УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ МЕЖДУ КОЛЕСОМ И РЕЛЬСОМ
DEVICE FOR MEASUREMENT OF FRICTION COEFFICIENT BETWEEN WHEEL AND RAIL

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, а именно к устройствам для определения коэффициента трения между колесом и рельсом.
Известно устройство для измерения коэффициента трения колеса рельсового транспортного средства (Патент РФ №2173647 С2, 20.09.2001, В61К 13/00, G01M 17/08), содержащее механизм вертикального нагружения с тензодатчиками, закрепленный одним концом на раме рельсового транспортного средства, а на другом - установлена П-образная рамка с роликом, контактирующим с поверхностью колеса и жестко установленным на оси с возможностью вращения в ветвях П-образной рамки, рычаг и упругую пластину с тензодатчиками, датчик оборотов, который установлен на оси, закрепленной в ветвях П-образной рамки, фрикционная муфта, состоящая из электромагнитной катушки и диска, который установлен на оси с возможностью одновременного вращения с нею и фрикционно взаимодействует с электромагнитной катушкой муфты, которая, в свою очередь, взаимодействует через рычаг с тензодатчиками упругой пластины.
Недостатками данного устройства являются невозможность измерения коэффициентов статического трения (исходного фрикционного состояния) рельсов, а также измерения трения по боковым поверхностям катания рельсов.
Известно также устройство для измерения коэффициента трения между колесом и рельсом - трибометр (А.с. №492412 А, 25.11.1976, В61К 13/00, G01N 19/02), включающее раму с измерительным роликом, выполненным с возможностью вращения и взаимодействия с поверхностью рельса, опорные ролики, шарнирно закрепленные на раме, упругую пластину с тензодатчиками, установленную на раме и кинематически связанную посредством тросика с измерительным роликом.
Недостатками данного устройства являются невозможность измерения трения по боковым поверхностям катания рельсов, а также невысокая точность измерения.
Технический результат заявленного изобретения - повышение точности измерения и расширение технологических возможностей устройства за счет измерения трения по боковым поверхностям катания рельсов.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для измерения коэффициента трения между колесом и рельсом, включающее раму с измерительным роликом, выполненным с возможностью вращения и взаимодействия с поверхностью рельса, опорные ролики, шарнирно закрепленные на раме, упругую пластину с тензодатчиками, установленную на раме и кинематически связанную посредством тросика с измерительным роликом, содержит нагружающую балку с тензодатчиками, закрепленную на раме и кинематически связанную с измерительным роликом, при этом рама снабжена винтовым соединением для регулировки нагрузки на измерительный ролик и двумя опорами, которые выполнены с возможностью регулировки их углового положения и один конец которых соединен с соответствующей боковой стойкой рамы.
При этом рама может быть выполнена из полого алюминиевого профиля.
Рама может быть снабжена двумя рукоятками.
Тензодатчики собраны по мостовой схеме и могут быть приклеены к упругой пластине и к балке.
Рама может содержать шесть опорных роликов для опоры на рельс.
Тросик выполнен металлическим и пропущен через отверстие, выполненное в измерительном ролике и отверстия, выполненные в упругой пластине.
Введение в устройство нагружающей балки с тензодатчиками, закрепленную на раме и кинематически связанную с измерительным роликом, возможность регулировки нагрузки на измерительный ролик при помощи винтового соединения, а также наличие двух опор, которые выполнены с возможностью регулировки их углового положения, позволяет проводить замеры силы трения как на верхней, так и на боковой поверхности рельса, а также повысить надежность и точность измерений.
Сущность предлагаемого изобретения разъясняется чертежами: на которых показан общий вид устройства для измерения коэффициента трения между колесом и рельсом (трибометра):
на фиг 1 показан первый вариант выполнения устройства для измерения коэффициента трения между колесом и рельсом (трибометра);
на фиг.2 показан второй вариант выполнения устройства для измерения коэффициента трения между колесом и рельсом (трибометра).
Устройство для измерения коэффициента трения между колесом и рельсом (см. фиг.1 и 2) включает раму 1, измерительный ролик 2, выполненный с возможностью вращения и взаимодействия с поверхностью рельса 3, опорные ролики 4, закрепленные на раме 1 и выполненные с возможностью взаимодействия с поверхностью рельса 3, упругую пластину 5 с тензодатчиками (на чертеже не показаны), установленную на раме 1 и кинематически связанную посредством тросика 6 с измерительным роликом 2, нагружающую балку (планку) 7 с тензодатчиками (на чертеже не показаны), закрепленную на раме 1 и кинематически связанную с измерительным роликом 2.
Рама 1 также снабжена винтовым соединением для регулировки нагрузки на измерительный ролик 2 и двумя опорами 8, которые выполнены с возможностью регулировки их углового положения и один конец которых соединен с соответствующей боковой стойкой 9 рамы 1.
Нагружающая балка 7 закреплена на раме 1 в горизонтальном положении, например, посредством опоры 10. Измерительный ролик 2 установлен на оси, расположенной, например, в самоустанавливающихся подшипниках (на чертеже не показаны), корпус которых посредством винтов 11 соединен с нагружающей балкой 7. Винтовое соединение включает регулировочный винт 12, поворот которого изменяет номинальный угол поворота нагружающей балки 7 относительно опоры 10. Тензодатчики, собранные по полумостовой схеме, могут быть наклеены на упругую пластину 5 и на нагружающую балку 7.
