Проведение ходовых динамических испытаний грузовых вагонов с применением тензометрической колесной пары

УДК 629.4.0.18

А. В. Третьяков, А. А. Петров, К. В. Елисеев, М. В. Зимакова

ПРОВЕДЕНИЕ ХОДОВЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКОЙ КОЛЕСНОЙ ПАРЫ

Дата поступления: 20.06.2016 Решение о публикации: 27.09.2016

Цель: Проведение испытаний грузовых вагонов. Методы: В качестве исследовательской задачи была осуществлена попытка оценить степень внедрения тензометрической колесной пары в ходовые динамические испытания грузовых вагонов. На основе изучения этой проблемы был проведен обзор внедряемых в настоящее время тензометрических колесных пар, используемых при проведении данного вида испытаний в России и за рубежом. Результаты: На основе анализа выявлены недостатки внедряемого оборудования, которые возможно решить за счет применения современных измерительно-вычислительных комплексов с беспроводной передачей информации. Особое внимание уделено рассмотрению существующих методов проведения ходовых динамических испытаний и сравнительному анализу их с методом, основанным на использовании тензометрической колесной пары, установившем, что тензометрическая колесная пара является инструментом, позволяющим повысить точность регистрируемых величин, а также сократить издержки на подготовку испытаний. Основное содержание исследования составляет состав и схема организации измерительного канала при работе тензометрической колесной пары. Данное направление также дополняется рассмотрением актуальных тем, таким как схема расстановки тензорезисторов на диск колесной пары, в которой выделяются и описываются характерные особенности, отличающие такое размещение тензорезисторов от других, и конструкция стенда для тарировки тензометрической колесной пары. Практическая значимость: Обосновывается мысль о том, что необходимо сделать, для того чтобы повсеместно внедрить тензометрическую колесную пару с целью проведения ходовых динамических испытаний грузовых вагонов.

Ключевые слова: Вагон, испытания, испытания вагонов, ходовые динамические испытания вагонов, безопасность движения подвижного состава, тензометрия, тензометрическая колесная пара, стенд градуировки тензометрической колесной пары.

Alexander V. Tretyakov, D. Sci., professor, AVtretiakov@pgups.ru; *Anton A. Petrov, postgraduate student, gn.petrov.anton@yandex.ru (Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University); Kirill V. Yeliseev, assistant, kir.eliseev@gmail.com (Peter the Great St. Petersburg State Polytechnic University); Maria V. Zymakova, Cand. Sci, associate professor, Zimakova7@rambler.ru (AO "NVTs "Vagony"" - "Innovative center "Railroad cars"") RUNNING DYNAMIC TRIALS OF FREIGHT WAGONS WITH STRAIN-GAUGE WHEEL PAIR APPLICATION

Objective: To test freight wagons. Methods: An attempt was made to estimate the level of the adoption of strain-gauge wheel pairs in running dynamic trials of freight wagons. On the basis of studying this issue a survey of presently being implemented strain-gauge wheel pairs, which are applied in the process of freight wagons testing in Russia and abroad, was conducted. Results: On the basis of the conducted analysis some defects of implemented equipment were detected. The defects in question may be solved by means of modern measuring and computing systems with cable-free transmission. Special attention was dedicated to the existing methods of conducting running dynamic trials and the comparative analysis

of the latter with the method based on strain-gauge wheel pair application. By means of this method it was established that strain-gauge wheel pair allows to improve the accuracy of the registered quantities, as well as to reduce the costs of the test preparation. The main content of the study is the composition and the scheme of measuring channel arrangement in the process of strain-gauge wheel pair functioning. The school in question may also be complemented by studying the following topical issues: the array design of resistance strain gages on a wheel pair web, where characteristic features are singled out and described, which make the resistance strain gauge allocation differ from any other type of allocation, as well as stand construction for gauging a strain-gauge wheel pair. Practical importance: The idea of what should be done for a strain-gauge wheel pair overall embedment, for the purpose of running dynamic trials of freight cars, was validated.

