УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА СЦЕПЛЕНИЯ КОЛЕСА С ПОВЕРХНОСТЬЮ АЭРОДРОМНОГО ПОКРЫТИЯ
DEVICE FOR ELECTROMECHANICAL MEASUREMENT OF FRICTION COEFFICIENT OF WHEEL WITH SURFACE OF AERODROME PAVEMENT

Изобретение относится к системам и устройствам для оценки состояния аэродромного покрытия. Устройство предназначено для определения условий торможения авиационных пневматических колес на искусственных аэродромных покрытиях по величине коэффициента сцепления.
Для оценки состояния аэродромного покрытия на отечественных аэродромах используется деселерометр, который представляет собой переносной малогабаритный прибор. Он состоит из амортизированного воздухом маятника, соединенного со стрелкой, которая показывает отрицательное ускорение.
Для измерения коэффициента сцепления автомобиль разгоняется до установленной скорости, затем водитель нажимает на педаль тормоза. Маятник деселерометра вместе с фиксирующей стрелкой отклоняется в направлении движения. Считывается величина отрицательного ускорения. Путем несложных вычислений определяется коэффициент сцепления. Данное устройство имеет значительные погрешности в определении коэффициента сцепления.
(Устройство и работа деселерометра приведены в «Руководстве по эксплуатации гражданских аэродромов Российской Федерации». М., Изд. Воздушный транспорт, 1995 г.).
Известно устройство для оценки сцепных качеств дорожных покрытий, которое содержит опорную раму с блоками и имитатор шины, подвижная часть полиспаста связана с составным грузом, а в неподвижную ветвь полиспаста включен динамометр. При срабатывании спускового механизма составной груз передает сдвигающее усилие на имитатор шины, а динамометр фиксирует силу трения покоя и силу трения скольжения. Сцепные качества в этом устройстве оцениваются по величинами массы перегруза и составного груза с учетом показаний гидравлического динамометра.
Недостатком известного устройства является то, что известное устройство имеет ряд механических передач, обладающих трением с нестабильными характеристиками. Применение пружинных и гидравлических устройств связано с нестабильными характеристиками жидкостей и упругих элементов, что снижает точность измерения коэффициента сцепления (см. SU 1730327 A1, E01C 23/07).
Наиболее близким к заявленному изобретению по технической сущности к предлагаемому изобретению является «Устройство для измерения коэффициента сцепления колеса с поверхностью покрытия, шведского производства, тип "ASFT Mk IV", имеющее максимальное количество сходных существенных с признаками заявленного устройства и поэтому принятого за прототип.
Известное устройство-прототип (Фиг.1) содержит основание автотранспортного средства 1, измерительное колесо 2, ступицу измерительного колеса 3, вал измерительного колеса 4, систему 5 опускания-подъема и задания заданного давления на измерительное колесо 2, датчик давления 6, датчик угловой скорости 7, редуктор 8, пульт управления 9, вычислительное устройство 10, вал передачи вращательного момента от кардана к коробке цепной передачи 11, коробка цепной передачи 12, датчик крутящего момента 13, ведомые колеса автотранспортного средства 14, ступицы ведомых колес 15, рессоры с узлами вращения 16, вал заднего моста 17, рама (труба) заднего моста 18.
Работа известного устройства.
Перед проведением измерений на пульте управления 9 поводится подготовительная работа: выставляются время, дата, обозначение торца полосы. Включается рабочий режим устройства.
Система 5 опускания-подъема опускает измерительное колесо 2 до соприкосновения с поверхностью аэродромного покрытия и создает нормальную заданную нагрузку на ступицу 3 измерительного колеса 2. Величина заданной нагрузки на ступицу 3 измерительного колеса 2 контролируется датчиком давления 6, сигнал датчика давления 6 поступает на вход вычислителя 10. При достижении заданного давления на измерительном колесе 2 система 5 продолжает отслеживать заданное нормальное значение давление на измерительном колесе 2. Управление системой 5 осуществляется вычислителем 10.
