DIAGNOSTIKA NA ŽELEZNIČNÍ DOPRAVNÍ CESTĚ 2013, DĚČÍN 20.-21.2.2013 Využití 3D skeneru pro hodnocení opotřebení dílů výhybek Autoři: Ing.Petr Havlíček, DT - Výhybkárna a strojírna a.s. Prostějov Ing.Petr Navrátil, DT - Výhybkárna a strojírna a.s. Prostějov 1. ÚVOD Železniční výhybka je speciální konstrukce, která umožňuje jízdu drážního vozidla v příslušném směru. Železniční výhybka se skládá z celé řady kovových součástí, z nichž přejezdy železničních kol nejvíce dynamicky zatěžované jsou především jazykové kolejnice a opornice ve výměnové části a srdcovka v části srdcovkové. Opotřebení a plastické přetvoření těchto nejvíce exponovaných součástí je možné měřit standardními měřidly (např. profiloměrem, šablonami, ocelovým pravítkem a klínkem), ale také nově metodou 3D skenování s využitím moderního 3D skenovacího zařízení. Tato technologie umožňuje bezkontaktní nasnímání (naskenování) pojížděného povrchu součásti již při její výrobě (tzn.před vložením do železniční sítě) a následné další skenování v průběhu jejího životního cyklu ve výhybce umístěné v trati. Následným porovnáním pořízených skenů lze s velikou přesností určit místa největšího opotřebení, a to, narozdíl od klasických měřidel, po celé délce součásti (plošně), tak rovněž v libovolných příčných řezech. Tento příspěvek popisuje možnosti využití 3D skeneru a aplikaci 3D skenování při hodnocení opotřebení dílů železničních výhybek. 2. POPIS 3D SKENERU Společnost DT - Výhybkárna a strojírna, a.s. (dále DT) využívá při kontrole opotřebení komponent železničních výhybek skener společnosti SolidVision, s.r.o. s označením HandyScan 3D EXAscan. Jedná se o laserový skener, který během snímání umožňuje vzájemný pohyb skeneru a tělesa. Tento 3D skener identifikuje poziční značky (targety) umístěné na tělese nebo podložce a pomocí dvou kamer snímá laserový kříž vyzařovaný skenerem pomocí laserového emitoru. Na počítači se v reálném čase zobrazuje obraz snímání, těleso a laserový kříž a automaticky se generuje polygonová síť. Skener je také použitelný pro reverzní inženýrství, návrh designu a 3D kontrolu. Samopolohovací laserový skener nabízí zvýšení rozlišení a přesnosti díky třetí kameře. Na obr. 1 je vlastní snímací zařízení osazené třemi kamerami, držadlem a laserovým emitorem, parametry a výstupní formáty skeneru jsou uvedeny v tab. 1. Skener má bateriové články pro práci mimo dosah elektrické sítě, speciální desku sloužící ke kalibraci přístroje před každým měřením a potřebnou kabeláž. Speciální software má tři samostatné vůči sobě spolupracující programy: VxElement - slouží ke skenování povrchů, Geomagic Studio - zde se nasnímaná polygonová síť upravuje a Geomagic Qualify - ke konečnému porovnávání nasnímaných dat s dalšími 3D modely [1]. Postup při skenování komponent železničních výhybek pomocí tohoto typu skeneru popisuje literatura [1]. Obr.1 Skener HandyScan 3D EXAscan [1]
Tab.1 Parametry a výstupní formáty skeneru [1] Hmotnost Rozměry Měření Třída laseru 1,25kg 172x260 x216mm 25,000 / s Rozlišení Přesnost ISO Vzdálenost Výstupní formát II 0,05mm až 40µm 20µm + 100 µm/m 30 cm.dae,.fbx,.ma,.obj,.ply,.stl,.txt.wrl,.x3d,.x3dz,.zpr 3. HODNOCENÍ OPOTŘEBENÍ DÍLŮ ŽELEZNIČNÍ VÝHYBKY Pracovníci Oddělení výzkumu a vývoje společnosti DT nejčastěji využívají 3D skener pro zjišťování opotřebení a velikosti plastické deformace u nejvíce exponovaných dílů železničních výhybek - jazykových kolejnic a především srdcovek. Nejčastějším využitím 3D skeneru nastává při validační činnosti nového výrobku v rámci zřízení nových provozních ověření a zkušebních úseků. Je tedy možné nový výrobek sledovat skenováním již od jeho vložení do železniční sítě a efektivně vyhodnocovat, jak se nový výrobek v trati chová a jaké je jeho opotřebení. Nemalou výhodou jeho použití je rovněž možnost rychlé reakce při navrhování a úpravě stávajících či tvorbě nových konstrukcí. 3.1 Hodnocení opotřebení srdcovek Skenování pojížděných ploch srdcovek různých konstrukcí (monoblok, zkrácený monoblok) probíhá v DT od r.2009. Železniční srdcovka (obr.2a,b) je součástí každé výhybky, umožňuje překřížení kolejnic a definitivní oddělení kolejí dvou různých směrů. Srdcovka je extrémně namáhána dynamickými rázy vyvolanými přejezdem kola z jedné nespojité části na druhou. Nejčastěji používaným typem konstrukce srdcovky je monobloková srdcovka vyrobená jako odlitek z Hadfieldovy vysokolegované manganové oceli. Obr.2a Železniční výhybka [1] Obr.2b Průjezd železničního dvojkolí přes srdcovku [1]
