СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЙ ВЕРТИКАЛЬНОЙ НАГРУЗКИ ОТ КОЛЕСА НА РЕЛЬС И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR MEASURING VERTICAL LOAD FROM WHEEL TO RAIL AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области технической диагностики и может быть использовано в сфере железнодорожного транспорта, а именно для измерений вертикальной нагрузки от колеса на рельс, при обнаружении дефектов ходовых частей подвижного состава.
Известен способ обнаружения дефектов поверхности катания колёс железнодорожных транспортных средств в движении (патент России на изобретение №2480711, МПК G01B7/34 от 27.04.2013), заключающийся в том, что тензорезисторы устанавливают симметрично парами на рельс. По сигналам с тензорезисторов определяют симметричные и асимметричные деформации шейки рельса. По превышению симметричными деформациями порога селекции, устанавливаемого в 3–4 раза выше уровня собственных шумов измерительной аппаратуры, задают номер колёсной пары, равный единице. Затем проводят частотную фильтрацию асимметричных деформаций в полосе частот, определяемой частотой свободных колебаний рельса. Регистрируют максимумы асимметричных деформаций на каждой паре тензорезисторов. При совпадении максимумов на соседних парах тензорезисторов их сравнивают с порогом регистрации дефекта, определяемым по максимальной глубине допускаемого дефекта, диаметру колеса и скорости поезда.
Известен способ контроля поверхности катания железнодорожных колёс в движении (патент России на изобретение №2625256, МПК G01B7/34 от 12.07.2017), принятый в качестве прототипа, заключающийся в том, что на участке пути на рельс устанавливают тензорезисторы парами симметрично с двух сторон шейки рельса и ориентируют вертикально. В процессе движения колесной пары по измерительному участку определяют симметричные деформации и проводят их частотную фильтрацию в зависимости от скорости движения. Регистрируют локальные минимумы симметричных деформаций, определяют скорость, момент входа колеса в зону чувствительности пары тензорезисторов, используя фильтрованные симметричные деформации и эталонные деформации, определяют вертикальную силу от колеса на рельс.
Общим недостатком известных способов является то, что оценка возникающих сил фиксируется только в момент прохождения колесом датчиков. При дискретном измерении силы с шагом датчиков 0,544 м (расстояние между шпалами) фиксируется только 1–2 значения сил, и даже при уменьшении расстояния между датчиками до 0,136 м число измерений не превысит 7. В результате ограниченного количества измерений возможен риск пропуска превышения уровня вертикальных сил критического значения в зоне рельса, где показания датчиками не фиксируются, следовательно, итоговые результаты измерений, информирующих о наличии или отсутствии дефекта, статистически недостоверны.
Решаемой технической проблемой является частичное отсутствие статистически достоверных измерений вертикальных сил между колесом и рельсом при проведении диагностики ходовых частей железнодорожных транспортных средств при их движении.
Технический результат заключается в увеличении статистической достоверности измерений вертикальных сил между колесом и рельсом при проведении диагностики ходовых частей железнодорожных транспортных средств при их движении.
Указанный технический результат достигается следующим образом.
Способ измерений вертикальной нагрузки от колеса на рельс заключается в том, что при проведении диагностики вагон проходит измерительный участок, на котором постоянно в каждом межшпальном промежутке в двух измерительных сечениях рельса регистрируются сигналы с тензорезисторов, установленных на шейке рельса под углом 45˚ по отношению к оси в виде двух компонентных розеток, а между собой тензорезисторы имеют угол 90˚ и соединены в два полных измерительных моста, так, что тензорезисторы с одной стороны рельса находятся в параллельных или противоположных плечах мостов, таким образом, чтобы обеспечить сложение и вычитание деформаций и определить одновременно две поперечные силы в рельсе в двух измерительных сечениях, а по их разнице вычислить вертикальную силу от колеса на рельс. При этом для обеспечения фиксации максимальных напряжений тензорезисторы установлены на расстоянии не менее 60 мм и не более 122 мм от вертикальной оси шпалы до вертикальной оси розетки тензорезистора. Установка тензодатчиков на расстоянии, выходящем за пределы указанного диапазона может привести к не выявлению максимальных значений сил, действующих от колеса на рельс при прохождении колеса в межшпальном промежутке, так как напряжения на данном участке не достигают своего максимума.
Нагрузка от колеса на рельс определяется как разность поперечных сил в двух сечениях рельса в межшпальном промежутке и фиксируется измерительными приборами на всём расстоянии между измерительными сечениями.
Сущность заявляемой группы изобретений поясняется графическим материалом.
На фигуре 1 показан рельсошпальный пролет с установленными в сечениях I–I и II–II на шейке рельса тензорезисторами;
На фигуре 2 показана расчетная схема для участка .
На фигуре 3 показана расчетная схема для участка .
На фигуре 4 показана расчетная схема для участка .
На фигуре 5 показана схема соединения тензорезисторов (ТР1-8) в два измерительных моста для измерения поперечной силы.
На фигуре 6 показана общая схема устройства для измерений вертикальной нагрузки от колеса на рельс.
На фигуре 7 показан поперечный профиль рельса с установленными тензорезисторами в параллельных плечах измерительного моста.
На фигуре 8 показан продольный профиль рельса с установленными тензорезисторами в параллельных плечах измерительного моста.
Способ измерений вертикальной нагрузки от колеса на рельс, заключается в том, что при проведении диагностики подвижной состав проходит измерительный участок, на котором в каждом межшпальном промежутке регистрируются сигналы с тензорезисторов, установленных в зонах шейки рельса в двух измерительных сечениях рельса.
