УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СИЛ ТРЕНИЯ МЕЖДУ КОЛЕСОМ И РЕЛЬСОМ

Полезная модель относится к рельсовым транспортным средствам, в частности к устройствам для определения сил трения и коэффициента трения между колесом и рельсом.
Известно устройство для измерения коэффициента трения между колесом и рельсом, связанное с определением сил трения, содержащее установленный на П-образной раме измерительный ролик, прижимаемый к рельсу с помощью съемных грузов и кинематически связанный с затормаживающим механизмом, который выполнен в виде упругой пластины, оборудованной тензометрическими датчиками, а по обеим сторонам ролика установлены щечки с желобками, к которым прикреплен своими концами тросик, который осуществляет кинематическую связь измерительного ролика с пластиной [1].
К недостатком данного устройства можно отнести невозможность его установки на движущееся рельсовое транспортное средство и, следовательно, измерения коэффициента трения в процессе движения транспортного средства. К недостаткам также можно отнести необходимость предварительной настройки устройства и ограниченная возможность измерения коэффициента трения и сил трения только на поверхности катания рельса.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой полезной модели является устройство для измерения сил трения между колесом и рельсом, содержащее рельсовую тележку, состоящую из рамы, двух опорных колес, предназначенных для передвижения по рельсу, на котором производятся измерения, стабилизирующих тележку в горизонтальной и вертикальной плоскостях направляющих роликов, опираемых на противоположный рельс, на которой смонтирована измерительная система с тензометрическим элементом и блоком преобразования электрических сигналов, соединенным проводами с тензометрическим элементом, измерительная система снабжена регулируемым нагружателем, имитирующим давление колеса транспортного средства на рельс, выполненным из полой гильзы, на одном из концов которой закреплен подвижно индентор, выполненный в форме шарика, а с другой ее стороны установлена резьбовая крышка, между которыми внутри гильзы помещена тарированная пружина для прижатия к рельсу индентора, с которым связан шток, проходящий внутри гильзы через резьбовую крышку, механизмом подвода регулируемого нагружателя к рельсу, а регулируемый нагружатель установлен на раме шарнирно через ось фланца крепления к ней для изменения положения относительно оси фланца крепления с рамой для установки точно в требуемой зоне головки рельса и соединен тягой с тензометрическим элементом [2]. Кроме этого, механизм подвода регулируемого нагружателя к рельсу выполнен в виде отжимного рычага с тросом, который соединен со штоком регулируемого нагружателя. В результате обеспечивается возможность измерять силу трения под колесом в любой зоне головки рельса как на поверхности катания, так и на боковой грани, независимо от формы износа головки рельса с имитацией контактного давления от колеса транспортного средства на рельс.
Недостатком известных устройств является ограниченная возможность точного измерения коэффициента трения и сил трения, с одной стороны, из-за возникновения в них релаксационных колебаний и, следовательно, скачкообразного характера перемещения поверхностей трения индентора (выполненного либо в форме измерительного ролика, как в первом устройстве, либо в форме шарика) и возникающего по достижении некоторой деформации, когда сила натяжения тензометрического элемента уравняет силу трения и после достижения максимального отклоненного положения нагружателя происходит срыв индентора и возврат нагружателя в исходное положение, после чего колебательный процесс вновь повторяется, но уже на другой, изношенной, поверхности индентора. С другой стороны - из-за невозможности замены непосредственно в процессе измерения сил трения, в частности, при движении рельсовой тележки самого индентора или той части его поверхности, которая предназначена для взаимодействия с исследуемой поверхностью рельса. Особенно это важно при исследовании различных участков рельса, как покрытых смазочным материалом или имеющих какие-то загрязнения, так и без смазочного материала, что, несомненно, за счет, например, налипания загрязнений или адсорбции молекул смазочного материала на поверхности трения индентора будет отражаться на точности измерений сил трения и коэффициента трения на разных участках рельса. Кроме того, сам износ поверхности трения индентора, и, самое главное, отсутствие «компенсации» его или хотя бы учета непосредственно в процессе испытаний на различных участках рельса, будет сказываться на достоверности испытаний, так как при этом в ходе измерений постоянно будет изменяться первоначальная площадь контакта, а, следовательно, и условия нагружения в зоне контакта индентора с поверхностью рельса.
