pomiarów kół wagonów i lokomotyw. W danym pliku pom iarowym m ogą się znajdować wyniki pomiarów albo kół wagonów, albo kół lokomotyw.

W jednym pliku pomiarowym nie można zapisać jednocześnie pomiarów kół wagonów i lo

komotywy. Pamięć przyrządu mieści 100 plików pomiarowych (łącznie maks. 128 KB), przy czym plik z w ynikam i pom iarów kół w agonów może zawierać wyniki pom iarów wielu wagonów - np. całego zestawu pociągu. Nie ma ograniczenia na liczbę wagonów, których dane znajdują się w jednym pliku. Nie ma też konieczności prowadzenia pom iarów kół w jakiejś określonej kolejności dla poszczególnych wagonów czy ich zestawów, ponieważ każdy pomiar param etrów obrzeża jest zapamiętywany z kompletem danych identyfikujących kon

kretne koło-zestaw-w ózek-w agon, którego dotyczy.

Rys. 3. P ro filo m ie rz do p o m ia ru p a ra m e tró w g e o m e try c zn y c h kó ł k o lejo w y ch

Fig.3. P ro file g a u g e fo r m e a su re m e n t o f th e g e o m e tric al p a ra m e ters o f th e railw ay w h eels

Eksploatacja system u polega na zbieraniu wyników szeregu pom iarów do pamięci rejestra

tora, a następnie na ich dalszej analizie po przesłaniu do komputera. Zaleca się przesyłanie w yników pom iarów do komputera co dzień - po zakończeniu sesji pomiarowej, a następnie kasowanie zaw artości pam ięci rejestratora.

(6)

Profilom ierz może pracować w dwu trybach pracy pomiarowej: Podgląd i Zapis. Tryb Podgląd pozw ala na przeprowadzenie pomiaru bez zapisywania wyniku do pam ięci rejestra

tora. N a ekranie rejestratora pojawia się wynik pomiaru, z ew entualną sygnalizacją przekro

czenia skrajnych wartości dopuszczalnych. Ponadto rejestrator może wydawać sygnały akustyczne (konieczność naładowania akumulatora, koniec pomiaru, koniec transm isji plików pom iarow ych do kom putera PC itp.). Właściwe przygotowanie rejestratora do pracy jest niezbędnym w arunkiem uzyskania poprawnych wyników pomiarów parametrów geometrii kół. D rugim istotnym czynnikiem wpływającym na rzetelność wyników pom iarów jest od

pow iednie zam ocowanie przyrządu na kole.

3.1. System składow ania i raportowania wyników pomiarów na komputerze PC

Pojem ność zainstalowanej w rejestratorze pamięci je st równa 128KB, co um ożliwia za

pam iętanie około 100 plików. Pliki zawarte w pamięci rejestratora można usuwać - jest to operacja nieodwracalna. Usuwać można albo pojedyncze pliki, wskazane przez podanie ich num eru, albo wszystkie pliki zapisane w tym momencie w pamięci. Pliki z w ynikam i po

m iarów przenoszone są do komputera PC poprzez łącze RS232. Wyniki zapisane w pamięci kom putera PC m ożna przeglądać i porównywać z innymi pomiarami - m ogą to być na przykład pom iary tego samego zestawu zrealizowane w określonym odstępie czasu.

**laiaiM ei«jnrLssiMii*i is n a is m n**

£ 1 * £ d y c ja W»dok H a tzę d zia Pomog

(W tz y tfk £Hk Progiamj* Ł M i l l

W y b ie iż p o in i. ii

A k t u a ln y k a t a lo g : C : \ W P 0 O C S \ I N S T R U K . C J E \ P R O F I L “ 1 \ O G O W Q R V W Y N IK I

N a p ę d : K a t a lo g i:

P o m ia ty v t k a t a lo g u :

m G

Anuluj

L o k o m . E U 1 2 5 4 1 1 9 9 8 . 0 1 . 2 0 1 3 : 3 8 A L A .G W R 'sj.-

W a g o n y 1 9 9 8 . 0 1 . 2 0 1 3 : 3 9 A 5 .G W R —

W a g o n y 1 9 9 8 . 0 1 . 2 0 1 3 : 3 9 A B .G W R

W a g o n y 1 9 9 8 . 0 1 . 2 0 1 3 : 4 0 A 7 .G W R :

W a g o n y 1 2 - 1 4 3 1 9 9 8 . 0 1 . 2 0 1 3 : 3 9 A 3 .G W R W a g o n y 1 2 -5 4 1 1 9 9 8 . 0 1 . 2 0 1 3 : 3 8 E L A G W R W a g o n y 1 5 -3 4 1 1 9 9 8 . 0 1 . 2 0 1 3 : 3 9 A 4 .G W R

SflSl.rtl g>U«iri#.«l..| gflM-Sch. . T a j e k « t a a c t . . | [ ^ P i o g , J m . . . [<J B “ ' ®18

R y s.4 . W y b ó r p lik u p o m ia ro w e g o z b azy po m iaró w Fig. 4. S e le c tin g a file fro m the m e a su re m e n t d atab ase

3.2. G enerow anie i w ydruk raportów

Dla każdego pliku pom iarowego przenoszonego z rejestratora do pamięci kom putera PC generowany je st w trakcie tego procesu plik tekstowy z protokołem pomiarowym. Protokół taki m oże być generowany w jednym z dwu dostępnych trybów:

norm alnym , w którym podawane są tylko uśrednione wartości param etrów zm ierzo

nych dla poszczególnych kół,

(7)

Pomiary geom etrii profilu 77

E Sk L Ó & , w - jo k Pornos

■ L g M S I a f l g t j a j H s p M R l « j a f c d l D D

.. . . - ...