Keywords: Wagon, tests, wagon testing, running dynamic trials of wagons, safety of a railway vehicle movement, strain gauging, strain-gauge wheel pair, strain-gauge wheel pair gaging stand.

Введение

В настоящее время творческий коллектив ученых ПГУПС и научных сотрудников АО «НВЦ "Вагоны"» совместно с работниками Тихвинского испытательного центра железнодорожного транспорта приступили к подготовке использования тензометрических колесных пар (ТКП) при проведении ходовых динамических испытаний грузовых вагонов. Целью данного вида испытаний является определение контролируемых показателей при различных скоростях и режимах движения на эксплуатационных магистральных железнодорожных путях [1].

Обзор тензометрических колесных пар

Резонным представляется задать вопрос, почему именно сейчас становится актуальным применение ТКП при проведении ходовых испытаний? Ведь идея использования ТКП не нова - еще в 1946 г. доктор технических наук, проф. М. Ф. Вериго предложил использовать диск колеса в качестве динамометра для измерения вертикальных и боковых сил, действующих со стороны железнодорожного пути на колесные пары испытуемого вагона. Однако практическое воплощение этой идеи было реализовано лишь в 1960-е годы - уче-

ные ВНИИЖТ смогли зарегистрировать силы, действующие на колесную пару по напряженному состоянию диска колеса [2].

ТКП, разработанная отделением вагонного хозяйства ВНИИЖТа, была собрана из типовых элементов: ось РУ1, цельнокатаные колеса диаметром 950 мм. Для увеличения точности измерения усилий, а в большей степени вертикальных, в дисках колесной пары было просверлено по восемь сквозных прорезей, образующих четыре спицы, на каждом диске находилось около 100 тензорезисторов. В оси для проводов, идущих от измерительных схем к концевым токосъемным устройствам, также были просверлены отверстия (рис. 1).

Данная конструкция ТКП обеспечивала точные замеры вертикальных и боковых сил: при размещении измерительных схем на спицах разного диаметра ТКП выполняла по два замера за оборот колеса, а при размещении на четырех спицах - четыре [3]. В 2009 г. к решению этого вопроса подключен ВНИКТИ и были изготовлены тензометрические колесные пары, системы телеметрической передачи информации с колесных пар на борт, оборудован средствами сбора и передачи информации вагон-цистерна (помимо характеристик движения будут регистрироваться и параметры продольных сил на автосцепке) [4].

Аналогичные работы проводились и за рубежом. Впервые ТКП появились в Японии для вагонов, эксплуатирующихся на скоростной линии Токио - Осака [5]. ТКП была изготов-

лена из двух спицевых колес, на спицах размещались тензорезисторы, которые выполняли по два замера вертикальных и боковых сил за каждый оборот колеса. Подобная конструкция встречалась в Англии, где она обеспечивала по два или четыре измерения за оборот колеса [3]. Также ТКП применялась на железных дорогах в Германии, принцип ее работы основывался на регистрации изгибных напряжений в шести сечениях оси, что обеспечивало непрерывное измерение боковых и продольных сил [6]. В США были разработаны ТКП, которые позволяли измерять силы вблизи контакта колеса и рельса, что повышало точность регистрации данных [7]. По настоящее время на сети железных дорог США эксплуатируется высокоскоростной исследовательский вагон-лаборатория (рис. 2, 3) «Т-16», в составе которого применена ТКП [8].

