УСТРОЙСТВО ЦИКЛИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ ДОРОЖНЫХ ДАТЧИКОВ
DEVICE OF CYCLIC LOADING OF LINEAR ROAD SENSORS

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к измерительной технике, а конкретнее - к устройству циклического нагружения линейных дорожных датчиков, предназначенных для взвешивания автотранспортных средств (АТС).
Уровень техники
В настоящее время известно много различных линейных дорожных датчиков, применяемых для взвешивания в движении автотранспортных средств. Эти датчики используют, как правило, пьезоэлектрические или оптоволоконные чувствительные элементы.
Применительно к задаче динамического измерения осевых нагрузок, веса многоосных тележек и общего веса АТС в процессе движения («Weigh-in-Motion» - WIM) наиболее распространенными в мировой практике являются линейные дорожные датчики на основе дискретных чувствительных элементов. Эти устройства чаще всего представляют собой набор дискретных монокристаллических, например, кварцевых чувствительных элементов, выполненных обычно в виде дисков, расположенных в одном или нескольких параллельных рядах с небольшим пространственным разнесением вдоль жесткой конструкции, установленной в дорожном покрытии поперек направления движения АТС (см., к примеру, патент США №5501111, опубл. 26.03.1996).
В наиболее распространенной в мировой практике реализации WIM корпус линейного дорожного датчика представляет собой установленный в дорожном покрытии экструдированный алюминиевый профиль (см., к примеру, патент США на промышленный образец №D686928, опубл. 30.07.2013) с размещенными в его замкнутом внутреннем объеме чувствительными элементами. На Фиг. 1а показан вид в изометрии такого профиля 1, а ссылочная позиция 2 отмечает дискретный чувствительный элемент. Такие чувствительные элементы (элементы из монокристаллического пьезоматериала, чаще всего - из монокристаллического кварца) расположены внутри замкнутого объема корпуса датчика вдоль его продольной оси обычно с одинаковым пространственным шагом; их форма при этом может быть произвольной, хотя, в большинстве реализаций, они представляют собой круглые диски (см., например, патент США №5641924, опубл. 31.10.1995, а также статью В.И. Речицкого «Из жизни дорожных датчиков», журнал «Автомобильные дороги», №7, 2013, стр. 61-70). Шаг установленных в корпусе такого датчика чувствительных элементов (дисков) обычно составляет 5-10 см. Протяженность датчика 3 (Фиг. 1б) чаще всего выбирается из условия перекрытия половины полосы движения и составляет 1,75-2,0 м.
В последнее время начали активно применяться и более доступные по цене интегральные линейные датчики на базе пьезополимерных кабелей, гидравлических и оптоволоконных чувствительных элементов и т.п., которые получили модифицированные технические решения, позволившие значительно повысить их точность и чувствительность за счет введения в конструкцию интегрирующих и локализующих внешние усилия элементов (см. патенты РФ на полезные модели №№127912 и 127913, оба опубл. 09.01.2013 г.). Одна из таких конструкций интегрального линейного датчика 3 массы приведена на Фиг. 2.
Практика показывает, что влияющие на потенциально достижимую точность конструктивные и технологические дефекты локальной природы присутствуют как в линейных датчиках на основе дискретных монокристаллических чувствительных элементов, так и в линейных датчиках на базе интегральных чувствительных элементов. Отсюда можно сделать однозначный вывод: решение об использовании любого из упомянутых типов датчиков можно принять лишь на основании снятия в лабораторных (производственных) условиях семейства характеристик, отражающих реакцию датчика на приложенную нагрузку в каждой точке по всей его протяженности. При этом сам процесс приложения нагрузки к различным участкам датчика должен осуществляться с минимально возможным пространственным шагом вдоль продольной оси датчика и быть максимально приближен к реальному процессу взаимодействия колеса АТС и датчика, расположенного в дорожном покрытии.
