ТРИБОМЕТР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ МЕЖДУ КОЛЕСОМ И ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫМ РЕЛЬСОМ

Полезная модель относится к железнодорожному транспорту, а именно к оборудованию для определения коэффициента трения между колесом и рельсом и мест лубрикации с целью поддержания оптимального режима трения на поверхности рельса железнодорожного полотна.
Цель полезной модели - повышение достоверности измерений, удобства и надежности работы.
Трибометр [<гр. tribõ растираю+… метр] - прибор для измерения сил трения и износостойкости трущихся поверхностей.
Лубрикатор [<лат. lubricare делать скользким, гладким] - прибор для смазки под давлением трущихся частей машин.
Уровень техники
Известно устройство для определения коэффициента сцепления колес с рельсами, содержащее раму с опорными колесами (дисками), измерительный ролик бочкообразной формы, установленный свободно и кинематически связанный через систему колес с затормаживающей его спиральной пружиной и счетчиком, фиксирующим угол закручивания пружины, съемные грузы, создающие вертикальную нагрузку на измерительный ролик, при этом на оси последнего свободно установлены поводки для передачи горизонтального усилия от направляющего ролика, опорных колес (дисков) и рычага, а также храповик, обеспечивающий вращение ролика и системы колес только в одном направлении, причем измерительный ролик имеет бочкообразную форму, благодаря чему в точке контакта с головкой рельса создаются напряжения, близкие к действительным напряжениям под колесами подвижного состава (А.С. СССР №183802, 1964 г., МПК B61к, B61c, опубл. Бюл. №14, 1966 г.) [1].
При работе с известным устройством раму устанавливают на рельсе так, чтобы измерительный ролик располагался на рабочей поверхности головки, и прикладывают усилие к рычагу, при этом рама перемещается на опорных колесах (дисках), а ролик, перекатываясь по рельсу, приводит во вращение колесо, которое закручивает спиральную пружину, создающую тормозной момент на оси измеряющего ролика. С увеличением угла закручивания пружины тормозной момент возрастает до тех пор, пока ролик не начнет проскальзывать по рельсу. Наибольшее значение угла закручивания, зафиксированное счетчиком, соответствует максимальной силе сцепления между роликом и рельсом в режиме торможения. Показания счетчика с помощью тарировочного графика переводят в значения коэффициента сцепления.
Недостатком известного устройства является недостоверность результатов измерений из-за невозможности учета трения на боковой поверхности головки рельса, обращенной внутрь колеи.
Известно устройство для измерения коэффициента трения между колесом и рельсом, содержащее раму с опорными колесами, шарнирно установленный на ней измерительный ролик, прижимаемый к рельсу с помощью сменных грузов и кинематически связанный с нагружателем (затормаживающим механизмом) в виде упругой пластины, при этом по обеим сторонам ролика установлены щечки с желобами, к которым прикреплен тросик, намотанный на катушку и осуществляющий кинематическую связь измерительного ролика с пластиной, устройство для измерения, регистрации и обработки информации в виде датчиков напряжений (тензометрических датчиков), установленных на пластине нагружателя, измерительного моста, при этом один из датчиков пластины включен в одно из плеч моста, а второй датчик - в другое плечо моста, и вычислительного блока (осциллографа), включенного в измерительную диагональ моста, устройство управления и источник автономного питания. (А.С. СССР №492412,1973 г, М. Кл. B61K 13/00, G01N 19/02, опубл. Бюл. №43, 1976 г.) [2].
Работа с известным устройством осуществляется следующим образом.
Предварительно, перед началом замера вращают катушку и наматывают на нее тросик до полного натяжения, затем раму устанавливают опорными колесами на рельс и собирают электрическую схему, присоединяя устройство управления и устройство для измерения, регистрации и обработки информации к источнику автономного питания. Устройством управления включают электрические узлы конструкции и перемещают трибометр вдоль рельса на опорных колесах. Под действием силы трения измерительный ролик и щечки вращаются, наматывают тросик и вращают катушку, после максимального вытягивания тросика, последний изгибает пластину до тех пор, пока не произойдет срыв измерительного ролика из зацепления с поверхностью головки рельса. Механическая деформация пластины посредством датчиков напряжений преобразуется в электрические сигналы, подаваемые на диагональ моста и вычислительный блок, где полученные данные регистрируются и обрабатываются, затем по результатам обработки данных определяют значения коэффициента трения между колесом и рельсом.
