Устройство для взвешивания железнодорожного подвижного состава

Область техники
Полезная модель относится к экспериментальным методам определения значений нагрузки на рельс от каждого колеса железнодорожного подвижного состава.
Уровень техники
Известны железнодорожные весы платформенного типа, предназначенные для определения веса вагона в целом. К недостаткам известного устройства можно отнести невозможность одновременно получить показатели нагрузки на рельс от каждого колеса вагона по отдельности. Этот существенный недостаток не позволяет определить распределение веса по колесам железнодорожного подвижного состава в процессе проведения измерений, по пп. 4.1.12, 4.1.13, 4.1.14 ГОСТ Р 55182-2012 «Вагоны пассажирские локомотивной тяги. Общие технические требования».
К общим недостаткам известных устройств также можно отнести и применение в них, для определения приложенной на рельсы нагрузки, оригинальных весоизмерительных элементов, не включенных в Государственный реестр средств измерений (далее - Госреестр СИ), что не легитимно при сертификационных испытаниях, в том числе и при определении значений нагрузки на рельс от каждого колеса железнодорожного подвижного состава.
Известно устройство - весы для взвешивания подвижных железнодорожных объектов в движении и статике с применением рельсовой подкладки RU 2376560 С1, опубл. 20.12.2009. Известное устройство содержит весовой контролер, компьютер и не менее одной пары рельсовых подкладок, устанавливаемых на железобетонную шпалу ШС-1 или на закладных деталях на бетонном основании, выполняющих одновременно роль крепления рельса к шпале или к закладным деталям и роль измерительного датчика веса. Внутри рельсовой подкладки выполнены силовоспринимающие элементы-концентраторы напряжения с наклеенными тензорезисторами и термокомпенсаторами, соединенными по мостовой схеме таким образом, что рельсовая подкладка преобразует механическое усилие, приложенное колесом к рельсу, в пропорциональный электрический сигнал.
Недостатками известного изобретения является невысокая точность измерения, поскольку значение измерения будет зависеть как от жесткости, так и от прогиба рельса, а также то, что весоизмерительный элемент не включен Госреестр СИ. Также недостатком известного устройства является необходимость обеспечения высокой точности изготовления элементов весов, что приводит к существенному удорожанию устройства.
Известно компенсационное устройство определения веса вагона RU 96105860 А, опубл. 27.06.1998.
Известное устройство содержит последовательно соединенные основной датчик, усилитель, вычислитель и индикатор, блок памяти электромеханической чувствительности и блок памяти ускорения силы тяжести в координате расположения основного датчика, выходы которых соединены соответственно со вторым и третьим входами вычислителя, в который введены последовательно соединенные первый полосовой фильтр, вход которого соединен с выходом усилителя основного датчика, определитель момента максимального воздействия колесной пары на основной датчик, первый измеритель среднеквадратичного напряжения и вычитатель, выход которого соединен со входом вычислителя, также введены последовательно соединенные вспомогательные датчики, вторые усилители, вторые полосовые фильтры, вторые измерители среднеквадратического напряжения, второй вход которых соединен со вторым выходом определителя момента максимального воздействия колесной пары на основной датчик, блок пересчета, выход которого соединен со вторым входом вычитателя, также введен блок памяти коэффициента относительной жесткости пути и рельса, выход которого соединен с четвертым входом вычислителя, также введен блок управления, первый, второй, третий, четвертый, пятый синхровыходы которого соединены соответственно с блоком пересчета, вычитателя, блоков памяти, вычислителя и индикатора.
Недостатками известного устройства являются: необходимость установления многочисленных датчиков в сечение рельсового пути, необходимость производить вычисление разницы в показаниях датчиков для определения веса оси, конструктивная и аппаратная сложность реализации, конструкции в установке для данного способа, весоизмерительные элементы не включены в Госреестр СИ, не поверяемые, соответственно результат измерения нельзя считать легитимным.
Известно весоизмерительное устройство для движущихся вагонов RU 2115894 С1, опубл. 20.07.1998, которое предназначено для определения осевых нагрузок вагонов. Известное устройство содержит размещенный между торцами рельсов герметичный приемник нагрузки с тензометрическими датчиками.