[tJ O y p t

jW g y s tk gfik Ptogiamy

PłiKjf aśt jtfi'yr/yfdu &.*0wQt

ó w n a rtie p o m ia ró w d la p o c ią g u P o c ią g n i: 1 2 -1 4 3 P o m ia iy z d n ia 2 0 .0 1 .1 9 9 8 r g o d z : 1 3 :3 9

W a g o n n r 1 / 1 4 9

W ó z e k : jA 4101

Z e s ta w 1 Z e s ta w 2

4 1 1 2 3 4 5 4 1

K o to p ra w e K o to le w e K o to p ra w e K o to le w e 2 4 .3m m

2 6 3mm 8.1 mm

_0slqR \060W QR * ł ZrootMfcowatw

P o c ią g n r 1 5-341 P o m ia ry z d n ia 2 0 .0 1 .1 9 9 8 r g o d z : 1 3 :3 9

W a g o n nr: 1 / 1 4 9

W ó z e k :

Z e s ta w 1 Z e s ta w 2

4101

K o to p ra w e K o to le w e K o to p ra w e K o to li 24.3m m

26.9m m

8.6mm

El _

Wybranych obiektów 1 :128KS

aas«~»l

i

^±1

» P io g i... [ 5 t o o l P . |

Rys. 5. Porównywanie wyników pomiarów Fig. 5. Comparing measurement results

dokładnym , w którym zam ieszczane są wszystkie pomiary dla poszczególnych kół nie więcej jednak niż 10 pierwszych pomiarów.

Przykładowy protokół pomiarowy

P r o t o k ó ł p o m ia ro w y z d n i a : 1 2 . 1 2 . 1 9 9 7 r g o d z . 1 3 :3 9 Z a k ł a d : Z1

O d d z i a ł : N

P o m i a ry w y k o n a ł : J a n K o w a l s k i Kod: JK1 Numer p o c i ą g u : 15-3 41

Nr wagonu: 149

Wózek A 41 Wózek B

Z e s t a w 1 Z e sta w 2 Zestaw 3 Z e s ta w 4

4101

K oło Koło K oło Koło Koło Koło Koło Koło

Prawe Lewe Prawe Lewe Prawe Lewe Prawe Lewe

Ow 26. 9 Og 24 . 3 q r 8 . 6

Nr wagonu: 258

Wózek A 4 1 Wózek B

Z e s t a w 1 Z e s ta w 2 Z e sta w 3 Z e s ta w 4 4101

K oło Koło Koło Koło Koło Koło Koło Koło

Ow 2 6 . 9

Og 24 . 5

q r 8 . 7

(8)

Nr w a gonu: 367

Z e s t a w 1 Z estaw 2 Z e s ta w 3 Z e s ta w 4

4102

K o ło Koło Koło Koło Koło Koło Koło Koło

Ow 26. 9

Og 2 4 . 8

q r 9 . 0

Nr w agonu: 476

Z e s t a w 1 Zesta w 2 Z e sta w 3 Z e sta w 4

4102

Ow 26. 9

Og 24 . 9

q r 9 .2

Nr w a gonu: 585

Wózek A Wózek B 42

Z e s t a w 1 Z estaw 2 Z e sta w 3 Z e sta w 4

4203

K oło Koło Koło Koło Koło Koło Koło K oło

Ow 2 6 . 9

Og 25. 1

q r 9 . 3

Nr w a gonu: 694

Wózek A Wózek B 42

Z e s t a w 1 Z estaw 2 Z e sta w 3 Z e s ta w 4

4203 4204

Ow 26. 9 2 6 . 7 2 6 . 5

Og 2 5 . 3 2 4 . 3 24 .3

q r 9 .6 8 .6 8 . 5

4. W NIOSKI

Om aw iane przyrządy zostały wszechstronnie sprawdzone w trakcie eksploatacji dośw iad

czalnej, a płynące z niej wnioski uwzględniono modyfikując prototypy. Tak opracowane w er

sje produkcyjne przyrządów wykorzystano do pomiarów w rzeczywistych warunkach eksploatacyjnych na kolei. Pomiary takie przeprowadzono między innymi dla m etra w ar

szaw skiego [7]. Wyniki pomiarów oraz ich późniejsza wnikliwa analiza pozwoliły na opra

cow anie szeregu szczegółowych zaleceń odnośnie do eksploatacji i przeglądów naw ierzchni i taboru. M ożliw e było na przykład określenie związku pomiędzy zużyciem kół a chropowa

tością pow ierzchni szyn, i to mimo jej wcześniejszego szlifowania. [7], Przyrząd do ciągłego pom iaru profilu kół pozwolił na ocenę wpływu różnicy średnic kół po reprofilacji i prze- koszeń zestaw ów na przyspieszone zużycie kół zestawów. Z tego względu możliwe stało się sform ułow anie zalecenia, zgodnie z którym powyższe parametry powinny podlegać sys

tem atycznej kontroli. Zalecenie to jest tym istotniejsze, że w niektórych warunkach eksploata

cyjnych, np. w metrze, może mieć miejsce jednostronne zwiększone zużycie zestawów

