УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА СЦЕПЛЕНИЯ ТРАНСПОРТНЫХ КОЛЕС С АЭРОДРОМНЫМИ И АВТОДОРОЖНЫМИ ПОКРЫТИЯМИ

Заявляемая полезная модель относится к мобильным (буксируемым или встроенным в автомобиль) измерительным средствам, предназначенным для непрерывного измерения коэффициента сцепления колес с поверхностью взлетно-посадочных полос аэродромов с твердым покрытием, а также может быть использована для исследования сцепных свойств сооружаемых и эксплуатируемых дорог с твердым покрытием.
Эффективное управление проскальзыванием (далее, скольжением) колес в режиме торможения или разгона является одной из наиболее известных и в то же время далеких от полного разрешения проблем в области конструирования колесного транспорта. Очевидно, что на поверхностях, характеризуемых так называемым сухим, полусухим или полужидкостным трением, наиболее эффективным является торможение вообще без скольжения колеса со значениями момента торможения, близкими к моменту «покоя» («трогания»), который соответствует максимальному значению момента трения, а значит, и наилучшему торможению. В действительности, осуществляемое самолетными и автомобильными автоматами торможение определяется не столько самим фактом отсутствия блокировки колес, сколько обеспечением оптимального значения скольжения между аэродромным или автодорожным покрытием и поверхностью пневматика колес воздушных судов и автотранспортных средств. При скольжении по поверхностям с сухим, полусухим или полужидкостным трением реальный процесс торможения (осуществляемый с помощью автоматов торможения) носит импульсный (скачкообразный) характер, колеса скользят толчкообразно, режимы качения перемежаются с режимами скольжения, и статистика показывает, что обычно торможение осуществляется автоматами торможения при среднем значении скольжения, равном 0.1÷0.2, а наиболее быстродействующие современные автоматы торможения работают при среднем скольжении, даже меньшем 0.05.
Еще в 50-х годах прошлого века указывалось на то, что «качение на границе со скольжением является оптимальным режимом торможения» [Крагельский И.В., Щедров B.C., Развитие науки о трении. Изд-во Академии наук СССР, 1958. - 290 с.]. Это означает, что если торможение при качении без скольжения колеса относительно поверхности покрытия и невозможно, то оно, по-видимому, тем эффективнее, чем с меньшей долей скольжения осуществляется.
Пути развития методов и техники измерений фрикционных свойств автодорожных и аэродромных покрытий характеризуются, в основном, двумя направлениями: первое направление связано с дискретным измерением максимальной величины коэффициента сцепления колеса с локальной поверхностью покрытий, в основном, эксплуатируемых или сооружаемых автодорог с твердым покрытием, в том числе при расследовании дорожно-транспортных происшествий (ДТП). Второе направление связано с непрерывным измерением фрикционных свойств покрытий, что характерно для исследования покрытий взлетно-посадочных полос (ВПП) с целью определения возможности безопасной посадки воздушных судов при их торможении колесами. Такие измерения проводятся систематически в различных погодных условиях в зимний и летний периоды по всей длине ВПП с целью прогнозирования тормозного пути подлетающего воздушного судна при посадке, а соответствующие мобильные установки включены в состав обязательного перечня машин и механизмов эксплуатационного содержания сертифицированных аэродромов, относящихся к измерению параметров, контролю и оценке состояния элементов летного поля.
Метод непрерывного предпосадочного оперативного контроля фрикционных свойств ВПП путем прокатывания специального измерительного колеса по поверхности ВПП вдоль по всей ее длине туда и обратно с принудительным торможением его с постоянным скольжением и одновременным измерением и индикацией текущих значений коэффициента сцепления регламентирован в мире Руководством международных организаций ICAO (International Civil Aviation Organization), а в России - Руководством по эксплуатации гражданских аэропортов Российской Федерации (РЭГА РФ-94).
Общность главной задачи, решаемой в обоих направлениях (автодорожном и аэродромном), каковой является задача прогнозирования тормозного пути автомобиля (при экстренном торможении) и воздушного судна (при посадке), позволяют объединить создаваемую для этих целей измерительную технику в один класс мобильных (буксируемых или встроенных в автомобиль) установок, реализующих метод непрерывного измерения коэффициента сцепления (КС) путем прокатывания специального измерительного колеса по поверхности с постоянным скольжением и используемых для оперативного контроля фрикционных свойств взлетно-посадочных полос с твердым покрытием, (хотя они могут использоваться также для автодорожных покрытий).
Так, например, известны широко распространенные в зарубежной практике измерений коэффициента сцепления колес с аэродромными покрытиями способ и устройство измерения трения покрытий, внедряемые компанией ASFT SAAB-Scania AB, Швеция (патент № US 4098111, МПК G01N 19/2, опубликовано 04.07.1978]. Известное устройство представляет собой агрегат, расположенный на двухосной буксируемой тележке или встроенный в автомобиль. Оно содержит механическую измерительную систему с измерительным колесом специального исполнения, измерительными датчиками, преобразующими величины измеряемых сил в электрические сигналы, и электронный блок с регистрирующим устройством, в котором указанные электрические сигналы преобразуются в искомую величину коэффициента сцепления. В механическую измерительную систему входят двухступенчатый цепной редуктор, размещенный в составном шарнирно сочлененном корпусе, измерительный датчик, установленный в ступице измерительного колеса, дифференциал и полуоси, размещенные в жесткой балке заднего моста, и задающие колеса, роль которых выполняют неведущие (несущие, опорные) колеса транспортного средства. Измерительный датчик, размещенный в ступице измерительного колеса и представляющий собой тензометрическую систему, измеряет величину усилий, действующих между измерительным колесом и корпусом редуктора в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Нагружение измерительного колеса вертикальной силой осуществляется грузом, шарнирно закрепленным на кузове автомобиля и воздействующим на измерительное колесо через упругую стойку, корпус редуктора и ступицу измерительного колеса с измерительным датчиком. Нагружение измерительного колеса крутящим моментом, обеспечивающим ему заданную величину проскальзывания относительно поверхности дорожного (аэродромного) покрытия, осуществляется от задних колес автомобиля, размещенных на жесткой балке заднего моста, через полуоси, проходящие внутри этой балки, дифференциал, вращающийся относительно балки в подшипниках, и двухступенчатый цепной редуктор, ведущая звездочка которого закреплена на коробке дифференциала, а ведомая - на выходном валу редуктора, соединенном с измерительным колесом.
