ИСПЫТАТЕЛЬНЫЙ СТЕНД ДЛЯ СОЗДАНИЯ РЕГУЛИРУЕМЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК

Полезная модель относится к испытательной технике, более конкретно, к установкам и стендам для испытания узлов и деталей машин на воздействие регулируемых динамичных нагрузок, изменяющихся по заданному закону. Предложенное техническое решение может найти применение, в том числе, при создании установок для вибрационных и прочностных испытаниях рельсовых скреплений и других элементов верхнего строения железнодорожного пути.
Известен гидродинамический вибростенд, содержащий платформу с испытываемым объектом, закрепленную на штоке с поршнем, помещеным в герметичный корпус, связанный с шатуном кривошипно-шатунного механизма и, через клапанное устройство, с источником высокого давления и блоком управления, причем привод вибростенда содержит электродвигатель и универсальный регулятор скорости, позволяющий регулировать частоту колебаний платформы (см. патент РФ №2431124, опублик 10.10.2011).
Известный испытательный гидродинамический вибростенд имеет сравнительно узкую область применения и предназначен, преимущественно, для создания знакопеременных динамических нагрузок сейсмического типа и экспериментального определения характеристик упруго демпфирующих элементов в системах амортизации при сравнительно низких амплитудных значениях динамических нагрузок.
Известен стенд для испытания объектов на прочность, содержащий силовой гидроцилиндр, шток которого оказывает воздействие на испытуемый объект, задатчик значений возбуждаемой нагрузки, датчик нагрузки, установленный между гидроцилиндром и испытуемым объектом, регулятор нагрузок, соединенный через усилитель с исполнительным органом, блок аварийной защиты с программным устройством и регистрирующий прибор (см. авт.св. СССР 1392416, опублик. 30.04.2008).
Известный стенд, в зависимости от настройки, позволяет создавать как повторно-статические, так и динамические нагрузки на испытуемый объект, получать информацию о динамике разрушений и регистрировать процесс развития повреждений в объекте. Однако известный стенд не позволяет с высокой точностью отслеживать и задавать амплитуду колебаний, поскольку датчики нагрузки фиксируют лишь усилия, прилагаемые к испытуемому объекту, но не фактическое перемещение его рабочих частей.
Наиболее близким техническим решением к предложенному является испытательный стенд для создания регулируемых динамичных нагрузок, содержащий систему гидродинамического нагружения объекта испытаний, средства для его фиксации, управляемые силовые приводы, насосную станцию и программируемый блок управления (см. патент РФ №2352912, опублик. 20.04.2009 - прототип).
Особенностью известного испытательного стенда для создания регулируемых динамичных нагрузок является то, что он имеет в своем составе гидроцилиндр нагружения, рабочие полости которого соединены с электрогидравлическим преобразователем, и датчик перемещения штока гидроцилиндра нагружения, причем испытательный стенд дополнительно снабжен датчиком нагрузки, который установлен в кинематической цепи с испытуемым объектом, снабжен программируемым устройством управления, который через аналого-цифровые преобразователи соединен с первым и вторым электронными регуляторами, выходы которых соединены с электрогидравлическим преобразователем, упомянутый датчик перемещения соединен с первым электронным регулятором и через аналого-цифровой преобразователь - с программируемым устройством управления, а датчик нагрузки соединен со вторым электронным регулятором и через второй аналого-цифровой преобразователь - с программируемым устройством управления.
Известный испытательный стенд может дополнительно содержать второй электрогидравлический преобразователь, соединенный с гидравлическими полостями испытуемого объекта, при этом программируемое устройство управления соединено с двумя входами второго электрогидравлического преобразователя через третий аналого-цифровой преобразователь и через устройство коммутации соответственно. При этом электрогидравлический преобразователь может иметь в своем составе насос, обеспечивающий подачу жидкости в рабочие полости гидроцилиндра нагружения или в полости испытуемого объекта и содержит регулятор давления и аккумулятор давления, подсоединенный через клапан к рабочим полостям гидроцилиндра нагружения.
Известный испытательный стенд может использоваться для испытания таких объектов, как гидродемпферы подвижного железнодорожного состава, амортизаторы и гидроцилиндры различных типов и др. К общим недостаткам рассмотренных испытательных стендов следует отнести сравнительно низкие значения допустимых амплитудно-частотных характеристик системы гидродинамического нагружения объекта испытаний. На известных установках для вибрационных и прочностных испытаний объектов сравнительно сложно или невозможно обеспечить их нагружение усилием до 300 кН и выше в диапазоне частот в десятки Гц, в том числе, из-за опасности выхода из строя используемых механических и гидравлических узлов испытательных стендов.