пр
изм
пр
На Фиг. 3 приведен один из возможных вариантов реализации устройства (стенда) для снятия нагрузочной характеристики линейного дорожного датчика веса. В качестве измеряемого объекта здесь изображен линейный датчик 3 на дискретных чувствительных элементах с неразрезным (сплошным) верхним концентратором (обкладкой). Этот датчик 3 установлен на подвижном основании, обеспечивающем как возможность перемещения нагрузочного устройства вдоль его оси, так и возможность приложения нормированного в заданных пределах усилия Р, изменяемого, например, с помощью гидравлического поршневого устройства, соединенного с подвижным основанием. Закрепленный в неподвижной конструкции с возможностью свободного вращения по оси элемент 4 может быть выполнен, например, в виде автомобильного колеса или обрезиненного металлического диска. Устройство, подключаемое к выводам датчика, вычисляет измеренную величину усилия Р и сравнивает его с приложенным усилием Р (см. книгу В.И. Речицкого «Весогабаритный контроль автотранспорта». - М.: Фонд «Наука и жизнь», 2014. - 196 с.).
Не вникая в непринципиальные детали работы такого устройства, следует отметить, что оно, практически, удовлетворяет названным выше требованиям к осуществлению прецизионного параметрического контроля линейных датчиков любого типа. Но при этом имеет один характерный недостаток: «прокат» датчика осуществляется вдоль его продольной оси, а не поперек, как это происходит в реальных дорожных условиях. В этом случае невозможно оценить целый ряд искажающих показания датчика 3 факторов, например «раскачивание» верхнего концентратора относительно зоны его соприкосновения с поверхностью чувствительных элементов, являющейся в этом случае осью качания (ширина концентратора значительно шире протяженности чувствительного элемента в направлении проезда АТС с целью интеграции вертикального усилия, «собираемого» с максимально возможной площади дорожного покрытия).
Известны также так называемые кольцевые (циклические) стенды, применяемые, в основном, для оценки износостойкости дорожных покрытий. Из них в отечественной практике наиболее известным является Комплекс ускоренных испытаний дорожных материалов КУИДМ-2 «Карусель», расположенный на полигоне МАДИ и эксплуатируемый с 2011 года (см. сайт: http://rukamen.ru). Динамическая установка имеет четыре расположенных под углом 90 градусов лопасти длиной по 15 метров, прокатывающие размещенные на их торцах колеса по треку шириной 3,75 метра и протяженностью 95 метров со скоростью до 80 км/час (грузовики) и до 140 км/час (легковые), обеспечивая нагрузку на дорожное полотно 7,0 и 0,6 тонн, соответственно (Фиг. 4а-б).
В зарубежной практике применяются аналогичные стенды, например приведенная на Фиг.4в одна из крупнейших в мире французская установка LCPC (см. Каталог оборудования Laboratoire Central des Ponts and Chaussees (LCPC), Париж, 2000. - 120 с.).
Для оценки износостойкости дорожных покрытий применяют также и линейные стенды (Фиг.5), в которых испытуемый образец поочередно прокатывается в обоих направлениях под транслирующим нагрузку колесом (см. статью «Определение характеристик сдвигоустойчивости асфальтобетона на машине для испытаний материалов ИП 5150-50», журнал «Автомобильные дороги», №3, 2002, с. 32-34). Однако применение линейных стендов для параметрической оценки линейного датчика, встроенного в испытуемый образец дорожного покрытия, не обеспечивает возможности проведения циклических измерений на больших скоростях.
Кольцевые стенды, на первый взгляд, идеально подходят для задачи циклических испытаний линейных датчиков во всем требуемом диапазоне скоростей. Естественно, что масштаб такого стенда для целей испытания линейных дорожных датчиков, длина которых редко превышает 2-3 метра, может быть соответственно уменьшен. При этом оптимален вариант, когда датчик может быть встроен в радиальный паз круглого опорного стола и дискретно перемещаться под зоной проката колеса в пределах всей своей протяженности.
С учетом того обстоятельства, что для обеспечения динамического баланса известные кольцевые стенды имеют четное число спиц (и, соответственно, колес), недостатком известной конструкции в этом случае будет непропорционально большой диаметр стенда (расстояние между нагрузочными колесами одной оси), который должен быть не меньше протяженности испытуемого датчика. Это объясняется тем обстоятельством, что датчик должен во время передвижения взаимодействовать лишь с одним из колес стенда; одновременный же прокат по нему обоих колес не позволит идентифицировать парциальные реакции датчика на их воздействие.
Раскрытие изобретения
Таким образом, существует необходимость в таком техническом решении, которое позволило бы оптимизировать размер циклического испытательного стенда за счет обеспечения практически неограниченного перемещения датчика по его длине в любом направлении под нагрузочными колесами независимо от размера стенда, то есть дало бы возможность проводить измерение параметров линейного дорожного датчика, превосходящего по длине размер опорного стола стенда.
