УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕСТИРОВАНИЯ ТРИБОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ КОНТАКТНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ РЕЛЬСОВ

Устройство для тестирования трибологического состояния контактных поверхностей железнодорожных рельсов относится к измерительным устройствам, использующим лазерное излучение для определения шероховатости поверхности с последующим преобразованием полученных значений в соответствующие значения коэффициента трения.
Известно устройство для измерения коэффициента трения между колесом и рельсом, связанное с определением сил трения, включающее установленный на П-образной раме измерительный ролик, который имитирует колесо транспортного средства, прижимаемый к рельсу с помощью съемных грузов с определенным усилием, т.е. позволяет обеспечить различное давление от колеса на рельс, и кинетически связанный с затормаживающим механизмом. С целью повышения точности измерения затормаживающий механизм выполнен в виде упругой пластины, оборудованной тензометрическими датчиками, а по обеим сторонам ролика установлены щечки с желобами, к которым прикреплен своими концами тросик, осуществляющий кинематическую связь измерительного ролика с пластиной. Измерительный ролик, может быть выполненным цилиндрическим. (SU, авторское свидетельство №492412, МПК В61К 13/00, G01N 19/02, опубл. 25.11.1975 г.).
Недостатком этого устройства является то, что измерительный ролик контактирует с рельсом, ограничивая тем самым возможность проведения измерения коэффициента трения и сил трения на поверхности катания рельса при больших скоростях перемещения устройства для измерения сил трения по рельсу.
Известно устройство для измерения коэффициента трения между колесом и рельсом, включающее раму с измерительным роликом, выполненным с возможностью вращения и взаимодействия с поверхностью рельса, опорные ролики, шарнирно закрепленные на раме, упругую пластину с тензодатчиком, установленную на раме и кинематически связанную посредством тросика с измерительным роликом, нагружающую балку с тензодатчиками, закрепленную на раме и кинематически связанную с измерительным роликом. Рама снабжена винтовым соединением для регулировки нагрузки на измерительный ролик и двумя опорами, которые выполнены с возможностью регулировки  их углового положения и один конец которых соединен с соответствующей боковой стойкой рамы. (RU, патент №2395422, МПК В61К 13/00, G01N 19/02, G01M 17/08, опубл. 27.07.2010 г. )
Недостатком этого устройства является то, что измерительный ролик контактирует с рельсом, ограничивая тем самым возможность проведения измерения коэффициента трения и сил трения на поверхности катания рельса при больших скоростях перемещения устройства для измерения сил трения по рельсу.
Известно устройство для измерения сил трения между колесом и рельсом, содержащее рельсовую тележку, состоящую из рамы, двух опорных колес для передвижения по рельсу, на котором производятся измерения, направляющих роликов, опираемых на противоположный рельс, на которой смонтирована тензометрическая измерительная система, и блоком преобразования электрических сигналов, соединенным проводами с тензометрическим элементом. Измерительная система снабжена регулируемым нагружателем, имитирующим давление колеса транспортного средства на рельс, индентором в форме шарика и механизмом подвода регулируемого нагружателя к рельсу. Регулируемый нагружатель установлен на раме шарнирно через ось фланца крепления к ней для изменения положения относительно оси фланца крепления с рамой для установки точно в требуемой зоне головки рельса и соединен тягой с тензометрическим элементом. Механизм подвода регулируемого нагружателя к рельсу выполнен в виде отжимного рычага с тросом, который соединен со штоком регулируемого нагружателя. (RU, патент №2220410, МПК G01M 17/08, В61К 13/00, опубл. 27.12.2003 г. )
Недостатком этого устройства является то, что измерительный индентор в форме шарика контактирует с рельсом, ограничивая тем самым возможность проведения измерения коэффициента трения и сил трения на поверхности катания рельса при больших скоростях перемещения устройства для измерения сил трения между колесом и рельсом для измерения сил трения между колесом и рельсом.
Известно устройство для определения шероховатости поверхности, содержащее лазер, эллипсоидальное зеркало, первый фокус которого расположен на оси зондирующего лазерного пучка, а выходное отверстие размещено на оси зеркально отраженной компоненты света, фотоприемник, установленный во втором фокусе эллипсоидального зеркала и электрически соединенный с блоком обработки информации. В этом устройстве в качестве эллипсоидального зеркала используют эллипсоид вращения, что позволяет использовать устройство как для контроля качества поверхности, так и для определения шероховатости по измерению суммарной (интегральной) интенсивности диффузно отраженной компоненты света. (DE, патент №3626724, МПК G01B 11/30, опубл. 16.06.1994 г. ).
Недостатками этого устройства являются нестабильность интенсивности источника излучения, не учитывающаяся при измерении интенсивности диффузной компоненты, которая вносит погрешности в определение шероховатости и невозможность определения шероховатости при перемещении устройства относительно поверхности, шероховатость которой определяется.
