Устройство сбора информации и способ оценки результатов взаимодействия между колесом и рельсом
DEVICE OF INFORMATION COLLECTION AND METHOD OF EVALUATION OF THE INTERACTION BETWEEN THE WHEEL AND THE RAIL

Устройство сбора информации и способ оценки результатов взаимодействия между колесом и рельсом
Изобретение относится к приборостроению, а именно к устройствам для измерения и регистрации сил взаимодействия между колесом рельсового транспортного средства и рельсом.
Известно устройство регистрации вертикальных и боковых сил взаимодействия колеса и рельса (патент РФ №2441206 С1, МПК G01L 5/16, G01L 1/22, опубл. 27.01.2012 г.), включающее в себя цельнокатаную вагонную колесную пару, тензорезисторы, включенные диаметрально в полумостовые тензометрические схемы и размещенные по разные стороны от оси на концентричных диаметрах внутренней стороны диска колес с шагом 90° по дуге окружности, тензометрические усилители, программируемый логический контроллер, датчики регистрации поперечного и углового положения колесной пары относительно рельсов, блок синхронизации, блок передачи сигналов по радиоканалу, связанный с блоком приемки сигналов и бортовым компьютером.
В известном устройстве из-за расположения активных тензорезисторов с угловым интервалом π/2 на диске колеса и съеме информации в положении перпендикулярном рельсу, при диаметре колеса (950-1050) мм, путь, пройденный без регистрации силового воздействия составит 0,7-0,8 м за один оборот колеса.
Недостатками данного устройства являются: большой период расстановки активных тензорезисторов, который не позволяет данному устройству обеспечить достаточную выборку измерений вертикальных и поперечных сил при качении колесной пары по коротким неровностям пути, а дополнительный набор данных требует временных затрат. Недостаточное количество информативных значений за оборот колеса и отсутствие учета продольной силы снижают точность определения коэффициента запаса устойчивости против схода колеса с рельса.
Также известно устройство для измерения вертикальных и боковых сил взаимодействия между колесом и рельсом (патент РФ №2591739 С1, МПК G01L 1/22, G01L 5/16, опубл. 20.07.2016 г.), выбранное в качестве прототипа, включающее в себя железнодорожную колесную пару, тензорезисторы, предназначенные для измерения вертикальных сил, включенные диаметрально в полумостовые тензометрические схемы и расположенные на внутренней и наружной сторонах диска (4 тензорезистора на каждую диагональ), тензорезисторы, предназначенные для измерения боковых (горизонтальных) сил, включенные диаметрально в полумостовые схемы и расположенные с внутренней стороны диска (2 тензорезистора на каждую диагональ), тензометрические усилители, программируемый контроллер, блок определения угла набегания колеса на рельс, флэш-накопитель, блок передачи сигнала по радиоканалу, принимающее устройство, бортовой компьютер. Тензорезисторы, расположенные на внутренней стороне диска колеса установлены на окружности размерностью 0,6-0,7 диаметра колеса, а тензорезисторы, расположенные на наружной стороне диска колеса, установлены на окружности размерностью 0,6-0,8 диаметра колеса. Тензорезисторы размещены на дуге окружности с угловым интервалом от 36° до 60°.
Известное решение разделяет тензометрические схемы на группы для отдельного анализа вертикальных и боковых сил, количество тензометрических схем колеблется от шести до десяти в зависимости от углового шага, что обеспечивает малый бесконтрольный интервал при качении колеса от 0,3 м до 0,5 м и дает возможность оценки влияния коротких неровностей.
Недостатком указанного устройства является погрешность в определении силового воздействия между колесом и рельсом за счет отсутствия учета продольной составляющей вектора силы в «пятне» контакта и принятие истинных значений вертикальных и боковых сил как среднее от суммы точечных измерений за оборот колеса. Кроме того, расположение тензорезисторов снаружи колеса и наличие дополнительных средств анализа положения «пятна» контакта усложняют функциональную схему измерения и снижают надежность известного устройства при неблагоприятных условиях эксплуатации.
Решаемой технической проблемой является: небольшое число и усреднение информативных значений сил за оборот колеса, отсутствие учета компоненты продольной силы снижает точность измерения, а сложное конструктивное исполнение снижает надежность работы в процессе эксплуатации.
Технический результат заявляемых устройства и способа заключается в повышении точности и надежности измерений.
