Трибометрический комплекс для измерения коэффициента трения между колесом и железнодорожным рельсом

Полезная модель относится к железнодорожному транспорту, а именно к оборудованию для определения коэффициента трения между колесом и рельсом и мест лубрикации с целью поддержания оптимального режима трения на поверхности рельса железнодорожного полотна.

Цель полезной модели - повышение достоверности и быстродействия измерений.

Указанная цель достигается тем, что в трибометрическом комплексе для измерения коэффициента трения между колесом и железнодорожным рельсом, содержащим тележку с колесами и возможностью перемещения по рельсам, установленные на ней, трибометр с измерительным роликом, оборудование для регистрации и обработки данных в виде датчиков трибометра, например тензометрических, и ЭВМ, а также источник автономного питания, по крайней мере, одно колесо тележки снабжено сервоприводом в виде шагового двигателя и датчика положений, трибометр снабжен измерительным стержнем с возможностью контакта с головкой рельса и перемещения в осевом направлении, измерительные ролик и стержень снабжены нагружателями с регуляторами нагрузки, например порошковыми или электромагнитными муфтами, а в состав оборудования введены устройства управления и контроля скоростью движения и нагрузкой на ролик и стержень трибометра.

Технический результат от использования заявляемого комплекса заключается в повышении достоверности и быстродействия при измерении коэффициента трения между колесом и железнодорожным рельсом.

Полезная модель относится к железнодорожному транспорту, а именно к оборудованию для определения коэффициента трения между колесом и рельсом и мест лубрикации с целью поддержания оптимального режима трения на поверхности рельса железнодорожного полотна.

Цель полезной модели - повышение достоверности и быстродействия измерений.

Трибометр [< гр. tribõ растираю + метр] - прибор для измерения сил трения и износостойкости трущихся поверхностей.

Лубрикатор [< лат. lubricare делать скользким, гладким] - прибор для смазки под давлением трущихся частей машин.

Уровень техники

Известно устройство для измерения коэффициента трения между колесом и рельсом, содержащее П-образную раму с опорными колесами, шарнирно установленный на ней измерительный ролик, прижимаемый к рельсу с помощью сменных грузов и кинематически связанный с затормаживающим механизмом в виде упругой пластины с тензометрическими датчиками, при этом по обеим сторонам ролика установлены щечки с желобами, к которым прикреплен тросик, намотанный на катушку и осуществляющий кинематическую связь измерительного ролика с пластиной, один из датчиков пластины включен в одно из плеч измерительного моста, в другое плечо измерительного моста включен второй датчик пластины, в измерительную диагональ моста включен шлейфовый осциллограф, электрически связанный с датчиком импульсов, установленного на раме для изображения на экране меток пройденного расстояния (А.С. СССР 492412, 1973 г., М. Кл. B61K 13/00, G01N 19/02, опубл. Бюл. 43, 1976 г.) [1].

При работе с известным устройством, предварительно перед началом замера, вращают катушку и наматывают на нее тросик до полного натяжения, затем раму устанавливают на рельс и собирают электрическую схему, присоединяя провода к осциллографу и источнику постоянного тока, перемещают устройство вдоль рельса на опорных колесах. Под действием силы трения измерительный ролик и щечки вращаются, наматывают тросик и вращают катушку, после максимального вытягивания тросика, последний изгибает пластину до тех пор, пока не произойдет срыв измерительного ролика из зацепления с поверхностью головки рельса. Механическая деформация пластины посредством тензометрических датчиков преобразуется в электрические сигналы, подаваемые на диагональ моста, в которую включен осциллограф, регистрирующий полученные данные, время и пройденный путь, по которым определяют значения коэффициента трения между колесом и рельсом.

Недостатками известного устройства являются недостаточные точность и достоверность определения коэффициента трения, а также необходимость предварительной настройки (намотки тросика).

Тензометр [лат. tendere натягивать, напрягать + метр] - прибор для измерения деформаций, вызываемых механическими напряжениями в твердых телах.

За прототип выбран трибометрический комплекс для измерения коэффициента трения на поверхности рельса по Патенту РФ 2390451, 2009 г., МПК B61K 9/00, опубл. 27.05.2010 г. [2].