Существенным недостатком этого устройства является то, что оно, подобно подавляющему большинству аналогичных устройств непрерывного измерения коэффициента сцепления, имеет механическую систему нагружения (торможения) измерительного колеса, которая прокатывает его с постоянным значением скольжения, задаваемым кинематически с помощью понижающего редуктора, связывающего несущие колеса устройства с измерительным колесом. При равномерном движении такого устройства по ВПП измерительное колесо прокатывается принудительно равномерно с раз и навсегда кинематически заданным постоянным скольжением, и поэтому в нем нельзя управлять режимами торможения, что далеко не соответствует действительным режимам торможения колес транспортных средств, осуществляемым их автоматами торможения. Следовательно, измерения, производимые с помощью такого устройства, могут приводить к значительным ошибкам прогнозирования тормозного пути.
Другим недостатком известного устройства является сложность конструкции ступицы измерительного колеса со встроенной в нее тензометрической системой, преобразующей в измеряемый сигнал величины деформаций измерительных балок, которые пропорциональны величинам горизонтальной и вертикальной сил.
Кроме того, деформации самих измерительных балок сопряжены с изменением положения измерительного колеса, что приводит к уводу колеса и появлению боковых сил, вносящих дополнительные погрешности в измерения.
Я
С
Известен также способ определения коэффициента сцепления с применением электрической машины постоянного тока для управления скольжением (торможением) измерительного колеса (патент № SU 1516898, МПК G01N 19/02, опубликовано 23.10.1989). Измерительное и эталонное колеса устройства, реализующего этот способ, нагружают нормальной силой и катят по диагностируемой поверхности с постоянной скоростью, причем эталонное колесо катится без скольжения. Измерительному колесу задают фиксированное значение скольжения при помощи двигателя постоянного тока независимого возбуждения, изменяя ток якоря двигателя, причем степень проскальзывания можно задавать отрицательное (работа двигателя в тормозном режиме противовключения) и положительное (работа двигателя в двигательном режиме). Измеряют ток якоря I двигателя, а коэффициент f сцепления измерительного колеса с диагностируемой поверхностью определяют по формуле
,
М
Я
Д
К
где С - конструктивная постоянная двигателя; φ - магнитный поток двигателя; I - ток якоря двигателя; R - динамический радиус измерительного колеса; P сила сопротивления качению измерительного колеса; Q - нормальная сила, действующая на измерительное колесо; «+» - при двигательном режиме, «-» - при тормозном режиме работы двигателя. В указанном способе для создания скольжения измерительного колеса предлагается использовать присоединяемую к нему электрическую машину постоянного тока с независимым возбуждением для управления скольжением, при этом появляется принципиальная возможность управлять режимами торможения измерительного колеса, которая отсутствует в вышеописанных устройствах. Кроме того, в качестве измерительного элемента может использоваться датчик тока якоря электрической машины, имеющий высокие показатели точности (не хуже ±0,5%) и надежности (срок службы датчика тока может превышать срок службы самого устройства). Повышение точности измерений достигается также учетом потерь сопротивления качению измерительного колеса.
Однако недостатком данного способа является то, что в нем отсутствуют какие бы то ни было предложения или хотя бы авторские соображения по реализации процесса формирования заданного скольжения измерительного колеса, т.е. управления его тормозными режимами.
Кроме того, не указывается на необходимость учета дополнительных сил трения, возникающих при движении устройства с заданной скоростью в кинематическом тракте, соединяющем электрическую машину и измерительное колесо, и создающих неучтенную датчиком тока дополнительную продольную тормозящую силу, что снижает точность измерений.
С
Наконец, необходимость использования в расчетной формуле для коэффициента сцепления f такой трудно определяемой величины, как магнитный поток φ электрической машины, являющийся нелинейной функцией тока возбуждения машины, делает предлагаемое формульное вычисление коэффициента сцепления по измеренным значениям тока якоря невозможным.
