Трибометрический комплекс для измерения коэффициента трения между колесом транспортного средства и рельсом железнодорожного полотна
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.
Указанная цель достигается тем, что трибометрическом комплексе для измерения коэффициента трения между колесом транспортного средства и рельсом железнодорожного полотна, 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, по крайней мере, одно колесо тележки снабжено сервоприводом в виде шагового двигателя, датчика положений и блока управления, измерительный ролик трибометра снабжен нагружателем с регулятором нагрузки, например порошковой или электромагнитной муфтой, датчиком положений с обратной связью, а в состав оборудования введены устройства управления и контроля скоростью движения тележки и нагрузкой на ролик, а также устройство для определения и устранения проскальзывания ролика при измерении трения качения.
Технический результат от использования заявляемого комплекса заключается в повышении достоверности результатов при измерении коэффициента трения на поверхности колеса транспортного средства и рельса железнодорожного полотна.
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.
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.
Недостатком комплекса-прототипа является недостоверность измерений, обусловленная следующими причинами:
- отсутствие контроля и управления скоростью движения тележки;
- отсутствие контроля и управления нагрузкой на измерительный ролик трибометра;
- невозможность определения и устранения проскальзывания измерительного ролика трибометра при измерении трения качения.
Указанные недостатки устраняются тем, что в заявляемом трибометрическом комплексе для измерения коэффициента трения между колесом транспортного средства и рельсом железнодорожного полотна, 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, по крайней мере, одно колесо тележки снабжено сервоприводом в виде шагового двигателя, датчика положений и блока управления, измерительный ролик трибометра снабжен нагружателем с регулятором нагрузки, например порошковой или электромагнитной муфтой, датчиком положений с обратной связью, а в состав оборудования введены устройства управления и контроля скоростью движения тележки и нагрузкой на ролик, а также устройство для определения и устранения проскальзывания ролика при измерении трения качения.
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 недостаток - недостоверность результатов измерений из-за отсутствия контроля и управления скоростью движения тележки и нагрузкой на измерительный ролик трибометра, а также невозможности определения и устранения проскальзывания измерительного ролика трибометра при измерении трения качения.
Цель полезной модели - повышение достоверности измерений.
Для достижения поставленной цели целесообразно обеспечить, по крайней мере, одно колесо тележки приводом, например сервоприводом в виде шагового двигателя, датчика положений и блока управления, а измерительный ролик трибометра-нагружателем с регулятором нагрузки, например порошковой или электромагнитной муфтой, и ввести в состав оборудования устройства управления и контроля скоростью движения тележки и нагрузкой на ролик, а также устройство для определения и устранения проскальзывания ролика при измерении трения.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 трибометрический комплекс для измерения коэффициента трения между колесом транспортного средства и рельсом железнодорожного полотна, общий вид, в изометрии, на фиг.2 - то же, функциональная схема.
Трибометрический комплекс для измерения коэффициента трения между колесом транспортного средства и рельсом железнодорожного полотна, содержит тележку 1 с колесами 2, сервоприводом (на чертежах не обозначен) в виде шагового двигателя 3, датчика положений 4 и блока управления 5, трибометр (на чертежах не обозначен) с измерительным роликом 6, нагружателем 7, регулятором нагрузки 8 и датчиком положений 9 с обратной связью, оборудование для регистрации и обработки данных (на чертежах не обозначено) в виде датчиков 10 трибометра (на чертежах не обозначен), ЭВМ 11, устройства управления и контроля скоростью движения 12, устройства контроля и управления нагрузкой 13 на ролик 6, устройства 14 для определения и устранения проскальзывания ролика 6 при измерении трения и автономный источник питания 15.
Трибометрический комплекс для измерения коэффициента трения между колесом транспортного средства и рельсом железнодорожного полотна, работает следующим образом.
Тележку 1 устанавливают колесами 2 на рельсы железнодорожного полотна (на чертежах не обозначены), и обеспечивают надежный контакт колес 2 с рельсами, устанавливают трибометр и оборудование на тележку, обеспечивают контакт ролика 6 трибометра с рабочей поверхностью рельса и подключают источник питания 15 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 11 запускают работу процессора (на чертежах не показан) ЭВМ 11, 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 11 постоянно опрашивает узлы комплекса и определяет их состояние. При работе операционный блок ЭВМ 11 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 11.
При помощи устройства 12 и блока 5 включают двигатель 4 сервопривода и перемещают тележку 1 с трибометром и оборудованием по рельсам, нагружателем 7 и регулятором 8 создают необходимую нагрузку на ролик 6, при этом последний вращается и создает в датчиках 10 механические напряжения, которые преобразуются в электрические сигналы, а затем эти сигналы передаются в ЭВМ 11, где производится их регистрация, обработка и определяется сила нормального давления, действующая на измерительный ролик 6, при достижении определенной величины нагрузки ролик 6 начинает скользить, после начала скольжения ролика 6 датчики 10 таким же образом фиксируют силу трения. Далее нагрузка снимается, и измерения повторяются заново.
Для определения и устранения проскальзывания ролика 6 при измерении трения качения, датчиком 5 двигателя 4 сервопривода определяют путь, пройденный приводным колесом 2 тележки 1, датчиком положений 9 измерительного ролика 6 трибометра определяют путь, пройденный измерительным роликом 6, результаты измерений поступают в ЭВМ 11, где производится их сравнение. При совпадении результатов констатируют отсутствие проскальзывания ролика 6, а при несовпадении - наличие проскальзывания. Для устранения проскальзывания ролика 6 изменяют нагрузку на него при помощи устройства 13, нагружателя 7 и регулятора 8 в автоматическом режиме, посредством устройства 14 для определения и устранения проскальзывания ролика 8 до совпадения результатов пройденного пути приводным колесом 2 и роликом 6, т.е. до исключения проскальзывания ролика 6.
В процессе измерения контроль и управление скоростью движения тележки 1 осуществляют устройством 12 посредством двигателя 3, датчика 4 и блока 5 сервопривода, а контроль и управление нагрузкой на измерительный ролик 6 трибометра осуществляют устройством 13 посредством нагружателя 7 и регулятора 8.
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 и силы нормального давления.
Технический результат от использования заявляемого комплекса заключается в повышении достоверности результатов при измерении коэффициента трения на поверхности колеса транспортного средства и рельса железнодорожного полотна.
Указанный технический результат достигается совокупностью отличительных признаков, а именно обеспечением, по крайней мере, одного колеса тележки приводом, например сервоприводом в виде шагового двигателя, датчика положений и блока управления, а измерительного ролика трибометра-нагружателем с регулятором нагрузки, например порошковой или электромагнитной муфтой, и введением в состав оборудования устройств управления и контроля скоростью движения тележки и нагрузкой на ролик, а также устройства для определения и устранения проскальзывания ролика при измерении трения.
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 транспортного средства и рельса железнодорожного полотна 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 на поверхности колеса транспортного средства и рельса железнодорожного полотна, 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, по крайней мере, одно колесо тележки снабжено сервоприводом в виде шагового двигателя, датчика положений и блока управления, измерительный ролик трибометра снабжен нагружателем с регулятором нагрузки и датчиком положений с обратной связью, а в состав оборудования введены устройства управления и контроля скоростью движения тележки и нагрузкой на ролик, а также устройство для определения и устранения проскальзывания ролика при измерении трения.