(9)

Pom iary geom etrii profilu 79

kołowych. W każdym więc przypadku konieczne je st dokonywanie system atycznych pom ia

rów postępującego w czasie zużycia kół. Taki pomiar można systematycznie prowadzić kontrolując parametry Ow, Og, qR.

U zupełnieniem przyrządów do pomiaru profilu kół są przyrządy do pom iaru szyn, po

nieważ jednym z czynników mogących wpływać na przyspieszenie zużycia kół je st niewłaś

ciwy profil poprzeczny główki szyny. Błędny profil szyny powoduje, że obrzeże koła m oże się stykać z boczną pow ierzchnią główki szyny, co z kolei powoduje przyspieszone zużycie obrzeża. Z tego też w zględu odbiór prac szlifierskich toru powinien uwzględniać nie tylko popraw ne ukształtow anie profilu wzdłużnego szyny, ale także poprawność ukształtowania profilu poprzecznego główki szyny oraz pomiar parametrów chropowatości powierzchni szyn.

Takie kom pleksow e badania zarówno kół taboru, jak i nawierzchni kolejowej dostarczają niezbędnych inform acji pozwalających racjonalnie prowadzić eksploatację taboru i nawierz

chni, a także śledzić i prognozować postępujące zużycie tych elementów.

LITERATU RA

1. M adejski J., Grabczyk J.: Rail Head and Wheel Profile Geometry M easurem ents in the Track, International Scientific Conference on Com puter Aided Design, M anufacture and Operation in the Railway and other Advanced Mass Transit Systems - CO M PRA IL 98, 2-4 Septem ber 1998, Lisbon, Portugal.

2. Grabczyk J., M adejski J., Sitarz M.: N ow e przyrządy i stanow iska do pom iarów kolejo

wych zestaw ów kołowych, Technika Transportu Szynowego, 2/1998, str. 52-56.

3. Grabczyk J., Madejski J., Gołaszewski A.: M ikroprocesorowe przyrządy do pomiarów profilu kół pojazdów szynowych, głów ek szyn i rozjazdów, Przegląd K olejowy 3/1998, str.

24-27.

4. Grabczyk J., Madejski J., Nowicki R„ Rzepka W„ Żaba P.: Autom atyczna kontrola geo

metrii kół w zestawach kołowych pociągów. Materiały M iędzynarodowego Seminarium N aukowego: "Kolejowe zestawy kołowe - teoria, projektowanie, wytwarzanie, eksplo

atacja", Katowice-Ustroń 18-20 września 1995r., ZN Pol. ŚL, seria Transport nr 27, Gli

w ice 1995, str. 93-102.

5. M adejski J., Grabczyk J.: Budowa i zastosowanie profilomierza A-B do pom iaru przekro

ju poprzecznego obrzeży kół kolejowych, M iędzynarodowa Konferencja i Specjalistyczna W ystaw a "Transport 97", Ostrawa - Katowice, 5-6 maja 1997, mat. konf. tom 1, str. 183- 188.

6. „Graw ” : Instrukcja obsługi profilomierza Ow Og qR do obrzeży kół, Gliwice, 1997.

7. „G raw ” : Sprawozdanie - Pomiary torów i kół taboru metra warszawskiego, G liwice, czer

w iec 1997.

Recenzent: Prof.dr hab.inż. Józef M arciniak

(10)

Abstract

Problem o f m easurem ents o f the transverse profile o f wheels is presented in the paper.

Train wheels have to be checked on a regular basis to make it possible to determ ine when re

pair or replacem ent is needed, due to their excessive wear resulting in improper geometry. The m easurem ent process o f wheel geometry is a tedious task, error prone, and requiring skilled staff to be done reliably in the field conditions. A utomatic portable devices with a program mable m easurem ent zone, described in the paper, make it possible to take m easurem ents o f the transverse profiles o f train wheels, and log the results for further detailed analysis using a dedicated com puter software in the field conditions on a rugged industrial grade portable PC com puters or later in the office environm ent where the latest m easurem ent data may comparer!

with previous readings to detect any eventual potentially dangerous trends. These m easure

ments may be carried out both by the wheel m anufacturers and by the railways personnel in

specting the rails and cars in the track. The paper presents results o f the thorough investiga

tions o f the sam ple units o f the rolling stock. The results reveal specific details that may add to m aking the maintenance procedures more specific to the investigated operation conditions.