К недостаткам известного устройства можно отнести: необходимость размещения между стыками рельс, необходимость дополнительных элементов приема нагрузки от колеса к тензометрическому датчику, конструктивную сложность установки для реализации известного устройства, сложность фиксации колеса для статического определения веса оси, то, что весоизмерительный элемент не включен в Госреестр СИ.
Известно устройство для взвешивания движущегося рельсового транстпорта RU 2313069 С1, опубл. 20.12.2007. Известное устройство содержит участок железнодорожного пути без стыков, включающий рельсы и шпалы, причем на каждой шпале участка под рельсы установлены по два плоских датчика силы сжатия, каждый с узлом встройки содержащим подкладку, на которой размещен плоский датчик силы, и снабженным дополнительной накладкой с бортиками для фиксации датчика на подкладке под рельсом.
Недостатки известного устройства: необходимость применения дополнительных узлов встройки для крепления и дополнительной накладки для фиксации датчика с бортиками, сложность крепления датчика к железнодорожной шпале и рельсу, сложность конструкции из нескольких составных частей. Также это устройство предназначено для взвешивания рельсового транспорта только в движении и не может использоваться в статике.
Известны весы вагонные переносные RU 2289106 С2, опубл. 10.12.2008. Известное устройство содержит силоизмерительный преобразователь с тензорезисторами на клеевой основе. Преобразователь выполнен в виде двух кассет по две катушки в каждой. Кассеты, в свою очередь, помещены в корпус, установленный и закрепленный непосредственно на головке рельса без нарушения его целостности. Катушки попеременно выполняют роль активных или компенсационных плеч измерительного моста. При этом кассеты с катушками помещаются в пазы, размер которых соответствует размерам кассет и которые выполнены в корпусе параллельно опорной поверхности головки рельса на расстоянии, исключающем одновременное касание колесами обеих пар катушек. Технический результат заключается в обеспечении возможности взвешивания вагона, как в статике, так и во время его перемещения, повышении точности взвешивания и установке весов на рельсы без нарушения их целостности.
Недостатки известного устройства: сложная конструкция, состоящая из нескольких узлов, передача нагрузки от колеса непосредственно на измерительное устройство, что приводит к быстрому износу самого устройства, присутствие в составе устройства металлоконструкции, что снижает стойкость к воздействию коррозии и определяет малый срок службы, весоизмерительный элемент не включен Госреестр СИ.
Раскрытие полезной модели
Основной целью заявляемого устройства является определение показателя статической нагрузки на рельс от каждого колеса, предусмотренные пп. 4.1.12, 4.1.13, 4.1.14 ГОСТ Р 55182-2012 «Вагоны пассажирские локомотивной тяги. Общие технические требования», ГОСТ 33760-2016 «Железнодорожный подвижной состав. Методы контроля показателей развески» на основе использования серийно выпускаемых весоизмерительных датчиков, поверенных государственной метрологической организацией РФ и включенных в Госреестр СИ.
Техническим результатом является создание устройства, реализующего поставленную цель.
Технический результат достигается за счет создания устройства, состоящего из активного участка рельса, имеющего способность к вертикальному перемещению, жестко связанного с центральной частью Н-образной нажимной плиты, также имеющую вертикальную степень свободы, причем в наружных углах нажимной плиты, с ее нижней стороны, устроены пяты весоизмерительных датчиков, соприкасающиеся с измерительными элементами весоизмерительных датчиков, например, типа М-70 «Тензо-М». Датчики устанавливаются на стальную опорную плиту, уложенную на жесткое основание, при этом весоизмерительные датчики связаны электрической связью с обрабатывающими и фиксирующими показания датчиков устройствами. Также, для обеспечения устойчивости колеса на активном рельсе, даже при значительной нагрузке на ось и боковой составляющей силы от конусности колеса, в центральной части нажимной плиты могут быть устроены, симметрично относительно центральной оси рельсового полотна, два отверстия с плотно установленными в них центрователями, которые нижней частью жестко закреплены в опорной плите, уложенной на жестком основании, при этом в верху цилиндрической части центрователей устраивается резьбовая часть, содержащая ограничитель, состоящий из опорной шайбы и гайки.
