Трибометр для измерения коэффициента трения между колесом транспортного средства 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 надежности и упрощение конструкции
Указанная цель достигается тем, что в трибометре для измерения коэффициента трения между колесом транспортного средства и рельсом, содержащим раму с колесами, измерительный ролик, нагружатель, установленный на оси ролика, устройство для измерения, регистрации и обработки информации в виде датчиков напряжений, например тензометрических, и вычислительного блока, устройство управления и источник автономного питания, на оси ролика дополнительно установлен датчик положений, а нагружатель измерительного ролика выполнен в виде порошковой муфты, состоящей из корпуса, неподвижной электромагнитной катушки (статора) и ротора, установленного на оси с кольцевым зазором относительно катушки и возможностью вращения с роликом, при этом зазор заполнен порошком, например из ферромагнитного сплава, взаимодействующим с упомянутым ротором под действием электромагнитного поля катушки, а также введением в состав устройство управления и контроля нагрузкой. Кроме того, в варианте исполнения трибометра нагружатель может быть выполнен в виде фрикционной муфты, состоящей из корпуса, неподвижной электромагнитной катушки и диска, установленного на оси с возможностью вращения с роликом, перемещения вдоль его оси по направляющим под действием электромагнитного поля катушки и фрикционного взаимодействия с торцом катушки, с нанесением на контактирующие поверхности катушки и диска фрикционного покрытия.
Технический результат от использования заявляемого трибометра заключается в повышении надежности и упрощении конструкции нагружателя измерительного ролика при измерении коэффициента трения колеса транспортного средства 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 надежности и упрощение конструкции.
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 сцепления колес с рельсами по Авторскому свидетельству СССР 
1245920, 1985 г., МКИ4 G01M 17/00, опубл. Бюл. 27, 1986 г.[1].
Известное устройство содержит корпус и раму с колесами и установленным в направляющих измерительным роликом, ось которого связана через трос с катушкой и через вкладыш с горизонтальной динамометрической пружиной и нагружатель (механизм торможения) ролика в виде цилиндра,
установленного на валу катушки, подпружиненной тормозной колодки посредством штока и спускного тросика взаимодействующей с цилиндром, и через трос тормозящая ролик. Для регистрации коэффициента сцепления на выходном конце оси ролика установлен указатель, под действием силы перемещающийся по шкале с делениями, закрепленной на раме.
Перед началом работы устройство устанавливают колесами на рельс, вращают катушку и наматывают на нее трос до полного натяжения. Затем вручную перемещают устройство по рельсу и прижимают к нему ролик, при этом ролик вращается и наматывает трос, сматывая его с катушки. Для проведения замера перемещают устройство далее по рельсу и вручную через спускной тросик постепенно прижимают шток и колодку к цилиндру и тем самым плавно останавливают вращение катушки. Во время остановки катушки корпус перемещается по рельсу, а в тросе возрастает усилие, за счет которого ролик перемещается по направляющим в сторону, противоположную движению корпуса. Перемещение измерительного ролика вызывает деформацию динамометрической пружины, которая воспринимает нагрузку через вкладыш.
По величине деформации пружины и по тарированной шкале с указателем определяют силу и коэффициент сцепления.
Недостатками известного устройства являются недостаточная надежность и сложность конструкции.
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 П-образную 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 устройства - прототипа являются малая надежность и сложность нагружателя измерительного ролика, обусловленные применением щечек ролика и катушки, связанных тросиком, сменных грузов и упругой пластины.
Указанные недостатки устраняются тем, что в трибометре для измерения коэффициента трения между колесом транспортного средства и рельсом, содержащим раму с колесами, измерительный ролик, нагружатель, установленный на оси ролика, устройство для измерения, регистрации и обработки информации в виде датчиков напряжений, например тензометрических, и вычислительного блока, устройство управления и источник автономного питания, на оси ролика дополнительно установлен датчик положений, а нагружатель измерительного ролика выполнен в виде порошковой муфты, состоящей из корпуса, неподвижной электромагнитной катушки (статора) и ротора, установленного на оси с кольцевым зазором относительно катушки и возможностью вращения с роликом, при этом зазор заполнен порошком, например из ферромагнитного сплава, взаимодействующим с упомянутым ротором под действием электромагнитного поля катушки, а также введением в состав устройство управления и контроля нагрузкой. Кроме того, в варианте исполнения трибометра нагружатель может быть выполнен в виде фрикционной муфты, состоящей из корпуса, неподвижной электромагнитной катушки и диска, установленного на оси с возможностью вращения с роликом, перемещения вдоль его оси по направляющим под действием электромагнитного поля катушки и фрикционного взаимодействия с торцом катушки, с нанесением на контактирующие поверхности катушки и диска фрикционного покрытия.
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 для решения обозначенной задачи имеют недостатки - малая надежность и сложность нагружателя измерительного ролика, обусловленные применением щечек ролика и катушки, связанных тросиком, сменных грузов и упругой пластины.
