Трибометрический комплекс для измерения коэффициентов трения между колесами транспортного средства и рельсами железнодорожной колеи

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 измерений и надежности в работе, упрощение конструкции и расширение функциональных возможностей. Указанная цель достигается тем, что в трибометрическом комплексе для измерения коэффициентов трения между колесами транспортного средства и рельсами железнодорожной колеи, содержащим тележку с возможностью перемещения по рельсам и установленные на ней роликовый трибометр, оборудование для регистрации и обработки данных в виде датчиков трибометра, например тензометрических, и ЭВМ, а также источник автономного питания, одно колесо тележки выполнено приводным и снабжено сервоприводом в виде шагового двигателя, датчика положений и блока управления, а два противоположных друг другу, не приводных колеса, использованы в качестве измерительных роликов трибометра (на оба рельса ж/д колеи), установлены на отдельных осях и снабжены отдельными нагружателями с регуляторами нагрузки и датчиками положений с обратной связью, кроме того, в состав оборудования введены устройства управления и контроля скоростью движения тележки и нагрузкой на измерительные колеса. Технический результат от использования заявляемого комплекса заключается в повышении достоверности измерений и надежности в работе, упрощении конструкции и расширении функциональных возможностей.

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 измерений и надежности в работе, упрощение конструкции и расширение функциональных возможностей.

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. В61К 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 В61К 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 измерений, ненадежность в работе (неустойчивость тележки при перемещении), сложность конструкции и малая функциональность, обусловленные следующими причинами:

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

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

- экономически необоснованное использование отдельного измерительного ролика в трибометре;

- невозможность одновременного измерения коэффициентов трения на обоих рельсах железнодорожной колеи одним трибометром.

Указанные недостатки устраняются тем, что в заявляемом трибометрическом комплексе для измерения коэффициентов трения между колесами транспортного средства и рельсами железнодорожной колеи, содержащим тележку с возможностью перемещения по рельсам и установленные на ней роликовый трибометр, оборудование для регистрации и обработки данных в виде датчиков трибометра, например тензометрических, и ЭВМ, а также источник автономного питания, одно колесо тележки выполнено приводным и снабжено сервоприводом в виде шагового двигателя, датчика положений и блока управления, а два противоположных друг другу, не приводных колеса, использованы в качестве измерительных роликов трибометра (на оба рельса ж/д колеи), установлены на отдельных осях и снабжены отдельными нагружателями с регуляторами нагрузки и датчиками положений с обратной связью, кроме того, в состав оборудования введены устройства управления и контроля скоростью движения тележки и нагрузкой на измерительные колеса.

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 нагрузкой на измерительный ролик трибометра;

- недостаточная надежность перемещения при эксплуатации из-за отсутствия механизма компенсации колебаний ширины колеи, особенно в местах поворота железнодорожного полотна;

- сложность конструкции из-за экономически необоснованного использования отдельного измерительного ролика в трибометре;

- невозможность одновременного измерения коэффициентов трения на обоих рельсах железнодорожной колеи одним трибометром.

Цель полезной модели - повышение достоверности измерений и надежности в работе, упрощение конструкции и расширение функциональных возможностей.

Для достижения поставленной цели целесообразно одно колесо тележки выполнить приводным и снабдить сервоприводом в виде шагового двигателя, датчика положений и блока управления, а два противоположных друг другу, не приводных колеса, использовать в качестве измерительных роликов трибометра (на оба рельса ж/д колеи), установить на отдельных осях и снабдить отдельными нагружателями с регуляторами нагрузки и датчиками положений с обратной связью, и кроме того, в состав оборудования ввести устройства управления и контроля скоростью движения тележки и нагрузкой на измерительные колеса.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 изображен трибометрический комплекс для измерения коэффициентов трения между колесами транспортного средства и рельсами железнодорожной колеи, общий вид, в изометрии, на фиг.2 - то же, функциональная схема, на фиг.3 - вид А на фиг.1.

Трибометрический комплекс содержит тележку 1 с приводным колесом 2 и не приводными колесами 3-5, сервоприводом (на чертежах не обозначен) в виде шагового двигателя 6, датчика положений 7 и блока управления 8, трибометр (на чертежах не обозначен), использующий в качестве измерительных, не приводные, противоположные друг другу, колеса 4 и 5, установленные на отдельных осях (на чертежах не обозначены) и снабженные отдельными нагружателями 9 и 10 и регуляторами нагрузки 11 и 12, оборудование для регистрации и обработки данных (на чертежах не обозначено) в виде датчиков 13 трибометра, ЭВМ 14, устройства управления и контроля скоростью движения 15, устройства управления и контроля нагрузкой 16 на измерительные колеса 4 и 5, и автономный источник питания 17.