Задачей заявляемой полезной модели является повышение точности и достоверности результатов испытаний за счет использования с одной стороны прецизионной системы измерения силы трения, в которой упругий элемент деформируется таким образом, что точка его контакта с действующей на него силой будет всегда находиться на одном и том же радиусе, причем равном радиусу взаимодействия поверхности касания измерительного ролика с рельсом и, следовательно, непосредственно равна силе трения, а, с другой, - обеспечения в любой момент измерений на любом участке рельса возможности контакта первоначальной, т.е. неизношенной, поверхности трения ролика посредством его проворота относительно оси вращения на некоторый угол, определяемый количеством зубцов на храповом колесе системы измерения силы трения, а также контроля и учета изнашивания поверхностей трения ролика непосредственно в процессе испытаний.
Решение поставленной задачи достигается тем, что, согласно заявляемой полезной модели, устройство для измерения сил трения между колесом и рельсом, содержит рельсовую тележку, на которой смонтированы система измерения силы трения с упругим тензометрическим элементом и блоком преобразования электрических сигналов, регулируемый нагружатель с тарированной пружиной для прижатия к рельсу индентора, имитирующий давление колеса транспортного средства на рельс, и механизм подвода индентора к рельсу, выполненный в виде отжимного рычага с тросом, который через шток связан с регулируемым нагружателем, причем индентор выполнен в форме ролика, жестко закрепленного посередине П-образной рамки на валу, установленном в подшипниках качения в ветвях П-образной рамки, имеющей возможность линейного перемещения в полой гильзе регулируемого нагружателя и непосредственно взаимодействующей с его тарированной пружиной, а через шток и трос - с отжимным рычагом механизма подвода ролика к рельсу, система измерения силы трения дополнительно содержит два храповых механизма с одинаковым числом зубцов, наклоненных в противоположных направлениях, храповое колесо одного из которых расположено на валу на отдельном подшипнике качения в непосредственной близости с одной стороны ролика и входит в контакт своими зубцами с первой собачкой, расположенной и подпружиненной на боковой поверхности ролика, а храповое колесо другого храпового механизма - жестко закреплено на конце вала за пределами П-образной рамки с другой стороны ролика и через подпружиненную вторую собачку, расположенную на первой внешней боковой поверхности П-образной рамки, и дополнительный трос связана со вторым отжимным рычагом механизма подвода ролика к рельсу, причем первый храповой механизм через жестко расположенный на его храповом колесе рычаг и установленную на нем вращающуюся опору взаимодействует с упругим элементом, измеряющим силу трения, причем расстояние от точки касания с упругим элементом вращающейся опоры до оси вращения рычага равно расстоянию от оси вращения ролика до точки касания его с поверхностью рельса, а на второй внешней боковой поверхности П-образной рамки имеется упор, взаимодействующий с чувствительным элементом датчика и предназначенный для измерения износа ролика или индентора. Кроме этого, в устройстве для измерения силы трения используют индуктивный датчик линейных перемещений, чувствительный элемент которого расположен непосредственно напротив точки касания вращающейся опоры рычага храпового колеса с упругим элементом по другую сторону упругого элемента, а образующая поверхности касания ролика с рельсом выполнена в форме полуокружности с радиусом закругления равным радиусу шариков, используемых для проведения испытания смазочных материалов на стандартизированных установках трения, например, четырехшариковой машине трения.
На фиг.1 показано предлагаемое устройство для измерения сил трения между колесом и рельсом, общий вид;
на фиг.2 - то же, вид сверху;
на фиг.3 - то же, вид сбоку;
на фиг.4 - сечение А-А на фиг.1;
на фиг.5 - предлагаемое устройство на боковой поверхности рельса.