Известно также более совершенное устройство для определения коэффициента сцепления колеса с аэродромным покрытием, развивающее идею использования электрической машины постоянного тока для управления скольжением измерительного колеса (патент № RU 2259569, МПК G01M 15/08, опубликовано 27.08.2005). Оно содержит измерительную тележку и блок регистрации, а измерительная тележка содержит измерительное колесо, блокировочную муфту, редуктор, измерительный элемент и раму измерительной тележки, измерительное колесо блокировочной муфтой механически соединяется с редуктором. Блок регистрации содержит вычислитель и пульт управления, который подключается к первому входу вычислителя. Выход измерительного элемента по гибкому кабелю подключен ко второму входу вычислителя. Дополнительно в состав измерительной тележки включены независимый груз, муфта свободного хода, генератор постоянного тока с независимым возбуждением, блок силовых ключей, блок активной нагрузки, первый и второй датчики угловых скоростей, пусковое сопротивление, аккумуляторная батарея, регулятор напряжения, контактор, ведомые (несущие) колеса. При этом независимый груз нормально соединен с измерительным колесом. Муфта свободного хода соединяет редуктор с ротором генератора постоянного тока. Силовая шина аккумуляторной батареи через контактор и пусковое сопротивление подключена к силовому входу/выходу генератора постоянного тока, силовой вход/выход которого через блок силовых ключей соединен с блоком активной нагрузки, а также через регулятор напряжения подключен ко входу генератора постоянного тока, являющегося входом его обмотки возбуждения. Второй выход аккумуляторной батареи подключен ко второму входу контактора. Измерительное и ведомое колеса соединены соответственно с первым и вторым датчиками угловых скоростей, ведомые колеса соединены с рамой измерительной тележки, которая через измерительный элемент подключена к транспортному средству. Блок регистрации дополнительно содержит блок управления, блок памяти, дисплей и контроллер. Порт входа/выхода вычислителя подключен к блоку памяти, а первый, второй и третий выходы вычислителя подключены соответственно к дисплею, блоку управления и контроллеру, через который осуществляется связь с внешними устройствами. Измерительная тележка гибким кабелем соединена с блоком регистрации, при этом выходы первого и второго датчиков угловых скоростей подключены соответственно к третьему и четвертому аналоговым входам вычислителя, выход блока управления подключен ко второму входу блока силовых ключей, а второй выход контактора и выходы силовой шины генератора постоянного тока и аккумуляторной батареи подключены соответственно к первому и второму входам пульта управления, пятый свободный аналоговый вход вычислителя предусмотрен для подключения динамометра силового стенда (при проведении тарирования устройства).
Однако данное устройство имеет ряд недостатков.
Дискретное действие системы электромеханического торможения измерительного колеса, связанное с изменением скольжения в перемежающихся режимах поиска и слежения, противоречат требованиям ICAO и РЭГА РФ-94, регламентирующим методику непрерывного процесса измерения КС.
Кроме того, непонятна роль регулятора напряжения, питающего обмотку возбуждения генератора постоянного тока, ведь при регулировании тока возбуждения табличные зависимости измерений тяговой силы динамического торможения, устанавливаемые в режиме тарирования, теряют смысл, так как тормозящий момент, развиваемый генератором, будет нелинейно зависеть от уровня выходного сигнала регулятора напряжения, что делает невозможным вычисление тяговой силы динамического торможения генератора.
Недостатком устройства является также сложность организации программных режимов поиска и слежения, вдобавок, опирающихся на сомнительные предположения о характере экстремальной зависимости силы сцепления от скольжения.
Наконец, подключение измерительной тележки устройства к транспортному средству через измерительный элемент нарушает точность вычисления продольной силы торможения непредсказуемым образом в силу влияния на измерения дополнительной составляющей тяговой силы буксирования измерительной тележки, соответствующей свободному качению измерительного колеса, которая не может быть точно учтена при предварительных тарировочных измерениях тяговой силы.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство измерения коэффициента сцепления колеса с поверхностью аэродромных и дорожных покрытий (патент №RU 2369856, МПК G01M 17/02, опубликовано 10.10.2008), Оно содержит измерительное колесо, расположенное на двухколесной буксируемой установке с несущими колесами, первый редуктор (или цепную передачу), независимый груз, тормозной генератор постоянного тока, датчики угловых скоростей вращения измерительного колеса и несущих колес, аккумуляторную батарею, усилитель напряжения и блок управления (пульт управления). Измерительное колесо кинематически соединено через первый редуктор с ротором тормозного генератора, независимый груз установлен на измерительное колесо, аккумуляторная батарея подключена к силовому входу усилителя напряжения, а датчики угловых скоростей кинематически соединены с осями измерительного и несущих колес. Устройство содержит также нагрузочный двигатель постоянного тока с независимой обмоткой возбуждения, датчик тока торможения якорной цепи тормозного генератора, датчик тока возбуждения обмотки возбуждения нагрузочного двигателя, блок вычисления разности, второй редуктор и систему автоматического управления, причем якорные обмотки тормозного генератора и нагрузочного двигателя электрически соединены друг с другом встречно-параллельно, а тормозной генератор выполнен с постоянным возбуждением, ротор нагрузочного двигателя кинематически соединен через второй редуктор с осью вращения несущих колес, силовой выход усилителя напряжения соединен с независимой обмоткой возбуждения нагрузочного двигателя, датчик тока торможения включен в цепь якорных обмоток тормозного генератора и нагрузочного двигателя, датчик тока возбуждения включен в цепь питания независимой обмотки возбуждения нагрузочного двигателя, выход блока вычисления разности подключен к управляющему входу усилителя напряжения, положительный вход блока вычисления разности подключен к первому выходу пульта управления, отрицательный вход блока вычисления разности соединен с выходом системы автоматического управления, выходы датчиков угловых скоростей измерительного и несущих колес и выходы датчиков тока торможения тормозного генератора и тока возбуждения нагрузочного двигателя подключены к четырем входам системы автоматического управления, а ее пятый вход подключен ко второму выходу пульта правления.
Система автоматического управления может быть выполнена из последовательно соединенных первого блока вычисления ошибки, делителя, второго блока вычисления ошибки, регулятора скольжения, третьего блока вычисления ошибки, регулятора тока торможения тормозного генератора, четвертого блока вычисления ошибки и регулятора тока возбуждения нагрузочного двигателя, выход которого соединен с отрицательным входом блока вычисления разности, отрицательные входы первого, третьего и четвертого блоков вычисления ошибок соединены соответственно с выходами датчика угловой скорости измерительного колеса, датчика тока торможения тормозного генератора и датчика тока возбуждения нагрузочного двигателя, положительный вход первого блока вычисления ошибки и второй вход делителя соединены с выходом датчика угловой скорости несущих колес, а положительный вход второго блока вычисления ошибки соединен со вторым выходом пульта управления.