Цель полезной модели - повышение надежности и упрощение конструкции.
Для достижения поставленной цели целесообразно на оси ролика дополнительно установить датчик положений, а нагружатель измерительного ролика выполнить в виде порошковой муфты, состоящей из корпуса, неподвижной электромагнитной катушки (статора) и ротора, установленного на оси с кольцевым зазором относительно катушки и возможностью вращения с роликом, при этом зазор заполнен порошком, например из ферромагнитного сплава, взаимодействующим с упомянутым ротором под действием электромагнитного поля катушки, а также ввести в состав трибометра устройство управления и контроля нагрузкой. Кроме того, в варианте трибометра возможно исполнение нагружателя в виде фрикционной муфты, состоящей из корпуса, неподвижной электромагнитной катушки и диска, установленного на оси с возможностью вращения с роликом, перемещения вдоль его оси по направляющим под действием электромагнитного поля катушки и фрикционного взаимодействия с торцом катушки, с нанесением на контактирующие поверхности катушки и диска фрикционного покрытия.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 - изображен трибометр для измерения коэффициента трения между колесом транспортного средства и рельсом, общий вид в изометрии, на фиг.2 - то же, функциональная схема, на фиг.3 и 5 - вид А на фиг.1, на фиг.4 - выноска I на фиг.3, на фиг.6 - выноска II на фиг.5.
Трибометр для измерения коэффициента трения между колесом транспортного средства и рельсом содержит раму 1 с колесами 2, измерительный ролик 3, установленные на его оси 4 датчик положений 5 и нагружатель (на чертежах не обозначен) в виде порошковой муфты (на чертежах не обозначена), состоящей из корпуса 6, неподвижной электромагнитной катушки (статора) 7, ротора 8, установленного на оси 4 с зазором относительно катушки 7, упомянутый зазор заполнен порошком 9, например из ферромагнитного сплава, устройство для измерения, регистрации и обработки данных (на чертежах не обозначено) в виде датчиков напряжений 10, например тензометрических, и вычислительного блока 11, устройство управления 12, автономный источник питания 13 и устройство управления и контроля нагрузкой 14.
В варианте трибометра нагружатель выполнен в виде фрикционной муфты (на чертежах не обозначена), состоящей из корпуса 15, неподвижной электромагнитной катушки 16 и диска 17, установленного на оси 4 с возможностью вращения с роликом 3, перемещения вдоль его оси 4 по направляющим 18 и фрикционного взаимодействия с торцом катушки 16, при этом на контактирующие поверхности 19 и 20 катушки 16 и диска 17 нанесено фрикционное покрытие.
Трибометр для измерения коэффициента трения между колесом транспортного средства и рельсом работает следующим образом.
Раму 1 устанавливают колесами 2 на рельсы железнодорожного полотна (на чертежах не обозначены), обеспечивают надежный контакт колес 2 и ролика 3 с рельсами и подключают датчик положений 5 и нагружатель, датчики напряжений 10 и вычислительный блок 11 устройства для измерения, регистрации и обработки информации, устройство управления 12 и устройство управления и контроля нагрузкой 14 к источнику питания 13.
Перемещают раму 1 по рельсам, при этом под действием силы трения ролик 3 вращается на оси 4, а под действием массы рамы 1, или иной нагрузки, создается давление на ролик 3, имитирующее свободное, без торможения, движение транспортного средства (на чертежах не показано), датчики 10 фиксируют напряжения в месте контакта ролика 3 и рельса, механические напряжения в датчиках 10 преобразуются в электрические сигналы, а затем эти сигналы передаются в блок 11 устройства для измерения, регистрации и обработки информации, где производится их измерение, регистрация и обработка и определяется нормальная сила давления на ролик 3.
При отсутствии электромагнитного поля в катушке 7 порошковой муфты нагружателя, т.е. при отсутствии тормозящей силы, действующей на измерительный ролик 3, его ось 4 вместе с ротором 8 может свободно вращаться внутри катушки 7.
Устройством 12 включают электропитание катушки 7, при этом ее электромагнитное поле изменяется (возрастает), находящийся в кольцевом зазоре между катушкой 7 и ротором 8, порошок 9 становится активным, устанавливается согласно линии электромагнитного потока, т.е. в радиальном направлении ротора 8, и фрикционно взаимодействует с последним, вызывая его торможение и соответственно оси 4 ролика 3.
При необходимости регулировки нагрузки устройством 14 изменяют электромагнитное поле катушки 7, при этом мнимая вязкость порошка 9 и соответственно нагрузка на ось 4 и ролик 3 также меняются до определенной величины, контролируемой упомянутым устройством 14. Датчики 10 фиксируют измененные напряжения в месте контакта ролика 3 и рельса. Механические напряжения в датчиках 10 преобразуются в электрические сигналы, а затем эти сигналы передаются в блок 11 устройства для измерения, регистрации и обработки информации, где производится их регистрация и обработка и определяется сила трения на измерительный ролик 3, при его торможении без скольжения по рельсу, т.е. трение качения.
