Способ и устройство измерения коэффициента трения груза о контактные поверхности грузового вагона
METHOD AND DEVICE FOR MEASURING THE COEFFICIENT OF FRICTION OF CARGO ON THE CONTACT SURFACES OF A FREIGHT CAR

Способ и устройство измерения коэффициента трения груза о контактные поверхности грузового вагона позволяют экспериментально определить достоверное значение коэффициента трения груза, размещенного в железнодорожном вагоне, об опорные поверхности вагона или о контактные поверхности удерживающих груз устройств.
При перевозке железнодорожным транспортом грузов, в том числе и крупногабаритных, размещаемых с опорой на несколько железнодорожных вагонов, важным вопросом является сохранность исходной позиции размещения груза в вагоне. Изменение положения груза во время движения под действием ветровых, центробежных, инерционных нагрузок может привести к смещению центра тяжести вагона, опрокидыванию вагона или выходу груза за габарит подвижного состава. Такое смещение является угрозой безопасности движения поездов и может привести к тяжким последствиям.
Поэтому при подготовке к перевозке, в соответствии с нормативным документом «Правила размещения и крепления грузов в вагонах и контейнерах при перевозках их по железным дорогам колеи 1520 мм стран-участниц СМГС» [1] проводятся процедуры расчетного и экспериментального определения надежности крепления груза и устанавливается достаточность сил трения для сохранения исходной позиции груза в вагоне под действием нагрузок, которые могут возникнуть при перевозке.
Известен ряд способов лабораторного и экспериментального определения коэффициента трения взаимодействующих поверхностей. Лабораторные методы, описанные в [2-5] как правило позволяют определить коэффициент трения небольших опытных образцов, изготовленных из испытуемых материалов. В зависимости от целей исследования могут определяться коэффициенты трения как при линейном перемещении контактирующих поверхностей, так и при вращательном движении.
Недостатком лабораторных методов является отсутствие возможности адекватно смоделировать условия взаимодействия контактирующих (в том числе и опорных) поверхностей, возникающие при перевозке груза в вагоне. Результаты лабораторных методов могут использоваться при проведении предварительных расчетов, но должны быть в обязательном порядке подкреплены результатами натурных экспериментов.
В международных документах по организации перевозки грузов различными видами транспорта описываются экспериментальные методы определения коэффициентов трения покоя и трения скольжения. Так, например, в Кодексе практики ИМО/МОТ/ЕЭК ООН по укладке грузов в грузовые транспортные единицы [6, Annex 7, Appendix 3] описываются экспериментальные методы определения коэффициента трения μ: метод наклона и тяговый метод. Согласно первому методу, груз размещается на наклоняемой платформе и регистрируется угол наклона α, при котором начинается скольжение груза по платформе. Тогда коэффициент трения предлагается определять как μ=0,925•tgα. Проводится 5 тестов, максимальное и минимальное значение отбрасывают, а на основе оставшихся трех замеров определяют среднее значение, которое и используют для дальнейших расчетов.
Тяговый метод (испытание волочением) предполагает использование горизонтальной грузовой платформы, тянущего устройства и системы регистрации тягового усилия. При смещении груза по платформе с небольшой скоростью (не более 100 мм/мин) и на небольшое расстояние (50-85 мм в каждом тесте) регистрируется диаграмма, связывающая линейное перемещение и приложенную силу. Тогда коэффициент трения предлагается определять как μ = (тянущее усилие • 0,95) / (вес груза • 0,925). Проводится не менее 3 серий по 3 измерения в каждом, причем в одном из измерений вес должен быть уменьшен не менее, чем на 30%.
В руководстве Европейской комиссии European Best Practice Guidelines on Cargo Securing for Road Transport [7] предлагается использовать только наклонный тест и приводятся табличные значения, связывающие величину подъема высокого края платформы с грузом и коэффициента трения. Согласно этой методике, трение скольжения предлагается принимать равным 70% от величины трения покоя, полученной экспериментальным путем.
В Российской Федерации эксперименты по определению коэффициента трения между опорными поверхностями груза и вагона проводятся в соответствии с Приложением №2 к главе 1 Правил размещения и крепления грузов в вагонах и контейнерах [1].