Для решения этой задачи в настоящем изобретении предложено устройство циклического нагружения линейных дорожных датчиков, содержащее: опорную платформу, на верхней поверхности которой выполнен по меньшей мере один паз, и каждый из этих пазов предназначен для размещения в нем нагружаемого линейного дорожного датчика; вал, установленный с возможностью вращения над средней частью опорной платформы практически перпендикулярно ей; нечетное число осей, закрепленных на валу в плоскости, практически параллельной верхней поверхности опорной платформы, и разнесенных одна от другой на одинаковые углы; колеса, каждое из которых установлено с возможностью свободного вращения на соответствующей из осей на одном и том же фиксированном расстоянии от вала; привод, предназначенный для приведения вала во вращение.
Особенность устройства по настоящему изобретению состоит в том, что опорная платформа может быть выполнена с возможностью регулируемого поджима вверх к колесам.
Другая особенность устройства по настоящему изобретению состоит в том, что вал может быть выполнен с возможностью регулируемого поджима вниз к опорной платформе.
Еще одна особенность устройства по настоящему изобретению состоит в том, что пазы могут быть выполнены различной ширины для контроля различных по форме линейных дорожных датчиков.
Еще одна особенность устройства по настоящему изобретению состоит в том, что пазы могут быть выполнены различной глубины для контроля различных по форме линейных дорожных датчиков.
При этом по меньшей мере некоторые из пазов могут быть выполнены регулируемыми по высоте и (или) ширине.
Кроме того, пазы могут быть снабжены сменными вкладышами разной толщины для обеспечения контроля линейных дорожных датчиков на заданном заглублении.
Еще одна особенность устройства по настоящему изобретению состоит в том, что пазы могут быть направлены по радиусам, исходящим из проекции оси вращения вала на опорную платформу.
В этом случае по меньшей мере один из пазов может быть выполнен проходящим по всей верхней поверхности опорной платформы через проекцию оси вращения вала на опорную платформу.
При этом опорная платформа может иметь форму круга, а вал при этом может быть установлен над его центром.
Еще одна особенность устройства по настоящему изобретению состоит в том, что опорная платформа может быть выполнена с возможностью наклона ее верхней поверхности относительно горизонтальной плоскости.
Наконец, еще одна особенность устройства по настоящему изобретению состоит в том, что опорная платформа и вал могут быть выполнены с возможностью перемещения относительно друг друга в горизонтальной плоскости.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 показаны известные линейные дорожные датчики.
На Фиг. 2 приведен вид в разрезе еще одного известного линейного дорожного датчика.
На Фиг. 3 показана условная схема известного стенда для снятия нагрузочной характеристики линейного дорожного датчика веса.
На Фиг. 4 приведены вид сверху (а) и виды в изометрии (б, в) известных циклических испытательных стендов.
На Фиг. 5 показан вид известного линейного испытательного стенда.
На Фиг. 6 приведен вид сверху одного варианта осуществления устройства циклического нагружения линейных дорожных датчиков по настоящему изобретению.
На Фиг. 7 приведен вид сверху другого варианта осуществления устройства циклического нагружения линейных дорожных датчиков по настоящему изобретению.
На Фиг. 8 показан условный вид спереди устройства по Фиг.6 или 7.
Подробное описание вариантов осуществления изобретения
На Фиг. 6 приведен вид сверху одного варианта осуществления устройства циклического нагружения линейных дорожных датчиков по настоящему изобретению. Это устройство содержит:
- опорную платформу 7, на верхней поверхности которой выполнен паз 6, предназначенный для размещения в нем нагружаемого линейного дорожного датчика 3;
- вал 10, установленный с возможностью вращения над средней частью опорной платформы 7 практически перпендикулярно ей;
- три оси 5, закрепленных на валу 10 в плоскости, практически параллельной верхней поверхности опорной платформы 7, и разнесенных одна от другой на углы 120°;
- колеса 4, каждое из которых установлено с возможностью свободного вращения на соответствующей из осей 5 на одном и том же фиксированном расстоянии от вала 10;
- привод (не показано), предназначенный для приведения вала 10 во вращение.