Вычисление текущих значений коэффициента сцепления в устройстве, принятом за прототип, основывается на измерении тока торможения тормозного генератора, на экспериментальном определении на специальном калибровочном стенде величины постоянного коэффициента пропорциональности тормозного момента току торможения и на измерении экспериментальной характеристики суммарных (электрических, механических и вентиляционных) потерь, которые вычисляются для каждого конкретного исполнения устройства.
Однако данное устройство, принятое за прототип, обладает рядом недостатков.
Существенным недостатком, снижающим точность измерений КС устройством, принятым за прототип, является невозможность действительного учета ни в рабочих режимах, ни при калибровке механических потерь во всех звеньях кинематического тракта механической трансмиссии, передающей тормозной электромагнитный момент с вала тормозного генератора на ось измерительного колеса, и эти механические потери, создающие дополнительную составляющую продольной силы торможения, приложенной к шине измерительного колеса в пятне контакта, могут быть учтены лишь приблизительно путем экспертной оценки КПД механической трансмиссии.
Другим фактором, снижающим точность измерений КС устройством, принятым за прототип, является невозможность текущего учета электрических, механических и вентиляционных потерь самого тормозного генератора. Учет этих потерь путем использования в текущих расчетах КС их экспериментальных характеристик, изменяющихся от измерения к измерению, также является весьма приближенным.
Кроме того, в устройстве, принятом за прототип, и в устройствах, приведенных в качестве последних двух аналогов (патент № SU 1516898 и патент № RU 2259569), использование электрических машин постоянного тока, обладающих такими уязвимыми в эксплуатации узлами, как коллекторы и щеточные механизмы, снижает показатели надежности и уменьшает сроки межремонтных пробегов электромеханических измерительных тележек.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является повышение надежности, достоверности и точности непрерывного измерения коэффициента сцепления транспортных колес с поверхностью аэродромных и дорожных покрытий путем организации автоматического управления режимами электромеханического торможения измерительного колеса с целью приближения их к действительным режимам торможения колес воздушных судов и транспортных средств.
Для достижения указанного технического результата предлагается устройство измерения коэффициента сцепления транспортных колес с аэродромными и автодорожными покрытиями, представляющее собой буксируемую тележку, содержащую раму, опирающуюся на два несущих колеса, измерительное колесо, блок управления, независимый груз, цепную передачу, тормозной генератор, датчик тока торможения, датчики угловых скоростей измерительного колеса и одного из несущих колес и систему автоматического управления скольжением измерительного колеса, датчики угловых скоростей кинематически соединены с измерительным и несущим колесами, выход блока управления подключен к первому входу системы автоматического управления скольжением, а выходы датчиков угловых скоростей измерительного и несущего колес и датчика тока торможения подключены соответственно к ее второму, третьему и четвертому входам, а также дополнительно введенные трехфазный выпрямитель переменного тока, управляемый электронный ключ, блок управления электронным ключом, нагрузочное сопротивление и тензометрическая система, состоящая из последовательно соединенных тензодатчика и блока преобразования сигналов тензодатчика, при этом измерительное колесо установлено в независимой рычажной подвеске, один конец которой связан с рамой буксируемой тележки посредством шарнирного соединения, а на свободном конце рычажной подвески размещено измерительное колесо, при этом независимый груз закреплен на рычаге, присоединенном одним концом шарнирно к раме, а вторым концом опирающимся через пружинный амортизатор с демпфером на свободный конец рычажной подвески измерительного колеса, вал тормозного генератора с закрепленной на нем звездочкой связан цепной передачей со звездочкой ступицы измерительного колеса, причем тормозной генератор установлен на раме так, чтобы его ось вращения совпадала с осью вращения в шарнирном соединении рычажной подвески, несущей измерительное колесо, в качестве тормозного генератора применена трехфазная синхронная электрическая машина с индуктором, трехфазная обмотка статора тормозного генератора соединена с трехфазным выпрямителем, к которому подключены последовательно соединенные датчик тока торможения, нагрузочное сопротивление и управляемый электронный ключ, образующие замкнутую цепь выпрямленного тока статора тормозного генератора, выход блока управления электронным ключом подключен к входу управляемого электронного ключа, выход системы автоматического управления скольжением соединен со входом блока управления электронным ключом, входы датчиков угловых скоростей измерительного и одного из несущих колес и датчика тока торможения подключены соответственно к первому, второму и третьему входам блока управления, тензодатчик встроен в консоль, закрепленную на независимой рычажной подвеске и несущую вспомогательную звездочку, а выход блока преобразования сигнала тензодатчика подключен к четвертому входу блока управления.
Система автоматического управления скольжением измерительного колеса может быть выполнена из последовательно соединенные первый блок вычисления ошибки, регулятор скольжения, второй блок вычисления ошибки и регулятор тока торможения, а также последовательно соединенные третий блок вычисления ошибки и делитель, причем положительный вход первого блока вычисления ошибки, является первым входом системы автоматического управления скольжением, отрицательный и положительный входы третьего блока вычисления ошибки, являются вторым и третьим входами системы автоматического управления скольжением, отрицательный вход второго блока вычисления ошибки, является четверым входом системы автоматического управления скольжением, второй вход делителя подключен к положительному входу третьего блока вычисления ошибки, выход делителя соединяется с отрицательным входом первого блока вычисления ошибки, а выход регулятора тока торможения является выходом системы автоматического управления скольжением.
На фиг.1 показана функциональная схема устройства измерения коэффициента сцепления транспортных колес с аэродромными и автодорожными покрытиями.