Ведомые колеса 14 через ступицы 15 через вал 17 и раму 18 заднего моста механически соединены между собой. На раме заднего моста размещается редуктор 8, который через цепную передачу осуществляет вращение измерительного колеса 2 по поверхности покрытия с принудительным проскальзыванием до 14-15%. Момент силы вращения измерительного колеса 2 измеряется датчиком крутящего момента 13. Момент силы вращения измерительного колеса 2 с выхода датчика крутящего момента 13 поступает на второй вход вычислителя 10, где по величине крутящего момента силы определяется коэффициент сцепления.
На третий вход вычислителя 10 с датчика угловой скорости 7 поступает сигнал угловой скорости вращения ведомых колес 14 по величине угловой скорости вычисляется скорость движения автотранспортного средства.
Недостатком известного устройства является:
Система 5 опускания-подъема крепится к раме 18 заднего моста, и редуктор 8 установлен на валу 17 заднего моста. При движении транспортного средства система 5 подъема-опускания, а также редуктор с коробкой цепной передачи вибрируют, заставляя вибрировать измерительное колесо 2, ухудшая истинное значение коэффициента сцепления колеса с поверхностью покрытия. В устройстве используется датчик крутящего момента, при вычислении по моменту силы коэффициента сцепления используется размер радиуса измерительного колеса. Ошибка в размере радиуса измерительного колеса 2 уменьшает точность определения коэффициента сцепления.
Целью создания предложенного устройства (Фиг.2) является повышение точности измерений коэффициента сцепления путем исключения вибрации измерительного колеса 2 и путем измерения силы трения непосредственно на ступице измерительного колеса 2.
Поставленная цель в "Устройстве электромеханического измерения коэффициента сцепления колеса с поверхностью аэродромного покрытия" достигается тем, что в нем как в прототипе содержится: основание автотранспортного средства, измерительное колесо, ступица измерительного колеса, вал измерительного колеса, система опускания-подъема и задания заданного давления на измерительное колесо, датчик давления, датчик угловой скорости, редуктор, пульт управления, дополнительно в устройство включены платформа с осью вращения, балка подвески измерительного колеса с осью вращения, датчик силы трения, каретка, валы перемещения каретки, раздвижной карданный вал, генератор с внешним возбуждением, блок резисторов, блок управления генератором, амортизатор, приемник спутниковой навигационной системы, система автоматического управления, при этом выход датчика давления подключен к первому входу системы автоматического управления, первый выход которой соединен с системой опускания-подъема измерительного колеса, датчик угловой скорости, размещенный на ступице измерительного колеса, своим выходом подключен к второму входу системы автоматического управления, второй выход и третий вход системы автоматического управления подключены соответственно к входу и выходу пульта управления, причем ступица измерительного колеса через каретку по валам перемещения механически подключена датчику силы трения, выход которого соединен с четвертым входом системы автоматического управления, а измерительное колесо через раздвижной карданный вал и затем через редуктор механически подключено к ротору генератора, который подключен к блоку резисторов, третий выход системы автоматического управления через блок управления генератором соединен с генератором внешнего возбуждения, система опускания-подъема через датчик давления механически соединена с платформой, амортизатор включен между платформой и балкой подвески измерительного колеса, приемник спутниковой навигационной системы соединен с пятым входом системы автоматического управления.
В известных технических решениях признаков, сходных с отличительными признаками заявленного устройства, не обнаружено, вследствие чего можно считать, что предлагаемое устройство соответствует изобретательскому уровню.
Использование данного устройства при его реализации позволит повысить точность определения коэффициента сцепления колеса на аэродромном покрытии. Данное устройство может использоваться при эксплуатации и ремонте дорожных покрытий, при расследовании дорожно-транспортных происшествий, а также осуществлять контроль за состоянием искусственных покрытий дорог и аэродромов.
Сущность предлагаемого "Устройства электромеханического измерения коэффициента сцепления колеса с поверхностью аэродромного покрытия " поясняется чертежами, где представлены:
на фиг.1 - структурная схема прототипа;
на фиг.2 - структурная схема предлагаемого устройства;
на фиг.3 - алгоритм измерения коэффициента сцепления колеса с аэродромным покрытием.
