Способ автоматического считывания мгновенных значений сил воздействия колеса в процессе движения на рельс железнодорожного пути и устройство для его осуществления

Изобретение относится к области железнодорожного транспорта, а именно к средствам, направленным на обеспечение его безопасности.

Обеспечение безопасности железнодорожного транспорта во многом связано с возможностью получения своевременной информации о состоянии колес, а также отдельных элементов подвески вагонов (буксы, пружины и т.д.), находящихся в процессе движения по железнодорожному пути, которая должна указывать на образование их повреждений.

В патенте RU 2493992 C1 описан способ контроля колесных пар железнодорожного транспорта, согласно которому после наезда колеса на стык в колесе начинает распространяться круговая волна, которая проходя по колесу, вызывает появление акустической волны, исходящей от колеса и регистрируемой датчиком. Датчик преобразует акустическую волну в электрический сигнал. При отсутствии трещин длительность и частота сигнала будут иметь определенное значение. В случае наличия трещины в колесе указанные параметры изменятся - длительность и частота уменьшатся, что будет свидетельствовать о недопустимости дальнейшей эксплуатации этого колеса. Затем колесо начнет катиться по участку, протяженность которого в данном случае равна половине длины окружности колеса, на котором с помощью акустических датчиков осуществляется проверка качества поверхности катания. В результате упрощается конструкция осуществляющего контроль устройства, повышаются эксплуатационные характеристики, снижается энергопотребление, однако такой способ имеет и недостатки, связанные, прежде всего, с невозможностью определения состояния отдельных элементов подвески колес, т.е. такой способ не обладает достаточной информативностью.

Известны технические решения, в которых предлагается судить о состоянии отдельных элементов подвески вагонов по значениям сил взаимодействия их колес с рельсом железнодорожного пути, см., например, «Путь и путевое хозяйство промышленных железных дорог» под редакцией д-ра техн. наук, проф. В.Ф. Яковлева, М. Транспорт, 1990 г., стр. 120 [1], где описаны различные способы определения мгновенных значений сил взаимодействия колеса с рельсом железнодорожного пути и приведены графики изменения таких сил, полученные как теоретически чисто расчетным путем, так и практически в лабораторных условиях.

Недостатком таких известных способов является невозможность измерения сил взаимодействия колес с рельсом в реальных условиях, т.е. в процессе движения вагонов по железнодорожному пути с различными скоростями, что позволило бы своевременно получать информацию о наличии неисправностей и повреждений отдельных элементов подвески вагонов.

Кроме того, указанные известные способы исследования взаимодействия колес с рельсом слишком громоздки и позволяют выявить лишь отдельные виды повреждений элементов подвески объектов железнодорожного транспорта.

Однако при всех недостатках указанные известные способы позволяют получать реальные результаты и являются наиболее близкими к заявляемому способу по технической сути.

Изобретение направлено на повышение безопасности железнодорожного транспорта за счет обеспечения возможности считывания реальных мгновенных значений сил воздействия колес вагонов на путь в процессе движения на любых реальных скоростях в реальных условиях движения по реальной железнодорожной магистрали.

Указанная цель в способе автоматического считывания мгновенных значений сил воздействия колеса в процессе движения на рельс железнодорожного пути достигается путем преобразования этих механических сил воздействия в давление жидкости в закрытом резервуаре и использование для измерения давления внутри этого резервуара датчиков давления (без- или малоинерционных).

Заявляемый способ автоматического считывания мгновенных значений сил воздействия колеса на железнодорожный путь позволяет объективно оценивать реальные величины мгновенных значений сил воздействия колеса на путь в процессе движения на любых реальных скоростях в реальных условиях движения по реальной железнодорожной магистрали в реальном времени.