На фиг.2 показана функциональная схема системы автоматического управления скольжением.
Предлагаемое устройство измерения коэффициента сцепления транспортных колес с аэродромными и автодорожными покрытиями (см. фиг.1) представляет собой буксируемую тележку, которая содержит раму 1, опирающуюся на два несущих колеса (НК) 2, измерительное колесо (ИК) 3, блок управления, осуществляющий также вычисление и регистрацию сигналов (БУ) 4, независимый груз (НГ) 5, цепную передачу (ЦП) 6, тормозной генератор (ТГ) 14, датчик тока торможения (ДТТ) 7, датчики угловых скоростей измерительного колеса (ДУС ИК) 8 и одного из несущих колес (ДУС НК) 9 и систему автоматического управления скольжением (САУС) 10 измерительного колеса 3, измерительное колесо 3 установлено в независимой рычажной подвеске (НРП) 11, связанной одним концом с рамой 1 шарнирным соединением, а на ее свободном конце размещено измерительное колесо 3, которое во время движения непрерывно прокатывается вдоль тестируемого покрытия с торможением, вертикальное нагружение измерительного колеса 3 создается независимым грузом 5, который закреплен на рычаге 12, присоединенном одним концом шарнирно к раме 1, а вторым концом опирающимся через пружинный амортизатор с демпфером 13 на свободный конец рычажной подвески 11 измерительного колеса 3, торможение измерительного колеса 3 осуществляется тормозным генератором 14, вал которого с закрепленной на нем звездочкой связан через цепную передачу 6 со звездочкой ступицы измерительного колеса 3, причем тормозной генератор 14 установлен на раме 1 так, чтобы его ось вращения совпадала с осью вращения в шарнирном соединении рычажной подвески 11, несущей измерительное колесо 3, с тем, чтобы при качании подвески во время прокатывания измерительного колеса 3 исключить возникновение дополнительных нагрузок на цепную передачу 6, датчики угловых скоростей 8 и 9 кинематически соединены соответственно с измерительным 3 и несущим 2 колесами, выход блока управления 4, вырабатывающий сигнал заданного (программного) скольжения, подключен к первому входу системы автоматического управления скольжением 10, выходы датчиков угловых скоростей 8 и 9 измерительного 3 и несущего 2 колес и датчика тока торможения 7 подключены соответственно к ее второму, третьему и четвертому входам, а также к первому, второму и третьему входам блокам управления 4. Устройство так же содержит трехфазный выпрямитель переменного тока (В) 15, управляемый электронный ключ (УЭК) 16, блок управления электронным ключом (БУЭК) 17, нагрузочное сопротивление (НС) 18 и тензометрическую систему, состоящую из последовательно соединенных тензодатчика (Т) 19 и блока преобразования сигнала тензодатчика (БПСТ) 20, в качестве тормозного генератора 14 применена трехфазная синхронная электрическая машина с индуктором, выполненным на высокостабилизированных магнитах, трехфазная обмотка статора тормозного генератора 14 соединена с трехфазным выпрямителем 15, к которому подключены последовательно соединенные датчик тока торможения 7, нагрузочное сопротивление 18 и управляемый электронный ключ 16, образующие замкнутую цепь выпрямленного тока статора тормозного генератора 14, выход блока управления электронным ключом 17 подключен к входу управляемого электронного ключа 16, а выход системы автоматического управления скольжением 10, вырабатывающий сигнал управления, соединен со входом блока управления электронным ключом 17, тензодатчик 19 встроен в консоль, закрепленную на независимой рычажной подвеске 11 и несущую вспомогательную звездочку, передающую на консоль силу натяжения цепи цепной передачи 6, выход блока преобразования сигнала тензодатчика 20 подключен к четвертому входу блока управления 4, а его пятый и шестой входы предназначены для подключения к ним выходов калибровочного стенда, предназначенного для периодического метрологического обслуживания заявляемого устройства.
Система автоматического управления скольжением 10 измерительного колеса 3 (см. фиг.2) содержит последовательно соединенные первый блок вычисления ошибки (1БВО) 21, регулятор скольжения (PC) 22, второй блок вычисления ошибки (2БВО) 23 и регулятор тока торможения (РТТ) 24, а также последовательно соединенные третий блок вычисления ошибки (3БВО) 25 и делитель (Д) 26, положительный вход первого блока вычисления ошибки 21 является первым входом системы автоматического управления скольжением 10, отрицательный и положительный входы третьего блока вычисления ошибки 25 являются вторым и третьим входами системы автоматического управления скольжением 10, отрицательный вход второго блока вычисления ошибки 23 является четвертым входом системы автоматического управления скольжением 10, второй вход делителя 26 подключен к положительному входу третьего блока вычисления ошибки 25, выход делителя 26, вырабатывающий сигнал скольжения измерительного колеса 3, соединяется с отрицательным входом первого блока вычисления ошибки 21, а выход регулятора тока торможения 24 является выходом системы автоматического управления скольжением 10.
