Способ определения массоинерционных параметров грузового вагона и устройство для его реализации
METHOD FOR DETERMINING THE MASS-INERTIA PARAMETERS OF A FREIGHT CAR AND A DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при оценке параметров груженых вагонов.
Обеспечение безопасности транспортных перевозок в железнодорожной отрасли производственно-технических отношений относится к числу актуальных современных научно-технических проблем, которые нашли отражение в работах отечественных ученых (Махутов Н.А., Лапидус Б.М., Когана А.Я., Ромена Ю.С., Хохлова А.А. и др.).
Особенностью эксплуатации технических средств железнодорожного транспорта является их работа в условиях интенсивного динамического вибрационного нагружения, что инициируется многими факторами внешнего воздействия со стороны контактов «колесо-рельс», динамикой взаимодействия элементов технических объектов (вагоны, локомотивы), а также проявлениями поездной динамики.
Повышение эффективности перевозочных процессов требует повышения скорости движения, увеличения веса поездов, повышения осевых нагрузок, для чего необходим учет многих факторов, отражающих качество загрузки, выполнения условий равномерного распределения нагрузок в составе. Вопросам организации загрузки вагонов уделяется большое внимание, что нашло, в частности, отражение в работах Туранова Х.К. и др., что, в конечном итоге, привело к созданию специальных технических систем, контролирующих веса вагонов, а также ряд других параметров в режимах сопутствующих мероприятий, не препятствующих процессам сортировки вагонов и формирования составов, используя режимы движения вагонов, создаваемые спуском с сортировочной горки. Вместе с тем развитие упомянутых подходов нуждается в расширении представлений о более широком круге параметров, характеризующих свойства подвижных средств, в том числе, о расположении центра масс и момента инерции транспортного средства.
В процессе патентного поиска выявлен ряд изобретений-аналогов.
Известна полезная модель [Лучкин В.А. «Вагонные весы для взвешивания в движении и статике с применением самоустанавливающихся платформ», 98807, МПК G01G 19/04, приоритет 27.10.2010], представляющая собой весы состоят из набора весовых платформ, установленных на самоустанавливающихся узлах встроек тензодатчиков, закрепленных на жестком основании весов и весового контролера, передающего данные на компьютер. В весах используются самоустанавливающиеся узлы встроек тензодатчиков с применением самоустанавливающихся двухопорных тензодатчиков, которые обеспечивают точечную передачу усилия и подвижную связь между весовой платформой и опорным основанием весов. Технический результат: упрощение конструкции железнодорожных весов для взвешивания вагонов в движении и статике, модульное построение весов, простота установки и обслуживания.
К недостаткам данного технического решения можно отнести недостаточную точность проведения измерений по определению расположения центра тяжести вагона не всегда совпадает с положением центра масс порожнего вагона.
Известно устройство [Ададуров С.Е., Розенберг Е.Н., Розенберг И.Н., Иконников Е.А., Миронов B.C., Винокурова Т.А., Колыско А.Ю. «Устройство для контроля нагрузок вагонных осей у проходящих по железной дороге вагонов», 2401996, МПК G01G19/04, приоритет 20.10.2010], содержащее весы в виде грузоприемной платформы, установленной на фундаменте в разрез железнодорожного пути на тензодатчиках, выходы которых подключены к весоизмерительному преобразователю, блок памяти, блок сравнения сигналов с допустимым значением осевой нагрузки, датчик счета осей, блок индикации и регистрации. К процессору подключены блок памяти и выходы реверсивного счетчика, блока сравнения и весоизмерительного преобразователя, к управляющему входу которого подключен выход блока определения скорости, а выход процессора подключен к блоку индикации и регистрации. При этом входы реверсивного счетчика и блока сравнения подключены соответственно к датчику счета осей и выходу весоизмерительного преобразователя. После взвешивания показания массы каждой оси сравнивают с допустимыми значениями осевой нагрузки на железнодорожный путь. В случае их превышения хотя бы одной оси состав вагонов или данный вагон с перегрузом возвращают на весы, повторно взвешивают и полученные результаты взвешивания сравнивают с результатами первого взвешивания. Технический результат заключается в расширении области измерения и повышении точности измерений весов.
Недостатки данного изобретения заключается сложность технологии измерения, а также отсутствие учета положением центра масс грузового вагона.
