Способ и устройство измерения величины и направления продольных динамических реакций в поезде
METHOD AND APPARATUS FOR MEASURING THE MAGNITUDE AND DIRECTION OF LONGITUDINAL DYNAMIC REACTIONS IN A TRAIN

Способ и устройство измерения величины и направления продольных динамических реакций в поезде позволяют измерять значение и направление действия продольных ускорений, действующих на локомотивы и вагоны. Известен ряд устройств для измерения продольных динамических реакций в поездах: в первую очередь это динамометры различных конструкций - механические, гидравлические и тензоизмерительные; во вторую очередь это устройства, обеспечивающие измерение ускорений вагонов и локомотивов.
Механические динамометры, такие как описанные в Патентах СССР №4723 от 29.02.1928 [1], №8701 от 30.03.1929 [2], отображают перемещения элементов сцепки вагонов в виде следа на бумажной ленте, при этом скорость протяжки ленты зависит от скорости движения поезда, определяемой по скорости вращения «свободной» (не оборудованной тормозом) колесной пары динамометрического вагона. Такие динамометры имели малую разрешающую способность и слабо подходили для изучения быстротекущих динамических процессов из-за ограничения на скорость протяжки бумажной ленты при движении поезда с малыми и средними скоростям - это приводило к наложению нескольких штрихов писца и не позволяло регистрировать колебания с малой длительностью периода. Кроме того, часто механические динамометры предназначались только для измерения растягивающих сил и физически не могли регистрировать сжимающие силы в поезде. Это объясняется тем, что основной задачей при использовании паровозной тяги для вождения относительно коротких поездов из 30-35 вагонов было определение достаточности тяги паровоза для ведения поезда, а тормозные средства того времени не приводили к возникновению опасных сил в поезде.
Гидравлические динамометры, такие как описанные в Патентах СССР №19831 от 31.03.1931 [3], №51589 от 31.08.1937 [4] или в «Теории локомотивной тяги» [5], используют принцип измерения гидростатического давления в замкнутом объеме при изменении сил, приложенных к автосцепке вагона. Для этого в конструкцию автосцепного устройства вагона включается гидравлические диафрагменные кассеты, которые, при изменении нагрузки на автосцепку, измеряют давление жидкости в закрытом объеме под диафрагмой. Изменение давления жидкости под диафрагмой регистрируют визуально или с помощью манометра, установленного внутри динамометрического вагона и проградуированного в единицах силы, приложенной к сцепному устройству.
Гидравлические динамометры позволяют измерять и растягивающие, и сжимающие силы. Использование таких динамометров ограничено необходимостью изготовления вагона специальной конструкции. Кроме того, гидравлические динамометры требуют компенсации погрешностей измерений, связанных с изменением температуры наружного воздуха и температуры, а соответственно и давления масла внутри динамометра.
Тензоизмерительные динамометры, описывающиеся в Патенте СССР №1111915 [6] от 07.09.1984 или в [5], или в Патенте США №4042810 [7] от 16.08.1977, обладают возможностью преобразования деформаций контролируемой детали в пропорциональную величину изменения электрического сигнала. Тензоизмерительные динамометры получили распространение после перевода подвижного состава на автоматические и полуавтоматические сцепки. Известна (Патент СССР №1111915) динамометрическая автосцепка, широко используемая в вагонах-лабораториях для проведения тяговых испытаний и позволяющая непосредственно измерять и контролировать продольные динамические усилия, в том числе реализуемые в различных сечениях грузового поезда при его движении в режимах тяги и торможения. Известна технология контроля продольной динамики, которая предполагает использование тензометрических автосцепок, устанавливаемых на специализированных вагонах-лабораториях и на нескольких вагонах в различных сечениях грузового поезда [8].
Тензометрическая автосцепка имеет точно такую же конструкцию, как и стандартная автосцепка типа СА-3. Изготовление тензометрических автосцепок заключается в наклейке тензодатчиков на подготовленный участок хвостовой части автосцепки или на тензометрический клин, после чего такие автосцепки тарируются с помощью гидравлического пресса с целью установления соотношения между прикладываемой продольной силой и изменением напряжения на выходе тензодатчиков.
Недостатком указанного способа является то, что процедура установки предварительно подготовленных тензометрических автосцепок требует значительных затрат времени на маневровую работу и технологические операции по демонтажу обычных автосцепок и установке на вагоны тензоизмерительных сцепок и измерительного оборудования. Проведение таких измерений возможно лишь в сертификационных центрах при бойковых испытаниях вагонов или периодически в эксплуатационных испытаниях, проводимых с участием специалистов ВНИИЖТ, исследователей заводов-изготовителей и специализированных лабораторий.
Использование тензометрических автосцепок в постоянной эксплуатации невозможно как ввиду недолговечности работы приклеиваемых к поверхности хвостовика автосцепки тензосопротивлений, так и из-за необходимости периодической тарировки тензометрических автосцепок. Кроме того, демонтаж автосцепки при ремонте вагона и выполнение технологических ремонтных операций - наплавка, заварка трещин, требует предварительного нагрева корпуса автосцепки до температур, при которых ранее установленные тензодатчики выходят из строя.