Недостатками известного устройства являются недостоверность измерений при определении коэффициента трения из-за невозможности учета трения на боковой, обращенной внутрь колеи, поверхности головки рельса, и неустойчивость перемещения из-за отсутствия компенсатора колебаний ширины железнодорожной колеи при установке устройства на оба рельса.
За прототип выбрано устройство для измерения коэффициента трения между колесом и рельсом по Патенту РФ №2395422, МПК B61K 13/00, G01N 19/02, G01M 17/08, опубл. 27.07.2011, Бюл. №21 [3].
Устройство-прототип содержит раму с измерительным роликом, опорные ролики шарнирно закрепленные на раме, упругую пластину с тензодатчиками и нагружающую балку (нагружатель) с тензодатчиками. Измерительный ролик выполнен с возможностью вращения и взаимодействия с поверхностью рельса. Упругая пластина и нагружающая балка закреплены на раме и кинематически связаны посредством тросика с измерительным роликом. Рама также снабжена винтовым соединением для регулировки нагрузки на измерительный ролик, двумя опорами и может содержать шесть опорных роликов для опоры на рельс. Опоры выполнены с возможностью регулировки их углового положения, а один из концов опор соединен с соответствующей боковой стойкой рамы. Тросик пропущен через отверстия в измерительном ролике и упругой пластине.
Устройство-прототип работает следующим образом.
Для проведения измерений на выбранном участке пути устройство устанавливается на рельс так, чтобы опорные ролики касались его поверхности, при этом преодолевается сопротивление изгибающейся нагружающей балки, которая при изгибе создает нагрузку на измерительный ролик. Величина нагрузки регулируется винтом, который изменяет начальный угол поворота нагружающей балки относительно опоры. После устойчивого прижима устройства опорными роликами перемещают его по рельсу в направлении наматывания тросика на щечки измерительного ролика. После выбора «слабины» (свободного хода, без натяга) тросика измерительный ролик из режима качения переходит в режим скольжения и напряжения от силы трения между роликом и рельсом передаются на упругую пластину. После начала скольжения ролика для получения достаточной для обработки записи перемещают устройство в течение трех-четырех секунд, в это время при помощи тензометрических датчиков упругой пластины фиксируют высокочастотные составляющие импульсов трения и получают значение силы трения в виде осциллограммы. Одновременно с этим тензометрическими датчиками нагружающей балки фиксируют действующие значения нормальной сил. Далее нагрузку с устройства снимают и повторяют заново.
При обработке результатов измерений используют аппаратуру для регистрации и обработки данных, которая может быть установлена на рельсовой тележке. Для оптимизации процесса измерения и вычисления коэффициента трения между колесом и рельсом используют ПЭВМ и специальное программное обеспечение.
Для обеспечения достаточного для статистической обработки количества значений трения необходимо выполнить 10-15 замеров для выбранного участка, что позволит получить от 10 до 20 точек для каждого замера. По ним определяется как математическое ожидание коэффициентов трения, так и их дисперсия.
Недостатками трибометра-прототипа являются недостоверность измерений, неудобство эксплуатации и неустойчивость перемещения обусловленные следующими причинами:
- невозможность одновременного учета трения на верхней и боковой, обращенной внутрь колеи, поверхностях головки рельса;
- отсутствие автоматического управления и контроля нагрузкой на измерительный ролик;
- необходимость предварительной настройки - разматывания тросика со щечек измерительного ролика при очередном измерении;
- отсутствие компенсатора колебаний ширины железнодорожной колеи, при установке устройства на оба рельса.
