Роликовый трибометр для измерения коэффициента трения между колесом транспортного средства и рельсом железнодорожной колеи

Авторы патента:

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 работы.

Указазанная цель достигается тем, что в роликовом трибометре для измерения коэффициента трения между колесом транспортного средства и рельсом железнодорожной колеи, содержащим раму с колесами, измерительный ролик, нагружатель, устройство для измерения, регистрации и обработки информации в виде датчиков напряжений, например тензометрических, и вычислительного блока, устройство управления и источник автономного питания, измерительный ролик выполнен в виде усеченного конуса с ребордой на основании, а также в снабжении, по крайней мере, одного колеса рамы компенсатором колебаний ширины железнодорожной колеи, например пружинным.

Технический результат от использования заявляемого комплекса заключается в повышении достоверности измерений и надежности работы, при измерении коэффициента трения между колесом транспортного средства и рельсом железнодорожной колеи.

Цель полезной модели - повышение достоверности измерений и надежности работы.

Трибометр [<гр. tribo 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 определения коэффициента сцепления колес с рельсами, содержащее раму с опорными колесами (дисками), измерительный ролик бочкообразной формы, установленный свободно и кинематически связанный через систему колес с затормаживающей его спиральной пружиной и счетчиком, фиксирующим угол закручивания пружины, съемные грузы, создающие вертикальную нагрузку на измерительный ролик, при этом на оси последнего свободно установлены поводки для передачи горизонтального усилия от направляющего ролика, опорных колес (дисков) и рычага, а также храповик, обеспечивающий вращение ролика и системы колес только в одном направлении, причем измерительный ролик имеет бочкообразную форму, благодаря чему в точке контакта с головкой рельса создаются напряжения, близкие к действительным напряжениям под колесами подвижного состава (А.С. СССР 183802, 1964 г., МПК В61к, В61с, опубл. Бюл. 14, 1966 г.) [1].

При работе с известным устройством раму устанавливают на рельсе так, чтобы измерительный ролик располагался на рабочей поверхности головки, и прикладывают усилие к рычагу, при этом рама перемещается на опорных колесах (дисках), а ролик, перекатываясь по рельсу, приводит во вращение колесо, которое закручивает спиральную пружину, создающую тормозной момент на оси измерительного ролика. С увеличением угла закручивания пружины тормозной момент возрастает до тех пор, пока ролик не начнет проскальзывать по рельсу. Наибольшее значение угла закручивания, зафиксированное счетчиком, соответствует максимальной силе сцепления между роликом и рельсом в режиме торможения. Показания счетчика с помощью тарировочного графика переводят в значения коэффициента сцепления.

Недостатками известного устройства являются недостоверность измерений из-за несоответствия профиля измерительного ролика профилю колеса транспортного средства, неустойчивость перемещения из-за отсутствия компенсатора колебаний ширины железнодорожной колеи при установке рамы на оба рельса и невозможность учета трения на боковой поверхности головки рельса, обращенной внутрь колеи.

За прототип выбран трибометр для измерения коэффициента трения между колесом и рельсом по Авторскому свидетельству СССР 492412, 1973 г., М. Кл. B61K 13/00, G01N 19/02, опубл. Бюл. 43, 1976 г.)[2].

Трибометр - прототип содержит раму с опорными колесами, шарнирно установленный на ней измерительный ролик, прижимаемый к рельсу с помощью сменных грузов и кинематически связанный с нагружателем (затормаживающим механизмом) в виде упругой пластины, 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, устройство для измерения, регистрации и обработки информации в виде датчиков напряжений (тензометрических датчиков), установленных на пластине нагружателя, измерительного моста, при этом один из датчиков пластины включен в одно из плеч моста, а второй датчик - в другое плечо моста, и вычислительного блока (осциллографа), включенного в измерительную диагональ моста, устройство управления и источник автономного питания.

Работа с трибометром - прототипом осуществляется следующим образом.