Po kompletním obrobení srdcovky ve výrobních prostorech DT následuje naskenování horních pojížděných ploch, především oblasti přechodu jízdního obrysu kola z křídlové kolejnice na hrot. Další skenování probíhá v určitých pravidelných intervalech po vložení srdcovky do trati - obr.3. Porovnáním nového a některého z předchozích skenů lze poměrně přesně určit místa největšího opotřebení horních pojížděných ploch včetně vizualizace plastické deformace - vznik tzv.převalků. Obr.3 Skenování manganové srdcovky v trati Dle uvedeného postupu je sledována například monobloková srdcovka z manganové oceli umístěná v II. tranzitním koridoru ČR v železniční stanici Drahotuše. První sken byl proveden před jejím vložením do výhybky (tzn. po jejím obrobení), další skenování probíhá přibližně jednou za tři měsíce. V prvních týdnech od vložení srdcovky do trati byly intervaly skenování častější z důvodu rychlejšího opotřebení, jenž je vyvoláno postupným nárůstem povrchové tvrdosti z původních 200 HBW až na 500 HBW. Je nutno podotknout, že skenování v trati probíhá ve vlakových pauzách bez nutnosti výluky koleje, kde je srdcovka umístěna. Sken před vložením do trati je na obr.4. Porovnáním tohoto skenu se stavem srdcovky provozované v trati lze pozorovat na obr.5a včetně 2D řezu. Z obrázku je jasně viditelné, že srdcovka je pojížděna převážně v jednom směru, opotřebení pravé křídlové kolejnice je vyšší než levé křídlové kolejnice. 2D řez - obr.5b - lze v softwaru dodávaném se skenerem provést v libovolném místě nasnímané geometrie. Obr.4 Sken manganové srdcovky před vložením do trati [1]
Pomocí 3D skeneru bylo indikováno výrazně plastické přetvoření v oblasti pravé křídlové kolejnice, kdy se materiál vytlačuje z horních ploch na boční, a vznikají tak převalky, jež je nutné v rámci údržby zabrušovat. Názorně je plastická deformace pravé křídlové kolejnice ukázána na obr.5b. Díky 3D skeneru tak tedy bylo dokázáno, že u srdcovek z manganové oceli se v prvních týdnech jejich používání v trati horní plochy neopotřebovávají abrazivně, spíše zde nastává vytlačení materiálu a vznik převalků. 3D skener v tomto případě slouží také k optimalizaci tvaru pojížděných ploch již ve fázích návrhu konstrukce srdcovky. Obr.5a Plošné vyhodnocení skenů srdcovky [1] Obr.5b 2D řez - vznik převalku na křídlové kolejnici [1] 3.2 Hodnocení opotřebení jazykových kolejnic V rámci požadavků vznesených na pracovníky Oddělení výzkumu a vývoje DT ohledně sledování opotřebení jazyků v trati byly hledány k tomuto účelu vhodné metody. Jednou z metod, která byla zkoušena, bylo i měření příčného profilu jazyka pomocí přípravku a elektronického srdcovkového profiloměru. Tímto měřením je však možné získat pouze příčné řezy v daném místě, které nedávají přehled o plošném opotřebení jazyků. Pro jeho zjištění pomocí této metody by bylo nutné vytvořit velké množství za sebou jdoucích příčných řezů a jejich sestavením bychom teprve následně dostali plošný model jazyka. Získání dostatečného množství řezů pro tvorbu plošného modelu je však v trati (za provozu bez výluky) z časových důvodů nemožné. Pro měření plošného opotřebení jazyků bylo měření profiloměrem nevyhovující. Proto se přistoupilo, podobně jako u již zmíněných srdcovek, k měření opotřebení pomocí 3D skeneru, kdy je po vyhodnocení na první pohled patrné opotřebení na vybraném úseku jazyka - obr.6.