Заявляемое устройство, по сравнению с известными устройствами, обладает следующими преимуществами:
- при наезде колеса на силоизмерительное устройство за счет Н-образной конструкции нажимной плиты, с вынесенными за линию нагружения пятами и опорами весоизмерительных датчиков. Таким образом, обеспечивается распределение нагрузки от колеса на активный рельс и далее через нажимную плиту на весоизмерительные датчики в любой комбинации. Предлагаемая конструкция не требует высокой точности исполнения, следовательно, легко изготавливается, поскольку показания всех четырех датчиков, принимающих нагрузку от активного рельса, суммируются автоматически и на приборе отображается сумма показаний. Предлагаемая конструкция нажимной плиты, позволяет распределить нагрузку от колеса по четырем датчикам, снизить динамическую нагрузку на датчики при наезде колеса и уменьшить соответствующий перегруз датчиков;
- предлагаемая конструкция нажимной плиты не критична к точности изготовления, поскольку обеспечивает гарантированную опору минимум на три датчика, показания которых суммируются в любом сочетании;
- отсутствие точной механической обработки сопрягаемых деталей позволяет достаточно легко изготовить конструкцию на любом машиностроительном предприятии с минимальными затратами;
- опорой каждого активного рельса на четыре датчика, а также наличием центрователя и ограничителя, обеспечивается устойчивость колеса на активном рельсе, даже при значительной нагрузке на ось и боковой составляющей силы от конусности колеса;
- устройство позволяет определять нагрузку от колеса на рельс для разных типов подвижного состава и позволяет проводить взвешивание, как в статическом режиме, так и при движении подвижного состава.
Указанные отличительные признаки позволяют достичь требуемого технического результата. Таким образом, создано устройство для поколесного взвешивания подвижного состава с улучшенными рабочими характеристиками по сравнению с существующими железнодорожными весами и с определением нагрузки на рельс от колеса вагона.
Сущность полезной модели поясняется графическими материалами, представленными на Фиг. 1-6 и Таблицей 1.
Фиг. 1. Схема весоизмерительного устройства, где 1 - активный рельс, 2 - нажимная плита, 3 - пяты весоизмерительных датчиков, 4 - весоизмерительный датчик, 5 - опорная плита, 6 - основание, 7 - отверстие, 8 - центрователь, 9 - опорная шайба, 10 - гайка.
Фиг. 2. Весоизмерительное устройство со снятым ограничителем.
Фиг. 3. Показания приборов ТВ-015Н, фиксирующих значения нагрузок от колеса на весоизмерительные датчики.
Фиг. 4. Определение нагрузки на рельс железнодорожного подвижного состава от каждого колеса колесной пары.
Фиг. 5. Определение нагрузки на рельс железнодорожного подвижного состава от каждого колеса железнодорожной тележки.
Фиг. 6. Схема нумерации колес пассажирского вагона.
Таблица 1. Измеренные нагрузки от колеса на рельс пассажирского вагона.
Осуществление полезной модели
Предлагаемая конструкция устройства для взвешивания железнодорожного подвижного состава Фиг. 1 состоит из: активного участка рельса 1, имеющего способность к вертикальному перемещению, достигаемую, например, путем его изоляции зазором от рельсового пути Фиг. 2, например, разрезом, жестко связанного, с нажимной плитой 2, также имеющую вертикальную степень свободы. Под наружными углами нажимной плиты 2, с ее нижней стороны, устраивают пяты весоизмерительных датчиков 3, опирающиеся на измерительные элементы весоизмерительных датчиков 4, установленных на стальную опорную плиту 5, уложенную на жесткое, например, бетонное, основание 6. В центральной части нажимной плиты 2 устроены два отверстия 7, с плотно установленными в них центрователями 8, жестко закрепленными нижней частью в стальной опорной плите 5, например, сваркой. Вверху цилиндрической части центрователей 8 устраивается резьбовая часть, содержащая ограничитель, состоящий из опорной шайбы 9 и гайки 10. Для регистрации результатов измерений нагрузки от четырех датчиков на активный рельс они связаны электрической связью с фиксирующими и обрабатывающими показания датчиков устройствами, например, весоизмерительный прибор ТВ-015Н Фиг. 3 или измерительный усилитель, например, «Spider-8», с персональным компьютером.
Измерение поколесной нагрузки желеснодорожного подвижного состава при помощи заявляемого устройства осуществляется следующим образом.