Предварительно, перед началом замера вращают катушку и наматывают на нее тросик до полного натяжения, затем раму устанавливают опорными колесами на рельс и собирают электрическую схему, присоединяя устройство управления и устройство для измерения, регистрации и обработки информации к источнику автономного питания. Устройством управления включают электрические узлы конструкции и перемещают трибометр 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 датчиков напряжений преобразуется в электрические сигналы, подаваемые на диагональ моста и вычислительный блок, где полученные данные регистрируются и обрабатываются, затем по результатам обработки данных определяют значения коэффициента трения между колесом и рельсом.

Недостатками трибометра - прототипа являются недостоверность измерений при определении коэффициента трения из-за невозможности учета трения на боковой поверхности головки рельса, обращенной внутрь колеи, и неустойчивость перемещения из-за отсутствия компенсатора колебаний ширины железнодорожной колеи при установке рамы на оба рельса.

Указанные недостатки устраняются тем, что в роликовом трибометре для измерения коэффициента трения между колесом транспортного средства и рельсом железнодорожной колеи, содержащим раму с колесами, измерительный ролик, нагружатель, например порошковую или электромагнитную муфту, устройство для измерения, регистрации и обработки информации в виде датчиков напряжений, например тензометрических, и вычислительного блока, устройство управления и источник автономного питания, измерительный ролик выполнен в виде усеченного конуса с углом у основания 67°30', высотой 130 мм и ребордой на основании, т.е. с профилем максимально приближенным к профилю железнодорожного колеса по ГОСТ 9036-88 «Колеса цельнокатаные. Конструкция и размеры» [3], для контакта с боковой поверхностью головки рельса, обращенной внутрь колеи, кроме того, ролик может быть изготовлен из того же материала, что и колесо транспортного средства, а именно из стали марки 1 по ГОСТ 10791-2004 «Колеса цельнотянутые. Технические условия» [4]. Дополнительно в варианте трибометра, по крайней мере, одно колесо рамы снабжено компенсатором колебаний ширины железнодорожной колеи, например пружинным.

Реборда [фр. rebord] - гребень - выступающая часть на краю обода шкива или ж/д колеса, удерживающая ремень, канат от сползания со шкива или препятствующая сходу колеса с рельса.

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 трибометры, использующиеся для решения обозначенной задачи, имеют недостатки - недостоверность измерений при определении коэффициента трения и ненадежность в работе, обусловленные следующими причинами:

- отсутствие учета трения на боковой поверхности головки рельса из-за несоответствия профиля измерительного ролика профилю колеса транспортного средства, а именно отсутствия реборды, контактирующей с боковой поверхностью головки рельса, обращенной внутрь колеи, особенно при определении коэффициента трения на поворотах;

- неустойчивость перемещения из-за невозможности компенсации колебаний ширины железнодорожной колеи при установке рамы на оба рельса, особенно при определении коэффициента трения на поворотах.

Цель полезной модели - повышение достоверности измерений и надежности работы.

Для достижения поставленной цели целесообразно выполнить измерительный ролик в виде усеченного конуса с ребордой у основания, контактирующей с боковой поверхностью головки рельса, обращенной внутрь колеи, для учета трения на этой поверхности при измерении, и снабдить, по крайней мере, одно колесо рамы компенсатором колебаний ширины железнодорожной колеи, например пружинным, для устойчивого перемещения при эксплуатации.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 изображен роликовый трибометр для измерения коэффициента трения между колесом транспортного средства и рельсом железнодорожной колеи, общий вид, в изометрии, на фиг.2 - то же, функциональная схема, на фиг.3 - вид А на фиг.1.

Роликовый трибометр для измерения коэффициента трения между колесом транспортного средства и рельсом железнодорожной колеи (на чертежах не обозначен) содержит раму 1 с колесами 2 и компенсатором ширины колеи 3, измерительный ролик (на чертежах не обозначен) в виде усеченного конуса 4 и реборды 5, нагружатель 6, устройство для измерения, регистрации и обработки информации (на чертежах не обозначено) в виде датчиков напряжений 7 и вычислительного блока 8, устройство управления 9 и источник автономного питания 10.