Трибометрический комплекс для измерения коэффициентов трения между колесами транспортного средства и рельсами железнодорожной колеи работает следующим образом.

Тележку 1 устанавливают колесами 2-5 на рельсы железнодорожного полотна (на чертежах не обозначены), обеспечивают надежный контакт колес 2-5 с рельсами, устанавливают оборудование на тележку 1 и подключают источник питания 17 к оборудованию и сервоприводу.

Измерительные и исполнительные узлы комплекса подключают к общей шине (на схеме не показана), при помощи пульта (на чертежах не обозначен) ЭВМ 14 запускают работу процессора (на чертежах не показан) ЭВМ 14, 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 14 постоянно опрашивает узлы комплекса и определяет их состояние. При работе процессор ЭВМ 14 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 14.

При помощи устройства 15 и блока 8 включают двигатель 6 и перемещают тележку 1 с оборудованием по рельсам, при помощи устройства 16 и нагружателей 10 и 11 создают необходимую нагрузку на измерительные колеса 4 и 5 соответственно, при этом последние вращаются независимо друг от друга, и создают в датчиках 13 механические напряжения, которые преобразуются в электрические сигналы, а затем эти сигналы передаются в ЭВМ 14, где производится их регистрация, обработка и определяется сила нормального давления на измерительные колеса 4 и 5, при достижении определенной величины нагрузки колеса 4 и 5 начинают скользить, после начала скольжения колес 4 и 5 датчики 13 таким же образом фиксируют силу трения одновременно на обоих рельсах ж/д пути. Далее нагрузка снимается, и измерения повторяются заново.

В процессе измерения контроль и управление скоростью движения тележки 1 осуществляют устройством 15 посредством двигателя 6, датчика 7 и блока 8 сервопривода, а контроль и управление нагрузкой на измерительные колеса 4 и 5 осуществляют устройством 16 посредством, соответственно нагружателей 9 и 10 и регуляторов 11 и 12.

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 коэффициентов трения получают из отношения мгновенных значений силы трения и силы нормального давления.

Технический результат от использования заявляемого комплекса заключается в повышении достоверности измерений и надежности в работе, упрощении конструкции и расширении функциональных возможностей.

Указанный технический результат достигается совокупностью отличительных признаков, а именно выполнением одного колеса тележки приводным и снабжением его сервоприводом в виде шагового двигателя, датчика положений и блока управления, использованием двух противоположных друг другу, не приводных колес, в качестве измерительных роликов трибометра (на оба рельса ж/д колеи), установкой их на отдельных осях и снабжением отдельными нагружателями с регуляторами нагрузки и датчиками положений с обратной связью, и кроме того, введением в состав оборудования устройств управления и контроля скоростью движения тележки и нагрузкой на измерительные колеса.

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 между колесами транспортного средства и обоими рельсами ж/д колеи с целью обеспечения инструментального контроля и получения данных настройки технических средств лубрикации для работы в системе адаптивного управления трением в паре «колесо-рельс».

1. Трибометрический комплекс для измерения коэффициентов трения между колесами транспортного средства и рельсами железнодорожной колеи, содержащий тележку с колесами и возможностью перемещения по рельсам, установленные на ней роликовый трибометр, оборудование для регистрации и обработки данных в виде датчиков трибометра и ЭВМ, а также источник автономного питания, отличающийся тем, что одно колесо тележки выполнено приводным и снабжено сервоприводом в виде шагового двигателя, датчика положений и блока управления, а не приводное колесо использовано в качестве измерительного ролика трибометра, установлено на отдельной оси и снабжено нагружателем с регулятором нагрузки и датчиком положений с обратной связью, кроме того, в состав оборудования введены устройства управления и контроля скоростью движения тележки и нагрузкой на измерительное колесо.

2. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что, по крайней мере, второе не приводное колесо, противоположное первому, выполнено измерительным, установлено на отдельной оси и снабжено нагружателем с регулятором нагрузки и датчиком положений с обратной связью.