СИСТЕМА И СПОСОБ МОДЕЛИРОВАНИЯ КОНТАКТА МЕЖДУ КОЛЕСОМ И РЕЛЬСОМ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА СЦЕПЛЕНИЯ
SYSTEM AND METHOD FOR MODELING THE CONTACT BETWEEN WHEEL AND RAIL TO DETERMINE COEFFICIENT OF ADHESION

Область техники
Настоящее изобретение, в общем, относится к области систем и способов определения коэффициента сцепления между колесом железнодорожного транспортного средства и рельсом; в частности, изобретение относится к системе и способу моделирования контакта между колесом и рельсом для определения коэффициента сцепления.
Уровень техники
Область способов и систем анализа коэффициента сцепления, создаваемого контактом колеса железнодорожного транспортного средства и рельса, является областью, в которой проводятся важные исследования в поиске новых решений.
Из уровня техники известны системы моделирования контакта между колесами железнодорожного транспортного средства и рельсами в лаборатории.
В таких системах цилиндрический ролик используется для моделирования рельса для железнодорожных транспортных средств. По меньшей мере одно колесо находится в скользящем контакте по внешнему периметру этого ролика. Ролик является приближенным к рельсе, так как его цилиндрическая форма меняет угол контакта между колесом и рельсом.
Для воспроизведения одинаковых условия движения колес железнодорожного транспортного средства на рельса, угловая скорость колес и угловая скорость ролика регулируются независимо, например, с помощью двигателей.
Эти системы также использовались для анализа сцепления между колесом и рельсом в случае загрязнения рельса. Загрязнение рельса может быть связано с попаданием воды, гниющих листьев, масла или других мелких частиц.
В известных системах моделирования загрязнения рельса используются системы впрыска загрязняющих веществ, которые впрыскивают загрязняющее вещество на внешний периметр ролика вблизи точки контакта с колесом.
centr
К сожалению, как видно на фигуре 1, загрязняющее вещество, скапливающееся на ролике системой впрыска, отбрасывается роликом из-за центробежной силы F, пропорциональной квадрату угловой скорости ролика и радиуса ролика.
Этот недостаток не позволяет стабильную регулировку загрязнения на поверхности ролика. При повышении угловой скорости ролика центробежная сила стремится отделить загрязняющее вещество от поверхности исследуемого ролика.
Также этот недостаток создает очищающий эффект (нереалистичная очистка) между одним колесом и следующим колесом из-за того, что загрязняющее вещество отбрасывается от ролика в пространство между одним колесом и следующим колесом.
Также моделирование присутствия загрязняющего вещества ограничивается только некоторыми типами загрязняющих веществ, некоторыми количествами или ограниченным диапазоном угловой скорости ролика.
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание системы и способа, которые позволяют моделировать состояние загрязнения рельса посредством стабильного слоя загрязнения для любого типа загрязнения или любой моделируемой скорости.
Также можно по-настоящему оценить влияние загрязняющего вещества в отношении коэффициента сцепления между колесом и рельсом, а также принять во внимание, во время оценки, эффект очистки рельса, который создается вследствие скольжения колеса на рельсе.
Упомянутые и другие задачи и преимущества решаются, в соответствии с одним из аспектов изобретения, системой и способом моделирования контакта между колесом и рельсом для определения коэффициента сцепления, имеющего признаки, определенные в независимых пунктах формулы изобретения. Предпочтительные варианты реализации изобретения определены в независимых пунктах формулы, предмет которых должен рассматриваться как неотъемлемая часть настоящего описания.
Краткое описание фигур
Далее будут описаны функциональные и структурные характеристики некоторых предпочтительных вариантов осуществления системы и способа моделирования контакта между колесом и рельсом для определения коэффициента сцепления в соответствии с изобретением. Ссылка сделана на прилагаемые чертежи, в которых:
- фигура 1 иллюстрирует две системы моделирования контакта между колесом и рельсом в соответствии с известным уровнем техники;
- фигура 2 иллюстрирует первый вариант осуществления системы моделирования контакта между колесом и рельсом;
- фигура 3 иллюстрирует второй вариант осуществления системы моделирования контакта между колесом и рельсом;
- фигура 4 иллюстрирует третий вариант осуществления системы моделирования контакта между колесом и рельсом;
- фигура 5 иллюстрирует четвертый вариант осуществления системы моделирования контакта между колесом и рельсом;
- фигура 6 иллюстрирует пятый вариант осуществления системы моделирования контакта между колесом и рельсом, в котором вращающийся двигатель соединен по периметру полой цилиндрической конструкции посредством соответствующих зубчатых поверхностей; а также
- фигура 7 иллюстрирует систему моделирования контакта между колесом и рельсом, содержащую систему пневмоюзовой защиты колес, ПЗК.