Роликовый трибометр для измерения коэффициента трения между колесом транспортного средства и рельсом железнодорожной колеи работает следующим образом.

Раму 1 устанавливают колесами 2 на рельсы железнодорожной колеи (на чертежах не обозначены), регулировкой компенсатора 3 обеспечивают надежный контакт колес 2, усеченного конуса 4 и реборды 5 ролика с рельсом, подключают нагружатель 6, датчики напряжений 7 и вычислительный блок 8 устройства для измерения, регистрации и обработки информации и устройство управления 9 к источнику питания 10.

Перемещают раму 1 по рельсам на колесах 2, при этом под действием силы трения ролик вращается, а под действием массы рамы 1 создается давление на ролик, имитирующее свободное, без торможения, движение транспортного средства (на чертежах не показано), датчики 7 фиксируют напряжения в месте контакта ролика и рельса, механические напряжения в датчиках 7 преобразуются в электрические сигналы, а затем эти сигналы передаются в блок 8 устройства для измерения, регистрации и обработки информации, где производится их измерение, регистрация и обработка и определяется нормальная сила давления на ролик.

Устройством 9 включают электропитание нагружателя 6, при этом возникает сила торможения ролика, датчики 7 фиксируют напряжения, возникающие в ролике. Механические напряжения в датчиках 7 преобразуются в электрические сигналы, а затем эти сигналы передаются в блок 8 устройства для измерения, регистрации и обработки информации, где производится их измерение регистрация и обработка и определяется сила давления при торможении ролика без скольжения. По мере увеличения нагрузки сила давления на ролик возрастает, и он начинает скользить по рельсу. После начала скольжения датчики 7 таким же образом фиксируют и преобразуют механические напряжения и передают информацию в блок 8 устройства для измерения, регистрации и обработки информации, где производится их регистрация и обработка и определяется сила трения, действующая на ролик.

Коэффициент трения определяют по значениям нормальной силы и силы трения, действующих в месте контакта ролика и рельса и фиксируемых датчиками 7, при свободном вращении и при торможении ролика на различных скоростях движения. При этом, изменяя давление на ролик посредством нагружателя 6, получают максимальное значение коэффициента трения, т.е. коэффициент трения качения на ролике при разных скоростях движения, а также минимальное значение коэффициента трения, т.е. коэффициент трения скольжения, при отсутствии вращения ролика под действием тормозящей силы, создаваемой нагружателем 6.

Технический результат от использования заявляемого трибометра заключается в повышении достоверности измерений и надежности работы при измерении коэффициента трения между колесом транспортного средства и рельсом железнодорожной колеи.

Указанный технический результат достигается совокупностью отличительных признаков, а именно выполнением измерительного ролика в виде усеченного конуса с ребордой, контактирующей с боковой поверхностью головки рельса, обращенной внутрь колеи, для учета трения на этой поверхности при измерении, и снабжением, по крайней мере, одного колеса рамы компенсатором колебаний ширины железнодорожной колеи, например пружинным, для устойчивого перемещения при эксплуатации.

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 колесом и рельсом с целью обеспечения инструментального контроля и получения данных настройки технических средств лубрикации для работы в системе адаптивного управления трением в паре «колесо-рельс».

1. Роликовый трибометр для измерения коэффициента трения между колесом транспортного средства и рельсом железнодорожной колеи, содержащий раму с колесами, измерительный ролик, нагружатель, устройство для измерения, регистрации и обработки информации в виде датчиков напряжений и вычислительного блока, устройство управления и источник автономного питания, отличающийся тем, что измерительный ролик выполнен в виде усеченного конуса с ребордой у основания.

2. Трибометр по п.1, отличающийся тем, что, по крайней мере, одно колесо рамы снабжено компенсатором колебаний ширины железнодорожной колеи, например пружинным.