Система для определения величины сцепления между рельсом и колесом железнодорожного транспортного средства и соответствующий способ такого определения
SYSTEM FOR DETERMINING THE VALUE OF FRICTION BETWEEN THE RAIL AND THE WHEEL OF A RAILWAY VEHICLE, AND CORRESPONDING METHOD FOR SUCH DETERMINATION

Область техники
Настоящее изобретение, в целом, относится к области систем мониторинга контактных усилий между рельсом и колесом железнодорожного транспортного средства; в частности, данное изобретение относится к системе для определения величины сцепления между рельсом и колесом железнодорожного транспортного средства, и к соответствующему способу такого определения.
Предшествующий уровень техники
При перемещении по пути железнодорожные транспортные средства передают усилия на землю через контакт между рельсом и колесом, что позволяет составу следовать по пути. Передаваемые усилия зависят от характеристик пути, динамического режима состава и величины груза, перевозимого таким составом.
В последние годы системы мониторинга контактных усилий между колесом и рельсом вызывают заинтересованность различных участников железнодорожной отрасли, таких как Операторы инфраструктуры (ОИ) и Железнодорожные компании (ЖК). Такой интерес, в частности, относится к возможности мониторинга находящегося в обороте подвижного состава в режиме реального времени, и, следовательно, к возможности оповещения Железнодорожных компаний (ЖК) о любом несоответствии, чтобы они могли предпринять соответствующие корректирующие действия.
Системы мониторинга контактного усилия могут быть классифицированы следующим образом:
- системы, установленные на борту состава;
- системы измерения деформации оси и/или колеса;
- системы, используемые, в основном, в процессе аттестации подвижного состава;
- системы, установленные на земле; системы измерения деформации путей; и
- системы, используемые, главным образом, в качестве диагностических систем, рассчитанных на периодическое использование со средними и длительными интервалами.
Величина контактных усилий, передаваемых между колесом и рельсом, зависит от соблюдения ограничений, установленных в стандарте UNI EN14363. Этот стандарт регламентирует проведение квазистатических и динамических испытаний с целью аттестации подвижного состава. Ограничения, налагаемые этим стандартом, непосредственно относятся к:
- конструктивным характеристикам, которыми должны обладать пути;
- безопасности с точки зрения схода с путей;
- поддержание правильных геометрических показателей пути с течением времени; и
- комфортным условиям езды.
vert
lat
long
Если сосредоточить внимание на измерительных системах, установленных на борту состава, контактные усилия можно разложить по трем пространственным направлениям, т.е. на вертикальные усилия F, поперечные усилия F и продольные усилия F (как показано на Фиг. 1).
С течением времени были разработаны разнообразные способы измерения контактных усилий. Такие известные способы, в основном, основаны на оценке контактных усилий путем измерения деформации колесной пары в разных точках. Термин «колесная пара» используется для обозначения узла, состоящего из двух колес и соединяющей их оси. Такие точки могут быть расположены на оси или в центрах колес. Следовательно, измерение усилий не является непосредственным, и для определения величины контактных усилий, исходя из измеренных значений деформации, требуется выполнение калибровки.
Как известно из предшествующего уровня техники, устанавливают один или несколько датчиков деформации (в различных конфигурациях: например, измерительный мост Уитстона и т.д.) на оси и/или колесе железнодорожного транспортного средства для калибровки измерительной системы и для оценки контактных усилий, исходя из деформации оси.
Поэтому в настоящее время единственной основной целью для оценки контактных усилий между колесом и рельсом является мониторинг состояния инфраструктуры и подвижного состава, а также относительное планирование операций по их техническому обслуживанию и/или осуществлению корректирующих действий (как показано на блок-схеме Фиг. 2).
Таким образом, недостатком является то, что не существует известных систем или способов, которые позволяли бы получать расчетную величину сцепления колеса с рельсом посредством оценки контактных усилий между колесом и рельсом.
Существуют другие известные системы и способы для измерения сцепления колеса с рельсом, например, WO 2013034698 и ЕР 2918459. В таких системах и способах сцепление колес с рельсами оценивают только с помощью косвенных измерений (выполняемых с помощью оптических датчиков, датчиков температуры или датчиков проводимости и т.д.) или путем наблюдений за сцеплением, основанных на усилии торможения или тяговом усилии, приложенном к оси.
