СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОЛЕСА С РЕЛЬСОМ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ
TEST BENCH TO ANALYSE RAILWAY WHEEL INTERACTION WITH RAIL

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для исследования физических процессов в системе "колесо-рельс" железнодорожных транспортных средств.
6
Известен стенд для исследования взаимодействия колеса с рельсом железнодорожных транспортных средств [Пат. 2115908 РФ, МПК G01M 17/00. Стенд для исследования взаимодействия колеса с рельсом железнодорожного транспорта / Г.И.Михайлов, В.И.Грек и др. - Опубл. 20.07.98, Бюл. №20], содержащий основание с опорами и стойками, колесо транспортного средства, связанное с валом электродвигателя и контактирующее с имитатором рельсового пути, который представляет собой отрезок рельса, опирающийся на роликовые опоры, и зафиксирован в продольном направлении пружинами, механизм вертикального радиального нагружения колеса, установленный на стойках с возможностью силового воздействия на отрезок рельса, и механизм горизонтального бокового нагружения колеса, установленный на одной из опор и выполненный в виде расположенной в гнезде опоры пружины и регулировочного винта.
К недостаткам известного стенда относится то, что колесо транспортного средства установлено на одном валу с электродвигателем. Это не позволяет учитывать влияние внешней силы в зубчатом зацеплении тягового редуктора при исследованиях тяговых качеств железнодорожного электроподвижного состава. Отрезок рельса на стенде расположен под колесом, что усложняет замену одного испытываемого отрезка рельса на другой. На стенде не предусмотрено формирование одноточечного контакта колеса и рельса, имеющего различное расположение и форму в зависимости от поперечного смещения колесной пары и угла набегания в процессе движения транспортного средства. Кроме того, недостатком известного стенда является невозможность исследования сцепных и, следовательно, тяговых свойств железнодорожных транспортных средств при воздействии на зону контакта колеса и рельса внешними факторами, в частности, магнитным потоком и электрическим током.
Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей стенда при проведении исследований тяговых качеств железнодорожных транспортных средств, а также упрощение операции замены испытываемых отрезков рельсов и, следовательно, сокращение затрат времени на подготовку экспериментов.
Для достижения указанного технического результата стенд для исследования взаимодействия колеса с рельсом железнодорожных транспортных средств, содержащий основание с опорами и стойками, колесо транспортного средства, связанное с валом электродвигателя и контактирующее с имитатором рельсового пути, который представляет собой отрезок рельса, опирающийся на роликовые опоры, и зафиксирован в продольном направлении пружинами, механизм вертикального радиального нагружения колеса, установленный на стойках с возможностью силового воздействия на отрезок рельса, и механизм горизонтального бокового нагружения колеса, установленный на одной из опор и выполненный в виде расположенной в гнезде опоры пружины и регулировочного винта, снабжен тяговым редуктором, имеющим конструкцию тягового редуктора транспортного средства и связывающим колесо с валом электродвигателя, а отрезок рельса расположен над колесом и закреплен съемными зажимами на роликовой опоре, которая установлена на стойках и связана через пружину с механизмом вертикального радиального нагружения колеса. На стенде механизм горизонтального бокового нагружения колеса упирается через шарикоподшипник в торец оси колеса со стороны гребня, а колесо имеет возможность свободного перемещения по отношению к отрезку рельса в направлении своей оси.
Кроме того, стенд оборудован магнитопроводом, образующим вместе с колесом транспортного средства и отрезком рельса общий магнитный контур, причем на магнитопроводе расположена электромагнитная катушка, электрически связанная с источником питания, вырабатывающим регулируемое напряжение заданной формы, а также снабжен источником тока, который вырабатывает регулируемый ток заданной формы и одним электрическим проводом через скользящие контакты подключен к колесу транспортного средства, а вторым проводом соединен с отрезком рельса, при этом колесо, отрезок рельса и скользящие контакты обеспечены электрической изоляцией от других элементов конструкции стенда.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 приведен общий вид стенда, на фиг.2 - вид А по фиг.1 (вид сверху), на фиг.3 - вид Б по фиг.1 (установка отрезка рельса на роликовой опоре и устройство для подачи магнитного потока в зону контакта колеса с отрезком рельса), на фиг.4 - схема подачи тока в контакт колеса и отрезка рельса.