норм
лин
тяги
тр
торм
Сущность предлагаемого устройства состоит в том, что измерительное колесо 3 (см. фиг.1), расположенное на свободном конце независимой рычажной подвески 11, присоединенной другим концом к раме 1 буксируемой тележки посредством шарнирного соединения, имеющего одну вращательную степень свободы в вертикальной плоскости движения тележки, нагружают с помощью независимого груза 5 нормальной к исследуемой поверхности покрытия силой F и вместе с несущими колесами 2 буксируемой тележки катят по исследуемой поверхности с постоянной поступательной (линейной) скоростью V, причем несущие колеса 2 катятся лишь под действием силы трения качения очевидно без скольжения, а измерительное колесо 3 прокатывают с управляемым торможением. Для этого к измерительному колесу 3 присоединяют тормозной генератор 14, связывая его вал с закрепленной на нем звездочкой цепной передачей 6 со звездочкой ступицы измерительного колеса 3. Тем самым, вал тормозного генератора 14 приводится в движение через измерительное колесо 3 силой тяги F буксировочного автомобиля, преодолевающей касательную к окружности измерительного колеса 3 продольную силу трения скольжения F, действующую вдоль исследуемой поверхности покрытия на площадь контакта измерительного колеса 3 с покрытием в направлении, противоположном направлению буксирования. Управляя развиваемым электромагнитным моментом торможения M тормозного генератора 14, формируют заданное (программное) значение (или заданную функцию) скольжения S, вычисляемого по формуле
НК
ИК
НК
ИК
где ω, ω - угловые скорости вращения одного из несущих 2 и измерительного 3 колес соответственно, R, R - радиусы несущего и измерительного колес. При этом механическая энергия торможения, отбираемая тормозным генератором 14 через измерительное колесо 3 у буксировочного автомобиля, преобразуется (за вычетом электрических и механических потерь) в электрическую энергию торможения.
торм
т
т
Управление электрической энергией торможения, или, что то же, управление электромагнитным моментом торможения M, осуществляют с помощью тормозного генератора 14, в качестве которого используется трефазная синхронная электрическая машина переменного тока с системой возбуждения (индуктором), выполненной на постоянных магнитах, к статорным обмоткам которой через трехфазный выпрямитель 15 подключают последовательно соединенные датчик тока торможения 7, нагрузочное сопротивление 18 и управляемый электронный ключ 16. При правильно организованном управлении с помощью системы автоматического управления скольжением 10 механическая энергия торможения измерительного колеса 3, отнимаемая у буксировочного автомобиля кинематически соединенной с ним синхронной электрической машиной, всегда работающей в генераторном (тормозном) режиме динамического торможения, и преобразуемая (за вычетом собственных потерь) в электрическую энергию трехфазного переменного тока, далее преобразуется с помощью полупроводникового выпрямителя 15 в электрическую энергию постоянного тока, которая, в свою очередь, полностью превращается в тепловую энергию, выделяемую на нагрузочном сопротивлении 18. Для управления выпрямленным током торможения I в цепи нагрузочного сопротивления 18 в эту цепь включают управляемый электронный ключ 16, выполненный на базе силового IGBT-транзистора, и через блок управления электронным ключом 17, программно реализованным на базе промышленного микроконтроллера Atmega 128, осуществляют включение-выключение (замыкание-размыкание) цепи тока торможения I с постоянной частотой и переменной скважностью, соответствующей сигналу управления, вырабатываемому системой автоматического управления скольжением 10, выход которой соединен с входом блока управления электронным ключом 17.
торм
т
Тормозной электромагнитный момент M, развиваемый синхронным тормозным генератором 14, связан с током торможения I зависимостью
являющейся неотъемлемой высокостабильной характеристикой данной синхронной электрической машины 14, данного трехфазного выпрямителя 15 и данного нагрузочного сопротивления 18.
т
торм
Система автоматического управления скольжением 10 (см. фиг.2) осуществляет автоматическое управление скольжением измерительного колеса, а именно, управляя током торможения I, а значит, и электромагнитным моментом торможения M, тормозного генератора, формируют, в силу построения системы автоматического управления скольжением 10, режимы автоматического торможения измерительного колеса 3 с любым наперед заданным программным постоянным значением скольжения (или по любой наперед заданной программной функции времени), вырабатываемым блоком управления 4 и определяемым в некотором допустимом диапазоне значений скольжения
ПРОГР
МАКС
МАКС
S∈(0,S), S<1,
которое поддерживаются системой 10 автоматически с заданной точностью в процессе измерения текущих значений коэффициента сцепления измерительного колеса 3 с покрытием независимо от состояния фрикционных свойств исследуемой поверхности покрытия.
торм
у
Для обеспечения заданных требований к системе автоматического управления скольжением 10 вводят датчики 8 и 9 угловых скоростей вращении измерительного и одного из несущих колес, чтобы иметь возможность точно вычислять по формуле (1) действительные значения скольжения измерительного колеса 3, датчик тока торможения 7, значения которого однозначно соответствуют, в силу зависимости (2), значениям момента торможения M, выходы всех введенных датчиков соединяют со входами системы автоматического управления скольжением 10, а также подключают ко входам блока управления, вычисления и регистрации 4, к одному из ее входов подключают выход блока управления 4, вырабатывающий сигнал заданного (программного) скольжения , а выход системы автоматического управления скольжением 10, вырабатывающий сигнал управления скольжением U(t), подключают к входу блока управления электронным ключом.