Известно устройство для определения шероховатости поверхности, взятое за прототип, включающее лазер, эллипсоидальное зеркало, первый фокус которого расположен на оси зондирующего лазерного пучка, а выходное отверстие размещено на оси зеркально отраженной компоненты света, первый фотоприемник, установленный во втором фокусе эллипсоидального зеркала, и блок обработки информации, электрически соединенный с первым фотоприемником. Это устройство дополнительно содержит второй фотоприемник, установленный на оптической оси зеркальной компоненты отраженного света, оптически сопряженный с выходным отверстием эллипсоидального зеркала и электрически соединенный с блоком обработки информации. (RU, патент №2156437, G01N 11/30, опубл. 20.09.2000 г. )
Недостатками этого устройства является невозможность определения шероховатости при перемещении устройства относительно поверхности, шероховатость которой определяется.
Техническим результатом полезной модели является создание устройства для тестирования трибологического состояния контактных поверхностей железнодорожных рельсов, осуществляющего бесконтактное определение коэффициента трения через определение шероховатости поверхности катания и/или боковой грани головки рельса в зависимости от их трибологического состояния во всем диапазоне скоростей движения железнодорожного транспортного средства, на котором оно установлено, независимо от колебаний, возникающих при его движении относительно рельсов.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для тестирования трибологического состояния контактных поверхностей железнодорожных рельсов, состоящее из блока определения шероховатости поверхности рельсов, включающего лазер и фотоприемник, и блока управления и обработки информации, электрически связанных между собой, дополнительно содержит механизм стабилизации, связанный с блоком определения шероховатости поверхности рельсов, в котором дополнительно размещено не менее одного датчика, определяющего изменение положения блока определения шероховатости поверхности рельсов относительно заданного положения и электрически связанного с блоком управления и обработки информации.
На фиг. изображена структурная схема устройства для тестирования трибологического состояния контактных поверхностей железнодорожных рельсов.
Устройство для тестирования трибологического состояния контактных поверхностей железнодорожных рельсов, расположенное на железнодорожном транспортном средстве (на рис. не показано) состоит из блока 1 определения шероховатости, который содержит лазер 2, соединенный электрической связью 3 с блоком 4 управления и обработки информации и предназначенный для генерирования лазерного луча, направленного на контактные поверхности 5 железнодорожных рельсов 6, фотоприемник 7, соединенный электрической связью 8 с блоком 4 управления и обработки информации и предназначенный для приема отраженного лазерного луча, не менее одного датчика 9 положения блока 1 определения шероховатости, соединенного электрической связью 10 с блоком 4 управления и обработки информации и механизм 11 стабилизации в заданном положении блока 1 определения шероховатости относительно контактных поверхностей железнодорожного рельса, соединенный электрической связью 12 с блоком 4 управления и обработки информации.
Устройство для тестирования трибологического состояния контактных поверхностей железнодорожных рельсов работает следующим образом.
При движении рельсового транспортного средства лазерный луч, генерируемый лазером 2 под острым углом, падает на контактную поверхность железнодорожного рельса, сканирует ее и, отразившись от неровностей профиля контактной поверхности железнодорожного рельса, попадает в фотоприемник 7, регистрирующий интенсивность отраженного лазерного луча. Сигналы с фотоприемника 7 через электрическую связь 8 поступают в блок 4 управления и обработки информации, осуществляющий определение шероховатости контактной поверхности железнодорожного рельса в зависимости от ее трибологического состояния, то есть наличия и толщины слоя смазочного материала на контактной поверхности железнодорожного рельса, с последующим преобразованием полученных значений в соответствующие значения коэффициента трения. Чем больше толщина слоя смазочного материала на тестируемой контактной поверхности железнодорожного рельса, тем больше интенсивность отраженного лазерного луча и, следовательно, меньше шероховатость и, соответственно, меньше значение коэффициента трения.
Датчик 9 положения определяет действительное положение (пространственные координаты) блока 1 определения шероховатости относительно контактной поверхности железнодорожного рельса в режиме реального времени и по электрической связи 10 передает сигналы в блок 4 управления и обработки информации. В блоке 4 управления и обработки информации производится сравнение действительного положения (пространственных координат) блока 1 определения шероховатости относительно контактной поверхности железнодорожного рельса в каждый обозначенный момент времени с заданным положением блока 1 определения шероховатости относительно контактной поверхности железнодорожного рельса, обеспечивающим сканирование и отражение лазерного луча от контактной поверхности железнодорожного рельса. При несовпадении действительного положения блока 1 определения шероховатости с его заданным положением блоком 4 управления и обработки информации определяется ошибка стабилизации и по электрической связи 12 механизму 11 стабилизации передается управляющий сигнал (сигналы), пропорциональный ошибке стабилизации. При получении управляющего сигнала механизм 11 стабилизации возвращает блок 1 определения шероховатости в заданное положение. Датчик 9 положения вырабатывает управляющий сигнал относительного положения блока 1 определения шероховатости и подает его на блок 4 управления и обработки информации до полного совпадения действительного положения блока 1 определения шероховатости с его заданным положением относительно контактной поверхности железнодорожного рельса. При обеспечении режима стабилизации блок 4 управления и обработки информации постоянно контролирует положение блока 1 определения шероховатости относительно контактной поверхности железнодорожного рельса.
На одном железнодорожном транспортном средстве может быть установлено более одного устройства для тестирования трибологического состояния контактных поверхностей железнодорожных рельсов.