УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ И РЕГИСТРАЦИИ СИЛ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МЕЖДУ КОЛЕСОМ И РЕЛЬСОМ
DEVICE TO MEASURE AND RECORD FORCES OF INTERACTION BETWEEN WHEEL AND RAIL

Изобретение относится к приборостроению, в частности к измерительным устройствам для измерения и регистрации нескольких составляющих сил взаимодействия колеса с рельсом.
Известно устройство для измерения вертикальных и боковых сил взаимодействия колеса с рельсом, содержащее железнодорожную колесную пару, тензорезисторы, включенные диаметрально в полумостовые тензометрические схемы и размещенные по разные стороны от оси на концентрических диаметрах наружной и внутренней стороны диска колеса, тензометрические усилители, синхронизирующий и тактовый генераторы, блок управления и блок электронных ключей вертикальной и боковой сил, программируемый логический контроллер, блоки определения направления действия боковой силы, тензорезисторы внутренней стороны диска колеса установлены на одном диаметре с радиусом 0,6…0,7 радиуса диска колеса, а тензорезисторы наружной стороны диска колеса установлены на одном диаметре с радиусом 0,6…0,8 радиуса диска колеса (SU, авторское свидетельство №1312412, МПК G01L 1/22, опубл. 1987 г.).
Недостатком указанного устройства является измерение только вертикальных и боковых сил с ошибками при поперечном и угловом смещении колеса относительно рельса и невозможности измерения и регистрации продольных сил, действующих между колесом и рельсом.
Известно устройство для измерения вертикальных и боковых сил взаимодействия между колесом и рельсом, принятое за прототип, содержащее железнодорожную колесную пару, тензорезисторы, включенные диаметрально в полумостовые тензометрические схемы и размещенные по разные стороны от оси на концентричных диаметрах внутренней стороны диска колес, тензометрические усилители, программируемый логический контроллер, датчики регистрации поперечного и углового положения колесной пары относительно рельсов, блок синхронизации, реализующий подачу импульсов для синхронизации данных поперечного и углового положения колесной пары относительно рельсов и вертикальных и боковых сил в момент, когда диаметральные оси с полумостовыми тензометрическими схемами для измерения вертикальных и боковых сил располагаются перпендикулярно рельсам, блок передачи сигналов по радиоканалу, связанный с блоком приемки сигналов и бортовым компьютером (RU, Патент №2441206, МПК G01L 5/16, 2012 г.).
Недостатком указанного устройства является невозможность измерения и регистрации продольных сил взаимодействия между колесом и рельсом, что снижает его технико-экономические показатели и не позволяет эффективно применять при контроле пути. Согласно [1] наиболее точно коэффициент устойчивости колес против схода с рельсов может быть определен при знании трех сил, действующих в зоне контакта колеса с рельсом: в вертикальном, поперечном и продольном направлениях.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности устройства измерения и регистрации сил взаимодействия между колесом и рельсом и технико-экономических показателей устройства за счет дополнительного измерения и регистрации продольных сил взаимодействия между колесом и рельсом.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство измерения и регистрации сил взаимодействия между колесом и рельсом, содержащее железнодорожную колесную пару, тензорезисторы, включенные диаметрально в полумостовые тензометрические схемы и размещенные по разные стороны от оси на концентричных диаметрах внутренней стороны диска колес, тензометрические усилители, программируемый логический контроллер, датчики регистрации поперечного и углового положений колесной пары относительно рельсов, блок синхронизации, блок передачи сигналов по радиоканалу на принимающее устройство и бортовой компьютер, при этом полумостовые тензометрические схемы с тензорезисторами для измерения и регистрации вертикальных и боковых сил соединены соответственно с тензометрическими усилителями, выходы которых соединены с программируемым логическим контроллером, который, в свою очередь, соединен с датчиками регистрации поперечного и углового положения колесной пары относительно рельсов и блоком синхронизации данных поперечного и углового положения колесной пары относительно рельсов, а также с блоком передачи сигналов по радиоканалу на принимающее устройство и бортовой компьютер, дополнительно оборудовано полумостовыми тензометрическими схемами, тензометрическим усилителем и тензорезисторами, расположенными на концентричном диаметре внутренней стороны диска колеса по разные стороны от оси колесной пары под углами 40°÷50° по отношению к диаметральным осям диска колеса и включенные в полумостовые тензометрические схемы для измерения и регистрации продольных сил взаимодействия между колесом и рельсом.