Предлагаемое "Устройство электромеханического измерения коэффициента сцепления колеса с поверхностью аэродромного покрытия" содержит: основание автотранспортного средства 1, измерительное колесо 2, ступицу 3 измерительного колеса, вал 4 измерительного колеса, систему 5 опускания-подъема и задания заданного давления на измерительное колесо 2, датчик давления 6, датчик угловой скорости 7, редуктор 8, пульт управления 9, дополнительно в устройство включены платформа 19 с осью вращения 20, балка 21 подвески измерительного колеса с осью вращения 22, датчик силы трения 23, каретка 24, валы 25 перемещения каретки, раздвижной карданный вал 26, генератор с внешним возбуждением 27, блок резисторов 28, блок управления генератором 29, амортизатор 30, приемник спутниковой навигационной системы 31, система автоматического управления 32. При этом выход датчика давления 6 подключен к первому входу системы автоматического управления 32, первый выход которой соединен с системой 5 опускания-подъема измерительного колеса 2, датчик угловой скорости 7, размещенный на ступице 3 измерительного колеса 2, своим выходом подключен к второму входу системы автоматического управления 32, второй выход и третий вход системы автоматического управления 32 подключены соответственно к входу и выходу пульта управления 9, причем ступица 3 измерительного колеса 2 через каретку 24 по валам 25 перемещения механически подключена датчику силы трения 23, выход которого соединен с четвертым входом системы автоматического управления 32, а измерительное колесо 2 через раздвижной карданный вал 26 и затем через редуктор 8 механически подключено к ротору генератора 27, который подключен к блоку резисторов 8, третий выход системы автоматического управления 32 через блок управления генератором 29 соединен с генератором 27 внешнего возбуждения, система 5 опускания-подъема через датчик давления 6 механически соединена с платформой 19, амортизатор 30 включен между платформой 19 и балкой 21 подвески измерительного колеса 2, приемник спутниковой навигационной системы 31 соединен с пятым входом системы автоматического управления 32.
Описание работы заявленного устройства.
Заявленное устройство содержит механическую и электрическую части.
Механическая часть.
Измерительное колесо 2 установлено на ступице 3, которая с помощью вала 4 крепится к каретке 24. Каретка 24 свободно перемещается в горизонтальном направлении по двум валам 25, закрепленными в балке подвеса измерительного колеса 2. Между кареткой 24 и балкой подвеса 21 измерительного колеса 2 установлен датчик измерения силы трения 23 измерительного колеса о взлетно-посадочную поверхность. Балка подвеса 21 измерительного колеса 2 крепится к платформе 19 по ходу движения устройства через ось вращения 22, а с противоположной стороны - амортизатором 30 для предотвращения отрыва измерительного колеса от поверхности взлетно-посадочной полосы. Для создания нагрузки измерительного колеса 2 на поверхность взлетно-посадочной полосы с заданной силой платформа 19 крепится к основанию 1 (установленного на раме автотранспортного средства) через ось вращения 20, с противоположной стороны платформы 19, через датчик силы 6 системой 5 опускания-подъема создается заданная нормальная нагрузка на измерительное колесо 2
Электрическая часть.
Вращательный момент с измерительного колеса 2, раскручиваемого при движении устройства по поверхности взлетно-посадочной полосе, передается на ротор генератора 27 через раздвижной карданный вал 26 и редуктор 8. Генератор 27 вырабатывает электрическую энергию, которая сбрасывается в блок резисторов 28, где рассеивается в тепло. Чем больше сбрасывается энергии, тем сильнее тормозится ротор генератора 27 и, соответственно, сильнее тормозится измерительное колесо 2, что приводит к увеличению степени скольжения измерительного колеса 2.