Указанные недостатки устраняются тем, что в трибометре для измерения коэффициента трения между колесом и железнодорожным рельсом, содержащим раму с колесами, установленными в вилках, измерительный ролик, нагружатель, установленный на оси ролика, устройство для измерения, регистрации и обработки информации в виде датчиков напряжений, и вычислительного блока, устройство управления и источник автономного питания, измерительный ролик выполнен составным в виде цилиндра с осью и реборды с возможностью перемещения по этой оси, и установлен в упругой вилке с возможностью вертикального перемещения на оси посредством механизма вертикального перемещения в виде фрикционной муфты, установленной на раме и состоящей из корпуса, по крайней мере, одной неподвижной электромагнитной катушки и диска, жестко закрепленного на оси вилки ролика с возможностью перемещения под действием электромагнитного поля катушки, при этом датчики напряжений установлены на упомянутой упругой вилке, механизм горизонтального перемещения реборды ролика выполнен в виде фрикционной муфты, состоящей из корпуса, двух, вращающихся с роликом, электромагнитных катушек и диска, установленного между ними на втулке, жестко связанной с ребордой и возможностью вращения с роликом, а также перемещения вдоль его оси по направляющим под действием электромагнитных полей катушек, действующих на упомянутый диск, нагружатель ролика выполнен в виде порошковой муфты, состоящей из корпуса, неподвижной электромагнитной катушки и ротора, установленного на оси с кольцевым зазором относительно катушки и возможностью вращения с роликом, при этом зазор заполнен порошком, например из ферромагнитного сплава, взаимодействующим с упомянутым ротором под действием электромагнитного поля катушки, на оси ролика установлен датчик положений, а в состав введено устройство управления и контроля нагрузкой, кроме того, по крайней мере, одно колесо рамы снабжено компенсатором колебаний ширины железнодорожной колеи в виде упругого элемента, установленного на оси между ступицей колеса и вилкой.
Реборда [фр. rebord] - гребень - выступающая часть на краю обода шкива или ж/д колеса, удерживающая ремень, канат от сползания со шкива или препятствующий сходу колеса с рельса.
Раскрытие полезной модели
Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в следующем.
По мере интенсификации применения на железных дорогах смазки рельсов для безопасности и эффективности движения, возникает необходимость в измерении коэффициента трения между колесом транспортного средства и головкой рельса железнодорожного полотна и определении мест лубрикации с целью поддержания оптимального режима движения и торможения колесного транспортного средства.
Известные трибометры, использующиеся для решения обозначенной задачи, имеют недостатки:
- недостоверность измерений из-за невозможности одновременного учета трения на верхней и боковой, обращенной внутрь колеи, поверхностях головки рельса и отсутствия автоматического управления и контроля нагрузкой на измерительный ролик;
- неудобство эксплуатации из-за необходимости предварительной настройки - разматывания тросика со щечек измерительного ролика при очередном измерении;
- неустойчивость перемещения из-за отсутствия компенсатора колебаний ширины железнодорожной колеи при установке устройства на оба рельса, особенно при определении коэффициента трения на поворотах.
Цель полезной модели - повышение достоверности измерений, удобства и надежности работы (устойчивости перемещения).
Для достижения поставленной цели целесообразно измерительный ролик выполнить составным в виде цилиндра с осью и реборды с возможностью перемещения по этой оси, и установить его в упругой вилке с возможностью вертикального перемещения на оси посредством механизма вертикального перемещения в виде фрикционной муфты установленной на раме и состоящей из корпуса, по крайней мере, одной неподвижной электромагнитной катушки и диска, жестко закрепленного на оси вилки ролика с возможностью перемещения под действием электромагнитного поля катушки, а датчики напряжений установить на упомянутой упругой вилке, механизм горизонтального перемещения реборды ролика выполнить в виде фрикционной муфты, состоящей из корпуса, двух, вращающихся с роликом, электромагнитных катушек и диска, установленного между ними на втулке, жестко связанной с ребордой и возможностью вращения с роликом, также перемещения вдоль его оси по направляющим под действием электромагнитных полей катушек, действующих на упомянутый диск, нагружатель ролика выполнить в виде порошковой муфты, состоящей из корпуса, неподвижной электромагнитной катушки и ротора, установленного на оси с кольцевым зазором относительно катушки и возможностью вращения с роликом, при этом зазор заполнен порошком, например из ферромагнитного сплава, взаимодействующим с упомянутым ротором под действием электромагнитного поля катушки, на оси ролика установить датчик положений, а в состав ввести устройство управления и контроля нагрузкой, кроме того, по крайней мере, одно колесо рамы снабдить компенсатором колебаний ширины железнодорожной колеи в виде упругого элемента, установленного на оси между ступицей колеса и вилкой.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 изображен роликовый трибометр для измерения коэффициента трения между колесом и железнодорожным рельсом, общий вид в изометрии, на фиг.2 - то же, функциональная схема на фиг.3 - вид А на фиг.1, на фиг.4 - выноска I на фиг.3, на фиг.5 - выноска II на фиг.3, на фиг.6 - вид Б на фиг.1.