При наезде колеса на активный рельс 1 нагрузка от колеса, создает вертикальное перемещение активного рельса 1, которое передается через нажимную плиту 2 с пятами весоизмерительных датчиков 3, на весоизмерительные датчики 4. Показания датчиков фиксируются весоизмерительным прибором, например, весоизмерительным прибором ТВ-015Н Фиг. 3 или измерительным усилителем, например, «Spider-8», с персональным компьютером, и определяется поколесная нагрузка.
Предлагаемая конструкция нажимной плиты и расположение четырех весоизмерительных датчиков обеспечивают постоянство суммы нагрузки от колеса независимо от его положения на активном рельсе. В процессе испытаний, нагрузка, например вагон, прокатывается по участку пути, оснащенному как минимум двумя устройствами для взвешивания железнодорожного подвижного состава Фиг. 4, и, после обработки сигналов от весоизмерительных датчиков, определяется нагрузка от каждого колеса на рельс.
Для определения значений нагрузки на рельс железнодорожного подвижного состава от каждого колеса колесной пары используют комбинацию двух заявляемых устройств, располагаемых симметрично относительно центральной оси железнодорожного полотна Фиг. 4. Для определения значений нагрузки на рельс железнодорожного подвижного состава от каждого колеса железнодорожной тележки используют комбинацию четырех заявляемых устройств, располагаемых симметрично относительно центральной оси железнодорожного полотна Фиг. 5. Прокатыванием разных типов железнодорожного подвижного состава из вагонов: 2-х осных, 4-х осных, 6-ти осных или 8-ми осных, через упомянутую выше комбинацию заявляемых устройств, можно определить нагрузку каждого колеса на рельс.Для поколесного взвешивания вышеуказанных составов в статике необходимо устройство комбинации, состоящей соответственно из 4-х, 8-ми, 12-ти или 16-ти заявляемых устройств.
Реализация предлагаемого устройства позволяет определять показатели развески железнодорожного подвижного состава колеи, например, 1520 мм, 1440 мм или иного размера, путем непосредственного измерения нагрузки от колеса на рельс следующего подвижного состава: пассажирских, специальных и грузовых вагонов, вагонов метрополитена, вагонов электро- и дизель-поездов, тягового и моторвагонного подвижного состава и их тележек.
Полученные значения нагрузки от колеса вагона на рельс сравниваются с допускаемыми значениями показателей по ГОСТ Р 55182-2012 «Вагоны пассажирские локомотивной тяги. Общие технические требования», для оценки соответствия подвижного состава требованиям Технического регламента таможенного союза, технического задания, технических условий или иной нормативной документации на железнодорожный подвижной состав для определения соответствия требованиям нормативным документам.
Промышленная применимость Разработано и изготовлено устройство для поколесного взвешивания железнодорожного подвижного состава согласно заявляемой полезной модели. Проведены его успешные испытания для различных моделей железнодорожного подвижного состава.
Пример реализации устройства
Производится определение нагрузки от каждого колеса на рельсы пассажирского вагона прокатыванием через комбинацию двух заявляемых устройств, располагаемых симметрично относительно центральной оси железнодорожного полотна Фиг. 4. При этом происходит вертикальное перемещение активного рельса 1, которое передается жестко связанной с ним нажимной плите 2, и далее, через установленные в ее наружных углах, с ее нижней стороны, пяты весоизмерительных датчиков 3 на измерительные элементы весоизмерительных датчиков 4, установленных на стальную опорную плиту 5, уложенную на жесткое основание 6. Показания весоизмерительных датчиков от каждого колеса посредством электрической связи передаются на обрабатывающие и фиксирующие устройства: весоизмерительный прибор ТВ-015Н Фиг. 3 или измерительный усилитель «Spider-8» с персональным компьютером. Результаты измерения нагрузок от каждого колеса на рельс Фиг. 6 сведены в Таблицу 1.
Для обеспечения устойчивости колеса на активном рельсе, даже при значительной нагрузке на ось и боковой составляющей силы от конусности колеса, в центральной части нажимной плиты устроены, симметрично относительно центральной оси рельсового полотна, два отверстия 7 с плотно установленными в них центрователями 8, которые нижней частью жестко закреплены в опорной плите, уложенной на жестком основании, при этом в верху цилиндрической части центрователей устраивается резьбовая часть, содержащая ограничитель, состоящий из опорной шайбы 9 и гайки 10.
Заявляемое устройство не требует высокой точности изготовления и может быть изготовлено в условиях стандартной механической мастерской с помощью доступных средств и методов металлообработки.