За прототип принимается способ [Иконников Е.А., Решетникова Е.И. «Способ оценки неравномерности загрузки вагонов с помощью вагонных электронных весов», 2210747, МПК G01G19/04, приоритет 20.08.2003], включающий поколесное измерение массы брутто движущегося вагона. Измерение массы брутто вагона производят путем взвешивания и суммирования отдельных частей масс брутто, распределенных по восьми колесам вагона. Дополнительно производят измерение массы брутто левой и правой сторон вагона путем взвешивания и суммирования соответствующих масс брутто, распределенных по левым и правым колесам. Разность масс груза, распределенных по левой и правой сторонам вагона относительно его колес, определяют путем определения разности масс брутто по боковым сторонам вагона у четырех его осей. После этого определяют разности масс груза по боковым сторонам вагона у двух его тележек, как сумму соответствующих разностей двух попарно установленных на каждой тележке осей с соответствующими левой (+) или правой (-) сторонам вагона знаками. Неравномерность загрузки вагона по его боковым сторонам Δ определяют как сумму соответствующих разностей двух тележек. Технический результат: расширение эксплуатационных возможностей.
К недостаткам прототипа можно отнести погрешность измерений на стандартных вагонных весах и отсутствие учета положением центра масс грузового вагона.
Задачей предлагаемого изобретения является определение массоинерционных параметров грузового вагона в условиях увеличения веса грузовых поездов.
Способ определения массоинерционных параметров грузового вагона, включающий прохождение грузового вагона по участку рельсового пути, измерение и фиксацию его параметров, отличающийся тем, что создаются условия возбуждения угловых колебаний при прохождении вагонными тележками «синусоидальных» прокладок, закрепленных на рельсах измерительной платформы, замеряют смещение крайних точек вагона, после чего определяют момент инерции вагона
Устройство для реализации способа по п. 1, отличающееся тем, что рельсы измерительного участка снабжен прокладками в виде «синусоидальных» наплывов на рельсы для обеспечения возбуждения колебаний грузового вагона, содержащее телекамеры, датчики, а также систему передачи информации в блок управления для проведения и фиксации результатов расчета.
Суть изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 приведена принципиальная схема, содержащая железобетонный блок 1, рельсовый участок 2, двухосные тележки 3, 4, синусоидальные прокладки 5, вагон 6, телекамеры 7, 8, блок управления 9.
На фиг. 2 представлена расчетная схема грузового вагона при кинематическом возмущении.
На фиг. 3 приведена структурная математическая модель (структурная схема) механической колебательной системы, приведенной на фиг. 2.
Изобретение работает следующим образом.
Принципиальная схема предлагаемого изобретения приводится на фиг. 1а, б, где взаимное расположение элементов показано сверху (фиг. 1а), а также при рассмотрении «сбоку» (рис. 1б).
Измерительная платформа состоит из железобетонного блока 1 и рельсового участка 2. Вагон 6 опирается на двухосные тележки 3, 4. Колесные пары опираются на синусоидальные прокладки 5 (фиг. 1б), закрепленные не жестко на рельсах (с возможностями их замены или введения других параметров внешнего возмущения).
Для фиксации параметров динамического состояния вагона используются телекамеры 7 и 8, соединенные с пультом 9, имеющим соответствующие вычислительные средства для обработки результатов. Для фиксации замеров используются светодиодные датчики, обеспечивающие включение телекамер 7 и 8 при прохождении первой тележки синусоидальной прокладки 5, одновременно включается телекамера 7 с фиксацией в блоке управления параметров смещения углов грузового вагона относительно измерительной базы.
Полученная информация используется для определения параметра J - момента инерции вагона и передается в центр планирования состава поезда.
Теоретическое обоснование возможностей оценки динамических свойств и массоинерционных параметров средств железнодорожного транспорта
Расчетными схемами многих технических объектов, в том числе средств подвижного состава железных дорог, являются механические колебательные системы с несколькими степенями свободы. Вопросам динамики таких систем уделяется достаточно большое внимание, что нашло отражение в работах отечественных ученых (Коган А.Я., Ромен Ю.С., Хохлов А.А., Савоськин А.Н. и др.).
Особенностью транспортных средств является работа в условиях интенсивного динамического вибрационного нагружения, что формирует критические ситуации, оценка, контроль и устранение которых относится к числу важнейших проблем в обеспечении безопасности транспортных процессов.
Динамика взаимодействия технических средств (например, грузовых поездов) отличается большим разнообразием форм динамического взаимодействия элементов системы, что требует учета специфических особенностей технических объектов, оценки значений массоинерционных параметров критических значений внешних воздействий и др.
Рассматривается задач построения математических моделей для оценки динамических свойств груженых вагонов для определения особенностей соотношения таких параметров системы как положение центра масс, значение момента инерции объекта и др., что оказывает влияние на условия безопасного движения.