Комплекс-прототип содержит тележку с опорными роликами и, установленные на ней переносной роликовый трибометр с тензодатчиками, автономный источник питания, например аккумуляторная батарея и оборудование для регистрации и обработки данных, состоящее из ЭВМ, тензоусилителя со встроенным аналого-цифровым преобразователем, соединенного линейным кабелем с датчиками трибометра и подсоединенного к ЭВМ с помощью интерфейса параллельного порта.

Комплекс-прототип работает следующим образом.

Перед проведением измерений осуществляют настройку оборудования комплекса, к тензоусилителю подсоединяют аккумулятор, и соединяют его с ЭВМ через интерфейс параллельного порта, затем включают питание. Все операции по настройке тензоусилителя производят через ЭВМ с помощью специального программного обеспечения. После включения тензоусилителя запускают упомянутую программу, производят в ней регистрацию подключенных устройств и настраивают измерительные каналы. В настройку входят: определение типа датчика, выставление измерительного диапазона, регулировка нуля, определение типа фильтра низких частот и его частоты среза.

После настройки измерительного оборудования комплекса приступают к измерениям.

Принцип действия комплекса заключается в измерении силы трения между измерительным роликом и поверхностью рельса.

Для проведения измерения трения, на выбранном участке пути трибометр снимается оператором с тележки и устанавливается на рельс так, чтобы опорные ролики касались его поверхности.

После того, как устройство устойчиво прижато опорными роликами к рельсу, оператор двигает его относительно рельса. После начала скольжения измерительного ролика для получения достаточной для обработки записи следует двигать комплекс в течение трех-четырех секунд. В это время роликовый трибометр будет фиксировать высокочастотные составляющие импульсов трения и при помощи тензодатчиков получать значения силы трения в виде осциллограммы. Тензодатчики трибометра преобразуют механическую деформацию в электрический сигнал, который проходит через тензоусилитель, АЦП и в цифровом виде записывается на ЭВМ. Тензодатчики таким же образом позволяют фиксировать нормальную силу, действующую на измерительный ролик. Отношение мгновенных значений силы трения и нормальной силы дает значение коэффициента сцепления.

Далее нагрузка снимается, и измерение повторяется заново.

Для обеспечения достаточного для статистической обработки количества значений трения необходимо выполнить 10-15 замеров для выбранного участка, что позволит получить от 10 до 20 точек для каждого замера. По ним определяется как математическое ожидание коэффициентов трения, так и их дисперсия.

Недостатками комплекса-прототипа являются недостоверность и недостаточная скорость измерений, обусловленные следующими причинами:

- невозможность перемещения тележки с необходимой, стабильной скоростью из-за отсутствия привода, контроля и управления скоростью движения;

- отсутствие контроля и управления вертикальной нагрузкой на измерительный ролик трибометра;

- невозможность одновременного измерения трения качения и трения скольжения.

Указанные недостатки устраняются тем, что в заявляемом трибометрическом комплексе для измерения коэффициента трения между колесом и железнодорожным рельсом, содержащим тележку с колесами и возможностью перемещения по рельсам, установленные на ней, трибометр с измерительным роликом, оборудование для регистрации и обработки данных в виде датчиков трибометра, например тензометрических, и ЭВМ, а также источник автономного питания, по крайней мере, одно колесо тележки снабжено сервоприводом в виде шагового двигателя и датчика положений, трибометр снабжен измерительным стержнем с возможностью контакта с головкой рельса и перемещения в осевом направлении, измерительные ролик и стержень снабжены нагружателями с регуляторами нагрузки, например порошковыми или электромагнитными муфтами, а в состав оборудования введены устройства управления и контроля скоростью движения и нагрузкой на ролик и стержень трибометра.

Раскрытие полезной модели

Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в следующем.

По мере интенсификации применения на железных дорогах смазки рельсов для безопасности и эффективности движения возникает необходимость в измерении коэффициента трения между колесом транспортного средства и головкой рельса железнодорожного полотна и определении мест лубрикации с целью поддержания оптимального режима движения и торможения колесного транспортного средства.