При таких наблюдениях за сцеплением, к сожалению, оценка усилия торможения от давления на тормозной цилиндр является не очень точной и надежной, поскольку она подвержена ряду ошибок (которые распространяются в соответствии с теорией распространения ошибок), обусловленных механическими характеристиками и КПД привода, значительной изменчивостью, связанной с коэффициентом трения между диском и колодкой, зависящего от условий эксплуатации (температура колодки, температура диска, скорость вращения, усилие прижима и т.д.) и условий окружающей среды (температура и влажность окружающего воздуха и т.д.).
Аналогичным образом, оценка тягового усилия/усилия торможения по электрическому току, потребляемому/рекуперированному электродвигателем, зависит от ошибки, связанной с преобразованием величин тока и крутящего момента, типовой для любого электродвигателя.
Кроме того, известные системы не учитывают тот факт, что в случае ухудшенного сцепления (загрязнение рельса и т.д.) не все приложенное усилие торможения или тяги передается на рельс (т.е. не все прикладываемое усилие торможения/тяги становится продольным усилием сцепления).
Еще одним примером таких систем (для которых характерны недостатки, указанные выше) является заявка на патент Италии №102016000034535, «Способ контроля и возможного восстановления сцепления колес управляемых осей железнодорожного транспортного средства», поданная компанией FAIVELEY TRANSPORT ITALIA. S.p.A., в который сцепление определяют по следующей формуле:
где:
Fm - расчетная величина тормозного или тягового усилия.
В случае торможения тормозное усилие Fm можно получить путем умножения давления, приложенного к тормозному цилиндру, известного системе, на коэффициенты преобразования давления в усилие, типовые для пневматического привода, передаточное отношение и КПД рычажного механизма, а также на коэффициент трения между колодкой и диском в случае использования дисковых тормозов. Аналогично, в случае тягового или электродинамического торможения тормозное усилие Fm можно получить, исходя из величины электрического тока, потребляемого/рекуперируемого двигателем, соответственно, в режиме тяги или торможения. В случае смешанного торможения тормозное усилие Fm рассчитывают, как сумму двух воздействий от пневматического и электродинамического торможения, соответствующим образом взвешенных по соответствующим коэффициентам.
Сущность изобретения
Одной из задач настоящего изобретения является возможность оценить продольные усилия, передаваемые от оси на рельс, исходя из деформации кручения оси. Эти деформации кручения используются для оценки величины непосредственного сцепления колеса с рельсом в зависимости от продольного усилия, передаваемого на рельс, то есть оценки действующего усилия торможения или тяги в оси, без необходимости оценивать приложенные усилия торможения или тяги.
Для получения такого результата предложена система для определения величины сцепления между рельсом и колесом железнодорожного транспортного средства, включающая в себя, по меньшей мере, одну ось, с которой сопряжены два колеса, имеющие радиус R.
Такая система содержит схему обнаружения деформации, сопряженную с осью железнодорожного транспортного средства.
Схема обнаружения деформации обеспечивает выявление деформации кручения оси, которая вызвана усилием, передаваемым от оси на рельс.
Система для определения величины сцепления между колесом и рельсом дополнительно содержит средство управления, предусмотренное для оценки величины крутящего момента в зависимости от деформации кручения, выявленной схемой обнаружения деформации.
Упомянутое средство управления дополнительно обеспечивает преобразование расчетной величины крутящего момента в значение продольного усилия сцепления в зависимости от радиуса R колес, и осуществляет расчет величины сцепления между колесом и рельсом с помощью соотношения между упомянутым значением продольного усилия сцепления и значением нормальной нагрузки, которую ось оказывает на рельс.
Кроме того, предложен соответствующий способ определения величины сцепления между колесом и рельсом.