нагр
трен
лин
Управление сбросом энергии с генератора 27 и, тем самым, степенью скольжения измерительного колеса 2 осуществляется системой автоматического управления 32 через блок управления генератором 29. На входы системы автоматического управления 32 поступают: сигнал угловой скорости измерительного колеса 2 Wк от датчика угловой скорости 7, сигнал нормальной нагрузки F на измерительное колесо 2 от датчика давления 6, измеряющего нормальную нагрузку на измерительное колесо 2; сигнал силы трения F измерительного колеса 2 от датчика 23 измерения силы трения измерительного колеса 2; сигнал линейной скорости устройства V от приемника спутниковой навигации 31.
По требованиям Международной организации гражданской авиации (ИКАО) измерение коэффициента сцепления должно производится при постоянной степени скольжения Е измерительного колеса 2 в диапазоне от 10 до 20%, при обеспечении нормальной нагрузки измерительного колеса 2 на поверхность взлетно-посадочной полосы аэродрома от 90 до 110 кгс, и измерительное колесо должно быть с рисунком протектора типа Measurjng wheei UNITESTER 520. По тем же требованиям коэффициент сцепления должен рассчитываться как отношение силы трения измерительного колеса 2 о поверхность покрытия к нагрузке измерительного колеса 2 на поверхность аэродромного покрытия.
трен
нагр
КС=F/F
где КС - коэффициент сцепления;
трен
F - сила трения измерительного колеса по поверхности покрытия.
нагр
F - нормальная нагрузка на измерительное колесо 2
лин
к
к
лин
Е=100%(V-WR)/V,
где Е - степень скольжения измерительного колеса по поверхности покрытия.
V - линейная скорость устройства, измеренная приемником спутниковой навигации;
к
W - угловая скорость датчика 7;
к
R - радиус измерительного колеса.
к
лин
R - радиус измерительного колеса 2, вычисляется при прокате измерительного колеса 2 с постоянной скоростью V0 по сухой поверхности без проскальзывания измерительного колеса 2 по формуле:
к
лин
к
R=V0/W0
тек
Для обеспечения постоянства степени скольжения измерительного колеса 2 по поверхности взлетно-посадочной полосы система автоматического управления 32 производит вычисление текущего значения степени скольжения Е по формуле
лин
к
к
лин
Е=100%(V-WR)/V
зад
упр
сравнивает его с заданной степенью скольжения Е, вырабатывает сигнал управления генератором К. В соответствии с формулой
упр
зад
тек
К=Е-Е
И подает этот сигнал в блок управления генератором 29, что приводит к дополнительному торможению или расслаблению измерительного колеса 2, таким образом, чтобы текущая степень скольжения сравнялась с заданной степенью скольжения. Аналогичным образом в системе автоматического управления 32 вырабатывается сигнал управления, выдаваемый в систему 5 подъема-опускания и нагрузки измерительного колеса 2
Положительный эффект от реализации предложенного устройства заключается в повышении точности определения коэффициента сцепления, полученного путем исключения вибрации автотранспортного средства на измерительное устройство. А также путем непосредственного измерения силы трения измерительного колеса 2 на поверхности покрытия.
Заявленное устройство может быть выполнено из следующих изделий:
2 - измерительное колесо; TRELLEBORG UNITESTER 520 4.00-8 6 P.R
3 - ступица измерительного колеса 2 - передняя ступица автомобиля ОКА (ВАЗ - 1111);
5 - система подъема-опускания и нагрузки измерительного колеса 2; актуатор MHG 100/50 с ходовым винтом MHG - TR10×3 и винтовой головкой MHG - GK - 6$
6 - датчик давления - 35 5-200 кг С3 (фирма Vishay);
7 - датчик угловой скорости - датчик Холла;
8 - редуктор повышающий;
23 - датчик силы трения - датчик силы Model (фирма Vishay);
26 - раздвижной карданный вал - 5GA (фирма Антриб), позволяет передавать вращательное движение до 90 град. переменной длины.
27 - генератор с внешним возбуждением - 60.3701 (Самарский завод им.Тарасова);
28 - блок резисторов - тип резисторов Р2 - 1В - 10000 Вт. - ОЕ7И (изготовитель "КВАНТ" Великий Новгород);
31 - приемник спутниковой навигационной системы - Trimble s Copernicus GPS receiver.