Недостатки и преимущества применения ТКП

Ответ на вопрос о недостатках и преимуществах применения ТКП прост - несовершенство существующих на то время средств съема и передачи информации с ТКП. Сейчас же этот вопрос весьма близок к своему разрешению: существуют действующие системы, обеспечивающие беспроводной интерфейс

Рис. 1. Тензометрическая колесная пара отделения вагонного хозяйства ВНИИЖТа:

а - общий вид колесной пары сбоку с размещением тензорезисторов 1, 2, 3, 4,1', 2', 3', 4'; б - вид колеса с прорезями в диске; в - схема включения тензорезисторов для регистрации вертикальных сил; г - схема включения тензорезисторов для регистрации боковых сил

Рис. 2. Высокоскоростной исследовательский вагон

Л>. V t )

Рис. 3. Оборудованные приборами колеса для измерения сил контакта колеса/рельса вагона Т-16

связи датчиков на диске и стационарного обрабатывающего комплекса, находящегося в вагон-лаборатории. Например, на базе научно-производственного предприятия «Мера» создана ротационная измерительно-вычислительная система «MIC-1100» (рис. 4), позволяющая усиливать, преобразовывать и бесконтактно, с помощью сигнала типа «Wi-Fi», передавать сигналы с датчиков, расположенных на диске колеса, на регистрирующий прибор. Использование системы цифрового кодирования передаваемого сигнала дает возможность передавать измеренные данные по радиоканалу помехозащищенным методом [9].

Рис. 4. Система ротационная измерительно-вычислительная MIC-1100

Существующие методы регистрации усилий в системе «колесо-рельс»

Следующий возникающий вопрос - в чем заключается преимущество применения ТКП для регистрации и оценки действующих сил по сравнению с действующими в настоящее время методами регистрации этих сил? Для ответа на него кратко опишем существующие средства и способы регистрации усилий в системе «колесо-рельс». Сейчас для регистрации вертикальных и боковых сил, действующих со стороны железнодорожного пути на колесную пару при ходовых динамических испытаниях, используют первичные и масштабные вторичные преобразователи физических величин. В число первичных преобразователей входят: тензорезисторы, прогибомер, акселерометры, датчик угла поворота, а вторичных: тензометрические усилители, специальные комплексы аппаратуры для регистрации перемещений, вибраций и ускорений [10].

В качестве примера рассмотрим проводимые в апреле 2016 г. ходовые динамические испытания инновационного вагона постройки Тихвинского вагоностроительного завода. Они осуществлялись сотрудниками отдела ходовых испытаний испытательного центра АО «НВЦ "Вагоны"» при участии автора этой статьи.

Общий вид испытуемого вагона в сцепе с вагон-лабораторией представлен на рис. 5.

Проведение ходовых динамических испытаний проходит в два этапа: подготовительный и непосредственно сам процесс испытания вагона. На этапе подготовки происходят подъемка вагона на домкратах и последующая выкатка тележек с обеих сторон вагона. С тележек снимаются колесные пары, оставляя боковые рамы и надрессорную балку. На литые детали тележки по схеме, утвержденной в программе и методике проведения испытаний, наклеиваются на предварительно зачищенные области тензорезисторы, собранные в мостовые схемы, далее проводится тарировка этих схем.

Подготовительный этап - один из самых ответственных и трудоемких. На практике он занимает (вместе с тарировкой) не менее трех дней, так как помимо всего прочего включает и нанесение защитных покрытий с последующей их просушкой в течение от 12 до 24 ч.

На каждую тележку вагона устанавливаются прогибомер и датчик угла поворота, а на хребтовую балку - два акселерометра в горизонтальной и вертикальной плоскостях (рис. 6).

Информация, полученная с помощью тен-зорезисторов, наклеенных на боковых рамах и надрессорных балках тележек, в дальнейшем используется для обработки результатов ходовых динамических испытаний - коэффициента запаса устойчивости от схода и опрокидывания вагона и сравнение их с нормативными значениями [11].

Определение коэффициентов запаса устойчивости осуществляется в настоящее время по известным формулам, приведенным в действующих «Нормах расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 (несамоходных)» [11]. Сразу же следует отметить, что эти формулы отражают косвенный метод регистрации и измерения усилий,

и в дальнейшем при применении ТКП они будут заменены.

