ТРИБОМЕТРИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС С МЕХАНИЗМОМ РЕВЕРСИВНОГО ДВИЖЕНИЯ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ МЕЖДУ КОЛЕСОМ И РЕЛЬСОМ

Полезная модель относится к железнодорожному транспорту, а именно к оборудованию для определения коэффициента трения между колесом и рельсом и мест лубрикации с целью поддержания оптимального режима трения на поверхности рельса железнодорожного полотна.
Цель полезной модели - повышение достоверности измерений и расширение функциональных возможностей.
Трибометр [< гр. tribÕ растираю +…метр] - прибор для измерения сил трения и износостойкости трущихся поверхностей.
Лубрикатор [< лат.lubricare делать скользким, гладким] - прибор для смазки под давлением трущихся частей машин.
Уровень техники
Известно устройство для определения коэффициента сцепления колес с рельсами, содержащее П-образную раму, измерительный ролик, установленный свободно и кинематически связанный через систему колес с затормаживающей его спиральной пружиной и счетчиком, фиксирующим угол закручивания пружины, съемные грузы, создающие вертикальную нагрузку на измерительный ролик, при этом на оси последнего свободно установлены поводки для передачи горизонтального усилия от направляющего ролика, дисков и рычага, а также храповик, обеспечивающий вращение ролика и системы колес только в одном направлении, причем измерительный ролик имеет бочкообразную форму, благодаря чему в точке контакта с головкой рельса создаются напряжения, близкие к действительным напряжениям под колесами подвижного состава (А.С. СССР №183802, 1964 г., МПК В61к, В61с, опубл. Бюл. №14, 1966 г.) [1].
При работе с известным устройством раму устанавливают на рельсе так, чтобы измерительный ролик располагался на рабочей поверхности головки, и прикладывают усилие к рычагу, при этом рама перемещается, а ролик, перекатываясь по рельсу, приводит во вращение колесо, которое закручивает спиральную пружину, создающую тормозной момент на оси измерительного ролика. С увеличением угла закручивания пружины тормозной момент возрастает до тех пор, пока ролик не начнет проскальзывать по рельсу. Наибольшее значение угла закручивания, зафиксированное счетчиком, соответствует максимальной силе сцепления между роликом и рельсом в режиме торможения. Показания счетчика с помощью тарировочного графика переводят в значения коэффициента сцепления.
Недостатками известного устройства являются недостаточные точность и достоверность измерений, а также невозможность реверсивного, обратного движения, для повторного измерения, без перестановки устройства вручную, из-за вращения измерительного ролика и системы колес только в одном направлении.
За прототип выбран трибометрический комплекс для измерения коэффициента трения на поверхности рельса по Патенту РФ №2390451, 2009 г., МПК В61К 9/00, опубл. 27.05.2010 г.[2].
Комплекс - прототип содержит тележку с опорными роликами и установленные на ней переносной роликовый трибометр с тензодатчиками, автономный источник питания, например аккумуляторная батарея, и оборудование для регистрации и обработки данных, состоящее из ЭВМ, тензоусилителя со встроенным аналоге - цифровым преобразователем, соединенного линейным кабелем с датчиками трибометра и подсоединенного к ЭВМ с помощью интерфейса параллельного порта.
Комплекс - прототип работает следующим образом.
Перед проведением измерений осуществляют настройку оборудования комплекса, к тензоусилителю подсоединяют аккумулятор, и соединяют его с ЭВМ через интерфейс параллельного порта, затем включают питание. Все операции по настройке тензоусилителя производят через ЭВМ с помощью специального программного обеспечения. После включения тензоусилителя запускают упомянутую программу, производят в ней регистрацию подключенных устройств и настраивают измерительные каналы. В настройку входят: определение типа датчика, выставление измерительного диапазона, регулировка нуля, определение типа фильтра низких частот и его частоты среза.
После настройки измерительного оборудования комплекса приступают к измерениям.
Принцип действия комплекса заключается в измерении силы трения между измерительным роликом и поверхностью рельса.
Для проведения измерения трения, на выбранном участке пути трибометр снимается оператором с тележки и устанавливается на рельс так, чтобы опорные ролики касались его поверхности.
