УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕРТИКАЛЬНЫХ И БОКОВЫХ СИЛ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МЕЖДУ КОЛЕСОМ И РЕЛЬСОМ
DEVICE FOR MEASURING VERTICAL AND LATERAL FORCES OF INTERACTION BETWEEN WHEEL AND RAIL

Изобретение относится к приборостроению, в частности к измерительным устройствам для измерения и регистрации сил взаимодействия между колесом и рельсом.
Известен метод регистрации вертикальных и боковых (горизонтальных) сил взаимодействия колеса с рельсом, включающий в себя цельнокатаную колесную пару вагона с диаметрами колес 950 мм или 1050 мм, две мостовые схемы, расположенные на концентрических окружностях с радиусами 182, 186 или 282 мм по обеим сторонам диска колеса с тензорезисторами, включенными последовательно-параллельно в два противоположных плеча моста по четыре датчика с угловым интервалом между ними 45° для измерения деформаций диска колеса и определения вертикальных и боковых сил, действующих от колеса на рельс, токосъемное устройство, балансировочный блок, усилитель и шлейфовый осциллограф (А.К. Шафрановский «Непрерывная регистрация вертикальных и боковых сил взаимодействия колеса и рельса». Труды «ВНИИЖТ», Выпуск 308, Глава I, раздел 2, раздел 3 и Глава II, раздел 1, раздел 3, «Транспорт», Москва, 1965 г.) - аналог.
Известный метод заключается в раздельном измерении тензорезисторами деформаций диска колеса, зависящих только от одной силовой компоненты, и преобразовании их в электрический сигнал, пропорциональный вертикальной и боковой силам, действующим вблизи контакта колеса с рельсом. Недостатками указанного метода являются погрешности в определении вертикальной силы от 12% до 14% и боковой 8,6% - из-за неравномерной чувствительности тензорезисторов за оборот колеса и низкой тензочувствительности при соединении их в одну измерительную схему, низкая надежность работы токосъемника, невозможность проведения автоматической обработки сигналов сил из-за неопределенности нулевой линии в записях процессов.
Известно устройство для измерения вертикальных и боковых сил взаимодействия между колесом и рельсом, содержащее железнодорожную колесную пару, тензорезисторы, включенные в полумостовые схемы из четырех тензорезисторов, размещенных по разные стороны оси на диаметрах с наружной и внутренней сторонах диска колеса, токосъемник, тензометрические усилители, синхронизирующий и тактовый генераторы, блок управления, блоки электронных ключей вертикальной и боковой сил и блоки определения направления действия боковой силы, тензорезисторы трех полумостовых схем на внутренней стороне диска колеса установлены на диаметрах с радиусом 0,6-0,7 радиуса колеса и соседние диаметры сдвинуты относительно друг друга на 30°, а тензорезисторы трех полумостовых схем на наружной стороне диска колеса установлены на диаметрах с радиусом 0,6-0,8 радиуса колеса, у которых соседние диаметры также сдвинуты относительно друг друга на угол 30° (авторское свидетельство СССР №1312412, МПК: G01L 1/22, G01L 5/16, опубл. 23.05.1987 г.) - аналог.
При использовании известного решения последовательно измеряют двенадцать точечных информативных значений вертикальных и боковых сил за оборот колеса, т.е. через 0,25 м по протяженности пути, что дает возможность оценки влияния коротких неровностей пути на характеристики силового взаимодействия колеса с рельсом и позволяет повысить точность определения коэффициента запаса устойчивости колеса против схода с рельса. Недостатками указанного устройства являются ошибки в определении вертикальных сил взаимодействия колеса с рельсом при изменении поперечного положения колеса относительно рельса, а также низкая надежность работы токосъемника. Кроме того, известное решение не позволяет проводить измерения вертикальных и боковых сил по двум дискам колесной пары одновременно из-за ограниченного числа каналов токосъемников, расположенных в правом и левом буксовых узлах колесной пары, что значительно снижает функциональные возможности измерительной колесной пары.
Известно устройство для измерения вертикальных и боковых сил взаимодействия колеса с рельсом, содержащее железнодорожную колесную пару, тензорезисторы, включенные диаметрально в полумостовые тензометрические схемы и размещенные по разные стороны от оси на концентричных диаметрах внутренней стороны дисков колес, 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 приема сигналов и бортовым компьютером (патент РФ №2441206 C1, МПК: G01L 5/16, G01L 1/22, опубл. 27.01.2012 г.) - прототип.