Рис. 5. Испытуемый крытый вагон в сцепе с вагон-лабораторией АО «НВЦ "Вагоны"»

Рис. 6. Пример установки прогибомера, датчика угла поворота и частичной наклейки тензорезисторов

Недостатки методов

Поскольку снятие информации с помощью косвенного метода происходит с литых деталей тележки, а не с диска колеса, использование ТКП является прямым методом измерения, а значит более точным. Его преимущества заключаются в меньшей трудоемкости процесса ввиду возможности отказа от ряда операций: выкатка тележек из-под вагона, снятие колесных пар, зачистка областей для наклейки тензорезисторов, наклейка тензоре-зисторов и их тарировка. Также данный метод отличается меньшей материалоемкостью, так как пропадет постоянная необходимость наклейки датчиков, использование проводов для формирования тензометрических мостовых схем и нанесения защитных покрытий. Таким образом, применение ТКП при ходовых динамических испытаниях ускорит процесс их проведения, сократит затраты на подготовку и увеличит точность регистрируемых величин. Согласно [12], оценка ходовых, прочностных и по воздействию на путь качеств вагонов за счет повышения точности экспериментальной

оценки сил, действующих от колесных пар на раму тележки вагона, точнее на 40-70 %.

Состав и принцип работы ТКП

Сигнал с датчиков, расположенных на диске колеса, поступает на измерительный модуль, находящийся в измерительно-вычислительном комплексе, работу модулей контролирует крейт-контроллер, далее сигналы изменяются аналогово-цифровым преобразователем, накапливаются в буфере контроллера и передаются по Wi-Fi сигналу на станцию сбора и обработки полученных данных для дальнейшего изучения (рис. 7, 8).

Схема размещения тензорезисторов на диск колеса

В процессе создания ТКП одним из важнейших вопросов является схема размещения тензорезисторов на диске колеса. В этой области К. В. Елисеевым, ассистентом кафедры «Компьютерные технологии в машиностроении» Санкт-Петербургского государствен-

Рис. 7. Схема организации измерительного канала MIC-1100

ТКП

Датчик

Измерительно-вычислительный комплекс

Станция сбора данных

Измерительные модули

Крейт-контроллер

V

Аккумулятор

Встроенный энергонезависимый накопитель

Приемо-передатчик

Рис. 8. Состав ТКП

ного политехнического университета была проведена исследовательская работа, в ходе которой была предложена новая схема расстановки тензорезисторов, представляющая собой две окружности, на каждой из которых размещается по 16 датчиков с шагом 22,5° и учитывающая (рис. 9) [13]:

1) зоны наибольшей чувствительности к изменениям сил;

2) возможность восстановления распределения деформаций вдоль окружности;

Рис. 9. Схема расстановки

3) возможность определения угла поворота колеса.

Стенд для градуировки ТКП

Тарировка ТКП проходит на специализированном стенде, состоящем из трех видов гидравлических цилиндров, прилагающих к ней три вида нагрузок: вертикальные, распорочные и поперечные (рис. 10, 11) [14, 15].

на диске колеса

Рис. 10. Пример главного экрана аппаратно-программного комплекса проведения тарировки ТКП

Датчик величины вертикальной нагрузки

Гидроцилиндр создания вертикальной нагрузки

Рис. 11. Составные части стенда

Рама стенда

Датчик величины крутящего момента

Опорный ролик Распорный гидроцилиндр

Гидроцилиндр создания крутящего момента

Заключение

Был проведен обзор существующих тен-зометрических колесных пар в России и за рубежом. Рассмотрен и описан метод проведения ходовых динамических испытаний, используемых в настоящее время.

Чтобы ускорить процесс проведения ходовых динамических испытаний, дающий возможность сократить издержки на их подготовку, а также повысить точность регистрируемых величин, было предложено внедрить ТКП.

На данном этапе ТКП находится в процессе сборки в Тихвинском испытательном центре железнодорожной техники. Для ее применения в ходовых динамических испытаниях необходимо произвести следующие действия:

1) разработать программы и методику определения динамических характеристик испытуемых вагонов на основе применения ТКП;

2) создать программное обеспечение для работы с ТКП;

3) организовать сравнительные ходовые динамические испытания вагона по существующей методике и методике с применением ТКП;

4) оценить точность использования каждой из этих методик;

5) проанализировать трудоемкость выполнения ходовых динамических испытаний с применением ТКП и без его участия.