Указанный технический результат достигается за счет измерения трех компонент сил в контакте между колесом и рельсом с учетом его геометрического положения и повышение надежности за счет использования современного оборудования сбора и беспроводной передачи данных по сети «Wi-Fi», наличие эффективного (как сумма достаточного и резервного) набора тензорезисторов и расположение основных компонентов измерительной схемы во внутреннем контуре колесной пары.
Заявляемое устройства сбора информации результатов взаимодействия между колесом и рельсом содержит железнодорожную колесную пару, активные тензодатчики, размещенные радиально на внутренней стороне диска колеса на двух концентричных окружностях с угловым шагом 22,5°, включенные в тензометрические полумостовые схемы с компенсационными тензодатчиками (всего 64 полумостовые тензометрические схемы), компактное устройство сбора и беспроводной передачи данных, маршрутизатор, модуль «Wi-Fi» передачи данных и бортовой компьютер. Оборудование сбора и беспроводной передачи данных включает в себя независимый источник питания, тензометрический усилитель, контроллер сбора данных, аналого-цифровой преобразователь, блок синхронизации, флэш-накопитель информации, радиомодуль «Wi-Fi» передачи данных. Оборудование условно разделено на два независимых блока, каждый из которых отвечает за регистрацию данных с отдельного колеса, два блока регистрируют сигналы в едином временном формате, т.е. полностью синхронизированы между собой.
Отличительными признаками заявляемого устройства сбора информации результатов взаимодействия между колесом и рельсом являются:
- устройство кроме вертикальных и боковых сил позволяет проводить измерения продольных сил взаимодействия колеса и рельса;
- устройство позволяет проводить измерения поперечного смещения и угла качения колес колесной пары при ее движении в составе тележки без дополнительных устройств регистрации положения колесной пары относительно рельсов (датчиков углового и поперечного перемещения, блока синхронизации и др.);
- устройство снабжено современным компактным оборудованием беспроводной передачи данных по протоколу IEEE 802.11g «Wi-Fi» с возможность одновременно автоматически проводить регистрацию, передачу и обработку до 64 процессов (вертикальных, боковых и продольных сил взаимодействия колеса и рельса);
- устройство оборудовано полумостовыми тензометрическими схемами, активные тензорезисторы которых расположены радиально на двух концентрических окружностях с диаметрами 398,2 мм и 586,6 мм на внутренней стороне диска колеса и смещены друг относительно друга на угол 22,5°, (всего 64 тензометрических схем, по 32 на каждое колесо, по 16 на каждый диаметр);
- устройство обладает возможностью «горячего резервирования», т.е. восстановлению результатов измерения при нарушении работоспособности до 50% тензометрических схем.
Также заявляется способ оценки результатов взаимодействия между колесом и рельсом, заключающийся в рассмотрении сил непосредственно в контакте с рельсом. Такой подход позволяет уйти от приложения сил на колесную пару со стороны вагона, когда за счет трения между колесом и рельсом задача определения реакций в «пятне контакта» сводится к решению множества частных случаев нелинейного уравнения и ограничится определением зависимости «деформация-сила», руководствуясь упруго-физическими свойствами металла и основами тензометрии.
Технический результат в заявляемом способе достигается за счет реализации непрерывной записи процесса изменения вектора силы в «пятне» контакта и, как следствие, получения большого набора статистических данных для анализа, а также возможности воспроизведения поперечного смещения и угла качения колеса без использования дополнительного оборудования со своей погрешностью измерений.
Отличительная особенность заявляемого способа оценки результатов взаимодействия между колесом и рельсом заключается в переходе от усреднения точечных информативных значений силовых компонент за оборот колеса к непрерывной записи процесса на всем измерительном участке рельсовой колеи.
Заявленное устройство и способ оценки показаны на фиг. 1-7.