Осуществление изобретения
Перед подробным объяснением нескольких вариантов осуществления изобретения следует уточнить, что изобретение не ограничено в его применении подробностями конструкции и конфигурацией компонентов, приведенными в последующем описании или проиллюстрированными на чертежах. Изобретение может предполагать другие варианты его осуществления и может быть реализовано или достигнуто по существу разными путями. Следует также понимать, что фразеология и терминология имеют описательные цели и не должны рассматриваться как ограничивающие. Применение выражений «включать в себя» и «содержать» и их вариаций следует понимать как охватывающие элементы, изложенные ниже, и их эквиваленты, а также дополнительные элементы и их эквиваленты.
Система моделирования контакта между колесом и рельсом 1 в соответствии с изобретением, в частности, железнодорожного транспортного средства, содержит, по меньшей мере одну полую цилиндрическую конструкцию 3, также называемую роликом, имеющую первый диаметр D1 и включающую в себя имитацию  поверхности рельса 5, расположенную выполненную с возможностью интеграции с внутренней поверхностью 7 полой цилиндрической конструкции 3.
Имитация поверхности рельса 5 в предпочтительном варианте осуществления изобретения выполнена из металлического материала, в частности металлического материала, из которого обычно изготавливаются рельсы, например из стали.
Система моделирования контакта между колесом и рельсом 1 дополнительно содержит по меньшей мере одно колесо 9, имеющее второй диаметр D2, меньший, чем упомянутый первый диаметр D1, который включает в себя поверхность качения 11, размещенную в контакте с имитацией поверхности рельса 5 полой цилиндрической конструкции 3.
Упомянутое расположение позволяет избежать того, что загрязняющее вещество, скапливающееся на ролике с помощью системы впрыска или вручную, сбрасывается роликом из-за центробежной силы.
Ссылаясь на фигуру 2, система моделирования контакта между колесом и рельсом 1 также включает в себя вращающийся двигатель М1, соединенный с цилиндрической конструкцией 3 для создания вращения упомянутой первой цилиндрической конструкции 3.
Например, приводной вал 10 двигателя М1 соединен с соответствующим отверстием 12, расположенным в центре полой цилиндрической конструкции. Например, несколько стержней, также называемых спицами, или плоская поверхность, проходящая от внутренней поверхности 7 полой цилиндрической конструкции 3 до отверстия 12, может использоваться для удерживания упомянутого отверстия 12 в определенном положении.
Также второй вращающийся двигатель М2 связан с колесом 9 для создания вращения упомянутого колеса 9 и управления его проскальзыванием, то есть относительной скоростью, относительно цилиндрической конструкции 3.
a
Первое сенсорное средство 13 для крутящего момента, например датчик крутящего момента, размещено между двигателем M2 и колесом 9 для возможности измерения силы сцепления F, возникающей в точке контакта между колесом 9 и полой цилиндрической конструкцией 3.
c
Второе сенсорное средство 15 для нагрузки, например тензодатчик, расположено над колесом 9 и позволяет измерять обычное усилие нагрузки F, действующее на имитацию поверхности рельса 5.
a
c
Соотношение между силой сцепления F и нормальным усилием нагрузки F позволяет рассчитать реальный коэффициент сцепления колес с рельсами.
Реальный коэффициент сцепления колес с рельсами - это оценочное значение, характеризующее значение коэффициента сцепления, которое может иметь место при нормальных условиях эксплуатации железнодорожного транспортного средства.
a
c
Соотношение между силой сцепления F и нормальным усилием нагрузки F рассчитывается с помощью средства обработки, не показанного на фигурах.
Средство обработки может означать либо блок управления, принадлежащий системе моделирования контакта между колесом и рельсом 1, либо удаленный процессор, выполненный с возможностью приема данных, измеренных сенсорными средствами 13, 15 системы моделирования контакта между колесом и рельсом 1, при этом выполняется фактический расчет фактического коэффициента сцепления колес с рельсами.
Система моделирования контакта между колесом и рельсом 1 также включает в себя по меньшей мере одну систему контроля загрязнения 14, выполненную с возможностью воссоздания изменения состояния трения между колесом 9 и имитацией поверхности рельса 5.