Библиографический список

1. ГОСТ 33211-2014 «Вагоны грузовые. Требования к прочности и динамическим качествам». -М. : ВНИИЖТ, 2014.

2. Анисимов П. С. Испытания вагонов / П. С. Анисимов. - М. : Маршрут, 2004. - 197 с.

3. Кудрявцев Н. Н. Области применения тен-зометрических колесных пар / Н. Н. Кудрявцев, В. Н. Белоусов, В. М. Сасковец // Вестн. ВНИИЖТа. -1997. - С. 26-31.

4. Бидуля А. Л. Перспективные технологии - на службу отрасли / А. Л. Бидуля // Евразия Вести. -2010. - № 8. - С. 12-13.

5. Konichi S. Measurement of loads on wheel-set / S. Konichi // The Japan Society of Mechanical Engineers. - 1967. - Vol. 8, N 3. - P. 26-29.

6. Determination of wheel/rail forces by means of measuring wheelsets on Deutsche Bundesbahn (DB) // Междунар. конференция «Взаимодействие колеса - рельс». Кембридж, штат Массачусетс, США, 1981, январь. - С. 19-20.

7. Higgins R. L. High accuracy load measuring wheelset / R. L. Higgins, D. E. Otter, R. W. Martin // Pueblo, USA : American railroads association. Test transport Centre, 1992. - P. 86-89.

8. T-16: FRA's High Speed Research Car // Research & Results. - 2001. - P. 45-51.

9. MIC-1100 (Система ротационная измерительно-вычислительная). Руководство по эксплуатации. БЛИЖ.401250.1044.001 РЭ. - Мытищи : НПП «Мера», 2012. - С. 4-7.

10. РД 24.050.37.95 «Вагоны грузовые и пассажирские - Методы испытания на прочность и ходовые качества». - М. : ГосНИИВ, 1995.

11. Нормы расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 (несамоходных). -М. : ГосНИИВ-ВНИИЖТ, 1996.

12. Белянкин А. В. Повышение точности экспериментальной оценки рамных сил и коэффициентов динамики грузовых вагонов / А. В. Белянкин, В. П. Богданов, С. В. Дмитриев, Д. Е. Кумпяк // Материалы XI Междунар. конференции «Подвижной состав XXI века : идеи, требования, проекты». -СПб. : ПГУПС, 2016. - С. 110-113.

13. Елисеев К. В. ^временные методы определения сил в контакте колесной пары и рельсов / К. В. Елисеев // Современное машиностроение. Наука и образование. - 2014. - № 4. - С. 867-876.

14. Елисеев К. В. Стенд градуировки измерительных колесных пар / К. В. Елисеев, А. А. Миго-ров, А. М. Орлова // Transport Problems. - Selesian : Silesian University of Technology Faculty of Transport, 2012. - P. 474-479.

15. Мигров А. А. Конструкция стенда для калибровки тензометрических колесных пар / А. А. Ми-горов, А. В. Дождиков, М. Н. Козлов, Д. А. Потахов, А. Н. Косоротов. - СПб. : ПГУПС, 2011. - 323 с.

References

1. GOST33211-2014. State Standard 33211-2014 "Vagony gruzoviye. Trebovaniya kprochnosty i dyna-micheskymkachestvam" ["Freightwagons. Mechanical resistance and dynamic qualities requirements"]. Moscow, VNIIZhT Publ., 2014.

2. Anysymov P. S. Ispytaniya vagonov [Wagons testing]. Moscow, Marshrut Publ., 2004, 197 p.

3. Kudryavtsev N. N., Belousov V. N. & Sasko-vets V. M. Oblasty prymeneniya tenzometrycheskykh kolesnykh par [Application field of strain-gauge wheel pairs]. Vestnik VNIIZhT [VNIIZhT Bulletin], 1997, pp. 26-31.