На фиг. 1 изображено расположение элементов устройства на железнодорожной колесной паре, на фиг. 2 - сечение А-А фиг. 1, на фиг. 3 - блок-схема устройства, на фиг. 4 - соединение тензорезисторов в схемы для каждого диска, на фиг. 5 - сигнал изменения относительных деформаций с тензометрических схем при качении колеса по рельсу, на фиг. 6, 7 - вертикальная и боковая силы, соответственно, после применения предлагаемого способа обработки сигналов с тензометрических схем.
n
m
n
Устройство сбора информации результатов взаимодействия между колесом и рельсом (фиг. 1, 2, 3 и 4) содержит железнодорожную колесную пару 1, активные тензорезисторы (SB) 2, включенные с компенсационными тензорезисторами (RK) в тензометрические полумостовые схемы 3-18, 19-34, 35-50, 51-66, размещенные на внутренней 67 стороне диска 68 колеса 69 на концентрических окружностях 70, 71. Устройство также содержит многофункциональное измерительное оборудование сбора и передачи информации, которое условно разделено на два независимых блока 72, 73, каждый из которых отвечает за регистрацию данных с отдельного колеса и передает по радиоканалу через маршрутизатор 74 и модуль приемки сигналов 75 оцифрованные сигналы с тензометрических схем 3-18, 19-34, 35-50, 51-66 в бортовой компьютер 76.
Устройство работает следующим образом. При качении колесной пары 1 по рельсам 77 аналоговые сигналы от тензометрических полумостовых схем 3-18, 19-34, 35-50, 51-66 поступают на входы блоков 74, 75, далее после коммутации по передающему радиоканалу оцифрованные сигналы через маршрутизатор 74 и модуль приемки сигнала 75 поступают на бортовой компьютер 76. В результате качения колесной 1 пары по рельсам 77 на бортовом компьютере 76 формируется массив данных напряженно-деформированного состояния диска в виде сигналов с тензометрических схем, смещенных на угол 22,5° (фиг. 5). Если принять положение, когда диаметральные оси 78-85 с полумостовыми тензометрическими схемами 3-18, 19-34, 35-50, 51-66 внутренней стороны 68 диска 69 каждого колеса 70 при качении колесной пары 1 занимают положение перпендикулярно к рельсам 77, синхронизированные блоки 72, 73 через маршрутизатор 74 и блок приемки 75 на бортовой компьютер 76 посылают 64 информативных значений напряженно-деформированного состояния каждого колеса 70. Формируется матрица 64×8, где первые 6 столбцов содержат коды искомых сил, а 2 последних столбца - координаты точек контакта правого и левого колеса 70 колесной пары 1, несложно получить, используя предварительно полученные калибровочные коэффициенты, истинные значения вертикальной, боковой и продольной сил. При качении колеса 70 создаются периодические сигналы с шагом 0,19 м (фиг. 5), опрос тензометрических схем 3-18, 19-34, 35-50, 51-66 проводится с частотой дискретизации не менее 400 Гц, после фильтрации и применения заявляемого способа оценки формируются непрерывные сигналы вертикальной (фиг. 7) и боковой (фиг. 6) сил, на всем протяжении рельсового пути с учетом составляющей от продольной силы и положений «пятен» контакта.
Таким образом, алгоритм заявляемого способа оценки обработки сводится к решению системы линейных уравнений. Давая приращения одной из сил и отслеживая изменения измеряемых деформаций, можно получить зависимость вида Е=А×В, где:
1
2
m
т
Е=(ε ε … ε) - вектор - столбец относительных деформаций;
А - матрица Якоби, размерностью n×m;
1
2
n
т
В=(b b … b) - вектор - столбец искомых величин;
m
ε - относительная деформация, m=1…8;
n
b - искомая величина, n=1…8.
Число уравнений (64) больше числа неизвестных (8). Система уравнений не имеет точного решения. Предлагается находить так называемое «псевдорешение» В=С×Е, где:
т
-1
С=(А×А)×А - «псевдообратная» матрица празмерностью n×m.
Поскольку предлагаемое устройство определяет 8 величин по 64 тензометрическим схемам, матрица С имеет размер 8×64. Проведение экспериментов над математической моделью и натурных опытов доказали, что коэффициенты матриц А и С с достаточной достоверностью восстанавливают силы и смещения «пятна контакта» для данного устройства, если тензорезисторы расположить на окружностях с диаметрами 398,2 мм и 586,6 мм. Для учета изменения положения пятна контакта используются варианты матриц А и С, определенные минимум по трем точкам, распределенным по поверхности катания колеса. Используется сплайн интерполяция для восстановления деформаций по найденным силам.
Для учета поворота колесной пары используются варианты матриц, полученные для разных углов поворота ТКП.
Таким образом, конструктивное исполнение заявляемого устройства обеспечивает надежность процесса измерения, а функциональные возможности заявляемого устройства и способ оценки повышают точность измерения сил при взаимодействии колеса и рельса в процессе эксплуатации.