Изменение условия трения может совпадать с уменьшением коэффициента трения, если впрыскиваемое загрязняющее вещество представляет собой, например, воду, масло или листья, в то время как оно может совпадать с увеличением коэффициента трения, если впрыскиваемое загрязняющее вещество представляет собой, например, песок.
По меньшей мере одна система контроля загрязнения 14 расположена вблизи каждого колеса 9.
Система контроля загрязнения 14 содержит систему впрыска загрязняющего вещества 14А для равномерного распределения загрязняющего вещества вдоль имитации поверхности рельса 5.
Поскольку загрязняющее вещество распределено вдоль имитации поверхности рельса 5, которая расположена на внутренней поверхности 7 полой цилиндрической конструкции 3, центробежная сила, создаваемая при вращении полой цилиндрической структуры 3, облегчает проверку уровня загрязнения. В отличие от известных решений, загрязняющее вещество вместо того, чтобы отбрасываться от вращающейся полой цилиндрической конструкции 3, удерживается вдоль имитации поверхности рельса 5 такой центробежной силой.
Устройство системы контроля загрязнения 14 может дополнительно содержать систему удаления загрязнений 14B, достигаемую, например, с помощью струи сжатого воздуха, лопаточки, скребка или аспиратора, выполненных с возможностью удаления загрязняющих веществ из цилиндрической конструкции 3.
Система контроля загрязнения 14 может содержать по меньшей мере одно сенсорное средство загрязнения 20, выполненное с возможностью определения уровня загрязнения системы моделирования контакта между колесом и рельсом 1. Таким образом, можно установить, вводить ли больше загрязняющего вещества, если загрязнение на полой цилиндрической конструкции 3 недостаточное; или прекратить вводить загрязняющее вещество, если загрязняющее вещество на цилиндрической конструкции 3 достаточное; или удалить загрязняющее вещество, если его количество на полой цилиндрической конструкции 3 чрезмерно.
Используемое сенсорное средство загрязнения 20 может, например, быть по меньшей мере либо оптическим датчиком, либо датчиком проводимости.
Фигура 3 иллюстрирует второй вариант осуществления системы моделирования контакта между колесом и рельсом 1. Различие по отношению к варианту осуществления изобретения, проиллюстрированному выше, состоит в том, что колес 9 по меньшей мере два. В примере, проиллюстрированном на этой фигуре, присутствуют четыре колеса.
Четыре колеса 9 выполнены продольно выровненными по отношению друг к другу, в контакте с имитацией поверхности рельса 5 вдоль плоскости, перпендикулярной ее оси вращения.
Тот факт, что используется более одного колеса 9, и тот факт, что загрязняющий материал удерживается на внутренней поверхности 7 полой цилиндрической конструкции 3, допускает явление очищения рельса, которое происходит при последовательном проходе нескольких колес 9 с проскальзыванием на рельсе, для подробного анализа.
В третьем варианте осуществления изобретения, проиллюстрированном на фигуре 4, отличие по сравнению с вариантами осуществления изобретения, проиллюстрированными выше, состоит в наличии двух полых цилиндрических конструкций 3, образующих пару цилиндрических конструкций 3А, 3B, включая в себя первую полую цилиндрическую конструкцию 3А и вторую полую цилиндрическую конструкцию 3B.
В частности, вторая полая цилиндрическая конструкция 3B выполнена параллельно первой полой цилиндрической конструкции 3А вдоль ее общей оси вращения.
Колеса разделены попарно на колеса 9А, 9B, каждое из которых содержит первое колесо 9А, расположенное в контакте с имитацией поверхности рельса 5 первой цилиндрической конструкции 3А, и второе колесо 9B, расположенное в контакте с имитацией поверхности рельса 5 второй цилиндрической конструкции 3B.
Первое и второе колеса 9А, 9B соединены друг с другом осью 17.
Ось 17 и, следовательно, первое и второе колеса 9А, 9B вращаются с помощью вращающегося двигателя М2.
Каждая полая цилиндрическая конструкция 3А, 3B вращается независимо от других посредством соответствующих вращающихся двигателей М1.