4. Bydulya A. L. Perspektyniye tekhnologii - na sluzhbu otrasly [Perspective technologies at the field's service]. Eurasia News. 2010, no. 8, pp. 12-13.

5. Konichi S. Measurement of loads on wheelset. The Japan Society of Mechanical Engineers, 1967, vol. 8, no. 3, pp. 26-29.

6. Determination of wheel/rail forces by means of measuring wheelsets on Deutsche Bundesbahn (DB). Mezhdunarodnaya konferentsiya "Vzaimodeistvye kolesa-rels" [The "Wheel-rail interaction" International conference]. Cambridge, the Commonwealth of Massachusetts, USA, 1981, January, pp. 19-20.

7. Higgins R. L., Otter D. E., Martin R. W. High accuracy load measuring wheelset. Pueblo, USA, American railroads association. Test transport Centre Publ., 1992, pp. 86-89.

8. T-16: FRA's High Speed Research Car. Research & Results, 2001, pp. 45-51.

9. MIC-1100. Systema rotatsionnaya izmerytelno-vychislitelnaya [Measuring and computing rotary system]. Rukovodstvopo ekspluatatsii [Applicationguide]. BLIZh. 401250.1044.001 RE. Mytishchi, NPP"Mera" Scientific [Production Enterprise "Mera" Publ.], 2012, pp. 4-7.

10. RD 24.050.37.95. "Vagony gruzoviye ipassa-zhyrskiye Metody ispytaniya naprochnost I khodoviye kachestva" [ "Freight wagons and coaches - Strength testing methods and running characteristics"]. Moscow, GosNIIV Publ., 1995.

11. Normy rascheta i proektyrovaniya vagonov zheleznykh dorog MPS koley 1520

12. Belyankyn A. V., Bogdanov V. P., Dmitri-yev S. V.& Kumplyak D. Y. Povysheniye tochnosty eksperimentalnoy otsenky ramnykh syl i koeffitsiyen-tov dynamyky gruzovykh vagonov [Experimental estimation accuracy improvement of stock rail strength and dynamic factors of freight cars]. Materialy mezh-dunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii "Pod-vyznnoy sostav XXI veka: idey, trebovaniya, proekty" [The Intern. Conf. "XXIst century rolling stock: ideas, requirements, projects". Coll. Papers]. Saint Petersburg, 2016, pp. 110-113.

13. Yelisyev K. V. Sovremenniye metody opredele-niya syl v kontakte kolesnoy pary i relsov [Modern methods of strength estimation of a wheel pair and rails contact]. Sovremennoye mashynostroyeniye. Nauka i obrazovaniye [Modern mechanical engineering. Science and education], 2014, no. 4, pp. 867-876.

14. Yelisyev K. V., Mygrov A. A. & Orlo-va A. M. Stend graduirovky izmerytelnykh kolesnykh par [Gaging stand for measerement wheel pairs]. Transport Problems. Selesian, Silesian University of Technology, Faculty of Transport Publ., 2012, pp. 474-479.

15. Mygrov A.A., Dozhdykov A. V., Kozlov M. N., Potakhov D.A. & Kosorotov A. N. Konstruktsiya sten-da dlya kalibrovky tenzometricheskykh kolesnykh par [Stand construction for tensometric wheel pair calibration]. Saint Petersburg, PGUPS Publ., 2011, 323 p.

ТРЕТЬЯКОВ Александр Владимирович - доктор техн. наук, профессор, AVtretiakov@pgups.ru; *ПЕТРОВ Антон Анатольевич - аспирант, gn.petrov.anton@yandex.ru (Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I); ЕЛИСЕЕВ Кирилл Валентинович - ассистент, kir.eliseev@gmail.com (Санкт-Петербургский государственный политехнический университет Петра Великого); ЗИМАКОВА Мария Викторовна - канд. техн. наук, доцент, Zimakova7@rambler.ru (АО «НВЦ "Вагоны"»).