Трибометр для измерения коэффициента трения между колесом и железнодорожным рельсом содержит раму 1 с колесами 2 на осях 3 в вилках 4 и компенсатором ширины ж/д колеи (на чертежах не обозначен) в виде упругого элемента 5, установленного на оси 3 между щечкой (на чертежах не обозначена) вилки 4 и ступицей (на чертежах не обозначена) одного колеса 2, измерительный ролик (на чертежах не обозначен) в виде цилиндра 6 с осью 7, подвижной реборды 8 и датчиком положений 9 на оси 7, упомянутый измерительный ролик установлен в упругой вилке 10 с возможностью вертикального перемещения на оси 11 посредством механизма вертикального перемещения (на чертежах не обозначен) в виде вертикальной фрикционной муфты 12, состоящей из корпуса 13, электромагнитной катушки 14 и диска 15, жестко закрепленного на оси 11, нагружатель (на чертежах не обозначен) измерительного ролика в виде порошковой муфты 16, состоящей из корпуса 17, электромагнитной катушки 18, ротора 19 и ферромагнитного порошка 20 в кольцевом зазоре между катушкой 18 и ротором 19, устройство управления и контроля нагрузкой 21, механизм горизонтального перемещения (на чертежах не обозначен) реборды 8 в виде горизонтальной фрикционной муфты 22, состоящей из корпуса 23, электромагнитных катушек 24 и 25 и диска 26, установленного между ними на втулке 27, жестко связанной с ребордой 8, вращающейся с измерительным роликом и перемещающейся на направляющих 28 вдоль оси 7, устройство для измерения, регистрации и обработки информации (на чертежах не обозначено) в виде датчиков напряжений 29, установленных на упругой вилке 10, и вычислительного блока 30, а также устройство управления 31 и источник автономного питания 32.
Трибометр для измерения коэффициента трения между колесом и железнодорожным рельсом работает следующим образом.
Раму 1 устанавливают колесами 2 на рельсы железнодорожной колеи (на чертежах не обозначены) и преодолевая сопротивление упругого элемента 5 компенсатора колебаний ж/д колеи обеспечивают надежный контакт колес 2, цилиндра 6 и реборды 7 измерительного ролика с рельсами.
Подключают датчик положений 9, электромагнитные катушки 14, 18, 24 и 25, датчики напряжений 29, вычислительный блок 30 и устройство управления 31 к источнику автономного питания 32.
Перемещают раму 1 по рельсам на колесах 2, под действием силы трения измерительный ролик вращается, а под действием массы рамы 1, или иной нагрузки, создается давление на ролик, имитирующее, свободное, без торможения, движение транспортного средства (на чертежах не показано), при этом в ролике, в его оси 7 и соответственно в упругой вилке 10 возникают напряжения, датчики 29, находящиеся на упругой вилке 10, фиксируют эти напряжения, механические напряжения в датчиках 29 преобразуются в электрические сигналы, а затем эти сигналы передаются в блок 30 устройства для измерения, регистрации и обработки информации, где производится их измерение, регистрация и обработка и определяется нормальная сила давления на ролик. Во время движения трибометра, по крайней мере, одно из колес 2 под действием упругого элемента 5 компенсатора колебаний ж/д колеи перемещается по оси 3 в вилке 5 и прижимается ребордой (на чертежах не обозначена) к боковой поверхности головки (на чертежах не обозначена) ж/д рельса.