Obr.6 Znázornění "plošného" opotřebení hlavy jazyka Skenování jazyků není tak časově náročné, vše je možné zvládnout ve vlakových pauzách bez nutnosti výluky. Před samotným začátkem skenování je zapotřebí jazyk dostatečně očistit od maziva a jiných nečistot a dále nalepit skenovací body. Pro naskenování celého jazyka je nutné, aby jazyk byl v otevřené (odlehlé) poloze. Jelikož se v současné době jedná jen o skenování ohnutých jazyků, u kterých dochází k největšímu opotřebení, je nutné mít výhybku přestavenou do přímého směru - obr.7. Nejprve se naskenuje výchozí stav, který se považuje za "REFERENCI", k tomu se dále porovnávají další pořízené skeny a sleduje se opotřebení vzniklé provozem. Obr.7 Skenování jazyků v trati 3.2.1 Vyhodnocení naskenovaných dat - 3D porovnání Po naskenování jazyka v trati dochází k samotnému vyhodnocení naměřených dat. Vždy musíme mít k dispozici "Referenční" model, ten může být buďto vypracován v některém z 3D CAD systému nebo za "Referenční" můžeme považovat také 3D sken, který byl naskenován po výrobě v DT případně ihned po vložení jazyku do výhybky. Tento model je pro nás potom brán jako výchozí a k tomuto modelu dále srovnáváme další naskenované modely (Testy). Porovnáním těchto dvou modelů, tj. Referenčního a Testu, získáme barevnou mapu znázorňující odchylku naskenovaného modelu (Testu) od počátečního stavu (Reference). Díky tomuto výsledku s barevným znázorněním odchylek přesně víme, ve kterém místě "atakuje" okolek jízdního obrysu hlavu jazyka a k jakému opotřebení či přetvoření při tom u něj dochází. Z porovnání obou skenů jsme schopni určit pomocí 3D softwaru v jakémkoliv místě velikost opotřebení. Velikost tohoto opotřebení můžeme odečíst z barevné mapy nebo mocí funkce, která nám znázorní velikost rozdílu obou skenů - obr.8.
Obr.8 Odečtení hodnoty opotřebení z porovnaných skenů 3.2.2 Vyhodnocení naskenovaných dat - 2D porovnání Z již porovnaného modelu můžeme dále v libovolném místě vytvořit příčný (popř. podélný) řez. Na tomto řezu můžeme detailněji sledovat opotřebení (přetvoření) jazyka při kontaktu jízdního obrysu s hlavou jazyka. Hodnotu opotřebení je možno odečíst stejně jako u plošného modelu z barevného schématu nebo vynést v patřičném místě číselnou hodnotu opotřebení - obr.9. Obr.9 Příčný řez jazykem
4. ZÁVĚR Výsledkem měření 3D skenerem je plošný model, který je uložen v počítači a je možno se v budoucnu kdykoliv k němu vrátit a provést měření v jiném místě modelu. Tento model můžeme dále převést do většiny CAD systémů, kde je možno s ním dále pracovat. Další možností využití naskenovaného modelu je měření jeho geometrických tvarů a tím i kontrolu tvaru součásti a porovnání tohoto tvaru s výrobně - výkresovou dokumentací. Metoda zjišťování opotřebení a velikosti plastické deformace dílů výhybky pomocí 3D skeneru není jedna z nejlevnějších, ať už bereme v potaz náklady na pořízení zařízení (3D skeneru) a softwaru, tak i samotné náklady na měření, při kterém je zapotřebí používat speciální reflexní body, jež je nutno nalepit na skenovaný povrch. Jedná se však o velmi přesné plošné vyhodnocení opotřebení a deformace komponent výhybek, díky kterému můžeme lépe určit, kde se nachází problémová místa na dílech výhybky a následně navrhnout vhodná opatření k zamezení vzniku těchto nežádoucích jevů. Pracovníci Oddělení výzkumu a vývoje společnosti DT - Výhybkárna a strojírna, a.s. díky 3D skeneru nyní dokáží přesněji popsat místa vzniku nadměrného opotřebení a oblastí vzniku plastických deformací dílů výhybek. Získané poznatky jsou využity při optimalizaci dílů výhybek a návrhu nových řešení, především jejich exponovaných částí. Literatura [1] Havlíček, P. Kontrola komponent železničních výhybek pomocí 3D skeneru EXAscan. Nová železniční technika, 2012, roč. 20, č. 3, s. 24-28. ISSN: 1210-3942.