Способ и устройство измерения продольных сил, прикладываемых к автосцепкам грузовых поездов
METHOD AND DEVICE FOR MEASURING LONGITUDINAL FORCES APPLIED TO COUPLERS OF FREIGHT TRAINS

Способ и устройство измерения продольных сил, прикладываемых к автосцепкам грузовых поездов, позволяют измерять продольные силы на автосцепках вагонов и локомотивов. Известен ряд устройств аналогичного функционального назначения. К конструкциям, обеспечивающим измерение продольных сил в поездах, относятся механические, гидравлические и тензоизмерительные (электрические) динамометры.
Механические динамометры, такие как описанные в Патентах СССР №4723 от 29.02.1928 [1], №8701 от 30.03.1929 [2], связывают перемещение элементов сцепки с перемещениями писца, оставляющего след на бумажной ленте в лентопротяжном механизме, приводимым от свободной (не тормозной) колесной пары динамометрического вагона. Несмотря на возможность определения максимальных растягивающих усилий и техническое совершенство механизма, такие динамометры имели малую разрешающую способность для изучения динамических процессов, так как малая скорость протяжки бумажной ленты при движении поезда с малыми и средними скоростям приводили к перекрытию смежных штрихов писца, что не позволяло расшифровать показания с высокой точностью. Кроме того, большинство конструкций механических динамометров не предусматривало измерение сжимающих сил, прикладываемых к торцевым буферам вагонов.
Гидравлические динамометры, такие как описанные в Патентах СССР №19831 от 31.03.1931 [3], №51589 от 31.08.1937 [4] или в «Теории локомотивной тяги» [5], используют принцип измерения гидростатического давления в замкнутом объеме при изменении сил, приложенных к автосцепному устройству. Для этого в конструкцию вагона включается гидравлические диафрагменные динамометры, измеряющие давление жидкости, заключенной в закрытом объеме под диафрагмой, при изменении нагрузки, прикладываемой к диафрагме от автосцепных приборов вагона. Давление жидкости под диафрагмой измеряют визуальным и регистрирующим манометрами, установленными внутри динамометрического вагона и проградуированными в единицах силы, приложенной к сцепному устройству.
В конструкциях гидравлических динамометров кассеты устанавливаются в разные места конструкции сцепки и позволяют измерять или только растягивающие, или только сжимающие силы. Использование гидравлических динамометров ограничено необходимостью изготовления вагона специальной конструкции. Кроме того, необходимо решение проблемы компенсации погрешностей измерений, связанных с изменением внутреннего давления в гидравлическом динамометре при измерении температуры наружного воздуха и температуры гидравлического масла внутри динамометра.
Тензоизмерительные динамометры, такие как описанные в Патенте СССР №1111915 [6] от 07.09.1984 или в [5], или в Патенте США №4042810 [7] от 16.08.1977, обладают возможностью преобразования деформаций контролируемой детали в пропорциональную величину изменения электрического сигнала. Такие динамометры получили распространение после перевода подвижного состава на автоматические и полуавтоматические сцепки. Известна (Патент СССР №1111915) динамометрическая автосцепка, широко используемая в вагонах-лабораториях для проведения тяговых испытаний и позволяющая непосредственно измерять и контролировать продольные динамические усилия, в том числе реализуемые в различных сечениях грузового поезда при его движении в режимах тяги и торможения. Однако, оснащение такими сложными, дорогостоящими и недостаточно надежными устройствами парка эксплуатируемых грузовых вагонов потребует чрезвычайно больших временных и капитальных затрат. Известна технология контроля продольной динамики, которая предполагает использование тензометрических автосцепок, устанавливаемых на специализированных вагонах-лабораториях и на нескольких вагонах в различных сечениях грузового поезда [8].
Тензометрическая автосцепка имеет точно такую же конструкцию, как и стандартная автосцепка типа СА-3. Изготовление тензометрических автосцепок заключается в наклейке тензодатчиков на подготовленный участок хвостовой части автосцепки или на тензометрический клин, после чего такая автосцепка тарируется с помощью гидравлического пресса с целью определения соотношения между прикладываемой продольной силой и вызываемым ею напряжениями в контролируемой детали по показаниям тензодатчиков.
Недостатком указанного способа является то, что процедура установки предварительно подготовленных тензометрических автосцепок требует значительных затрат времени на маневровую работу и технологические операции по демонтажу обычных автосцепок и установке на вагоны тензоизмерительных сцепок и измерительного оборудования. Проведение таких измерений возможно лишь в сертификационных центрах при бойковых испытаниях вагонов или периодически в эксплуатационных испытаниях, проводимых с участием специалистов ВНИИЖТ, исследователей заводов-изготовителей и специализированных лабораторий.
Использование тензометрических автосцепок в постоянной эксплуатации невозможно как ввиду недолговечности работы приклеиваемых к поверхности хвостовика автосцепки тензосопротивлений, так и из-за необходимости периодической тарировки тензометрических автосцепок. Кроме того, демонтаж автосцепки при ремонте и выполнение технологических ремонтных операций - наплавка, заварка трещин, требует предварительного нагрева корпуса автосцепки до температур, при которых ранее установленные тезнодатчики выходят из строя.
Использование тензометрических клинов позволяет изучать динамические процессы только в области действия сил растяжения, так как конструктивная особенность автосцепки СА-3 не предусматривает участия клина в силовых взаимодействиях при сжатии автосцепки. Такое ограничение не позволяет получить полноценной информации о продольных силах в поездах при использовании пневматического и электродинамического (реостатного, рекуперативного) торможения, при работе подталкивающих локомотивов, в сдвоенных поездах и при распределенной тяге.