Задача, на решение которой направлена полезная модель - создание испытательного стенда, позволяющего производить заданное силовое воздействие на испытываемый объект при осуществлении вибрационных и прочностных испытаний упруго деформируемых объектов, рельсовых скреплений и других элементов верхнего строения железнодорожного пути. Поставленная задача решается изменением схемы испытательного стенда.
Достигаемый технический результат - повышение уровня и точности статического и динамического нагружения испытываемых объектов вертикальными и горизонтальными усилиями в диапазоне до 400 кН при частотах от единиц до десятков Гц в условиях различных климатических воздействий на испытываемые объекты. Указанное увеличение уровня нагружения в процессе испытаний рельсовых скреплений является весьма актуальным, поскольку приводит к повышению эффективности их испытаний и обеспечению надежности эксплуатации верхнего строения железнодорожного пути.
Указанный технический результат достигается тем, что в испытательном стенде для создания регулируемых динамичных нагрузок, содержащем систему гидродинамического нагружения объекта испытаний, средства для его фиксации, управляемые силовые приводы, насосную станцию и программируемый блок управления, согласно полезной модели, средства для фиксации объекта испытаний в виде участка рельсо-шпальной решетки включают опорную плиту выполненную, преимущественно, в виде массивной призмы, опирающейся через пружинные элементы на фундамент стенда, верхняя часть опорной плиты снабжена пазами с размещенными в них фиксаторами для крепления испытываемого участка рельсо-шпальной решетки, технологических кронштейнов и вертикальных стоек силового каркаса для регулируемого крепления в их верхней части горизонтально расположенного перекрытия, на рельсах рельсо-шпальной решетки в зоне испытываемых рельсовых скреплений установлена распределительная силовая балка, между средней частью которой и центром горизонтально расположенного перекрытия, размещен первый управляемый силовой привод для передачи на испытываемые рельсовые скрепления вертикальных усилий, между торцом распределительной силовой балки и опорным технологическим кронштейном размещен второй управляемый силовой привод для передачи на испытываемые рельсовые скрепления горизонтальных усилий, причем указанные силовые приводы системы гидродинамического нагружения рельсовых скреплений, насосная станция и программируемый блок управления стенда выполнены с возможностью статического и/или динамического нагружения испытываемых рельсовых скреплений вертикальными и горизонтальными усилиями в диапазоне допустимых значений сил и частот, а в зоне нагружения одного из испытываемых рельсовых скреплений установлена герметизированная температурная камера для дополнительных испытаний указанного рельсового скрепления на климатические воздействия.
Кроме того, указанные силовые приводы системы гидродинамического нагружения рельсовых скреплений, насосная станция и программируемый блок управления испытательного стенда могут быть выполнены с возможностью статического нагружения испытываемых рельсовых скреплений вертикальными и горизонтальными усилиями, соответственно, до 400 и 100 кН и динамического нагружения - до 320 и 80 кН при частотах до 50 Гц, а также климатических воздействий при температуре внутри герметизированной температурной камеры в диапазоне от -60 до +100°C.
Кроме того, горизонтально расположенное перекрытие силового каркаса может быть выполнено в виде Н-образной балки, установленной с возможностью регулируемого крепления на четырех вертикальных стойках, а упомянутые силовые приводы системы гидродинамического нагружения рельсовых скреплений могут быть снабжены в зонах передачи усилий шарнирными узлами, преимущественно, в виде шаровых шарниров.
Такое выполнение полезной модели позволяет решить поставленную задачу создания испытательного стенда, позволяющего производить заданное силовое воздействие при осуществлении вибрационных и прочностных испытаний рельсовых скреплений и других элементов верхнего строения железнодорожного пути. При этом повышаются уровень и точность статического и/или динамического нагружения рельсовых скреплений характерными вертикальными и горизонтальными усилиями при различных частотах в типичных для России условиях экстремальных климатических воздействий, что способствует повышению надежности эксплуатации и совершенствованию верхнего строения железнодорожного пути.
На основании результатов экспериментальных исследований, проведенных в НП «Испытательный центр «ЯРЭЛАСТЕСТ» и в соответствии с государственными стандартами по проведению испытаний рельсовых скреплений были установлены указанные диапазоны статического и динамического нагружения испытываемых рельсовых скреплений вертикальными и горизонтальными усилиями при возможных климатических воздействиях. Указанные границы нагружения типичных отечественных и зарубежных рельсовых скреплений обеспечивают достижение технического результата, поскольку с запасом охватывают возможные виды их нагружения при функционировании в различных условиях эксплуатации.