в
б
пр
На фиг. 1 изображена блок-схема устройства для измерения вертикальных, боковых и продольных сил взаимодействия между колесом и рельсом, на фиг. 2 - железнодорожная колесная пара с тензорезисторами, на фиг. 3 - сечение А-А фиг. 2, на фиг. 4 - распределение вертикальных Р, боковых Р, продольных Р сил взаимодействия между колесом и рельсом.
в
б
пр
в
б
пр
в
б
пр
Устройство для измерения вертикальных, боковых и продольных сил взаимодействия между колесом и рельсом (фиг. 1-4) содержит железнодорожную колесную пару 1, тензорезисторы 2, включенные диаметрально в полумостовые тензометрические схемы 3, 4, 5, 6 для измерения и регистрации вертикальных сил Р, полумостовые тензометрические схемы 7, 8, 9 и 10 для измерения и регистрации боковых Р сил и полумостовые тензометрические схемы 11, 12, 13, 14 для измерения и регистрации продольных Р сил, размещенных по разные стороны от оси 15 на концентрических диаметрах 16, 17 и 18 внутренней стороны 19 диска 20 колес 21, тензометрические усилители 22, 23 и 24 программируемый логический контроллер 25, датчики регистрации поперечного 26 и углового 27 положения колесной пары 1 относительно рельсов 28, блок 29 синхронизации, данных поперечного и углового положения колесной пары 1 относительно рельсов 28 и вертикальных Р, боковых Р и продольных Р сил в моменты, когда диаметральные оси 30 и 31 диска 20 колеса 21 с полумостовыми тензометрическими схемами 3-14 расположены перпендикулярно рельсам 28 и блок 32 передачи сигналов по радиоканалу на принимающее устройство 33 и бортовой компьютер 34. При этом полумостовые тензометрические схемы 3÷6, 7÷10 и 11÷14 с тензорезисторами 2 соединены соответственно с тензометрическим усилителем 22, 23 и 24, выходы которых соединены с программируемым логическим контроллером 25, который, в свою очередь, соединен с датчиками регистрации поперечного 26 и углового 27 положения колесной пары 1 относительно рельсов 28 и блоком 29 синхронизации данных поперечного и углового положения колесной пары 1 относительно рельсов 28 и вертикальных Р, боковых Р и продольных сил Р, а также с блоком 32 передачи сигналов по радиоканалу на принимающее устройство 33 и бортовой компьютер 34.
пр
Тензорезисторы 2, включенные в полумостовые тензометрические схемы 11, 12, 13 и 14 для измерения и регистрации продольных сил Р, расположены на концентричном диаметре 18 внутренней стороны диска 20 колеса 21 по разные стороны от оси колесной пары под углами 40°÷50° по отношению к диаметральным осям 30 и 31 диска 20 колеса 21 для измерения и регистрации продольных сил взаимодействия между колесом и рельсом.
Устройство измерения и регистрации сил взаимодействия между колесом и рельсом работает следующим образом.