Опорная платформа 7 на Фиг.6 показана круглой формы, однако это всего лишь иллюстративный пример и форма опорной платформы 7 может быть выбрана любой с точки зрения удобства ее изготовления, размещения и (или) обслуживания. Важно только, чтобы эта опорная платформа 7 позволяла разместить на ней нагружаемый линейный дорожный датчик 3 в предназначенном для него пазу 6. На Фиг. 6 показан единственный паз 6, проходящий через центр опорной платформы 7 или через проекцию оси вращения вала 10 на опорную платформу 7. Однако такое выполнение опорной платформы с одним пазом 6 представляет собой лишь один из возможных вариантов.
К примеру, на верхней поверхности опорной платформы 7 может быть выполнено несколько пазов 6, проходящих в радиальном направлении от проекции оси вращения вала 10 на опорную платформу 7. Специалистам понятно, что если в устройстве по Фиг. 6 ширина (диаметр) опорной платформы 7 может равняться длине нагружаемого линейного дорожного датчика 3, то в устройстве по Фиг. 7 ширина (диаметр) опорной платформы 7 будет более чем вдвое больше. Зато такая конструкция позволит одновременно испытывать несколько линейных дорожных датчиков 3 (по числу пазов 6).
Как видно на Фиг. 7, пазы 6 могут быть выполнены разной ширины, а также разной глубины для того, чтобы на одном и том же устройстве можно было испытывать (нагружать) линейные дорожные датчики 3 различной формы. Разная глубина пазов 6 может оказаться полезной также для того, чтобы испытывать (нагружать) линейные дорожные датчики 3 на заданном заглублении в дорожное полотно. В этом случае устройство по настоящему изобретению будет снабжено сменными вкладышами разной толщины.
Специалистам также понятно, что как ширина, так и глубина хотя бы некоторых пазов 6 могут быть регулируемыми с помощью известных средств, к примеру, перемещаемых стенок или дна наподобие губок в слесарных или столярных тисках.
Возвращаясь к Фиг. 6, следует отметить, что три оси 5 показаны только в качестве примера. Этих осей 5 может быть и больше, важно только, чтобы их было нечетное число. Необходимость именно нечетного числа осей 5 - и, соответственно, посаженных на каждую из них колес 4 - будет пояснена далее.
Как уже отмечалось ранее, оси 5 лежат в плоскости, практически параллельной верхней поверхности опорной платформы 7, и разнесены на практически одинаковые углы одна от другой. В принципе, равенство углов разнесения осей 5 не является обязательным, однако несоблюдение этого условия может привести к неустойчивой работе всего устройства при значительных скоростях вращения вала 10 вследствие разбалансированности всей вращающейся части этого устройства.
На каждой оси 5 установлено с возможностью свободного вращения колесо 4. Это может быть реальное автомобильное колесо либо его имитация в виде обрезиненного круга. Специалистам понятно, что все колеса должны быть одинаковыми или хотя бы иметь одинаковые диаметры. Установка колес 4 на осях 5 может выполняться на любом требуемом расстоянии от оси вращения вала 10 с последующей фиксацией в этом положении.
Следует специально отметить, что устройство по настоящему изобретению спроектировано так, чтобы давление всех колес 4 на верхнюю поверхность опорной платформы 7 было одинаковым. Для того чтобы обеспечить возможность регулируемого поджима верхней поверхности опорной платформы 7 (а значит, и установленного в пазу 6 нагружаемого линейного дорожного датчика 3) к плоскости качения колес 4, в устройстве по настоящему изобретению может быть предусмотрено соответствующее средство, например гидро- или пневмоцилиндры, винтовые приводы на электродвигателях с редукторами и т.п. Эти средства для регулируемого поджима могут размещаться как под опорной платформой 7 (см. Фиг. 8), так и над ней. В первом случае будет осуществляться поджим опорной плиты 7 вверх, тогда как во втором случае будет осуществляться поджим вала 10 (а значит, и колес 4) вниз. Отметим, что на Фиг.8 показан вкладыш 11, позволяющий нагружать линейный дорожный датчик 3 меньшей толщины, чем глубина паза 6, для испытания датчика на заданном заглублении.
Привод вала 10 обеспечивает его вращение в любую сторону с любой требуемой скоростью. Выполнение привода может быть любым, как известным специалистам, так и разработанным в будущем. Это, в частности, может быть электродвигатель с регулируемым редуктором.
Следует упомянуть и такую опцию, как возможность наклона верхней поверхности опорной платформы 7 относительно горизонтальной плоскости. Это может оказаться полезным для испытаний линейных дорожных датчиков 3 с имитацией поворотных участков дороги.