Более подробно сущность полезной модели раскрывается на примере стенда для испытания рельсовых скреплений в составе участка рельсо-шпальной решетки и иллюстрируется чертежом на фиг.1, на котором представлена функциональная блок-схема стенда.
Испытательный стенд содержит систему гидродинамического нагружения объекта испытаний в виде рельсового скрепления 1 в составе рельсо-шпальной решетки 2. Система гидродинамического нагружения включает управляемые силовые приводы 3, 4, насосную станцию 5 и программируемый блок управления 6. Средства для фиксации рельсового скрепления 1 в составе рельсо-шпальной решетки 2 включают опорную плиту 7, выполненную в виде массивной призмы, опирающейся через пружинные элементы 8 на фундамент 9 стенда. Верхняя часть опорной плиты 7 снабжена пазами 10 с размещенными в них фиксаторами 11 для крепления испытываемого участка рельсо-шпальной решетки 2, технологического кронштейна 12 и четырех вертикальных стоек 13 силового каркаса 14 для регулируемого крепления в его верхней части горизонтально расположенного перекрытия, выполненного в виде Н-образной балки 15, установленной с возможностью регулируемого крепления на вертикальных стойках 13 с помощью равнорасположенных по их высоте крепежных отверстий 16, и предназначенной для фиксации с помощью узла крепления 17 верхней части силового привода 3.
На рельсах 18 рельсо-шпальной решетки 2 в зоне испытываемых рельсовых скреплений 1 установлена распределительная силовая балка 19, между средней частью которой и центром горизонтально расположенной Н-образной балки 15 размещен первый управляемый силовой привод 3 для передачи на испытываемые рельсовые скрепления 1 вертикальных усилий. Между торцом распределительной силовой балки 19 и опорным технологическим кронштейном 12 размещен второй управляемый силовой привод 4 для передачи на испытываемые рельсовые скрепления 1 горизонтальных усилий. Силовые приводы 3, 4 системы гидродинамического нагружения рельсовых скреплений 1 снабжены в зонах передачи усилий шаровыми шарнирами 20, 21 для совместной или независимой передачи усилий при статическом или динамическом нагружении рельсо-шпальной решетки 2.
При этом силовые приводы 3, 4 системы гидродинамического нагружения рельсовых скреплений 1, насосная станция 5 и программируемый блок управления 6 стенда выполнены с возможностью статического и/или динамического нагружения испытываемых рельсовых скреплений 1 вертикальными и горизонтальными усилиями в диапазоне допустимых значений сил и частот. Конкретные диапазоны указанных усилий должны находиться в пределах для вертикальных и горизонтальных усилий, соответственно, до 400 и 100 кН и для динамического нагружения - до 320 и 80 кН при частотах до 50 Гц, что является необходимым и достаточным для полноценных испытаний большинства отечественных и зарубежных типов рельсовых скреплений.
В зоне нагружения одного из испытываемых рельсовых скреплений 1 установлена герметизированная температурная камера 22 для дополнительных испытаний указанного рельсового скрепления на климатические воздействия при изменении температуры внутри камеры 22 в диапазоне от -60 до +100°C в условиях контролируемой влажности.
Силовые приводы 3, 4 содержат гидроцилиндры, рабочие штоки 23, 24, которые кинематически связаны через распределительную силовую балку 19 и участки рельсов 18 с рельсовыми скреплениями 1. В кинематической цепи между штоками 23, 24 установлены датчики нагрузки 25, 26. Рабочие полости гидроцилиндров силовых приводов 3, 4 соединены, соответственно, с двумя электрогидравлическими преобразователями 27, 28 насосной станции 5. При этом парные входы и выходы электрогидравлических преобразователей 27, 28 параллельными цепями соединены с электронными регуляторами расхода гидравлической жидкости (не показаны) в гидроцилиндры силовых приводов 3, 4. Электрическая схема стенда (не показана) включает указанные датчики нагрузки 25, 26 и датчики перемещения (не показаны) штоков 23, 24 гидроцилиндров нагружения, расположенные в цепях обратной связи электронных регуляторов расхода гидравлической жидкости программируемого блока управления 6.