Возможность такого определения обосновывается рассмотрением уравнения равновесия для каждого участка  (Фиг. 1). Поперечные силы  в сечениях I–I и II–II выражаются из условий равновесия через реакции опор  и :
Расчетная схема для участка  показана на фигуре 2. Разность поперечных сил  для участка  определяется по формуле:
<img file="00000009.jpg" he="5" wi="57" img-content="undefined" img-format="jpg" />
(1)
Расчетная схема для участка  показана на фигуре 3. Разность поперечных сил  для участка  определяется по формуле:
<img file="00000010.jpg" he="5" wi="57" img-content="undefined" img-format="jpg" />
(2)
Расчетная схема для участка  показана на фигуре 4. Разность поперечных сил  для участка  выражается по формуле:
<img file="00000011.jpg" he="10" wi="141" img-content="undefined" img-format="jpg" />
(3)
здесь учтено, что реакции опор  и  соответственно равны
,
,
где  – длина пролета, то есть расстояние между опорами,
– расстояние от точки приложения силы Р до опор.
Нагрузка от колеса на рельс определяется путём вычитания поперечных сил в двух измерительных сечениях каждого межшпального пролёта, при прохождении колеса между ними, при этом разность значений поперечных сил  на расстоянии одного измерительного сечения до второго остаётся постоянной и равной нагрузке от колеса на рельс .
Поперечные силы вызывают в рельсе касательные напряжения , которые прямо пропорциональны поперечной силе:
<img file="00000020.jpg" he="9" wi="17" img-content="undefined" img-format="jpg" />
(4)
где  – поперечная сила;
– статический момент нижней части сечения относительно точки, в которой определяются напряжения;
– ширина шейки рельса в измеряемом сечении;
– момент инерции рельса.
Максимального значения касательные напряжения достигают в сечении, проходящем через центральную ось. В этом же сечении нормальные напряжения изгиба  равны нулю.
Тензорезисторы не измеряют сдвиговые деформации, следовательно, прямое измерение сдвиговых деформаций невозможно. Поэтому для определения сдвиговых деформаций были применены известные соотношения теории упругости между деформациями и напряжениями на главных площадках.
При действии вертикальной силы в шейке рельса наблюдается плоское  напряжённое  состояние, то есть  и  . На центральной оси сечения продольные напряжения равны нулю . Главные напряжения  и  расположены под углом 90° друг к другу и направлены под углом 45° к продольной оси рельса в противоположные стороны. В данном случае формула для определения касательных напряжений имеет вид:
<img file="00000031.jpg" he="9" wi="25" img-content="undefined" img-format="jpg" />
(5)
или через деформации сдвига:
где  и  – главные деформации, соответствующие главным напряжениям  и .
Теоретическая зависимость поперечной силы от деформаций с учетом, что , где  – модуль сдвига, принимает вид:
<img file="00000037.jpg" he="9" wi="75" img-content="undefined" img-format="jpg" />
(6)
где  – постоянная, зависящая от характеристик материала и геометрических размеров рельса;
– статический момент нижней части сечения относительно точки, в которой определяются напряжения;
– ширина шейки рельса в измеряемом сечении;
– момент инерции рельса.
Выражение для вертикальной силы через главные деформации тензорезисторов в двух сечениях:
<img file="00000040.jpg" he="18" wi="160" img-content="undefined" img-format="jpg" />
(7)
где  – главные деформации, регистрируемые датчиком номер .
Данное суммирование и вычитание можно выполнить с помощью измерительных мостов, пример схемы подключения которых показан на фиг. 2, что позволит существенно сократить количество проводов, ведущих к тензоусилителям.
Изменение выходного напряжения  для схемы параллельной работы двух мостов определяют:
<img file="00000043.jpg" he="5" wi="98" img-content="undefined" img-format="jpg" />
(8)
или
где  – коэффициент чувствительности тензорезисторов;
4
– параметр, характеризующий нелинейность измерительного моста (при деформациях менее 10 мкм/н );
– напряжение измерительного моста,
– изменение выходного напряжения измерительного моста;
– сумма главных деформаций сдвига, которую определяют по формуле:
или по формуле:  .
Из равенства (7) и (8) получаем формулу для вычисления вертикальной силы по показаниям измерительных мостов:
<img file="00000052.jpg" he="10" wi="67" img-content="undefined" img-format="jpg" />
(9)
изм
Устройство для измерения вертикальной нагрузки от колеса на рельс, содержит измерительный участок рельсового пути L (фиг. 6), два рельса 1, шпалы 2, тензорезисторы 3 в виде двух компонентных розеток для проведения измерений главных напряжений в двух измерительных сечениях I–I и II–II в каждом межшпальном промежутке измерительного участка рельсового пути, измерительные мосты 4, тензоусилители 5 (фиг. 5) и регистрирующие устройства 6. Для компенсации влияния температуры тензорезисторы одной розетки включаются в разные плечи моста. Для исключения влияния боковых и продольных сил тензорензисторы 3 установлены в двух измерительных сечениях А, В (фиг.1) симметрично с обоих сторон рельса 1 на нейтральной оси (фиг. 7), при этом тензорезисторы 3 в виде двух компонентных розеток установлены на шейке рельса 1 на расстоянии  не менее 60 мм и не более 122 мм от вертикальной оси шпалы 2 до вертикальной оси розетки тензорезистора. Тензорезисторы установлены под углом 45˚ (фиг. 7, 8) по отношению к оси рельса, а между собой тензорезисторы 3 имеют угол 90˚ и соединены в два полных измерительных моста, так, что тензорезисторы с одной стороны рельса находятся в параллельных плечах измерительного моста или противоположных плечах мостов, таким образом, чтобы обеспечить вычисление деформаций по формуле:
Таким образом достигается технический результат, заключающийся в увеличении статистической достоверности измерений вертикальных сил между колесом и рельсом при проведении диагностики ходовых частей железнодорожных транспортных средств при их движении.