После того, как устройство устойчиво прижато опорными роликами к рельсу, оператор двигает его относительно рельса. После начала скольжения измерительного ролика для получения достаточной для обработки записи следует двигать комплекс в течение трех - четырех секунд. В это время роликовый трибометр будет фиксировать высокочастотные составляющие импульсов трения и при помощи тензодатчиков получать значения силы трения в виде осциллограммы. Тензодатчики трибометра преобразуют механическую деформацию в электрический сигнал, который проходит через тензоусилитель, АЦП и в цифровом виде записывается на ЭВМ. Тензодатчики таким же образом позволяют фиксировать нормальную силу, действующую на измерительный ролик. Отношение мгновенных значений силы трения и нормальной силы дает значение коэффициента сцепления.
Далее нагрузка снимается, и измерение повторяется заново.
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.
Недостатками комплекса - прототипа являются недостоверность измерений и малая функциональность, обусловленные следующими причинами:
- невозможность контроля и управления скоростью движения тележки;
- отсутствие контроля и управления нагрузкой на измерительный ролик трибометра;
- невозможность реверсивного движения в автоматическом режиме для повторного измерения без перестановки трибометра (тележки).
Указанные недостатки устраняются тем, что в заявляемом трибометрическом комплексе с механизмом реверсивного движения для измерения коэффициента трения между колесом и рельсом, содержащим тележку с возможностью перемещения по рельсам, и установленные на ней, роликовый трибометр, оборудование для регистрации и обработки данных в виде датчиков трибометра и ЭВМ, а также источник автономного питания, что, по крайней мере, одно колесо тележки снабженосервоприводом в виде шагового двигателя, датчика положений, механизма реверсивного движения и блока управления, измерительный ролик трибометра снабжен нагружателем с регулятором нагрузки, например порошковой или электромагнитной муфтой, и датчиками положений прямого и обратного хода с обратной связью, а в состав оборудования введены устройства управления и контроля скоростью движения тележки и нагрузкой на ролик, а также устройство управления механизмом реверсивного движения.
Раскрытие полезной модели
Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в следующем.
По мере интенсификации применения на железных дорогах смазки рельсов для безопасности и эффективности движения возникает необходимость в измерении коэффициента трения между колесом транспортного средства и головкой рельса железнодорожного полотна и определении мест лубрикации с целью поддержания оптимального режима движения и торможения колесного транспортного средства.
Известные устройства, использующие роликовые трибометры для решения обозначенной задачи, имеют недостатки - недостоверность измерений и малая функциональность из-за отсутствия контроля и управления скоростью движения тележки и нагрузкой на измерительный ролик трибометра, а также невозможности реверсивного движения в автоматическом режиме для повторного измерения.
Цель полезной модели - повышение достоверности измерений и расширение функциональных возможностей.
Для достижения поставленной цели целесообразно обеспечить, по крайней мере, одно колесо тележки сервоприводом в виде шагового двигателя, датчика положений, механизма реверсивного движения и блока управления, а измерительный ролик трибометра - нагружателем с регулятором нагрузки, например порошковой или электромагнитной муфтой, и датчиками положений прямого и обратного хода с обратной связью, и ввести в состав оборудования устройства управления и контроля скоростью движения тележки и нагрузкой на ролик, а также устройство управления механизмом реверсивного движения.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 изображен трибометрический комплекс с механизмом реверсивного движения для измерения коэффициента трения между колесом и рельсом, общий вид, в изометрии, на фиг.2 - то же, функциональная схема.
Трибометрический комплекс с механизмом реверсивного движения для измерения коэффициента трения между колесом и рельсом содержит тележку 1 с колесами 2, сервоприводом (на чертежах не обозначен) в виде шагового двигателя 3, датчика положений 4, механизма реверсивного движения 5 и блока управления 6, трибометр (на чертежах не обозначен) с измерительным роликом 7, нагружателем 8, регулятором нагрузки 9, датчиком положений прямого хода 10 и датчиком положений обратного хода 11 с обратной связью, оборудование для регистрации и обработки данных (на чертежах не обозначено) в виде датчиков 12 трибометра (на чертежах не обозначен), ЭВМ 13, устройства управления и контроля скоростью движения 14, устройства управления и контроля нагрузкой 15 на ролик 7, устройство управления механизмом реверсивного движения 16 и автономный источник питания 17.