По мере увеличения силы магнитного поля катушки 7, т.е. увеличения нагрузки, сила давления на ролик 3 возрастает, и он начинает скользить по рельсу. После начала скольжения ролика, фиксируемого датчиком положений, датчики напряжений 10 таким же образом фиксируют и преобразуют механические напряжения и передают информацию в блок 11 устройства для измерения, регистрации и обработки информации, где производится их регистрация и обработка и определяется сила трения, действующая на ролик 3, т.е. трение скольжения.
Коэффициент трения определяют по значениям нормальной силы и силы трения, действующих в месте контакта ролика 3 и рельса и фиксируемых датчиками 10, при свободном вращении и при торможении ролика 3. При этом, изменяя давление на ролик торможения) на ролик посредством устройства 14 и нагружателя, получают значение максимального коэффициента трения, т.е. коэффициент трения качения, а также значение минимального коэффициента трения, т.е. коэффициент трения скольжения, при отсутствии вращения ролика 3, под действием тормозящей силы.
В варианте трибометра, а именно в варианте нагружателя при отсутствии электромагнитного поля в катушке 16 фрикционной муфты нагружателя, т.е. при отсутствии тормозящей силы, действующей на измерительный ролик 3, его ось 4 может свободно вращаться внутри катушки 16, а диск 17 не взаимодействует с упомянутой катушкой 16.
Устройством 12 включают электропитание катушки 16, при этом ее электромагнитное поле изменяется (возрастает) и воздействует на диск 17, вращающийся вместе с осью ролика 3, который перемещается вдоль оси 4 по направляющим 18 и вступает во фрикционный контакт с торцом катушки 16, в результате чего в возникает сила торможения оси 4 и, соответственно ролика 3, передающаяся датчикам 10. Для повышения эффективности торможения на контактирующие поверхности 19 и 20 катушки 16 и диска 17 нанесено фрикционное покрытие, например алюминиевое с включением частиц оксида титана методом электродугового распыления.
Измерения и регулировку нагрузки производят по схеме описанной выше.
Технический результат от использования заявляемого трибометра заключается в повышении надежности и упрощении конструкции нагружателя измерительного ролика при измерении коэффициента трения колеса транспортного средства и рельса.
Указанный технический результат достигается совокупностью отличительных признаков, а именно дополнительной установкой на оси ролика датчика положений, в выполнении нагружателя измерительного ролика в виде порошковой муфты, состоящей из корпуса, неподвижной электромагнитной катушки (статора) и ротора, установленного на оси с кольцевым зазором относительно катушки и возможностью вращения с роликом, при этом зазор заполнен порошком, например из ферромагнитного сплава, взаимодействующим с упомянутым ротором под действием электромагнитного поля катушки, а также введением в состав трибометра устройства управления и контроля нагрузкой. Кроме того, в варианте трибометра отличительным признаком может являться исполнение нагружателя в виде фрикционной муфты, состоящей из корпуса, неподвижной электромагнитной катушки и диска, установленного на оси с возможностью вращения с роликом, перемещения вдоль его оси по направляющим под действием электромагнитного поля катушки и фрикционного взаимодействия с торцом катушки с нанесением на контактирующие поверхности катушки и диска фрикционного покрытия.
Представленные описание и чертежи заявляемого трибометра позволяют, используя существующие материалы и покупные комплектующие изделия, изготовить его промышленным способом и использовать для измерения коэффициента трения между колесом транспортного средства 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».
Трибометр для измерения коэффициента трения между колесом транспортного средства и рельсом, содержащий раму с колесами, измерительный ролик, нагружатель, установленный на оси ролика, устройство для измерения, регистрации и обработки данных в виде датчиков напряжений, например тензометрических, и вычислительного блока, устройство управления и источник автономного питания, отличающийся тем, что на оси ролика установлен датчик положений, нагружатель выполнен в виде порошковой муфты, состоящей из корпуса, неподвижной электромагнитной катушки и ротора, установленного на оси с кольцевым зазором относительно катушки и возможностью вращения с роликом, при этом зазор заполнен порошком, например из ферромагнитного сплава, взаимодействующим с упомянутым ротором под действием электромагнитного поля катушки, либо в виде фрикционной муфты, состоящей из корпуса, неподвижной электромагнитной катушки и диска, установленного на оси с возможностью вращения с роликом, перемещения вдоль его оси по направляющим под действием электромагнитного поля катушки и фрикционного взаимодействия с торцом катушки, при этом на контактирующие поверхности катушки и диска нанесено фрикционное покрытие, кроме того, в состав введено устройство управления и контроля нагрузкой.