в
б
пр
в
б
пр
в
б
пр
в
б
пр
в
б
пр
При движении железнодорожной колесной пары 1 по рельсам 28 сигналы от тензорезисторов 2 и полумостовых тензометрических схем 3, 4, 5, 6, регистрирующих вертикальные силы Р, полумостовых тензометрических схем 7, 8, 9, 10, регистрирующих боковые силы Р, полумостовых тензометрических схем 11, 12, 13, 14, регистрирующих продольные силы Р, подключенных соответственно к выходам тензометрических усилителей 22, 23 и 24, поступают на входы программируемого логического контроллера 25. При повороте концентричных диаметров 16, 17 и 18 с полумостовыми тензометрическими схемами 3-14 внутренней стороны диска 20 колес 21 перпендикулярно к рельсам 28 на вход программируемого логического контроллера 25 поступают синхронизирующие импульсы, которые управляют его работой. По мере поступления синхронизирующих импульсов блок 29 синхронизации осуществляет последовательное подключение информационных значений сигналов вертикальных Р, боковых Р и продольных Р сил с полумостовых тензометрических схем 3-14 на регистрирующий канал тензометрических усилителей 22, 23, 24. Одновременно блок 29 синхронизации осуществляет последовательное подключение информационных значений сигналов с датчиков регистрации поперечного 26 и углового 27 положения колесной пары 1 относительно рельсов 28 в программируемый логический контроллер 25, реализующий подачу импульсов для синхронизации данных поперечного и углового положения колесной пары 1 относительно рельсов 28, вертикальных Р, боковых Р и продольных Р сил в моменты, когда диаметральные оси 30 и 31 с полумостовыми тензометрическими схемами 3-10 с тензорезисторами 2 для измерения и регистрации вертикальных Р и боковых сил Р и полумостовых тензометрических схем 11-14 с тензорезисторами 2, расположенными под углом 40°÷50° диаметрально осям 30 и 31 для измерения и регистрации продольных сил Р, располагаются перпендикулярно рельсам 28 и блок 32 передачи сигналов по радиоканалу производится с колесной пары на неподвижно установленное на раме вагона принимающее устройство 33. От принимающего устройства 33 информационные сигналы передаются на бортовой компьютер 34, установленный в вагоне-путеизмерителе, где по специализированной программе производится расчет фактических значений вертикальных Р, боковых Р и продольных Р сил с представлением данных в виде таблиц или графиков с выдачей оператору необходимой информации. С использованием специализированной программы производится корректировка зарегистрированных сил с учетом фактического положения колес 21 относительно рельса 28.
в
б
пр
Σ
По фактическим значениям вертикальных Р, боковых Р, продольных Р сил в один и тот же момент времени определяется суммарная сила Рвзаимодействия между колесом и рельсом.
в
б
При повороте колеса 21 на угол 90° информационные значения снимаются с полумостовых тензометрических схем 5, 6 и 9, 10 соответственно для измерения и регистрации вертикальных Р и боковых Р сил и с полумостовых тензометрических схем 11-14 с тензорезисторами 2, расположенных под углом 40°÷50° к диаметральным осям 30 и 31, при этом тензометрические схемы 5, 6 и 9, 10 находятся в створе диаметральной оси 31, расположенной перпендикулярно рельсам 28, при этом блок синхронизации 29 посылает синхронизирующие импульсы в программируемый логический контроллер 25 и информационные значения с датчиков регистрации поперечного 26 и углового 27 положения колесной пары 1 относительно рельса 28. Далее процесс измерения повторяется.
пр
в
б
о
о
Введение дополнительных тензорезисторов 2, включенных в полумостовые тензометрические схемы 11, 12, 13 и 14 для измерения и регистрации продольных сил Р взаимодействия между колесом и рельсом, расположенных на концентричном диаметре 18 внутренней стороны диска 20 колеса 21 по разные стороны от оси колесной пары под углом 40÷50 по отношению к диаметральным осям 30 и 31 диска 20 колеса 21, позволяет повысить эффективность устройства измерения и регистрации сил взаимодействия между колесом 21 и рельсом 28 и технико-экономические показатели устройства и обеспечить его применение для контроля железнодорожного пути. Сигналы от дополнительных тензорезисторов 2, включенных в полумостовые тензометрические схемы 11, 12, 13 и 14, поступают к входам тензометрического усилителя 24, далее на входы программируемого логического контроллера 25 с информационными значениями, когда полумостовые тензометрические схемы 3, 4 и 7, 8 или 5, 6 и 9, 10 для регистрации соответственно вертикальных Р и боковых Р сил находятся в створах соответственно диаметральных осей 30 или 31, при этом ось 30 расположена перпендикулярно рельсам 28, а ось 31 - параллельно рельсам, далее - к блоку передачи сигналов 32 по радиоканалам на принимающее устройство 33 и бортовой компьютер 34.
Опытное устройство опробовано и показало положительные результаты.
Использованный источник
1. Черкашин Ю.М., Погорелов Д.Ю., Симонов В.А. Сравнение некоторых критериев, оценивающих опасность схода путем вползания колеса на рельс. Вестник Восточно-укр. нац. ун-та им. В. Даля. - Луганск, 2005, №8(90), 4.1. - С. 98-103.