Устройство для измерения сил трения между колесом и рельсом содержит рельсовую тележку, на которой смонтированы блок преобразования электрических сигналов (на фигурах не показано), система измерения силы трения 1 (фиг.1) с упругим элементом 2 и либо тензодатчиками 3 и 4 (фиг.2 и 4), либо индуктивным датчиком линейных перемещений 5 (фиг.2-4) с чувствительным элементом 6, а также регулируемый нагружатель 7 с кронштейном 8 и тарированной пружиной 9 для прижатия к рельсу 10 индентора 11, имитирующий давление колеса транспортного средства на рельс, и механизм подвода индентора 11 к рельсу 10, выполненный в виде отжимного рычага (на фигурах не показано) с тросом 12, который через шток 13 связан с П-образной рамкой 14 и индентором 11. При этом индентор 11 выполнен в форме ролика, жестко закрепленного посередине П-образной рамки 14 на валу 15, установленном в подшипниках качения 16 и 17 в ветвях П-образной рамки 14, имеющей возможность линейного перемещения в полой гильзе 18 регулируемого нагружателя 7 и непосредственно взаимодействующей с его тарированной пружиной 9, а через шток 13 и трос 12 с отжимным рычагом механизма подвода ролика к рельсу 10. Система измерения силы трения 1 (фиг.1-4) содержит два храповых механизма 19 и 20 с одинаковьм числом зубцов 21 и 22, наклоненных в противоположных направлениях, храповое колесо 23 одного из которых расположено на валу 15 на отдельном подшипнике качения 24 в непосредственной близости с одной стороны ролика 11 и входит в контакт своими зубцами 21 с первой собачкой 25 (фиг.2 и 4), расположенной и подпружиненной на боковой поверхности ролика 11, а храповое колесо 26 другого храпового механизма 20 - жестко закреплено на конце вала 15 за пределами П-образной рамки 14 с другой стороны ролика 11 и через подпружиненную вторую собачку 27 (фиг.1-3), расположенную на первой внешней боковой поверхности П-образной рамки 14, и дополнительный трос 28 связано со вторым отжимным рычагом (на фигурах не показано) механизма подвода ролика 11 к рельсу 10, причем первый храповой механизм 19 через жестко расположенный на его храповом колесе 23 рычаг 29 и установленную на нем вращающуюся опору 30 (фиг.1-4) взаимодействует с упругим элементом 2, измеряющим силу трения, причем расстояние от точки касания с упругим элементом 2 вращающейся опоры 30 до оси вращения рычага 29 равно расстоянию от оси вращения ролика 11 до точки касания его с поверхностью рельса 10, а на второй внешней боковой поверхности П-образной рамки 14 имеется упор 31 (фиг.1-2), взаимодействующий с чувствительным элементом 32 датчика 33 для измерения износа ролика 11 или индентора. Кроме этого, устройство для измерения силы трения содержит индуктивный датчик линейных перемещений 5, чувствительный элемент 6 которого расположен непосредственно напротив точки касания вращающейся опоры 30 рычага 29 храпового колеса 23 с упругим элементом 2 по другую сторону этого упругого элемента. При этом образующая поверхности касания ролика 11 с рельсом 10 выполнена в форме полуокружности с радиусом закругления R1 (фиг.1) равным радиусу шариков, используемых для проведения испытания смазочных материалов на стандартизированных установках трения. Например, четырехшариковой машине трения.
Устройство для измерения сил трения между колесом и рельсом работает следующим образом.
тp
В местах измерения устройство для измерения сил трения между колесом и рельсом с помощью кронштейна 8 и регулируемого нагружателя 7 устанавливается операторами на рельсовой тележке так, что приводится в контакт ролик 11 с рельсом 10 (фиг.1 и 3). На рельсах устройство передвигается оператором примерно со скоростью V=1 м/с. В месте измерения оператор отпускает отжимной рычаг механизма подвода ролика 11 и через трос 12 и шток 13, связанный с П-образной рамкой 14, под действием силы установленной в регулируемом нагружателе 7 тарированной пружины 9 поджимает ролик 11 к рельсу 10. Ролик 11 за счет сил трения F с рельсом 10, направленных в противоположную сторону направлению движения V (фиг.3) поворачивается по часовой стрелке, увлекая за собой расположенную и подпружиненную на боковой поверхности ролика 11 собачку 25 (фиг.4), которая входит в контакт с зубцами 21 и увлекает за собой, поворачивая по часовой стрелке храповое колесо 23 с жестко расположенном на нем рычагом 29. В результате, установленная на рычаге 29 вращающаяся опора 30 взаимодействует с упругим элементом 2, вызывая его механическую деформацию, которая посредством либо тензодатчиков 3 и 4 (фиг.2 и 4), либо индуктивного датчика линейных перемещений 5 с чувствительным элементом 6 (фиг.2-4) преобразуется в сигналы электрического тока и, далее, в считываемую информацию о силе трения между роликом 11 и рельсом 10. При этом в начальный момент движение ролика 11 относительно поверхности рельса 10 будет носить характер перекатывания, вследствие чего возникающее трение будет трением качения. Качение сопровождается деформированием упругого элемента 2, вследствие чего наряду с качением будет возникать частичное проскальзывание ролика 11. Поэтому трение на этой стадии будет смешанным, состоящим из трения качения и трения скольжения. Коэффициент трения, постепенно возрастая, получает промежуточные значения между коэффициентами трения качения и трения скольжения. По мере развития процесса, роль трения качения постепенно уменьшается, а трение скольжения возрастает, в пределе в системе установится чистое трение скольжения.