С целью устранения недостатков описанных выше устройств измерения сил на автосцепках вагонов и локомотивов предлагается новый способ и устройство измерения продольных сил в грузовых поездах, обеспечивающие измерение продольной деформации хвостовика автосцепки, отличающиеся тем, что для установки устройства не требуется снятие автосцепки с подвижного состава. Способ заключается в том, что при помощи датчика линейных перемещений измеряется суммарная деформация хвостовика корпуса автосцепки, возникающая под действием приложенных сил, при этом измерительная база составляет более 400 мм, что в 40 раз больше, чем измерительная база стандартного тензосопротивления (10 мм). Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает существенное повышение точности измерений и/или снижает требования к точности (разрядности) используемого аналого-цифрового преобразователя. Измерительное устройство устанавливается внутрь полого хвостовика автосцепки 1 (Фиг. 1) и обеспечивает формирование на выходе 6 электрического сигнала, пропорционального деформациям хвостовика при приложении к корпусу автосцепки продольных тяговых или тормозных сил. Устройство состоит из распорного блока 2, датчика линейных перемещений 3, консольно закрепленного Г-образного кронштейна 4.
Перед установкой деталей измерительного устройства из корпуса автосцепки вынимаются все подвижные детали: замок, замкодержатель, подъемник замка, валик и предохранитель. Такая операция проста, не требует перемещения массивных деталей, может быть выполнена любым квалифицированным вагонником и не требует грузоподъемного оборудования, домкратов, специализированного инструмента или оснастки.
Распорный блок 2, выполняющий функцию заднего упора, устанавливается в дальнем конце внутренней полости хвостовика автосцепки 1 через проем для замка и замкодержателя в корпусе головки автосцепки и прочно закрепляется для предотвращения продольных смещений. Датчик линейных перемещений 3 крепится к консольно закрепленному Г-образному кронштейну 4 и устанавливается таким образом, чтобы его исходное положение соответствовало свободному положению автосцепки, без приложения сжимающих или растягивающих сил. Консольно закрепленный Г-образный кронштейн 4 крепится к вертикальной площадке на стенке внутренней полости головки автосцепки 1. В нижней части Г-образного кронштейна 4 предусмотрен опорный скользун 5, обеспечивающий восприятие вертикальной нагрузки консольно закрепленного Г-образного кронштейна 4.
Предлагаемое по заявляемому способу устройство обеспечивает измерение продольных сил, прикладываемых к сцепкам вагонов, путем формирования пропорционального изменения электрического сигнала на выходе 6 датчика линейных перемещений 3, установленного внутри полого хвостовика автосцепки 1.
В отличие от известных измерительных устройств, монтаж и демонтаж предлагаемого измерительного устройства не требует снятия автосцепки с вагона или локомотива, механической обработки площадки на хвостовике и приклейки тензометрических сопротивлений и может быть выполнен на путях станции без дополнительной маневровой работы. Устанавливаемые во внутреннюю полость хвостовика автосцепки детали измерительного устройства не препятствуют нормальной работе механизма сцепного устройства и не изменяют механических свойств корпуса автосцепки. Измерительное устройство обеспечивает стабильные показания в течение длительного времени работы и устойчиво к изменению факторов внешней среды. Устройство может быть легко смонтировано в корпусе автосцепки вагона или локомотива без ее снятия с подвижного состава и состоит из простых в изготовлении деталей и доступных компонентов, что обеспечивает промышленную применимость заявляемых способа и устройства. При необходимости ремонта корпуса автосцепки устройство может быть легко демонтировано для проведения ремонтных операций, а затем смонтировано вновь, в отличие от однократно наклеиваемых тензосопротивлений.
Технико-экономический эффект применения способа и устройства заключается в снижении временных и финансовых затрат на проведение тяговых и тормозных испытаний в грузовых поездах, а также в повышении точности измерений при одновременном снижении стоимости измерительного оборудования.
В отечественных и зарубежных источниках информация о применении предлагаемого способа измерения и аналогичных устройств для измерения сил, прикладываемых к автосцепкам железнодорожного подвижного состава отсутствует. Таким образом, заявляемые способ и устройство соответствуют критерию изобретения «новизна».
1. Патент СССР №4723. Динамометр [Текст] / Б.П. Дикова. Опубл. 29.02.1928.
2. Патент СССР №8701. Устройство для измерения мощности на упряжном крюке локомотива. [Текст] / В.Д. Орлов. Опубл. 30.03.1928.
3. Патент СССР №19831. Тяговый динамометр. [Текст] / Е.М. Харитонченко. Опубл. 31.03.1931.
4. Патент СССР №51589. Устройство для измерения тяговых усилий локомотива. [Текст] /В.Н. Буркович, И.М. Волков. Опубл. 31.08.1937.
5. Кузьмич В.Д., Руднев B.C., Френкель С.Я., Теория локомотивной тяги, Изд-во «Маршрут», М. - 2005.
6. Патент СССР № SU 1111915 А, Сцепное устройство динамометрического вагона. [Текст] / В.И. Бахолдин, Р.Д. Сухих, Г.С. Афонин, Н.Л. Билинчук, Л.А. Собенин, Ф.Ф Сабуров. Опубл. 07.09.1984. Бюлл. №33.
7. Патент США №4042810 Method and apparatus for facilitating control of a railway train. [Текст] John E. Duncan. Опубл. 16.08.1977.
8. Вершинский СВ., Данилов В.Н., Хусидов В.Д. Динамика вагона: Учебник для вузов ж.д. трансп. / Под ред. С.В. Вершинского. - 3-е изд., перераб. и доп. - М., Транспорт, 1991, 360 с.