Известные устройства, использующие роликовые трибометры для решения обозначенной задачи, имеют недостатки:

- недостаточная достоверность результатов измерений из-за отсутствия контроля и управления скоростью движения тележки и вертикальной нагрузкой на измерительный ролик трибометра;

- невозможность одновременного измерения трения качения и трения скольжения.

Последний недостаток обусловлен способом измерения трения качения (с вращением ролика при торможении) и трения скольжения (без вращения ролика при торможении), что получить одновременно одним измерительным роликом невозможно.

Цель полезной модели - повышение достоверности и быстродействия измерений.

Для достижения поставленной цели целесообразно обеспечить, по крайней мере, одно колесо тележки сервоприводом в виде шагового двигателя и датчика положений, трибометр - измерительным стержнем с возможностью контакта с головкой рельса и перемещения в осевом направлении, а измерительные ролик и упомянутый стержень - нагружателями с регуляторами нагрузки, например порошковыми или электромагнитными муфтами, и кроме того, в состав оборудования ввести устройства управления и контроля скоростью движения и нагрузкой на ролик и стержень трибометра.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 изображен трибометрический комплекс для измерения коэффициента трения между колесом и железнодорожным рельсом, общий вид, в изометрии, на фиг.2 - то же, функциональная схема.

Трибометрический комплекс для измерения коэффициента трения между колесом и железнодорожным рельсом содержит тележку 1 с колесами 2 и сервоприводом (на чертежах не обозначен) в виде шагового двигателя 3 и датчика положений 4, трибометр (на чертежах не обозначен) с измерительными роликом 5 и стержнем 6, нагружателями 7 и 8 ролика 5 и стержня 6, регуляторами нагрузки 9 и 10 на ролик 5 и стержень 6, оборудование для регистрации и обработки данных (на чертежах не обозначено) в виде датчиков 11 трибометра, ЭВМ 12, устройства управления и контроля скорости движения 13, устройств управления и контроля нагрузкой 14 и 15 на ролик 5 и стержень 6 и автономный источник питания 16.

Трибометрический комплекс для измерения коэффициента трения между колесом и железнодорожным рельсом работает следующим образом.

Раму 1 устанавливают колесами 2 на рельсы железнодорожного полотна (на чертежах не обозначены), обеспечивают надежный контакт колес 2 и ролика 5 и подключают оборудование и исполнительные элементы к источнику питания 16, при этом измерительный стержень 6 находится в верхнем, не рабочем положении, без контактирования с поверхностью головки рельса.

Измерительные и исполнительные узлы комплекса подключают к общей шине (на схеме не показана), при помощи пульта (на чертежах не обозначен) ЭВМ 12 запускают работу процессора (на чертежах не показан) ЭВМ 12, при этом упомянутые узлы взаимодействуют с процессором в пульсовом режиме или по протоколу ModBus, который производит опрос по шине ModBus, выясняя их наличие и работоспособность. Все настройки и проверки узлов производятся с помощью специального программного обеспечения. После инициализации процессор ЭВМ 12 постоянно опрашивает узлы комплекса и определяет их состояние. При работе процессор ЭВМ 12 передает команды на измерительные и исполнительные узлы комплекса и получает от них информацию, которая отображается на экране (на чертежах не обозначен) и записывается в устройстве памяти (на чертежах не показано) ЭВМ 12.

При помощи устройства 13 включают двигатель 3 и перемещают тележку 1 на колесах 2 по рельсам, при этом контроль и управление скоростью осуществляют упомянутым устройством 13 посредством датчика положений 4.

При перемещении тележки 1, под действием силы трения, ролик 5 вращается, а под действием массы тележки 1 (или иной нагрузкой) создается давление на ролик 5, имитирующее свободное, без торможения, движение транспортного средства (на чертежах не показано), датчики 11 фиксируют напряжения в ролике 5, механические напряжения в датчиках 11 преобразуются в электрические сигналы, а затем эти сигналы передаются в ЭВМ 12, где производится их измерение, регистрация и обработка и определяется нормальная сила давления на ролик.