При отсутствии электромагнитного поля в катушке 18 порошковой муфты 16 нагружателя измерительного ролика, т.е. при отсутствии тормозящей силы, действующей на ролик, его ось 7 вместе с ротором 19 может свободно вращаться внутри катушки 18, неподвижно установленной в корпусе 17 муфты 16.
Устройством 31 включают электропитание катушки 18, а устройством 21 управляют непосредственно величиной тока, проходящего через нее, при этом ее электромагнитное поле изменяется (возрастает), находящийся в кольцевом зазоре между катушкой 18 и ротором 19 порошок 9 становится активным, устанавливается согласно линии электромагнитного потока, т.е. в радиальном направлении ротора 19 и фрикционно взаимодействует с последним, вызывая его торможение, торможение оси 7 соответственно измерительного ролика, в результате торможения ролика возникают напряжения в упругой вилке 10. Датчики 29, находящиеся на упомянутой вилке 10, фиксируют эти напряжения, механические напряжения в датчиках 29 преобразуются в электрические сигналы, а затем эти сигналы передаются в блок 30 устройства для измерения, регистрации и обработки информации, где производится их измерение, регистрация и обработка и определяется сила трения при торможении ролика без скольжения, т.е. трение качения. По мере увеличения нагрузки, сила торможения ролика возрастает, и он начинает скользить по рельсу. После начала скольжения датчики 29 таким же образом фиксируют и преобразуют механические напряжения и передают информацию в блок 30 устройства для измерения, регистрации и обработки информации, где производится их регистрация и обработка и определяется сила трения скольжения.
Коэффициент трения определяют по значениям нормальной силы и силы трения, действующих в месте контакта измерительного ролика и рельса и фиксируемых датчиками 29, при свободном вращении и при торможении ролика на различных скоростях движения. При этом, изменяя силу торможения ролика посредством устройства 21 и нагружателя, получают значение максимального коэффициента трения, т.е. коэффициент трения качения, а также значение минимального коэффициента трения, т.е. коэффициент трения скольжения, при отсутствии вращения ролика. В процессе работы контроль нагрузки осуществляют тем же устройством 21.
При определении нормальной силы и силы трения одновременно на верхней и боковой, обращенной внутрь колеи, поверхностях головки рельса механизм вертикального перемещения измерительного ролика отключают, и цилиндр 6 прижимается к верхней поверхности головки рельса. Возбуждают электромагнитную катушку 24 (на чертежах - левая) горизонтальной фрикционной муфты 22 механизма горизонтального перемещения реборды 8, диск 26 и соответственно втулка 27, под действием электромагнитного поля перемещаются (в данном случае влево) вдоль оси 7 по направляющим 28, реборда 8, жестко связанная с диском 26 через втулку 27, также перемещается по оси 7 и прижимается к боковой поверхности головки рельса.
Измерения и расчеты производят по схеме описанной выше.
Во время перемещения рамы 1 и вращения цилиндра 6 с осью 7 и реборды 8 измерительного ролика под действием силы трения, катушки 24 и 25, диск 26 и втулка 27 также вращаются на оси 7 в корпусе 23 и не влияют на достоверность результатов измерений.
При определении нормальной силы и силы трения отдельно на верхней поверхности головки рельса механизм вертикального перемещения измерительного ролика также отключают, и цилиндр 6 прижимается к верхней поверхности головки рельса. Отключают электромагнитную катушку 24 и возбуждают электромагнитную катушку 25 (на чертежах - правая) горизонтальной фрикционной муфты 22 механизма горизонтального перемещения реборды 8, диск 26 и соответственно втулка 27, под действием электромагнитного поля перемещаются (в данном случае вправо) вдоль оси 7 по направляющим 28, реборда 8, жестко связанная с диском 26 через втулку 27, также перемещается по оси 7 и гарантировано отжимается от боковой поверхности головки рельса.
Измерения и расчеты производят по схеме описанной выше.