Электрогидравлические преобразователи 27, 28 представляют собой независимые части насосной станции 5, обеспечивающие подачу гидравлической жидкости от резервуара 29 через насосную станцию 5 и распределительные и запорные клапаны (не показаны) в рабочие полости гидроцилиндров силовых приводов 3, 4. Резервуар 29 служит накопительной емкостью для гидравлической жидкости. В гидравлической схеме насосной станции 5 имеются регуляторы давления (не показаны), задающие необходимое давление гидравлической жидкости в системе. Испытательный стенд также содержит компрессор 30 и источник бесперебойного питания 31.
Программируемый блок управления 6 представляет собой логическое устройство, снабженное памятью, дискретными и аналоговыми входами и выходами и интерфейсом передачи данных для управления процессами испытаний, сбора данных с датчиков и выдачи результатов измерений на контрольный дисплей персонального компьютера 32. В состав программируемого блока управления 6 входит контроллер Labtronic 8800, позволяющий управлять системами моделирования и испытания образцов рельсовых скреплений в широком диапазоне нагрузок и эксплуатационных режимов одновременно для двух и более силовых приводов в рамках одной системы..
Предложенный испытательный стенд для вибрационных и прочностных испытаниях рельсовых скреплений представляет собой сложную, распределенную на площади производственного помещения систему, состоящую из следующих основных частей.
- Силовой каркас 14 с опорной плитой 7 и аксессуарами для крепления объекта испытаний в виде участка рельсо-шпальной решетки 2 из трех железобетонных шпал.
- Система гидродинамического нагружения высокого давления с маслонасосной станцией 5 и аксессуарами на гидравлическое давление 280 бар при амплитуде вибраций на частоте ≤2 Гц - до 40 мм; на частоте ≤10 Гц - до 5 мм; на частоте ≤20 Гц - до 2 мм; на частоте ≤50 Гц - до 1 мм.
- Силовой привод 3 - полный ход штока - 250 мм статическая сила - 400 кN; динамическая сила - 320 кН.
- Силовой привод 4 - полный ход штока - 250 мм; статическая сила - 100 кN; динамическая сила - 80 кН.
- Программируемый блок управления 6 на базе электронного контроллера Labtronic 8 800 и программное обеспечение.
- Герметизированная температурная камера 22 типа ТК 80-060/100 на температурный диапазон от -60 до +100°C.
- Персональный компьютер 32 к блоку управления 6.
- Источник бесперебойного питания 31 мощностью 2 кВа.
- Отдельно стоящая компрессорная установка 30.
Герметизированная температурная камера 22 обеспечивает темперирование испытываемых образцов рельсовых скреплений в диапазоне температур от -60 до +100°C при скорости охлаждения: примерно 2°C/мин и временном отклонении температуры +/-0,5°C. В качестве теплоносителя масляного теплообменника в температурной камере 22 используется силиконовое масло Baysilone M5 с ограничением температуры поверхностей камеры около 120°C, а в качестве хладоагента используется холодильный агент R 404а. Указанное оборудование стенда устанавливается в подготовленном соответствующим образом помещении с достаточной дистанцией безопасности и соответствующей приточной и вытяжной вентиляцией. Чтобы исключить время простоя и максимально увеличить срок эксплуатации оборудования испытательного стенда, необходимо уделять особое внимание требованиям экологической, санитарной и электробезопасности оборудования, высокому качеству гидравлической жидкости и других рабочих сред.
Испытательный стенд для вибрационных и прочностных испытаний рельсовых скреплений функционирует следующим образом.
После установки на опорной плите 7 стенда в рабочее положение рельсо-шпальной решетки 2 с испытывамыми рельсовыми скреплениями 1, распределительной силовой балки 19 и управляемых силовых приводов 3, 4 обеспечивают заданное гидродинамическое нагружение испытываемого объекта. Для этого насосная станция 5 подает рабочую жидкость (гидравлическое масло) из накопительной емкости 29 через электронные регуляторы расхода гидравлической жидкости (входят в состав электрогидравлических преобразователей 27, 28) в гидроцилиндры силовых приводов 3, 4. Давление в гидросистеме задается указанными регуляторами в соответствии с заданным законом изменения силы, воздействующей через распределительную силовую балку 19 на испытуемые рельсовые скрепления 1. Поддержание уровня статического и/или динамического нагружения объектов испытаний для совместной или независимой передачи вертикальных и горизонтальных усилий в указанном диапазоне допустимых значений сил и частот обеспечивается, с учетом сигналов, поступающих на вход программируемого блока управления 6 от датчиков нагрузки 25, 26. При этом гидроцилиндры силовых приводов 3, 4 нагружают штоки 23, 24 и, через распределительную силовую балку 19, испытуемый объект силой, соответствующей заданной. Информация от датчиков перемещения штоков 23, 24 поступает на вход программируемого блока управления 6 и используется для определения текущих значений перемещения указанных штоков. Полученная зависимость перемещения штоков и испытуемого образца от заданных видов нагрузки сравнивается с эталонными значениями и анализируется контроллером программируемого блока управления 6 с целью определения состояния испытуемого объекта.