Предлагаемое устройство измерения коэффициента сцепления транспортных колес с аэродромными и автодорожными покрытиями работает следующим образом. Для выполнения измерений коэффициента сцепления необходимо разместить блок управления 4 в кабине буксировочного автомобиля, присоединить буксируемую тележку к фаркопу буксировочного автомобиля, протянуть и присоединить к соответствующим разъемам кабель связи от буксируемой тележки к блоку управления 4 в кабине автомобиля, включить электрошкаф силовой и управляющей электроники кнопкой, расположенной на раме 1 буксируемой тележки, включить блок управления 4 при помощи тумблера, расположенного на его корпусе, опустить с помощью ручной лебедки независимую рычажную подвеску 11 с измерительным колесом 3 на поверхность тестируемого аэродромного или автодорожного покрытия. Блок управления 4 представляет собой переносный пульт, выполненный на базе бортового панельного компьютера модели Advantech TPC 1260H с цветным сенсорным экраном TFT Color LCD 12,1 ", оснащен встроенным термопринтером модели FTP-639 MCL354 с шириной бумаги 80 мм, автономным источником питания и информационным разъемом для связи с буксируемой тележкой, он предназначен для управления программными режимами измерения предлагаемого устройства, вычисления и визуализации текущих значений коэффициента сцепления, визуализации на электронной карте, занесенной в память компьютера, маршрута измерительных проездов буксируемой тележки, формирования и долгосрочного хранения протоколов в виде цветных диаграмм, цветных графиков, протоколов, нанесенных на цифровую карту, и протоколов в табличном виде распределения измеренных значений коэффициента сцепления вдоль пройденного пути по тестируемому покрытию, а также формирования оперативной информации о результатах измерений, необходимой либо для вывода на печать на термопринтер, либо для передачи по GSM - каналу диспетчеру аэродрома для принятия им решения о безопасной посадке подлетающего воздушного судна, либо для вывода на экран дисплея для оператора-водителя автомобильного транспорта.
лин
ИК
Т
ПРОГР
Для осуществления измерительного проезда (см. фиг.1) тележку буксируют с некоторой постоянной линейной скоростью V при этом ротор (индуктор) тормозного генератора 14 вместе с измерительным колесом 3 вращается с некоторой постоянной угловой скоростью ω и магнитный поток ротора индуктирует в обмотках статора генератора Э.Д.С.(электродвижущую силу), возрастающую с ростом угловой скорости вращения ротора, а следовательно, и измерительного колеса 3, при замыкании управляемым электронным ключом 16 цепи нагрузочного сопротивления 18 по ней протекает выпрямленный ток торможения I на валу тормозного генератора 14, работающего в режиме динамического (реостатного) торможения, создается электромагнитный тормозной момент, приложенный к ступице измерительного колеса 3 в направлении, препятствующем буксировке тележки. Под действием системы автоматического управления скольжением 10 скважность включения - выключения управляемого электрического ключа 16 уменьшается, величина среднего значения тока торможения, а вместе с ним и величина среднего значения момента торможения возрастают до тех пор, пока величина тормозного момента не превысит величину максимального момента трения покоя в пятне контакта шины измерительного колеса 3 с поверхностью покрытия, возникает скольжение измерительного колеса, величина которого при правильно настроенной системе автоматического управления скольжением 10 достигнет программного значения S, предписываемого блоком управления 4.
ЛИН
Т
Система автоматического управления скольжением 10 (см. фиг.2) работает следующим образом. Пусть устройство движется с постоянной линейной скоростью V Если в исходном режиме системы сигнал задающего (программного) скольжения , вырабатываемый компьютерным блоком управления 4 и подаваемый на положительный вход первого блока вычисления ошибки 21, равен нулю, то сигнал управления, вырабатываемый на выходе системы (на выходе регулятора тока торможения 24), а равно и сигнал на выходе блока управления электронным ключом 17 также равны нулю, электронный ключ 16 размыкает цепь выпрямленного тока торможения I, момент торможения синхронного тормозного генератора 14, приложенный к измерительному колесу 3, также равен нулю и измерительное колесо 3 катится свободно (под действием лишь незначительных сил торможения, обусловленных механическими потерями (трения) в элементах трансмиссии (вал тормозного генератора 14 - цепная передача 6 - ступица измерительного колеса 3).
ПРОГР
С
Т
Т
ТОРМ
ИК
НК
НК
ИК
НК
ПРОГР
ПРОГР
ПРОГР
Подадим на ввод системы автоматического управления скольжением 10 некоторый отличный от нуля сигнал  и пусть для определенности этот сигнал постоянен  и задает некоторое постоянное программное скольжение S=const. После прохождения его через первый блок вычисления ошибки 21, регулятор скольжения 22, второй блок вычисления ошибки 23 и регулятор тока торможения 24 (регуляторы 22 и 24 можно считать в простейшем случае блоками пропорционального усиления с коэффициентами усиления β и β соответственно) этот сигнал преобразуется в выходной сигнал управления Uy(t) системы 10 и поступает на вход блока управления электронным ключом 17, скважность периодических включений цепи выпрямленного тока уменьшается, появляется отличный от нуля ток торможения I и тормозной генератор 14 начинает работать в тормозном режиме, создавая тормозной момент M приложенный к измерительному колесу 3. При постоянном воздействии входного сигнала  тормозной момент тормозного генератора 14 увеличивается до тех пор, пока измерительное колесо 3 не начнет проскальзывать, замедляя свое вращение, появляется скольжение, угловая скорость ω измерительного колеса 3 начнет уменьшаться по сравнению с угловой скоростью w несущих колес 2, на выходе третьего блока вычисления разности 25 появится сигнал, пропорциональный разности ω-ω поступает на вход делителя 26, на второй вход делителя 26 поступает сигнал, пропорциональный ω, и делитель вычисляет по формуле (1) их отношение, вырабатывая (с учетом соответствующего масштабирования) сигнал реального скольжения (1), этот сигнал подается на отрицательный вход первого блока вычисления ошибки 21, на его выходе (с учетом соответствующего масштабирования) появляется сигнал разности S-S(t), тем самым начинает действовать отрицательная обратная связь по скольжению S(t), образуя главный контур отрицательной обратной связи по скольжению измерительного колеса 3. В то же время на отрицательный вход второго блока вычисления ошибки 23 подается сигнал с выхода датчика тока торможения 7, образуя внутренний контур отрицательной обратной связи по току торможения. Скольжение под действием отрицательных обратных связей по скольжению и току торможения возрастает, уменьшая разность S-S(t), до тех пор, пока его величина не станет близкой (почти равной) величине программного скольжения S, предписываемой задающим сигналом .