1. На фиг. 2 приведена расчетная схема вагона, принципиальная схема которого приведена на фиг. 1, может быть рассмотрена в виде механической колебательной системы с двумя степенями свободы.
1
2
1
2
Технический объект в первом приближении, представляет собой твердое тело, обладающее массой М и моментом инерции J относительно центра масс (точка О, фиг. 3). Система опирается на два упругих элемента с коэффициентами k и k, положение центра масс определяется длинами l и l (фиг. 3).
1
2
2
Предполагается, что твердое тело (М, J) совершает малые колебания относительно положения установившегося движения в системе координат y, y, связанной с неподвижным базисом. Система имеет внешнее кинематическое возмущение z(t), представленное гармонической функцией.
Математическая модель исходной системы (фиг. 2) может быть рассмотрена на основе методов структурного математического моделирования [1, 2], что определяется следующими уравнениями:
где р=jω (j=√-1) - комплексная переменная, значок ↔ над переменной означает ее изображение по Лапласу [3].
Используя уравнения (1), (2) в операторной форме, можно ввести в рассмотрение структурную математическую модель в виде структурной схемы эквивалентной в динамическом отношении системы автоматического управления [1,2].
Используя структурную схему (фиг. 4), запишем передаточные функции системы:
где
является частотным характеристическим уравнением;
2. Полагая, что положение центра масс известно, найдем значение момента инерции J. Вопрос об оценке значения J возникает при реализации загрузки грузового вагона. Что касается значения массы М, а также значений коэффициентов а и b, то полагаем, что они также известны (либо при расчетах расположения грузов, либо путем определения М, а и b в процессе загрузки или на специальном стенде перед формированием состава).
Определение параметра J представляет интерес, поскольку при выполнении условия
«исчезает» инерционная связь между парциальными системами (фиг. 3), что существенным образом оказывает влияние на процессы динамики взаимодействий.
2
2
2
2
2
a
a
1,
i(Jc - Mb)р=(M+Jc)p+k
2
1
2
2
a
a
1.
(iJc- iMb-M - Jc)p=k
Поскольку i определяется экспериментально, то можно найти частоту колебаний «галопирования».
Масса известна из предыдущих экспериментов.
Используя подходы, изложенные в работах [2, 4], запишем передаточную функцию межпарциальных связей, учитывая особенности структурной математической модели, приведенной на фиг. 3
Физический смысл передаточной функции  заключается в том, что она отображает зависимость отношения амплитуд колебаний двух точек твердого тела. В ряде работ, в том числе в [2, 4], отношение амплитуд (8) интерпретируется как передаточное отношение
некоторого виртуального рычага (рычажного механизма первого или второго рода в зависимости от знака i) [5], значение которого зависит от параметров элементов системы и частоты колебаний механической колебательной системы.
Поскольку значение i может быть определенно в рассматриваемом случае не на основе экспериментальных данных, то это позволяет найти частоту угловых колебаний
Из следует, что
или
Поскольку i может быть определено экспериментом, то из (11) следует, что
2
2
2
2
а
а
1
ωJc (i - 1)ω - ωМ(+bi)=k,
то
Из выражения (13) может быть найдено значение момента инерции груженого вагона J; при этом необходимо учесть, что определяемый параметр i, в силу специфики движений имеет отрицательное значение, тогда окончательно получим
На основании приведенных выкладок, используя полученные данные из экспериментальных замеров (i и b), можно найти значение момента инерции J груженого вагона и сопоставить его с условием, определяющим рациональные условия движения вагонов интенсивного динамического нагружения.
Список использованных источников
1. Елисеев С.В. Прикладная теория колебаний в задачах динамики линейных механических систем / С.В. Елисеев, А.И. Артюнин. - Новосибирск: Наука, 2016. - 459 с.
2. Елисеев С.В., Елисеев А.В., Большаков Р.С., Хоменко А.П. Методология системного анализа в задачах оценки, формирования и управления динамическим состоянием технологических и транспортных машин. Новосибирск: Наука, 2021. - 679 с.
3. Лурье А.И. Операционное исчисление и применение в технических приложениях / А.И. Лурье. - М.: Л.: ГИТТЛ, 1961. - 433 с.
4. Елисеев С.В. Прикладной системный анализ и структурное математическое моделирование (динамика транспортных и технологических машин: связность движений, вибрационные взаимодействия, рычажные связи) / С.В. Елисеев. - Иркутск: ИрГУПС, 2018. - 692 с.
5. Крейнин П.Г. Справочник по механизмам. - М.: Машиностроение. 1986. - 512 с.