В известном решении раздельно измеряют четыре информативных значения силовых компонент за оборот колеса на каждом из дисков колесной пары и рассчитывают истинные значения вертикальных и боковых сил с учетом масштабных коэффициентов, корректирующих неравномерную чувствительность тензорезисторов. Недостатком известного решения является небольшое количество измерений за оборот колеса, а большой интервал между последовательными измерениями за оборот колеса (0,75 м) не дает возможности точного определения коэффициента запаса устойчивости колеса против схода с рельса, так как путь схода составляет примерно 0,6 м. Кроме того, известное решение не позволяет измерять составляющие вертикальных и боковых сил, возникающие при прохождении колеса по коротким неровностям пути, таким как стыковые неровности и волнообразный износ поверхности катания рельса.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое решение, является повышение точности измерения сил взаимодействия колеса с рельсом и технических показателей устройства за счет уменьшения, вплоть до полного исключения, влияния на измерения вертикальных сил, поперечного смещения колеса относительно рельса, и расширения частотного диапазона измеряемых вертикальных и боковых (горизонтальных) сил, возникающих в контакте колеса с рельсом при прохождении по геометрическим, стыковым неровностям пути и волнообразным неровностям на поверхности катания рельса.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для измерения вертикальных и боковых сил взаимодействия между колесом и рельсом содержит железнодорожную колесную пару, тензометрические датчики (тензодатчики), размещенные на внутренней стороне диска колеса по разные стороны от оси на концентричных диаметрах внутренней стороны дисков колес (диаметрально на концентричных окружностях - по два на каждом диаметре) и включенные в полумостовые схемы, тензометрические усилители, програмируемый контроллер, блок передачи сигналов по радиоканалу, связанный с блоком приема сигналов и бортовым компьютером, причем на наружной стороне диска колеса диаметрально расположены включенные в полумостовые схемы тензорезисторы - по два на каждом диаметре, которые размещены в створе с тензорезисторами на внутренней стороне, а угол α между соседними диаметрами на внутренней или наружной стороне диска колеса, на которых размещены диаметрально расположенные тензодатчики, составляет от 36° до 60° дуги окружности.
Устройство, характеризующееся тем, что содержит датчик угла набегания колеса на рельс.
Устройство, характеризующееся тем, что снабжено флеш-накопителем и GSM-приемником.
Устройство, в котором тензорезисторы, расположенные на внутренней стороне диска колеса установлены на диаметрах 0,6-0,7 диаметра колеса, а тензорезисторы, расположенные на наружной стороне диска колеса, установлены на диаметрах 0,6-0,8 диаметра колеса.
Заявляемое устройство конкретизировано на фиг. 1-12, где на фиг. 1 изображена блок-схема устройства для измерения вертикальных и боковых сил взаимодействия между колесом и рельсом, на фиг. 2 - расположение элементов устройства на железнодорожной колесной паре, на фиг. 3 - размещение схем тензорезисторов для измерения вертикальных и горизонтальных сил на диске колеса, на фиг. 4 и фиг. 5 - соединение тензорезисторов в схемы соответственно для измерения вертикальных и боковых сил для каждого диска, на фиг. 6-12 сигналы схем измерения соответственно вертикальных и боковых сил.
n
Устройство для измерения вертикальных и боковых сил взаимодействия между колесом и рельсом (фиг. 1, 2 и 3) содержит железнодорожную колесную пару 1, тензорезисторы (R) 2, включенные диаметрально в тензометрические полумостовые схемы 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, предназначенные для измерения вертикальных сил и размещенные на внутренней 11 и наружной 12 сторонах диска 13 колеса 14 на диаметрах 15, 16, 17 и 18, и тензометрические полумостовые схемы 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25 и 26, предназначенные для измерения горизонтальных сил и размещенные на внутренней 11 стороне диска 13 колеса 14 на диаметрах 15, 16, 17 и 18. Устройство содержит также тензометрические усилители 27 и 28, программируемый контроллер 29, блок определения угла набегания колеса на рельс 30, флеш-накопитель 31, блок передачи сигнала по радиоканалу 32, принимающее устройство 33, бортовой компьютер 34 и блок GPS 35.
Конструктивные особенности заявляемого устройство и особенности его работы описаны ниже.
Достижение заявляемого технического результата при использовании заявляемого устройства, а именно повышение точности (достоверности) измерения сил взаимодействия колеса с рельсом и расширение круга решаемых задач (функциональных возможностей), происходит за счет расширения частотного диапазона измеряемых сил путем суммирования сигналов со схем измерения каждой из измеряемых сил и получения в результате за оборот колеса непрерывного сигнала вертикальной и боковой сил (что зависит от величины угла α), исключения влияния на точность измерения вертикальных сил изменения поперечного смещения колеса относительно рельса.