ПРОГР
ПРОГР
ТР
С
Т
Таким образом, в процессе непрерывного измерения коэффициента сцепления в рамках предлагаемого устройства с системой автоматического управления скольжением 10 тормозной генератор 14 обеспечивает необходимое торможение измерительного колеса 3 с одновременным автоматическим поддержанием заданного программного скольжения в виде произвольной функции времени S(t) частном случае, в виде постоянной величины S=const независимо от величины преодолеваемой им продольной силы трения скольжения F(t), приложенной к пятну (точке) контакта шины измерительного колеса 3 с аэродромным или автодорожным покрытием, что обеспечивается автоматически системой автоматического управления скольжения 10 не мгновенно, а во времени с быстродействием и точностью, определяемой выбором настроек коэффициентов усилений β и β регуляторов скольжения 22 и тока торможения 24 главного и внутреннего контуров обратных связей по скольжению и току торможения соответственно.
ПРОГР
ПРОГР
Отметим, что регулятор скольжения 22 может быть выполнен не пропорциональным, как было указано выше, а в виде пропорционально-интегрирующего усилителя-преобразователя и, интегрируя входной сигнал - ошибку рассогласования (разность S(t)-S(t)), будет поддерживать ее равной нулю (с точностью до переходного процесса). Поэтому реальное скольжение S(t) поддерживается равным заданному программному скольжению S(t) в процессе измерительного проезда с требуемой точностью (менее ±0,005), что определяется проектируемым быстродействием и динамической точностью системы автоматического управления скольжением 10, обеспечиваемых выбором настроек регуляторов 22 и 24, выбором высокоточных датчиков угловых скоростей 8, 9 и реализацией самой системы 10 на базе высокоточного и быстродействующего микроконтроллера Atmega-128.
ТР
Высокая точность непрерывного измерения продольной силы трения скольжения, касательной к пятну контакта шины измерительного колеса 3 с поверхностью аэродромных или автодорожных покрытий, и вычисления текущего значения коэффициента сцепления в предлагаемом устройстве обеспечивается тензометрической системой, состоящей из высокоточного тензометрического датчика 19 (консольной конструкции модели Мерадат К-14А класса точности С3 (с погрешностью менее 0,2%) в корпусе из нержавеющей стали, работающий в диапазоне температур от -50°С до +50°С), и высокоточного и термостабильного блока преобразования сигнала тензодатчика 20, а также компьютерным блоком управления 4, обеспечивающем программную поддержку вычислений текущих значений коэффициента сцепления по данным измерений тензометрической системы и периодическую калибровку самой тензометрической системы. При этом выбор способа измерения продольной силы трения скольжения измерительного колеса 3, основанный в предлагаемом устройстве на измерении натяжения цепи цепной передачи 6, позволяет учесть все электрические, механические и вентиляционные потери в тормозном генераторе 14, а также почти все механические потери во всех звеньях кинематического тракта передачи тормозного момента от тормозного генератора 14 к измерительному колесу 3, кроме неучтенных потерь трения вращения в оси измерительного колеса 3 и, частично, в оси вспомогательной звездочки, закрепленной на независимой рычажной подвеске и передающей на консоль с тензодатчиком силу натяжения цепи, пропорциональную (с точностью до этих неучтенных потерь) измеряемой продольной силе трения скольжения F измерительного колеса 3.
Калибровка тензометрической системы, состоящей из тензодатчика 19 и блока преобразования сигнала тензодатчика 20 предлагаемого устройства проводится калибровочным стендом под управлением компьютерного блока управления 4 с помощью специально разработанного методического, алгоритмического и программного обеспечения, а результаты калибровки заносятся в память компьютерного блока управления 4 и затем используются при вычислении коэффициента сцепления в измерительных проездах предлагаемого устройства.
Таким образом, главным достоинством предлагаемого устройства измерения коэффициента сцепления транспортных колес с аэродромными и автодорожными покрытиями является использование в нем в качестве тормозного генератора 14 трехфазной синхронной электрической машины с индуктором, отличающейся от электрической машины постоянного тока отсутствием коллектора и щеточного аппарата, вызывающих трудности при проектировании, изготовлении и эксплуатации. Применяемая в предлагаемом устройстве синхронная электрическая машина 14 имеет также лучшие удельные весовые показатели, значительно больший срок эксплуатации и больший межремонтный пробег, чем машина постоянного тока, неприхотлива в обслуживании и более устойчива к экстремальным условиям эксплуатации - все качества, играющие существенную роль при эксплуатации предлагаемого устройства на аэродромных и автодорожных покрытиях, обрабатываемых агрессивными химреагентами, и в экстремальных погодных условиях.
Другим достоинством, отличающим предлагаемое устройство от известных технических решений, является повышением точности измерения коэффициента сцепления путем предложенной схемы размещения тензодатчика 19 так, что измерение им продольной силы торможения измерительного колеса 3 учитывает все дополнительные составляющие силы торможения, создаваемые электрическими, механическими и вентиляционными потерями тормозного генератора 14 и механическими потерями в кинематических звеньях трансмиссии, передающей посредством цепной передачи 6 тормозной момент от тормозного генератора 14 на ступицу измерительного колеса 3 (кроме потерь трения вращения в оси самого измерительного колеса 3 и, частично, потерь вращения в оси вспомогательной звездочки, передающей силу натяжения цепи цепной передачи 6 на консоль тензометрического датчика 19).
Сказанное позволяет сделать вывод, что в заявляемом устройстве достигается технический результат, состоящий в повышении надежности, достоверности и точности непрерывного измерения коэффициента сцепления транспортных колес с поверхностью аэродромных и автодорожных покрытий.