Во время перемещения рамы 1 и вращения цилиндра 6 с осью 7 и реборды 8 измерительного ролика под действием силы трения, катушки 25 и 24, диск 26 и втулка 27 также вращаются на оси 7 в корпусе 23 и не влияют на достоверность результатов измерений. При этом электрическое подключение вращающихся на оси ролика электромагнитных катушек 24 и 25 производится подпружиненными графитовыми щетками (на чертежах не показаны).
При определении нормальной силы и силы трения отдельно на боковой, обращенной внутрь колеи, поверхности головки рельса возбуждают электромагнитную катушку 14 вертикальной фрикционной муфты 12 механизма вертикального перемещения измерительного ролика, диск 15 под действием электромагнитного поля перемещается вверх, ось 11, упругая вилка 10 и соответственно цилиндр 6 с осью 7 также перемещаются вверх, цилиндр 6 выходит из контакта с верхней поверхностью головки рельса и надежно удерживается в верхнем положении, при этом реборда 8, перемещаясь вверх, остается в контакте с боковой поверхностью головки рельса. Затем возбуждают электромагнитную катушку 24 (на чертежах - левая) горизонтальной фрикционной муфты 22 механизма горизонтального перемещения реборды 8, диск 26 и соответственно втулка 27, под действием электромагнитного поля перемещаются (в данном случае влево) вдоль оси 7 по направляющим 28, реборда 8, жестко связанная с диском 26 через втулку 27, также перемещается по оси 7 и надежно прижимается к боковой поверхности головки рельса.
Измерения и расчеты производят по схеме описанной выше.
Порошковая муфта 16 нагружателя измерительного ролика и горизонтальная фрикционная муфта 22 механизма горизонтального перемещения реборды 8 перемещаются вертикально совместно с измерительным роликом в пазах кронштейна (на чертежах не обозначены) рамы 1 и не вызывают напряжений в оси 7 измерительного ролика и дополнительных изгибающих напряжений в реборде 8, влияющих на достоверность результатов измерений.
Технический результат от использования заявляемого трибометра заключается в повышение достоверности измерений, удобства и надежности работы.
Указанный технический результат достигается совокупностью отличительных признаков, а именно выполнением измерительного ролика составным в виде цилиндра с осью и реборды с возможностью перемещения по этой оси, установкой его в упругой вилке с возможностью вертикального перемещения на оси посредством механизма вертикального перемещения в виде фрикционной муфты, установленной на раме и состоящей из корпуса, по крайней мере, одной неподвижной электромагнитной катушки и диска, жестко закрепленного на оси вилки ролика с возможностью перемещения под действием электромагнитного поля катушки, установкой датчиков напряжений на упомянутой упругой вилке, выполнением механизма горизонтального перемещения реборды ролика в виде фрикционной муфты, состоящей из корпуса, двух, вращающихся с роликом, электромагнитных катушек и диска, установленного между ними на втулке, жестко связанной с ребордой и возможностью вращения с роликом, также перемещения вдоль его оси по направляющим под действием электромагнитных полей катушек, действующих на упомянутый диск, выполнением нагружателя ролика в виде порошковой муфты, состоящей из корпуса, неподвижной электромагнитной катушки и ротора, установленного на оси с кольцевым зазором относительно катушки и возможностью вращения с роликом, при этом зазор заполнен порошком, например из ферромагнитного сплава, взаимодействующим с упомянутым ротором под действием электромагнитного поля катушки, на оси ролика установить датчик положений, а в состав ввести устройство управления и контроля нагрузкой, кроме того, снабжением, по крайней мере, одного колеса рамы компенсатором колебаний ширины железнодорожной колеи в виде упругого элемента, установленного на оси между ступицей колеса и вилкой.
Представленные описание и чертежи заявляемого трибометра позволяют, используя существующие материалы и покупные комплектующие изделия, изготовить его промышленным способом и использовать для измерения коэффициента трения между колесом и рельсом с целью обеспечения инструментального контроля и получения данных настройки технических средств лубрикации для работы в системе адаптивного управления трением в паре «колесо-рельс».