Тензометрические клинья позволяют изучать динамические процессы только в области действия сил растяжения, так как конструктивная особенность автосцепки СА-3 не предусматривает участия клина в силовых взаимодействиях при сжатии автосцепки. Такое ограничение не позволяет получить полноценной информации о продольных силах в поездах при использовании пневматического и электродинамического (реостатного, рекуперативного) торможения, при работе подталкивающих локомотивов, в сдвоенных поездах и при распределенной тяге.
Еще одним классом устройств, обеспечивающих измерение продольной динамики в поездах, являются регистраторы ускорений: устройство регистрации ускорений поезда УРУП-1 производства ЗАО «НПП "Тормо"» (регистрационный №19591-00 в Государственном реестре средств измерений) [9]; регистратор режимов ведения пассажирского поезда РРВ-1 производства ЗАО «НПП "Тормо"» (рег. №21437-01 в Гос. реестре СИ) [10]; измеритель универсальный локомотивный продольных, поперечных и вертикальных ускорений ЛИРУ-ЕКС производства ЗАО «ОЦВ» (рег. №30161-05 в Гос. реестре СИ) [11].
Все перечисленные виды динамометров и устройств измерения ускорений обеспечивают измерение амплитуды и времени действия продольных сил, но не обеспечивают определения направления действия этих сил. При установке динамометрического вагона или автономного регистрирующего устройства в средней части поезда и рывок, пришедший из головной части, и толчок от хвостовой части поезда будут восприниматься записывающей аппаратурой как однотипные сигналы. Это не позволяет обеспечить качественный и объективный анализ режима ведения поезда. Особенно явным такой недостаток становится при исследовании продольной динамики в длинносоставных, сдвоенных поездах и в поездах с распределенной тягой или подталкиванием.
Зарубежные производители также предлагают регистраторы ускорений вагонов поезда на базе датчиков ускорений (акселерометров): MSR165 производства MSR Electronics GmbH [12]; регистраторы ускорений на базе акселерометров LSBC-R Series производства компании Jewell Instruments ГГС [13]. В зарубежной литературе описано большое количество применений акселерометров как для контроля состояния пути и экипажной части железнодорожного подвижного состава, так и для оценки уровня комфорта для пассажиров, однако сведения о возможности измерения направления действия динамической реакции в инженерных и технических описаниях известных систем отсутствуют.
Несмотря на обширное число отечественных и зарубежных публикаций о научных исследованиях и моделировании продольной динамики в поездах [14, 15, 16, 17], описание способов выявления направления распространения динамических реакций в поездах также отсутствует.
Таким образом, известные в России и за рубежом конструкции динамометров и регистраторов ускорений не позволяют идентифицировать направление действия продольных сил в поездах, что создает препятствия при анализе результатов опытных поездок и мониторинговых измерений. При отсутствии надежного способа регистрации направления действия сил автоматизация обработки результатов измерений становится невозможной. Это существенно ограничивает объем данных, на основе которых принимаются решения о рекомендуемых машинистам режимам вождения поездов или на основе которых создаются алгоритмы и электронные режимные карты ведения поезда для систем автоведения.
С целью устранения недостатков описанных выше устройств измерения продольных сил и ускорений, действующих на вагоны и локомотивы, предлагается новый способ и устройство измерения продольных динамических реакций в поездах, обеспечивающие измерение как амплитуды, так и направления продольных ускорений вагонов, отличающиеся тем, что вывод о направлении действия динамической реакции осуществляется на основе анализа временного сдвига сигналов двух датчиков ускорений, установленных на соседние вагоны.
Способ заключается в том, что при помощи двух датчиков ускорений, установленных на смежные вагоны, регистрируются сигналы, пропорциональные амплитуде ускорений и измеряется временной сдвиг между этими сигналами. Если датчики установлены на два смежных вагона А и В, причем вагон А находится со стороны головной части поезда, а вагон Б - со стороны хвостовой части поезда, то появление сигнала сначала на датчике вагона А, а затем на датчике вагона Б будет соответствовать продольной динамической реакции имеющей направление от головы к хвосту поезда. В обратном случае направление действия продольной динамической реакции будет соответствовать направлению от хвоста к голове поезда. Измеренные значения отождествляются с астрономическим временем и, возможно, с текущими координатами месторасположения вагона, а затем могут быть сохранены на локальный накопитель данных или переданы на вагон-лабораторию, локомотив или центр мониторинга по проводным или беспроводным каналам передачи данных. Предлагаемый способ обеспечивает существенное повышение качества измерений продольных динамических реакций в любом сечении поезда и позволяет обеспечить систематический сбор данных для автоматизированной обработки и последующего автоматизированного анализа. Таким образом, заявляемые способ и устройство соответствуют критерию изобретения «новизна».