Еще одна опция может обеспечивать возможность перемещения опорной платформы 7 и вала 10 относительно друг друга в горизонтальной плоскости. Это позволит прокатывать линейные дорожные датчики 3, расположенные не перпендикулярно направлению движения автотранспорта.
Устройство циклического нагружения линейных дорожных датчиков по настоящему изобретению работает следующим образом.
Нагружаемый (подлежащий проверке) линейный дорожный датчик 3 помещается в соответствующий паз 6 на опорной платформе 7. При необходимости этот датчик 3 может быть зафиксирован, например, с помощью соответствующих вкладышей по бокам либо путем заливки щелей фиксирующим твердеющим раствором. Заливка может применяться и в случае размещения испытуемого датчика 3 в пазу 6 большей глубины, чем толщина датчика, чтобы проконтролировать характеристики при нагружении заглубленного датчика. Отметим, что в этом случае может использоваться также соответствующий вкладыш 11 (Фиг. 8).
Затем производится установка колес 4 на осях 5 на заданном расстоянии от оси вращения вала 10 и их фиксация в этом положении. При необходимости осуществляется поджим опорной платформы 7 и вала 10 друг к другу путем перемещения либо опорной платформы 7 вверх, либо вала 10 вниз с помощью соответствующих средств. Величину поджима контролируют с помощью любых известных специалистам средств.
Далее включают привод и начинают вращение вала 10, перемещающего оси 5, в результате чего колеса 4 поочередно прокатываются по испытуемому линейному дорожному датчику 3, установленному в пазу 6. Реакция датчика 3 на циклическое (периодическое) нагружение прокатывающимися по нему колесами регистрируется любыми соответствующими приборами, как известно специалистам.
В устройстве по настоящему изобретению возможно определять характеристики линейного дорожного датчика (отклики на прокатывающиеся по нему колеса) с любым требуемым шагом в направлении длинного размера датчика. Для этого после завершения заданного числа прокатов колес 4 датчик 3 перемещается вдоль паза 6 на выбранную величину пространственного шага и прокатка повторяется.
Поскольку число осей 5 нечетно, в устройстве по настоящему изобретению исключена ситуация, когда по датчику 3, показанному на Фиг.6, проезжают одновременно два колеса, расположенных на противоположных относительно вала 10 осях 5 в случае их четного числа. (Следует специально отметить, что в принципе число осей 5 может быть и четным, однако тогда датчик 3 может быть продвинут в диаметральном пазу 6 (Фиг. 6) только вплоть до внутренней границы проката колес, чтобы исключить одновременный проезд двух и более колес по противоположным концам одного и того же датчика 3. Однако такая конструкция, будучи эквивалентна устройству по данному изобретению, потребует значительно большего размера стола и потребует в рамках одного цикла измерений передвижения датчика сначала в одну, а потом в другую стороны вместо однократного перемещения при нечетном числе осей.)
Устройство по настоящему изобретению позволяет снимать характеристики линейных дорожных датчиков в условиях, максимально приближенных к реальной дорожной ситуации. К примеру, если требуется проверка линейного дорожного датчика, установленного в дорожном полотне под углом к направлению поперек движения автотранспорта, достаточно сдвинуть вал 10 относительно середины опорной платформы 7 и тогда колеса 4 будут проезжать по датчику 3, размещенному в пазу 6, под углом, отличным от прямого. Если же требуется узнать, как будет реагировать линейный дорожный датчик 3 на проезжающие колеса в случае его размещения в наклоненном дорожном полотне (на участках с поворотом), опорную платформу 7 и вал 10 можно соответственно наклонить.
Устройство по настоящему изобретению может быть дополнено датчиками 8 силы (Фиг. 7), расположенными между пазами 6 и равномерно размещенными в створе качения колес 4 с перекрытием дорожки 9 качения не менее чем на всю ширину колес, для контроля величины усилия, оказываемого колесами 4 на поверхность опорной платформы 7.
Таким образом, устройство по настоящему изобретению обеспечивает технический результат, состоящий в оптимизации размера опорной платформы и всего кольцевого стенда за счет обеспечения практически неограниченного перемещения датчика по его длине в любом направлении под нагрузочными колесами независимо от размера опорной платформы, что дает возможность проводить измерение параметров линейного датчика, значительно превосходящего по длине размер опорной платформы.