В четвертом варианте осуществления изобретения, проиллюстрированном на фигуре 5, пар колес по меньшей мере две и они установлены на тележке 19 для железнодорожного транспортного средства. Пары колес выполнены продольно выровненными по отношению друг к другу вдоль плоскости, перпендикулярной ее оси вращения.
l
Для моделирования веса вагона, действующего на рельсе, который имеет место в реальном случае движения железнодорожного вагона по рельсу, каждое колесо 9 находится в контакте с имитацией поверхности рельса 5 с помощью системы приведения в действие нагрузки, не проиллюстрированной на фигурах, и выполненной с возможностью создания силы F для имитации нагрузки, создаваемой весом вагона железнодорожного транспортного средства.
Например, система приведения в действие нагрузки может быть выполнена с помощью гидравлических или пневматических пружин или исполнительных механизмов.
Система моделирования контакта между колесом и рельсом 1 может дополнительно включать в себя электромагнитную тормозную систему 22, известную как магнитная колодка или МГТ (магнитный гусеничный тормоз), действующий непосредственно на имитации поверхности рельса 5 и расположенный между двумя колесами. Такая система может быть дополнительно активирована для оценки воздействия на тормозное усилие, передаваемое полой цилиндрической конструкции 3, и для оценки ее воздействия на имитацию поверхности рельса 5.
В пятом варианте осуществления изобретения, проиллюстрированном на фигуре 6, по меньшей мере один вращающийся двигатель М1 соединен по периметру полой цилиндрической конструкции 3, а не с соответствующим отверстием 12, расположенным в центре полой цилиндрической конструкции. Например, с помощью соответствующих зубчатых поверхностей 60.
Ссылаясь на фигуру 7, проиллюстрирована система моделирования контакта между колесом и рельсом, содержащая систему пневмоюзовой защиты колес 72, ПЗК.
В этом случае с помощью системы моделирования контакта между колесом и рельсом также можно смоделировать реальный случай, в котором железнодорожное транспортное средство имеет на борту систему пневмоюзовой защиты колес 72, ПЗК, выполненную с возможностью вмешательства при пробуксовке колес.
Как проиллюстрировано на фигуре 7, система моделирования контакта между колесом и рельсом 1 содержит несколько сенсорных средств 70 для определения скорости. Каждое сенсорное средство 70 для определения скорости выполнено с возможностью определения угловой скорости одного из упомянутых колес 9.
Система моделирования контакта между колесом и рельсом 1 также содержит систему 72 пневмоюзовой защиты колес 9, ПЗК, выполненную с возможностью определения значений скольжения колес, для которых была определена угловая скорость.
Система 72 пневмоюзовой защиты колес 9, ПЗК, также выполнена с возможностью приложения давления к воздушному резервуару 74, выполненному с возможностью моделирования тормозного цилиндра для каждого колеса 9, для которого была определена угловая скорость. Воздушный резервуар может представлять собой контейнер, внутри которого содержится определенное количество воздуха.
Значение давления, приложенного к воздушному резервуару 74, создается как функция значений скольжения, определенных системой пневмоюзовой защиты колес 72, ПЗК. Например, значение давления может быть ниже для воздушных резервуаров 74, связанных с колесами, которые ПЗК определила как пробуксовывающие.
Также система моделирования контакта между колесом и рельсом 1 содержит систему преобразования давления/тормозного момента 76, выполненную с возможностью преобразования значения давления, приложенного к воздушному резервуару 74, в соответствующие сигналы тормозного момента 79 для каждого колеса, и несколько средств торможения 78, каждое из которых связано с одним из упомянутых колес, для которого была обнаружена угловая скорость.
Каждое средство торможения выполнено с возможностью приложения к соответствующему колесу тормозного момента, соответствующего сигналу тормозного момента 79, полученному от системы преобразования давления/тормозного момента 76.
Продолжая ссылаться на фигуру 7, система преобразования давления/тормозного момента 76 может включать в себя несколько датчиков давления 80, каждый из которых действует для подачи сигнала электрического давления 82, значение которого соответствует одному из значений давления, приложенного к воздушным резервуарам 74, созданного системой пневмоюзовой защиты 72.
Система преобразования давления/тормозного момента 76 может дополнительно включать в себя модуль преобразования давления/усилия 84, выполненный с возможностью преобразования каждого сигнала электрического давления 82 в сигнал электрического усилия торможения 85, и модуль преобразования силы/крутящего момента 86, выполненный с возможностью преобразования в соответствии с радиусом колеса, сигналов электрической тормозного усилия 85 в соответствующие сигналы тормозного момента 79, которые должны подаваться в соответствующие средства торможения 78.