Для опоры на рельс 3 рама 1 содержит опорные ролики 4. Оптимальным является выполнение рамы с шестью опорными роликами 4, четыре из которых предназначены для опоры на верхней поверхности рельса 3, а еще два - служат для опоры на боковой поверхности рельса 3. Также для более устойчивого положения устройства при измерении силы трения на боковой поверхности рельса 3 имеются две боковые опоры 8. Посредством нескольких винтов 13 боковые опоры 8 могут быть закреплены под любым необходимым углом, в зависимости от положения боковой дорожки контакта на рельсе 3.
Для удобства при эксплуатации устройства (при установке устройства на рельс и проведении измерений) рама 1 может быть снабжена двумя рукоятками 14.
Упругая пластина 5, выполняющая роль консольного динамометра, представляет собой плоскую пластину, которая может быть изготовлена из закаленной стали и закреплена на раме 1 различным образом, например, жестко закреплена на выступе 15 внутренней поверхности рамы 1 в горизонтальном положении (см. фиг.1). В соответствии с другим вариантом исполнения устройства упругая пластина 5 может быть закреплена с внешней стороны рамы 1 в вертикальном положении, параллельно одной из боковых стоек 9 рамы 1 (см. фиг.2). А для осуществления кинематической связи упругой пластины 5 с измерительным роликом 2, в одной из боковых стоек 9 выполнено отверстие 16, через которое пропущен тросик 6.
Закрепление упругой пластины 5 в соответствии с вариантом на фиг.2 является более предпочтительным, поскольку позволяет исключить разгрузку измерительного ролика 2, которая может возникнуть под действием тросика 6 упругой пластины 5 при ее горизонтальном положении (как на фиг.1), что позволяет производить более точные измерения.
Для уменьшения веса устройства оптимальным является выполнение рамы 1 из полого алюминиевого профиля.
Для осуществления кинематической связи упругой пластины 5 с измерительным роликом 2 в последнем выполняют отверстие, через которое пропущен металлический тросик 6, который проходит также через отверстия, выполненные в упругой пластине 5.
Для наматывания тросика 6 в процессе проведения измерений с обеих сторон измерительного ролика 2 предусмотрены щечки (выступы) с кольцевыми желобами (на чертеже не показаны), которые могут быть прикреплены к измерительному ролику 2, например посредством винтов.
Устройство для измерения коэффициента трения между колесом и рельсом (трибометр) работает следующим образом (показано на примере использования варианта устройства, приведенного на фиг.1).
Принцип действия трибометра заключается в измерении силы трения между измерительным роликом 2 и поверхностью, на которой проводятся измерения (рельсом 3).
Для проведения измерения трения на выбранном участке пути устройство устанавливается оператором на рельс 3 так, чтобы четыре опорных ролика 4 касались его поверхности. При этом оператор преодолевает сопротивление изгибающейся нагружающей балки 7, которая таким образом создает нагрузку на измерительный ролик 2. Величина нагрузки меняется при помощи регулировочного винта 12, который изменяет номинальный угол поворота нагружающей балки 7 относительно опоры 10. После того, как устройство устойчиво прижато опорными роликами 4 к рельсу 3, оператор двигает его относительно рельса 3 по направлению наматывания тросика 6 на щечки измерительного ролика 2. После выбора слабины металлического тросика 6 измерительный ролик 2 из режима качения переходит в режим скольжения и сила трения между роликом 2 и рельсом 3 по тросику 6 передается на упругую пластину 5. После начала скольжения ролика 2 для получения достаточной для обработки записи следует двигать устройство в течение трех-четырех секунд. В это время устройство (роликовый трибометр) будет фиксировать высокочастотные составляющие импульсов трения и при помощи тензодатчиков получать значения силы трения в виде осциллограммы. Одновременно с этим тензодатчики, наклеенные на нагружающую балку 7, фиксируют действующие значения нормальной силы. Далее нагрузка с устройства снимается, и измерение повторяется заново.
Для измерения на боковой поверхности рельса устройство устанавливается таким образом, чтобы двумя опорными роликами 4 стоять на боковой поверхности рельса 3. Боковые опоры 8 устанавливаются на верхнюю поверхность рельса 3 и фиксируются винтами 13. Процесс измерения аналогичен приведенному выше.
При обработке результатов измерения используется электронно-вычислительная аппаратура, а для выведения полученных результатов измерения - ПЭВМ (на чертеже не показаны). Указанная аппаратура для регистрации и обработки данных может быть установлена на рельсовой тележке, на которую может крепиться во время транспортировки и само устройство для измерения коэффициента трения между колесом и рельсом (трибометр). Для оптимизации процесса измерения может быть использовано специальное программное обеспечение.
Качество измерений существенно зависит от плавности движения устройства по поверхности рельса и стабильности его нагружения. Для обеспечения достаточного для статистической обработки количества значений трения необходимо выполнить 10-15 замеров для выбранного участка, что позволит получить от 10 до 20 точек для каждого замера. По ним определяется как математическое ожидание коэффициентов трения, так и их дисперсия. При этом ожидаемый разброс коэффициентов трения, в отличие от прототипа, не превышает 5-8%.