Предлагаемое по заявляемому способу устройство (Рисунок 1) состоит из основного измерительного блока 1, построенного на базе микроконтроллера 2 со встроенным датчиком ускорений 3, выносного датчика 4, источника питания 5, коммуникационного модуля 6, навигационного модуля 7 и хранилища данных 8. Основной измерительный блок 1 устанавливается на торец одного из вагонов поезда, а дополнительный выносной датчик 4 прикрепляется к торцу соседнего вагона. Сбор данных может производиться локально, с записью данных на хранилище данных 8 или с использованием передачи данных по радиоканалу с использованием коммуникационного модуля 6.
Несмотря на то, что исследование динамики железнодорожного подвижного состава с использованием датчиков ускорений (акселерометров) является широко распространенным техническим решением, ни одно из известных устройств не позволяет определить направление действия продольной динамической реакции, что подтверждает изобретательский уровень заявляемого решения.
Крепление измерительного блока 1 и выносного датчика 4 к конструкционным частям вагона осуществляется при помощи магнита. Это обеспечивает простоту монтажа и демонтажа измерительного оборудования.
Технико-экономический эффект применения способа и устройства заключается в получении достоверной информации о природе продольных динамических реакций, возникающих при вождении поездов, снижении временных и финансовых затрат на проведение тяговых и тормозных испытаний в поездах. Применение устройства позволяет получить объективную информацию о продольной динамике в поезде и обеспечить безопасность движения при увеличении длины поездов, при освоении вождения поездов с распределенной тягой, при внедрении систем автоматизации ведения поезда.
1. Патент СССР №4723. Динамометр [Текст] / Б.П. Дикова. Опубл. 29.02.1928.
2. Патент СССР №8701. Устройство для измерения мощности на упряжном крюке локомотива. [Текст] / В.Д. Орлов. Опубл. 30.03.1928.
3. Патент СССР №19831. Тяговый динамометр. [Текст] / Е.М. Харитонченко. Опубл. 31.03.1931.
4. Патент СССР №51589. Устройство для измерения тяговых усилий локомотива. [Текст] /В.Н. Буркович, И.М. Волков. Опубл. 31.08.1937.
5. Кузьмич В.Д., Руднев B.C., Френкель С.Я., Теория локомотивной тяги, Изд-во «Маршрут», М. - 2005.
6. Патент СССР № SU 1111915 А, Сцепное устройство динамометрического вагона. [Текст] / В.И. Бахолдин, Р.Д. Сухих, Г.С. Афонин, Н.Л. Билинчук, Л.А. Собенин, Ф.Ф Сабуров. Опубл. 07.09.1984. Бюлл. №33.
7. Патент США №4042810 Method and apparatus for facilitating control of a railway train. [Текст] JohnE. Duncan. Опубл. 16.08.1977.
8. Вершинский С.В., Данилов В.Н., Хусидов В.Д. Динамика вагона: Учебник для вузов ж.д. трансп./Под ред. С.В. Вершинского. - 3-е изд., перераб. и доп. - М., Транспорт, 1991, 360 с.
9. Устройство регистрации ускорений поезда УРУП-1 [Электронный ресурс]. https://all-pribors.ru/docs/19591-00.pdf
10. Регистратор режимов ведения пассажирского поезда РРВ-1 [Электронныйресурс], https://all-pribors.ru/docs/21437-01.pdf
11. Измеритель универсальный локомотивный продольных, поперечных и вертикальных ускорений ЛИРУ - ЕКС [Электронный ресурс], https://all-pribors.ru/docs/30161-05.pdf
12. MSR data loggers to measure rail transportation comfort and for driving safety tests at Stadler Rail [Электронный ресурс], https://www.msr.ch/en/msr-data-loggers-to-quantify-rail-transportation-comfort-for-stadler-rail/
13. Jewell_SC_Data-Sheet-Draft_LSBC-R.pdf [Электронный ресурс], http://jewellinstruments.com/wp-content/uploads/2013/11/Jewell_SC_Data-Sheet-Draft_LSBC-R.pdf
14. Simon Iwnicki. Handbook of Railway Vehicle Dynamics. CRC Press. 2006. 552 p. DOI: 10.1201/9781420004892
15. Simon Iwnicki, Maksym Spiryagin, Colin Cole, Tim McSweeney. Handbook of Railway Vehicle Dynamics, Second Edition. CRC Press. 2020. 913 p. ISBN 9781138602854
16. Qing Wu, Maksym Spiryagin & Colin Cole (2016) Longitudinal train dynamics: an overview, Vehicle System Dynamics, 54:12, 1688-1714, DOI: 10.1080/00423114.2016.1228988
17. Simulation and time-frequency analysis of the longitudinal train dynamics coupled with a nonlinear friction draft gear [Электронный ресурс]. https://www.degruyter.com/document/doi/10.1515/nleng-2020-0003/html