Стенд (фиг.1, 2) содержит основание 1, на котором установлены опоры 2, 3, 4, 5, 6 и стойки 7, 8. В гнездах опор 2, 3, 4, 5 основания 1 установлены буксы 9 и 10, посаженные на ось 11 колеса 12 транспортного средства. Через тяговый редуктор 13, промежуточный вал 14, установленный в подшипниковом узле 15, и муфту 16 колесо 12 связано с валом электродвигателя 17. На стойках 7, 8 посредством балок 18 и 19 смонтирован механизм вертикального радиального нагружения колеса, содержащий винт 20, гайку 21, пружину 22, опорные планки 23, 24, 25, зафиксированные направляющими штангами 26, 27, и тяги 28, 29. При этом винт 20 опирается на подшипники 30, 31. К опорной планке 25 крепится роликовая опора, работающая по принципу плоского подшипника и состоящая (фиг.1, 3) из неподвижной 32 и подвижной 33 направляющих, между которыми установлены ролики 34 и наборы фиксирующих шариков 35. Имитатор рельсового пути в виде отрезка рельса 36 жестко закреплен на подвижной направляющей 33 винтовыми зажимами 37, 38 и контактирует с колесом 12. В продольном направлении отрезок рельса 36 зафиксирован пластинчатой пружиной 39, установленной на балке 19 со стороны, противоположной направлению движения отрезка рельса и соединенной с ним тягой 40.
Механизм горизонтального бокового нагружения колеса смонтирован на опоре 6 (фиг.2) и содержит винт 41, пружину 42, опорные чашки 43, 44 и шарикоподшипник 45, упирающийся в торец оси 11 колеса 12.
в
б
к
т
Измерение силы F вертикального радиального нагружения колеса 12 обеспечивается месдозой (датчиком) 46 (фиг.1), силы F горизонтального бокового нагружения колеса - месдозой 47 (фиг.2). Кроме того, датчики установлены (не показано) на пластинчатой пружине 39 для измерения касательной силы тяги F, а также на опорах 3, 5 для измерения силы тяги F по центру оси 11.
С целью исследования влияния на тяговые качества железнодорожных транспортных средств магнитного потока стенд оборудован магнитопроводом 48 (фиг.3), который, например, можно установить на отрезке рельса 36 и обеспечить минимальный зазор δ по отношению к колесу винтовым регулятором 49. На магнитопроводе 48 расположена электромагнитная катушка 50, которая проводами 51 соединена с источником питания 52.
Для исследования влияния на тяговые качества железнодорожных транспортных средств электрического тока I стенд снабжен источником тока 53 (фиг.4), который проводом 54 через скользящие контакты (щетки) 55 подключен к колесу 12 транспортного средства, а проводом 56 соединен с отрезком рельса 36. При этом колесо 12, отрезок рельса 36 и скользящие контакты 55 обеспечены (фиг.1, 2, 3, 4) электрической изоляцией (поз.57, 58, 59, 60, 61) от других элементов конструкции стенда.
Стенд работает следующим образом.
в
Механизм вертикального радиального нагружения создает вертикальную нагрузку F в зоне контакта колеса 12 (фиг.1) с отрезком рельса 36 путем вращения винта 20, обеспечивающего перемещение гайки 21 вниз, которое сжимает пружину 22, воздействуя через месдозу 46 на опорную планку 25 и роликовую опору (на фиг.3 - поз.32-35) с закрепленным на ней винтовыми зажимами 37, 38 отрезком рельса. Опорные планки 23, 24, 25, свободно перемещающиеся по направляющим штангам 26, 27, обеспечивают фиксацию элементов механизма в горизонтальных плоскостях.
б
Вращением винта 41 (фиг.2) осуществляется боковое нагружение колеса F через месдозу 47, сжатую пружину 42 и шарикоподшипник 45, упирающийся в торец оси 11 колеса 12.
к
к
т
Вращающий момент электродвигателя 17 посредством муфты 16, промежуточного вала 14, тягового редуктора 13 и ось 11 передается на колесо 12, которое образует (фиг.1) с отрезком рельса 36 пару трения, формирующую касательную силу тяги F. Отрезок рельса перемещается и через тягу 40 изгибает пластинчатую пружину 39. Когда сила реакции пружины становится равной F, происходит срыв сцепления и начинается процесс боксования. Оборудование колеса тяговым редуктором, имеющим конструкцию тягового редуктора транспортного средства, вызвано необходимостью учета внешней силы в зубчатом зацеплении тягового редуктора при определении силы тяги F, возникающей на оси 11 колеса [Гордиенко П.И. Новое представление об образовании силы тяги и коэффициенте сцепления электроподвижного состава / Железные дороги мира. - 1999, №4. - С.37-40].