Таким образом, отличительной особенностью предлагаемого устройства является наличие нестационарной области, в которой происходит непрерывный переход от трения качения через смешанное трение к трению скольжения. Установившемуся (стационарному) состоянию системы соответствует чистое трение скольжения, к которому система приходит путем постепенного, асимптотического приближения. Асимптотическое приближение системы к устойчивому состоянию, соответствующему трению скольжения, предотвращает возможность возникновения в ней автоколебаний. В такой системе могут возникнуть лишь апериодические колебания, переводящие ее в устойчивое равновесное состояние. При этом следует отметить, что в предлагаемом устройстве упругий элемент 2 деформируется таким образом, что точка его контакта с вращающейся опорой 30 рычага 29 будет всегда находиться на одном и том же радиусе (первоначальном). По этой же причине сила деформированного упругого элемента 2 для установившегося состояния будет точно соответствовать силе трения скольжения, возникшей между трущимися поверхностями ролика 11 и рельса 10.
Поскольку измеряемая в точке контакта ролика 11 и рельса 10 сила трения пропорциональна коэффициенту трения колеса рельсового транспортного средства и зависит от силы, прижимающей ролик 11 к рельсу 10 (нормальная сила), то в свою очередь, изменение нормальной силы в данном устройстве может осуществляться в широких пределах затягиванием или ослаблением затяжки крышки регулируемого нагружателя 7 или установкой в нем другой тарированной пружины 9 (фиг.1 и 3). Причем, применение в устройстве для измерения сил трения между колесом и рельсом ролика с образующей поверхности касания с рельсом, выполненной в форме полуокружности (например, с радиусом закругления R1 - фиг.1) позволяет определять силы трения на рельсе в конкретном месте контакта колеса с рельсом как на боковой грани рельса (фиг.5), так и на поверхности катания (фиг.1) и в условиях, имитирующих давление колеса любого транспортного средства на рельс, а также сравнивать полученные результаты эксплуатационных испытаний на различных участках рельсов, покрытых разными смазочными материалами, с результатами испытаний тех же или других смазочных материалов, полученными в лабораторных условиях, в частности, при трении шариков с аналогичным радиусом закругления и используемых для проведения испытания смазочных материалов на стандартизированных установках трения, например, четырехшариковой машине трения и т.д.
Кроме этого, оператором в предлагаемом устройстве в любой момент измерений на любом участке рельса с помощью, с одной стороны, вывода из контакта ролика 11 с рельсом 10 путем нажатия отжимного рычага через трос 12, шток 13 и сжатия пружины 9 регулируемого нагружателя 7 а, с другой, - проворота ролика 11, но уже не по часовой стрелке как было при движении ролика по рельсу, а против часовой стрелки, например, с точки «б» в точку «а», как показано на фиг.3 и 4, относительно его оси вращения на некоторый угол Y, определяемый количеством зубцов на храповом колесе системы измерения силы трения, путем нажатия второго отжимного рычага через дополнительный трос 28, связанный с подпружиненной второй собачкой 27 (фиг.3), расположенной на внешней боковой поверхности П-образной рамки 14 и взаимодействующей с зубцами 22 храпового колеса 26 легко обеспечивается возможность контакта «первоначальной», т.е. неизношенной, поверхности трения ролика 11 с поверхностью рельса 10. Данный процесс измерений может повторяться столько раз, сколько зубцов на храповом колесе используемого храпового механизма. Причем, такая перенастройка системы измерения силы трения может осуществляться без остановки рельсовой тележки, т.е. непосредственно в процессе ее движения, и позволяет на любом участке рельса наиболее достоверно учитывать влияние на измерение силы трения смазочных материалов, особенно при переходе от участка со смазочным материалом к участку без смазочного материала, а также влияния на показания измерений каких-либо загрязнений, влаги или других факторов. Кроме того, измерение износа ролика 11 с помощью датчика износа 33 дает дополнительную более достоверную информацию о процессе трения, так как позволяет оценивать площадь контакта ролика 11 с рельсом 10 в любой момент времени.
Таким образом, с помощью предложенных в данном устройстве для измерения, сил трения между колесом и рельсом оригинальных конструктивных особенностей, позволяющих получить прецизионную систему измерения силы трения и обеспечения в ней возможности в любой момент измерения на любом участке рельса контакта первоначальной, т.е. неизношенной, поверхности трения ролика посредством его проворота относительно оси вращения на некоторый угол, определяемый количеством зубцов на храповом колесе системы измерения силы трения, а также контроля и учета износа поверхностей трения ролика непосредственно в процессе испытаний добиваются высокой точности измерений и получения достоверной и надежной информации о триботехнических свойствах на различных участках поверхностей рельсов, независимо например, от их загрязнения или других каких-то факторов, способных повлиять на результаты измерения.
Источники информации
1. SU, авторское свидетельство 492412, кл. В61К 13/00, опубл. 25.11.1975 г.
2. RU, 2220410, кл. G01M 17/08, В61К 13/00, опубл. 27.12.2003.