Согласно первому объекту настоящего изобретения, упомянутые выше и другие задачи решаются, а преимущества достигаются с помощью системы определения величины сцепления между колесом и рельсом, которая имеет характеристики, определенные в п. 1 формулы изобретения, и с помощью способа определения величины сцепления между колесом и рельсом, с характеристиками, определенными в п. 6 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения определены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
Далее будут описаны функциональные и структурные характеристики некоторых предпочтительных вариантов осуществления системы и способа определения сцепления между колесом и рельсом в соответствии с данным изобретением. Делается ссылка на прилагаемые чертежи, а именно:
- на Фиг. 1 показана ось железнодорожного транспортного средства, когда она расположена на рельсе, и показаны контактные усилия, разложенные по трем пространственным направлениям, которые идентифицируют вертикальные усилия, поперечные усилия и продольные усилия;
- на Фиг. 2 показана блок-схема, иллюстрирующая этапы, как правило, выполняемые системами, созданными согласно предыдущему уровню техники;
- на Фиг. 3 показана ось железнодорожного транспортного средства, с которой сопряжена схема обнаружения деформации; и
- на Фиг. 4 на примере показан сигнал, сформированный схемой обнаружения деформации, которая подверглась деформации кручения во время движения состава.
Подробное описание
Перед подробным объяснением множества вариантов осуществления изобретения следует уточнить, что изобретение не ограничено в его применении подробностями конструкции и конфигурацией компонентов, представленных в последующем описании или показанных на чертежах. Изобретение может предполагать другие варианты осуществления и может быть реализовано или достигнуто, по существу, разными способами. Следует также понимать, что фразеология и терминология имеют описательные цели и не должны рассматриваться как ограничивающие. Использование слов «включать» и «содержать» и их вариации следует понимать как охватывающие указанные ниже элементы и их эквиваленты, а также дополнительные элементы и их эквиваленты.
Кроме того, во всем настоящем описании и формуле изобретения термины и выражения, указывающие положения и ориентации, такие как «продольный», «поперечный», «вертикальный» или «горизонтальный», указаны относительно направления движения поезда.
Обратимся вначале к Фиг. 3, в качестве примера, на котором показана ось 1 железнодорожного транспортного средства с сопряженной с ней схемой 10 обнаружения деформации, принадлежащей системе для определения величины сцепления между колесом и рельсом по настоящему изобретению.
В одном варианте осуществления данного изобретения система определения величины сцепления между рельсом и колесом железнодорожного транспортного средства, которая включает в себя, по меньшей мере, одну ось 1 с двумя колесами, соединенными с ней и имеющими радиус R, содержит схему 10 обнаружения деформации, сопряженную с осью 1 железнодорожного транспортного средства.
long
Схема обнаружения деформации предназначена для выявления деформации кручения оси в результате воздействия продольного усилия сцепления F (вдоль направления движения состава), передаваемого осью на рельс.
Такая система для определения величины сцепления между колесом и рельсом дополнительно содержит средство управления, предназначенное для оценки величины крутящего момента в зависимости от деформации кручения, выявленной такой схемой обнаружения деформации.
long
long
Такое средство управления дополнительно обеспечивает преобразование расчетной величины момента в значение продольного усилия сцепления F в зависимости от радиуса R колес, и осуществляет расчет величины сцепления между колесом и рельсом с помощью соотношения между упомянутым значением продольного усилия сцепления F и значением нормальной нагрузки, которую ось оказывает на рельс.
Такая величина нормальной нагрузки может быть определена, исходя из статической массы, действующей на ось, или с помощью известных систем измерения динамической нагрузки (например, тензометрические датчики, давление в подвеске и т.д.).
long
Преобразование расчетного значения крутящего момента в значение F продольного усилия сцепления может быть выполнено, например, с помощью упомянутого средства управления через соотношение между расчетным значением крутящего момента и значением радиуса R колес. Формула, используемая для такого преобразования, может иметь, например, следующий вид:
Усилие сцепления [Н]=Момент [Н⋅м] / R [м].
Такое средство управления может быть расположено, например, в непосредственной близости или прямо в составе схемы 10 обнаружения деформации. Как вариант, средство управления может быть расположено удаленно относительно схемы 10 обнаружения деформации в составе других бортовых блоков управления транспортного средства или в составе станций управления, удаленных относительно железнодорожного транспортного средства. Следовательно, средство управления может принимать данные от схемы обнаружения деформации либо через специальную проводку, либо через беспроводное соединение (телеметрия).