в
б
т
к
В процессе исследований по сигналам месдозы (датчика) 46 регистрируется сила F вертикального радиального нагружения колеса 12, месдозы 47 - сила F горизонтального бокового нагружения колеса, датчиков, установленных на опорах 3, 5 (не показано), - сила тяги F по центру оси 11, датчика, установленного на пластинчатой пружине 39 (не показано), - касательная сила тяги F. Кроме того, измеряются скорость вращения колеса ω и величина вращающего момента электродвигателя. По указанным параметрам определяются контактные давления, коэффициенты трения (сцепления), тяги и другие величины.
Известно [Сакало В.И., Коссов B.C. Контактные задачи железнодорожного транспорта. - М.: Машиностроение, 2004. - 496 с., с.383-386, 410, 449], что контакт колеса и рельса может быть как двухточечным, так и одноточечным, и имеет различное расположение и форму в зависимости от поперечного смещения колесной пары и угла набегания в процессе движения. Это приводит к различному разделению пятен контакта на зоны скольжения и сцепления и, следовательно, к разным условиям реализации тяговых качеств. По этой причине на стенде предусмотрено (фиг.3) свободное перемещение Δ колеса 12 по отношению к отрезку рельса 36, охватывающее все возможные случаи формирования контакта. Необходимую величину перемещения Δ устанавливают вращением винта 41 механизма горизонтального бокового нагружения колеса после замены пружины 42 жестким толкателем (на фиг.2 не показано). Требуемый угол набегания колеса на отрезок рельса можно получить соответствующим поворотом роликовой опоры (поз.32-35) по отношению к опорной планке 25.
В процессе эксплуатации поверхности катания рельсов и колес изнашиваются и меняют свою форму [Сакало В.И., Коссов B.C. Контактные задачи железнодорожного транспорта. - М.: Машиностроение, 2004. - 496 с., с.358-370], что также влияет на пятно контакта колеса и рельса. Для упрощения операции замены испытываемых образцов рельсов с различной степенью износа отрезок рельса 36 (фиг.1, 3) расположен над колесом 12 и закреплен съемными зажимами 37, 38 на роликовой опоре. При этом вращением винта 20 посредством тяг 28, 29 производится подъем отрезка рельса 36, и снимаются зажимы 37, 38. После этого в обратном порядке устанавливается другой отрезок рельса. На стенде также предусмотрена возможность замены колеса 12 совместно с осью 11 путем демонтажа букс 9, 10 (фиг.2), установленных в гнездах опор 2, 3, 4, 5 основания 1.
в
б
Для исследования влияния на тяговые качества железнодорожных транспортных средств магнитного потока после рассмотренного выше нагружения колеса 12 силами F и F на электромагнитную катушку 50 (фиг.3), установленную на магнитопроводе 48, по проводам 51 подается напряжение требуемой величины и заданной формы от источника питания 52. Таким образом создается магнитный поток Ф, который проходит по магнитному контуру, содержащему колесо 12 и отрезок рельса 36. Далее запускается электродвигатель 17 и производится регистрация параметров. Аналогично проводятся исследования влияния на тяговые качества электрического тока. При этом от источника тока 53 (фиг.4) по проводам 54, 56 в зону контакта колеса 12 и отрезка рельса 36 подается ток I требуемой величины и заданной формы. Стенд позволяет исследовать два указанных процесса одновременно.
Технико-экономическая эффективность изобретения заключается в том, что стенд позволяет проводить исследования тяговых качеств железнодорожных транспортных средств с учетом внешней силы в зубчатом зацеплении тягового редуктора, степени износа поверхностей катания колеса и рельса, а также с учетом подачи в зону контакта колеса и рельса магнитного потока и электрического тока разной величины и формы при всех возможных случаях формирования пятна указанного контакта. Это значительно расширяет функциональные возможности стенда при проведении исследований. Кроме того, на стенде упрощена операция замены испытываемых отрезков рельсов, что приводит к сокращению затрат времени на подготовку экспериментов.
По предлагаемой конструкции разработан и изготовлен стенд с установкой колеса маневрового тепловоза ТЭМ2У, проведены отдельные исследования и получены соответствующие результаты.