n
Размещение тензорезисторов (R) по два на каждом диаметре позволяет получать при качении колеса по рельсу с каждой измерительной схемы периодический сигнал, что дает возможность с помощью фильтров верхних частот либо программным путем отфильтровывать постоянную составляющую сигналов сил, возникающую в результате несбалансированности полумостовых схем из-за разброса номиналов тензорезисторов, дрейфа нуля измерительных усилителей в зависимости от температуры окружающей среды и др. Размещение тензорезисторов на дуге окружности с угловым интервалом от 36° до 60° позволяет из сигналов, вырабатываемых отдельными полумостовыми схемами при качении колеса по рельсу, сформировать непрерывный сигнал о величинах сил за оборот колеса (по протяженности пути). Увеличение углового интервала между тензорезисторами более 60° приводит к невозможности измерений непрерывного сигнала измеряемых сил из-за снижения среднего значения и завышения среднего квадратического отклонения сигналов сил. Уменьшение углового интервала между тензорезисторами менее 36° также сопровождается снижением точности измерений за счет завышения среднего значения и завышения среднего квадратического отклонения сигналов сил и невозможностью измерения непрерывного сигнала. Таким образом, при расположении тензорезисторов за пределами указанного углового интервала можно говорить только о точечных измерениях по протяженности пути в ограниченном частотном диапазоне, зависящем от количества тензорезисторов на окружности колеса.
При качении железнодорожной колесной пары 1 по рельсам сигналы от тензорезисторов 2 с полумостовых тензометрических схем 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 и 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25 и 26, подключенных к входам тензометрических усилителей 27 и 28, поступают на входы программируемого контроллера 29. Одновременно, для оптимизации полученных результатов на вход программируемого контроллера может поступать сигнал с блока определения угла набегания колеса на рельс, работающего на сравнении фаз сигналов, подающихся от схем измерения боковых сил, размещенных на разных дисках колеса в створе друг с другом. Сигналы, поступившие с полумостовых тензометрических схем 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9,10, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25 и 26 и блока 30 определения угла набегания колеса на рельс, передаются передающим устройством 32 по радиоканалу через приемное устройство 33 на бортовой компьютер и одновременно записываются на флеш-память 31. На бортовом компьютере сигналы вертикальных сил (фиг. 6), смещенные друг относительно друга, например, на 45° в результате качения колесной пары по рельсам, обрабатываются и суммируются по модулю со своими масштабными коэффициентами, в результате суммирования на выходе получается непрерывный сигнал вертикальной силы по протяженности пути (фиг. 13). Результат с непрерывным значением сигнала вертикальной силы путем суммирования сигналов с разных измерительных схем будет получен при условии размещения на диаметрах, с углом смещения α между соседними диаметрами от 36° до 60°, от шести до десяти (например, восьми тензорезисторов, что соответствует α=45°), оптимально с равными интервалами, любое другое включение приводит к возникновению дополнительной погрешности в суммарном сигнале и не обеспечивает выполнение заявляемого технического результата.
Расположение тензорезисторов на внутренней стороне диска колеса на диаметрах 0,6-0,7 диаметра колеса и на наружной стороне диска колеса на диаметрах 0,6-0,8 диаметра колеса соответствует оптимальному результату, однако для каждой колесной пары эти диаметры выбираются в зависимости от индивидуальных особенностей колеса, т.е. от точности его изготовления, и определяются для каждой колесной пары.
Одновременно, по сигналам, поступающим со схем измерения горизонтальных сил (фиг. 7), определяется направление действия горизонтальной силы, проводится суммирование сигналов сил со своими масштабными коэффициентами и на выходе получается непрерывный сигнал боковой силы, действующий от колеса на рельс, в зависимости от направления действия наружу или вовнутрь колеи.
На фиг. 8 показан сигнал измерительной схемы, размещенной на диаметре 15, на фиг. 9 показан сигнал измерительной схемы, размещенной на диаметре 16, фиг. 10 - сигнал измерительной схемы, размещенной на диаметре 17, на фиг. 11 - сигнал измерительной схемы, размещенной на диаметр 18, а на фиг. 12 показан суммарный непрерывный сигнал от всех измерительных схем, размещенных на диаметрах 15, 16, 17 и 18.
Введение в полумостовые схемы измерения вертикальных сил дополнительных тензорезисторов, размещенных на наружной стороне диска колеса, датчика определения угла набегания колеса на рельс, флеш-накопителя информации, реализующего запись сигналов сил, измеренных под опытным вагоном, расположенным в любой части поезда вдали от приемного устройства, GSM-приемника, формирование непрерывных сигналов вертикальных и боковых сил позволяет повысить точность измерения сил взаимодействия между колесом и рельсом объектов железнодорожного транспорта, улучшить технические показатели устройства и обеспечить его применение при определении критериев безопасности от схода с рельсов, износов и контактной повреждаемости поверхности рельсов и кругов катания и гребней колес, исследовании процессов высокочастотных колебаний пути и неподрессоренных масс вагонов с привязкой к плану и продольному профилю железнодорожного пути.