Фигура 7 иллюстрирует случай, в котором модуль ПЗК используется в системе моделирования контакта между колесом и рельсом в соответствии с вариантом осуществления изобретения, в котором колеса 9 выполнены продольно выровненными друг к другу вдоль плоскости, перпендикулярной его оси вращения; однако такая система ПЗК также может использоваться в любом из вариантов осуществления изобретения, упомянутых и показанных на чертежах, на которых присутствует несколько колес.
В альтернативном решении конструкция системы моделирования контакта между колесом и рельсом может содержать упрощенную конструкцию и содержать по меньшей мере одну полую цилиндрическую конструкцию 3, имеющую первый диаметр D1 и включающую в себя имитацию поверхности рельса 5, выполненную как одно целое с внутренней поверхностью 7 упомянутой полой цилиндрической конструкции 3 и по меньшей мере одного колеса 9, имеющего второй диаметр D2, меньший, чем упомянутый первый диаметр D1, и включающего в себя поверхность качения 11, расположенную в контакте с упомянутой имитацией поверхности рельса 5 полой цилиндрической конструкции 3. В частности, упомянутое по меньшей мере одно колесо 9 может представлять собой несколько колес 9, выполненных продольно выровненными друг к другу в контакте с имитацией поверхности рельса 5 вдоль плоскости, перпендикулярной ее оси вращения, для моделирования состояния очистки рельса. Понятно, что замыслы, упомянутые в отношении вращающихся двигателей M1 и M2, первого сенсорного средства крутящего момента 13, второго сенсорного средства нагрузки 15, средства обработки, системы контроля загрязнения 14, сенсорного средства загрязнения 20, нескольких цилиндрических конструкций 3, образующих пару цилиндрических конструкций 3А, 3B, первое и второе колеса 9А, 9B, соединенные друг с другом осью 17, пары колес, установленные на тележке 19 для железнодорожного транспортного средства, система привода нагрузки, система электромагнитного торможения 22, зубчатые поверхности 60 и система пневмоюзовой защиты колес 72, ПЗК, могут применяться отдельно или вместе с этим решением.
Изобретение дополнительно содержит способ моделирования контакта между колесом и рельсом 1, в частности, железнодорожного транспортного средства, содержащий этапы:
- обеспечивают по меньшей мере одну полую цилиндрическую конструкцию 3, имеющую первый диаметр D1, и включающую в себя имитацию поверхности рельса 5, которая выполнена как одно целое с внутренней поверхностью 7 упомянутой полой цилиндрической конструкции 3; а также
- обеспечивают внутри упомянутой первой цилиндрической конструкции 3 в контакте с упомянутой имитацией поверхности рельса 5 цилиндрической конструкции 3 по меньшей мере одно колесо 9, имеющее второй диаметр D2, меньший, чем упомянутый первый диаметр D1;
- вращают упомянутую первую цилиндрическую конструкцию 3 по меньшей мере с помощью первого двигателя M1;
- вращают по меньшей мере одно колесо 9 с помощью по меньшей мере одного вращающегося двигателя М2, связанного с упомянутым по меньшей мере одним колесом 9;
- впрыскивают загрязняющее вещество по меньшей мере на часть упомянутой имитации поверхности рельса 5 по меньшей мере с помощью одной системы контроля загрязнения 14;
a
- измеряют силу сцепления F, развиваемую в точке контакта, по меньшей мере одного колеса 9 и по меньшей мере одной цилиндрической конструкции 3;
c
- проверяют и измеряют обычное усилие нагрузки F на имитации поверхности рельса 5; а также
a
c
- вычисляют реальный коэффициент сцепления колес с рельсами по соотношению между силой сцепления F и обычным усилием нагрузки F.
Следовательно, преимуществом изобретения является создание системы и способа, которые позволяют моделировать состояние загрязнения рельса посредством стабильного слоя загрязнения для любого типа загрязнения или моделируемой скорости.
Также в предпочтительном варианте осуществления изобретения можно оценить влияние загрязняющего вещества в отношении коэффициента сцепления между колесом и рельсом, и принять во внимание, во время оценки, также эффект очистки рельса, который создается вследствие скольжения колеса на рельсе.
Были описаны различные аспекты и варианты осуществления системы и способа моделирования контакта между колесом и рельсом 1 в соответствии с изобретением. Подразумевается, что каждый вариант осуществления изобретения может быть объединен с любым другим вариантом осуществления изобретения. Также изобретение не ограничено описанными вариантами осуществления изобретения, но может варьироваться в пределах объема, определенного прилагаемой формулой изобретения.