Трибометрический комплекс с механизмом реверсивного движения для измерения коэффициента трения между колесом и рельсом работает следующим образом.
Тележку 1 устанавливают колесами 2 на рельсы железнодорожного полотна (на чертежах не обозначены), регулировкой обеспечивают надежный контакт колес 2 с рельсами, устанавливают трибометр и оборудование на тележку, обеспечивают контакт ролика 7 трибометра с рабочей поверхностью рельса и подключают источник питания 17 к оборудованию и сервоприводу.
Измерительные и исполнительные узлы комплекса подключают к общей шине (на схеме не показана), при помощи пульта (на чертежах не обозначен) ЭВМ 13 запускают работу процессора (на чертежах не показан) ЭВМ 13, при этом упомянутые узлы взаимодействуют с процессором в пульсовом режиме или по протоколу ModBus, который производит опрос по шине ModBus, выясняя их наличие и работоспособность. Все настройки и проверки узлов производятся с помощью специального программного обеспечения. После инициализации процессор ЭВМ 13 постоянно опрашивает узлы комплекса и определяет их состояние. При работе операционный блок ЭВМ 13 передает команды на измерительные и исполнительные узлы комплекса и получает от них информацию, которая отображается на экране (на чертежах не обозначен) и записывается в устройстве памяти (на чертежах не показано) ЭВМ 13.
При помощи устройства 14 и блока 5 включают двигатель 3 сервопривода и перемещают тележку 1 с трибометром и оборудованием по рельсам, нагружателем 8 и регулятором 9 создают необходимую нагрузку на ролик 7, при этом последний вращается и создает в датчиках 12 механические напряжения, которые преобразуются в электрические сигналы, а затем эти сигналы передаются в ЭВМ 13, где производится их регистрация, обработка и определяется сила нормального давления, действующая на измерительный ролик 7, при достижении определенной величины нагрузки ролик 7 начинает скользить, после начала скольжения ролика 7 датчики 12 таким же образом фиксируют силу трения. Далее нагрузка снимается, и измерения повторяются заново.
В процессе измерения контроль и управление скоростью движения тележки 1 осуществляют устройством 14, посредством двигателя 3, датчика 4 и блока 6 сервопривода, а контроль и управление нагрузкой на измерительный ролик 6 трибометра осуществляют устройством 13 посредством нагружателя 7 и регулятора 8.
Для обеспечения достаточного для статистической обработки количества значений трения необходимо выполнить 10-15 замеров для выбранного участка, из которых 2 игнорируются, а значения последующих усредняются.
Значение коэффициента трения получают из отношения мгновенных значений силы трения и силы нормального давления.
При необходимости повторного измерения коэффициента трения на определенном участке устройством управления механизмом реверсивного движения 16 включают механизм реверсивного движения 5 и посредством блока 6 и двигателя 3 сервопривода перемещают тележку 1 в обратном направлении.
Повторные измерения производят по описанной выше схеме, при этом при измерении трения качения используют данные пройденного измерительным роликом 7 пути от датчика положений обратного хода 11.
Технический результат от использования заявляемого комплекса заключается в повышении достоверности измерений при измерении коэффициента трения на поверхности колеса и рельса и расширении функциональных возможностей, путем обеспечения реверсивного движения для повторного измерения.
Указанный технический результат достигается совокупностью отличительных признаков, а именно обеспечением, по крайней мере, одного колеса тележки сервоприводом в виде шагового двигателя, датчика положений, механизма реверсивного движения и блока управления, а измерительного ролика трибометра - нагружателем с регулятором нагрузки, например порошковой или электромагнитной муфтой, и датчиками положений прямого и обратного хода с обратной связью, и введением в состав оборудования устройств управления и контроля скоростью движения тележки и нагрузкой на ролик, а также устройства управления механизмом реверсивного движения.
Представленные описание и чертежи заявляемого трибометрического комплекса позволяют, используя существующие материалы и покупные комплектующие изделия, изготовить его промышленным способом и использовать для измерения коэффициента трения между колесом транспортного средства и рельсом железнодорожного полотна, как при прямом, так и при обратном движении, с целью обеспечения инструментального контроля и получения данных настройки технических средств лубрикации для работы в системе адаптивного управления трением в паре «колесо-рельс».