Трибометрический комплекс для измерения коэффициента трения между колесом и 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 измерений, надежности в работе и мобильности.

Указанная цель достигается тем, что в трибометрическом комплексе для измерения коэффициента трения между колесом и рельсом, 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 и датчика положений, измерительный ролик трибометра снабжен нагружателем с регулятором нагрузки, например порошковой или электромагнитной муфтой, и механизмом регулировки положения измерительного ролика по горизонту и углу относительно головки рельса, а в состав оборудования введены устройства управления и контроля скоростью движения тележки и нагрузкой на ролик, кроме того, по крайней мере, одно колесо тележки снабжено компенсатором колебаний ширины рельсовой колеи, например пружинным, а тележка выполнена складной и с устройством для переноски.

Технический результат от использования заявляемого комплекса заключается в повышении достоверности измерений, надежности в работе и мобильности при измерении коэффициента трения на поверхности колеса и рельса.

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, надежности в работе и мобильности.

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 измерений, ненадежность в работе (неустойчивость тележки при перемещении) и малая мобильность, обусловленные следующими причинами:

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

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

- невозможность регулировки положения измерительного ролика трибометра по горизонту и углу относительно головки рельса;

- невозможность компенсации колебаний ширины колеи железнодорожного полотна;

- нескладная конструкция тележки и отсутствие устройства переноски.

Указанные недостатки устраняются тем, что в заявляемом трибометрическом комплексе для измерения коэффициента трения между колесом и рельсом, 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 и датчика положений, измерительный ролик трибометра снабжен нагружателем с регулятором нагрузки, например порошковой или электромагнитной муфтой, и механизмом регулировки положения измерительного ролика по горизонту и углу относительно головки рельса, а в состав оборудования введены устройства управления и контроля скоростью движения тележки и нагрузкой на ролик. Кроме того, по крайней мере, одно колесо тележки снабжено компенсатором колебаний ширины рельсовой колеи, например пружинным, а тележка выполнена складной и с устройством для переноски.

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, и невозможность регулировки положения измерительного ролика трибометра по горизонту и углу относительно головки рельса;

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

- недостаточная мобильность из-за нескладывающейся конструкции и отсутствия устройства переноски.

Цель полезной модели - повышение достоверности измерений, надежности в работе и мобильности.

Для достижения поставленной цели целесообразно обеспечить, по крайней мере, одно колесо тележки приводом, например сервоприводом в виде шагового двигателя и датчика положений, а измерительный ролик трибометра - нагружателем с регулятором нагрузки, например порошковой или электромагнитной муфтой, и механизмом регулировки положения измерительного ролика по горизонту и углу относительно головки рельса, и ввести в состав оборудования устройства управления и контроля скоростью движения тележки и нагрузкой на ролик, а также снабдить, по крайней мере, одно колесо тележки компенсатором колебаний ширины рельсовой колеи, например пружинным, кроме того, тележку выполнить складной и с устройством для переноски.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 изображен трибометрический комплекс для измерения коэффициента трения между колесом и рельсом, общий вид, в изометрии, на фиг.2 - то же, функциональная схема, на фиг.3 - комплекс в собранном виде.

Трибометрический комплекс для измерения коэффициента трения между колесом и рельсом содержит тележку 1 с колесами 2, компенсатором 3 колебаний ширины колеи, сервоприводом (на чертежах не обозначен) в виде шагового двигателя 4 и датчика положений 5 и устройством переноски 6, трибометр (на чертежах не обозначен) с измерительным роликом 7, нагружателем 8, регулятором нагрузки 9 и механизмом 10 регулировки положения измерительного ролика, оборудование для регистрации и обработки данных (на чертежах не обозначено) в виде датчиков 11 трибометра, ЭВМ 12, устройства управления и контроля скоростью движения 13, устройства управления и контроля нагрузкой 14 на ролик 7 и автономный источник питания 15.

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

Тележку 1 раскладывают и при помощи устройства переноски 6 устанавливают колесами 2 на рельсы железнодорожного полотна (на чертежах не обозначены), регулировкой компенсатора 3 обеспечивают надежный контакт колес 2 с рельсами, устанавливают трибометр и оборудование на тележку, механизмом 10 обеспечивают контакт с рабочей поверхностью рельса и необходимое положение измерительного ролика 7 трибометра по горизонту и углу относительно головки 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 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 4 и перемещают тележку 1 с трибометром и оборудованием по рельсам, нагружателем 8 создают необходимую нагрузку на ролик 7, при этом последний вращается и создает в датчиках 11 механические напряжения, которые преобразуются в электрические сигналы, а затем эти сигналы передаются в ЭВМ 12, где производится их регистрация, обработка и определяется сила нормального давления, действующая на измерительный ролик 7, при достижении определенной величины нагрузки ролик 7 начинает скользить, после начала скольжения ролика 7 тензодатчики 11 таким же образом фиксируют силу трения. Далее нагрузка снимается, и измерения повторяются заново.

В процессе измерения контроль и управление скоростью движения тележки 1 осуществляют устройством 13 посредством шагового двигателя 4 и датчика положений 5 сервопривода, а контроль и управление нагрузкой на измерительный ролик 7 трибометра осуществляют устройством 14 посредством нагружателя 8 и регулятора 9.

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 измерений, надежности в работе и мобильности при измерении коэффициента трения на поверхности колеса и рельса.

Указанный технический результат достигается совокупностью отличительных признаков, а именно обеспечением, по крайней мере, одного колеса тележки приводом, например сервоприводом в виде шагового двигателя и датчика положений, а измерительного ролика трибометра - нагружателем с регулятором нагрузки, например, порошковой или электромагнитной муфтой, и механизмом регулировки положения измерительного ролика по горизонту и углу относительно головки рельса, введением в состав оборудования устройств управления и контроля скоростью движения тележки и нагрузкой на ролик, а также снабжением, по крайней мере, одного колеса тележки компенсатором колебаний ширины рельсовой колеи, например пружинным, и выполнение тележки складной и с устройством для переноски.

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».

1. Трибометрический комплекс для измерения коэффициента трения между колесом и рельсом, содержащий тележку с колесами и возможностью перемещения по рельсам, установленные на ней роликовый трибометр, оборудование для регистрации и обработки данных в виде датчиков трибометра, например тензометрических, 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, измерительный ролик трибометра снабжен нагружателем с регулятором нагрузки, а в состав оборудования введены устройства управления и контроля скоростью движения тележки и нагрузкой на ролик.

2. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что трибометр снабжен механизмом регулировки положения измерительного ролика по горизонту и углу относительно головки рельса.

3. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что, по крайней мере, одно колесо тележки снабжено компенсатором колебаний ширины рельсовой колеи, например пружинным.

4. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что тележка выполнена складной и с устройством для переноски.