Экспериментальная проверка значений коэффициентов трения в натурных условиях выполняется путем проведения испытаний на соударение движущихся вагонов с грузом с неподвижной группой надежно закрепленных вагонов. Для грузов, перевозимых на открытом подвижном составе, экспериментальная проверка проводится в условиях наличия осадков в виде дождя (или их имитации). Для грузов, имеющих опорную поверхность из полимерных материалов, эксперименты проводятся при отрицательных температурах окружающей среды до минус 25°С включительно.
При подготовке к проведению эксперимента груз на вагоне должен быть размещен без крепления и при этом должна быть обеспечена возможность его свободного перемещения в продольном направлении не менее 500 мм. Условия контактирования груза с вагоном на длине возможного смещения должны быть неизменными.
Согласно установленной методике [1], соударения проводятся сериями со последовательным повышением скоростей на 1 км/ч в диапазоне от 4 до 8 км/ч. После каждого соударения с известной скоростью проводится осмотр груза и определяется его смещение относительно начального положения (положения после предыдущего соударения).
При отсутствии смещения груза после соударения с малой скоростью, количество соударений следующего скоростного режима увеличивается на величину, равную количеству соударений, после которых не зафиксировано смещение груза. Соударения продолжают до достижения не менее 20 наблюдений смещения груза.
Замеры ускорения груза производят датчиком ускорения, установленным на грузе. При этом в методике [1] нет указаний, какое значение датчика и за какой интервал измерений должно браться за основу последующих расчетов. В соответствии с методикой [1] предлагается на основе обработки результатов наблюдений, при которых было выявлено смещение груза, с использованием методов вариационной статистики определить коэффициент трения как отношение среднего значения ускорения к ускорению свободного падения g.
Недостатком описанного способа является то, что совокупная погрешность метода складывается из нескольких компонент: погрешности измерения скорости вагона, погрешности измерения ускорения груза и погрешности измерения перемещения груза. С учетом ограниченного числа наблюдений, рекомендованных методикой [1], даже статистическая обработка полученных экспериментальных данных дает весьма приблизительное значение коэффициента трения.
С целью устранения недостатка описанного выше метода предлагается использовать метод определения коэффициента трения, основанный на определении моментов срыва и восстановления скольжения незакрепленного груза по опорным поверхностям на основе показаний одного чувствительного элемента - датчика ускорений (акселерометра), регистрирующего колебания груза в продольном направлении.
Способ заключается в том, что при помощи акселерометра, прочно закрепленного на грузе, с высокой частотой дискретизации регистрируется процесс колебаний и перемещений груза при столкновении вагона-«бойка» с препятствием («стенкой»).
В процессе соударения вагона-«бойка» со «стенкой» из неподвижных груженых вагонов происходит резкое замедление вагона. За счет сил трения покоя в начальный момент времени (8-15 мс) замедление передается на размещенный на платформе груз, в котором возникает сила инерции, пропорциональная массе груза и приложенному ускорению. При достижении значения силы инерции, превышающего силу трения покоя, происходит срыв сцепления груза с опорами и начинается смещение (скольжение) груза относительно опорных поверхностей. В процессе смещения груза, за счет работы сил трения в паре/системе «груз-опора» происходит потеря кинетической энергии груза и снижение действующей силы инерции. По мере достижения баланса сил в паре/системе трения, скольжение груза приостанавливается и дальнейшие колебания могут совершаться как с проскальзыванием, так и без него, совместно с вагоном-«бойком».
Ключевым моментом предлагаемого способа является анализ осциллограммы ускорений, зарегистрированной при соударении (рисунок 1): на осциллограмме определяется ниспадающий участок, соответствующий скольжению груза по опоре - он соответствует периоду времени между достижением пикового значения замедления (точка «С» - срыв сцепления, момент преодоления силами инерции груза сил трения покоя в контакте груза и опоры) и окончанием снижения величины замедления (точка «В» - восстановление сцепления, момент превышения действующими силами трения скольжения в контакте «груз-опора» сил инерции груза). Выделение точек «С» и «В», соответствующих локальным экстремумам наблюдаемого сигнала, осуществляется программой блока обработки и регистрации сигнала в автоматическом режиме без участия человека.
2
После выявления ниспадающего участка осциллограммы проводится определение среднего значения всей суммы замеров, находящихся в диапазоне между точками «С» и «В», - если значения осциллограммы промасштабировать в единицах ускорения свободного падения g - 9,81 м/с, то это среднее значение и будет соответствовать значению коэффициента трения скольжения в наблюдаемой системе трения «груз-опора».
Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает непосредственное измерение процесса срыва сцепления груза с опорой за счет преодоления силой инерции, действующей на груз, сил трения покоя и затем измерение работы сил трения скольжения в паре/системе трения «груз-опора». Такое измерение обеспечивает высокую стабильность получаемых результатов вне зависимости от скорости соударения. При этом нет необходимости измерять величину смещения груза после каждого удара - достаточно контролировать максимально допустимое смещение, чтобы не допустить смещения груза со штатных опорных поверхностей.
Устройство (рисунок 2), реализующее предлагаемый способ, состоит из датчика ускорений (акселерометра) 1, блока обработки и регистрации сигнала 2, источника питания 3 и аккумулятора 4. В качестве блока обработки и регистрации сигнала 2 может выступать персональный компьютер (планшет, смартфон или микроконтроллер) с адаптером, обеспечивающим сопряжение с датчиком ускорений и установленным программным обеспечением для обработки регистрируемых сигналов и записи результатов измерений.
Результаты обработки (усреднения) серии наблюдений отображаются на экране персонального компьютера, планшета/смартфона или на экране микроконтроллера.
Предлагаемое по заявляемому способу устройство обеспечивает определение коэффициента сцепления путем измерения ускорений (замедлений) груза, возникающих при столкновении вагона-«бойка» с размещенным на нем грузом с неподвижной группой вагонов («стенкой»).
В отличие от известных способов, предлагаемые способ и устройство обеспечивают измерение параметров трения в паре/системе «груз-опора» через анализ пикового значения ускорения и ниспадающего участка осциллограммы ускорения груза, что подтверждает изобретательский уровень заявляемого способа, и получение результата непосредственно после окончания эксперимента.
Монтаж и демонтаж предлагаемого измерительного устройства не требует трудоемких работ и привлечения дополнительных работников. Работы по монтажу могут быть выполнены на подъездных путях предприятий без дополнительной маневровой работы.
Технико-экономический эффект применения способа и устройства заключается в снижении временных и финансовых затрат на проведение экспериментальных исследований по определению коэффициента трения в паре/системе «груз-вагон», а также в повышении точности измерений при одновременном снижении стоимости измерительного оборудования. Способ и устройство могут применяться грузоотправителями при разработке технических условий для перевозки грузов в качестве надежного метода получения объективной оценки коэффициента трения груза и опорных поверхностей железнодорожного подвижного состава.
В доступных автору отечественных и зарубежных источниках информация о применении предлагаемого способа измерения и аналогичных устройств для измерения коэффициента трения скольжения в паре/системе «груз-вагон» отсутствует. Таким образом, заявляемые способ и устройство соответствуют критерию изобретения «новизна».
Источники информации
1. Технические условия размещения и крепления грузов. Приложение 3 к Соглашению о международном железнодорожном грузовом сообщении (СМГС) [Электронный ресурс], https://rch.railcargo.com/dam/jcr:f7aab233-086d-48ef-b2ba-16ba9bc5a149/SZMGSZ_3melleklet_ru.pdf
2. Патент СССР №930080. Прибор для определения коэффициента трения скольжения методом затухающих колебаний [Текст] / B.C. Сысоев. Опубл. 23.05.1982.
3. Патент СССР №978021. Прибор для определения коэффициента трения скольжения [Текст] / Д.С. Икомасов и др. Опубл. 30.11.1982.
4. Патент СССР №1396001. Способ определения коэффициента трения скольжения [Текст] / В.Г. Ефимов и Я.А. Виба. Опубл. 15.05.1988.
5. Патент РФ №150882. Устройство для определения коэффициента трения скольжения [Текст] / Гофман И.В. и др. Опубл. 10.03.2015
6. Кодекс практики ИМО/МОТ/ЕЭК ООН по укладке грузов в грузовые транспортные единицы - IMO/ILO/UNECE Code of Practice for Packing of Cargo Transport Units (CTU Code) [Электронный ресурс]. https://www.unece.org/fileadmin/DAM/trans/doc/2014/wp24/CTU_Code_January_2014.pdf
7. European Best Practice Guidelines on Cargo Securing for Road Transport [Электронный ресурс]. https://op.europa.eu/en/publication-detail/-/publication/30c7c1dc-f26e-44af-bd4c-2434b43edd7e