Устройством 14 включают электропитание нагружателя 7 и регулятора 9 ролика 5, при этом возникает торможение последнего, вызывающее механические напряжения в датчиках 11, которые преобразуются в электрические сигналы, а затем эти сигналы передаются в ЭВМ 12, где производится их регистрация и обработка и определяется сила трения, действующая на измерительный ролик 5, при его торможении с вращением (без скольжения) по рельсу, т.е. трение качения.

По мере увеличения нагрузки ролик 5 начинает скользить по рельсу, при этом датчики напряжений 11 таким же образом фиксируют и преобразуют механические напряжения и передают информацию в ЭВМ 12, где производится их регистрация и обработка и определяется сила трения, действующая на ролик 5, при его торможении без вращения, т.е. трение скольжения.

Для одновременного измерения трения качения роликом 5 и трения скольжения стержнем 6 устройством 14 включают электропитание нагружателя 8 и регулятора 10 стержня 6, последний перемещается в осевом направлении, соприкасается с рельсом и скользит по нему, при этом механические напряжения, возникающие в датчиках 11 трибометра, преобразуются в электрические сигналы, а затем эти сигналы передаются в ЭВМ 12, где производится их регистрация и обработка и определяется сила трения, действующая на измерительный стержень 6 при его скольжении по рельсу, т.е. трение скольжения.

В процессе измерения, контроль и управление скоростью движения тележки 1 осуществляют устройством 13 посредством шагового двигателя 3 и датчика положений 4 сервопривода, а контроль и управление нагрузкой на измерительные ролик 5 и стержень 6 трибометра осуществляют устройствами 14 и 15 посредством нагружателей 7 и 8 и регуляторов 9 и 10.

Для обеспечения достаточного для статистической обработки количества значений трения необходимо выполнить 10-15 замеров для выбранного участка, из которых 2 игнорируются, а значения последующих усредняются.

Значение коэффициента трения получают из отношения мгновенных значений силы трения (качения и скольжения) и силы нормального давления.

Для достижения поставленной цели целесообразно обеспечить, по крайней мере, одно колесо тележки сервоприводом в виде шагового двигателя и датчика положений, трибометр - измерительным стержнем с возможностью контакта с головкой рельса и перемещения в осевом направлении, а измерительные ролик и упомянутый стержень - нагружателями с регуляторами нагрузки, например порошковыми или электромагнитными муфтами, и кроме того, в состав оборудования ввести устройства управления и контроля скоростью движения и нагрузкой на ролик и стержень трибометра.

Технический результат от использования заявляемого комплекса заключается в повышении достоверности и быстродействия при измерении коэффициента трения между колесом и железнодорожным рельсом.

Указанный технический результат достигается совокупностью отличительных признаков, а именно обеспечением, по крайней мере, одного колеса тележки сервоприводом в виде шагового двигателя и датчика положений, трибометра - измерительным стержнем с возможностью контакта с головкой рельса и перемещения в осевом направлении, а измерительных ролика и стержня - нагружателями с регуляторами нагрузки, например порошковыми или электромагнитными муфтами, и кроме того, введением в состав оборудования устройства управления и контроля скоростью движения и нагрузкой на ролик и стержень трибометра.

Представленные описание и чертежи заявляемого трибометрического комплекса позволяют, используя существующие материалы и покупные комплектующие изделия, изготовить его промышленным способом и использовать для измерения коэффициента трения на поверхности колеса и рельса с целью обеспечения инструментального контроля и получения данных настройки технических средств лубрикации для работы в системе адаптивного управления трением в паре «колесо-рельс».

Трибометрический комплекс для измерения коэффициента трения между колесом и железнодорожным рельсом, содержащий тележку с колесами и возможностью перемещения по рельсам, установленные на ней трибометр с измерительным роликом, оборудование для регистрации и обработки данных в виде датчиков трибометра и ЭВМ, а также источник автономного питания, отличающийся тем, что, по крайней мере, одно колесо тележки снабжено сервоприводом в виде шагового двигателя и датчика положений, трибометр снабжен измерительным стержнем с возможностью контакта с головкой рельса и перемещения в осевом направлении, измерительные ролик и стержень снабжены нагружателями с регуляторами нагрузки, а в состав оборудования введены устройства управления и контроля скоростью движения и нагрузкой на ролик и стержень трибометра.