Таким средством управления может быть, например, но не обязательно, блок управления, процессор или микроконтроллер.
Другими словами, со ссылкой на Фиг. 4, когда речь идет об оценке деформации кручения, среднее значение напряжения кручения, которому подвергается ось, соотносится с продольными усилиями, которые передаются между колесами оси и рельсом.
Если транспортное средство не движется, и к оси не приложены внешние крутящие моменты (например, тяговый или тормозной момент), составляющая кручения, полученная от измерений датчиков деформации, равна нулю.
Если транспортное средство движется, а на ось не действует ни тяговое, ни тормозное усилие (движение по инерции), среднее значение составляющей кручения равно нулю, даже если имеются периодические колебания, связанные с частотой вращения и собственной частотой колебаний оси (обычно порядка 70 Гц).
С другой стороны, если к оси приложены внешние крутящие моменты, такие как тормозной или тяговый крутящий момент, в такой оси возникает напряжение кручения.
long
Выходной сигнал схемы 10 обнаружения деформации будет иметь среднее значение, пропорциональное продольному усилию F, передаваемому от оси к рельсу, с противоположным знаком в зависимости от того, осуществляется ли разгон или торможение.
Схема 10 обнаружения деформации может содержать, по меньшей мере, одно средство с тензометрическим датчиком деформации и/или, по меньшей мере, одно средство с пьезоэлектрическим датчиком.
Например, в описанном выше случае схема обнаружения деформации может быть выполнена с использованием моста Уитстона известной конфигурации. Другими словами, схема 10 обнаружения деформации содержит средство с мостовой схемой тензометрического датчика деформации, который может иметь конфигурацию в известных вариантах «четверти моста», «полумоста» или «полного моста».
Для повышения точности измерений могут использоваться несколько тензометрических и/или пьезоэлектрических датчиков деформации.
long
Продольное усилие F, передаваемое от оси к рельсу, представляет собой усилие сцепления.
long
vert
Коэффициент сцепления μ представляет собой, по определению, отношение продольного усилия сцепления F и нормального усилия нагрузки F. То есть:
μ=Усилие сцепления/Нормальное усилие нагрузки.
Настоящее изобретение дополнительно относится к способу определения величины сцепления между рельсом и колесом железнодорожного транспортного средства, включая, по меньшей мере, одну ось, с которой сопряжены два колеса, имеющие радиус R, при этом такой способ содержит следующие этапы:
long
- обнаружение деформации кручения оси, вызванной продольным усилием сцепления F, передаваемым от оси к рельсу.
- оценка величины крутящего момента в зависимости от обнаруженной деформации кручения;
long
- преобразование расчетного значения крутящего момента в значение продольного усилия сцепления F с учетом радиуса R колес; и
long
- расчет величины сцепления между рельсом и колесом через соотношение между величиной упомянутого продольного усилия сцепления F и величиной нормальной нагрузки, передаваемой осью на рельс.
long
Преобразование расчетного значения крутящего момента в значение продольного усилия сцепления F может быть выполнено, например, посредством соотношения между расчетным значением крутящего момента и величиной радиуса R колес.
Преимущество, обеспечиваемое этим изобретением, заключается в том, что оно позволяет оценить продольные усилия, исходя из деформаций кручения оси.
Дополнительное преимущество состоит в том, что можно непосредственно получить измеренное значение сцепления колес с рельсом в зависимости от продольного усилия, передаваемого на рельс, то есть путем оценки приложенного к оси действующего усилия торможения или тяги, без необходимости рассчитывать прилагаемые усилия торможения или тяги.
Были описаны различные объекты и варианты осуществления системы для определения величины сцепления между рельсом и колесом, и способа для определения величины сцепления между рельсом и колесом согласно настоящему изобретению. Предполагается, что каждый вариант осуществления может быть объединен с любым другим вариантом осуществления. Кроме того, изобретение не ограничено описанными вариантами осуществления, но может варьироваться в рамках, определенных прилагаемой формулой изобретения.