Для проведения операций заполнения, промывки, проливки и проверки герметичности гидросистемы испытательного стенда может использоваться дополнительный электрогидравлический преобразователь (не показан). Для выполнения этих операций рабочая жидкость из накопительного бака 29 через насосную станцию 5 с помощью насоса (не показан) поступает в каждую из полостей силовых приводов 3, 4.
Предложенный испытательный стенд позволяет повысить диапазон используемых видов нагружения и точность измерений при снятии характеристик силы, величины перемещений и скорости деформации в зоне объекта испытаний, что повышает качество диагностики состояния испытуемого объекта. Предложенный испытательный стенд может работать с несколькими конфигурациями систем гидропитания, обеспечивая распределение гидравлического давления из замкнутой магистральной системы через соответствующие распределительные и запорные клапаны на конкретную испытательную систему.
Используемый в программируемом блоке управления 6 контроллер Labtronic 8800 обладает возможностями полной цифровой обработки сигналов от датчиков нагрузки и перемещений для повышения разрешения и уменьшения уровня шума в сигналах обратной связи. Система программного обеспечения блока управления 6 создает интерфейс между компьютером пользователя, работающем на базе операционной системы Windows, и системой управления испытанием рельсовых скреплений 1, обеспечивая все функции связи между контроллером и прикладными программами с отображением общей информации в компьютере 32 о каждом выполняемом испытании.
Панель инструментов испытания на компьютере 32 пользователя представляет собой выделенную область экрана, которую нельзя свернуть, закрыть или перекрыть другим окном, при этом возможно вызвать любую прикладную программу из имеющегося пакета. Пакет программ блока управления 6 обеспечивает функционирование дисплеев реального времени, позволяющих вести мониторинг сигналов в системе управления стендом, с помощью которых можно выбрать количество и тип отображаемых сигналов и масштаб их отображения на экране ПК. Прикладные программы блока управления 6 также позволяют управлять испытаниями или задавать их параметры и проектировать конкретные испытания или создавать интегрированную среду испытаний. Микропрограммное обеспечение может хранится во флэш-памяти встроенного контроллера Labtronic 8800, а обновление микропрограммного обеспечения может выполняться согласно инструкциям, поставляемым вместе с контроллером на компакт-диске CD.
В проекте европейского стандарта "Рельсовые скрепления" содержатся основные указания по проведению испытаний в рамках допуска в эксплуатацию и общие технические требования к конструкции рельсовых скреплений, которые распространяются на верхнее строение пути с железобетонными, а также деревянными и стальными шпалами (см. Европейские нормы на железобетонные шпалы и рельсовые скрепления - журнал «Железные дороги мира» №9, 1999 и статью J. Franz. Eisenbahningenieur, 1998, N 5, S.16 - http://www.css-rzd.ru/ZDM/links/htm).
6
Для сравнения приведем данные проекта стандарта CEN "Рельсовые скрепления", в соответствии с которым вибрационные испытания проводят на сравнительно меньших частотах (3-5 Гц) при 3·10 циклах нагружения, моделируя воздействующие на рельсовые скрепления вертикальные и горизонтальные силы и возникающие вследствие этого вертикальные и горизонтальные перемещения. Для этого рельсовые скрепления, смонтированные на одиночной шпале или на участке шпальной решетки с отрезками рельсов соответствующей длины, подвергают воздействию вибрационной нагрузки, которая по величине, направлению и месту приложения к рельсу моделирует реальную.
6
Для определения параметров испытательной нагрузки предварительно должно быть проведено математическое моделирование работы рельсо-шпальной решетки, выполнены измерения в пути и в лабораторных условиях, а также расчеты для отдельной шпалы или участка шпальной решетки с целью определения параметров испытаний. После 3·10 циклов нагружения рельсовое скрепление необходимо демонтировать и проверить все его детали визуально на наличие остаточных деформаций, износа, трещин и изломов. Оценивается также функциональная надежность деталей, замоноличенных в бетоне шпалы.