Устройство для осуществления способа автоматического считывания мгновенных сил воздействия колеса железнодорожного транспорта на рельс изображено на фиг. 1, где показаны: колесо объекта железнодорожного транспорта 1, рельс 2, винтовой домкрат 3, шаровый силоввод 4, резервуар (металлический цилиндр с жидкостью) 5, поршень 6, отвод 7, датчик давления 8, гибкая герметизирующая прокладка 9.

На фиг. 1 показано, что в заявляемом устройстве резервуар 5 с жидкостью связан с датчиком давления 8, а гибкая герметизирующая прокладка 9, обеспечивающая герметичность резервуара 5, размещена в резервуаре 5 и контактирует с поршнем 6. Между нижней поверхностью рельса 2 и верхней поверхностью поршня 6 последовательно установлены винтовой домкрат 3 и шаровой силоввод 4. Может быть использован безынерционный или малоинерционный датчик давления 8.

Устройство работает следующим образом.

При движении по рельсовому пути объекта железнодорожного транспорта, например вагона, различные элементы его подвески находятся в режиме постоянных колебаний (вибраций). При этом каждый элемент подвески вибрирует со своей частотой в зависимости от его массы и влияния соседних элементов. Эти вибрации передаются последовательно через элементы подвески и в результате суммарно воздействуют на колесо 1, а через него на рельс 2 и далее через элементы силоввода 3 и 4 и поршень 6 на жидкость внутри цилиндра 5, а далее через отвод 7 на безынерционный или малоинерционный датчик 8 давления жидкости. Датчик 8 давления воспринимает эти суммарные колебания (вибрации) и превращает их в электрические сигналы. Форма электрического сигнала повторяет форму сигнала результирующих мгновенных значений сил воздействия колеса 1 на рельс, по которым можно судить о состоянии как самого колеса, так и элементов подвески объекта железнодорожного транспорта.

На фиг. 2 показана осциллограмма мгновенных значений силы взаимодействия колеса с рельсом в условиях отсутствия повреждений элементов подвески. При возникновении какого-либо повреждения рельса или элемента подвески частота его колебаний (вибрация) изменяется. В качестве примера на фиг. 3 показана форма сигнала, соответствующая прокатыванию колеса с ползуном глубиной 1 мм, а на фиг. 4 показана форма сигнала, соответствующая перекатыванию колеса через короткую неровность рельса длиной 60 мм и глубиной 3 мм. Показанные примеры наглядно демонстрируют, что появление некоторой неисправности рельса или одного из элементов подвески приводит к изменению формы сигнала взаимодействия колеса с рельсом, анализ которой позволяет определить факт наличия повреждения, а также степень повреждения. Существуют различные известные способы анализа формы сигналов, но в данном случае наиболее предпочтительной является анализ формы сигнала через его спектр.

Практические результаты, полученные с помощью устройств, реализующих предлагаемый способ, достаточно хорошо согласуются с результатами, полученными ранее чисто теоретически и в лабораторных условиях, т.е. наглядно показывают обеспечение возможности считывания реальных мгновенных значений сил воздействия колеса на путь в процессе движения на любых реальных скоростях в любых реальных условиях. Практические испытания устройств в условиях Западно-Сибирской железной дороги показали, что они успешно работают в диапазоне температур окружающего воздуха от +40°C до -48°C и на скоростях от 1 км/час до 110 км/час (максимальная скорость ограничена только тем, что на данной магистрали железнодорожные поезда не ходят с большими скоростями). Теоретически снятие информации возможно на любых реальных скоростях, т.к. это обеспечивается быстродействием устройств, у которых время одного измерения составляет всего 16 микросекунд.

Следует также отметить, что параметры устройства, описанного в данной заявке, не зависят ни от каких-либо внешних условий, а установка на железнодорожных магистралях не мешает их обслуживанию, в том числе автоматизированным профилактическим работам, включающим подбивку щебня, уборку снега и т.д.

Установка заявляемых описанных в заявке устройств может быть произведена на железнодорожных магистралях через некоторый промежуток, например через 100, или 50, или 25 км.

1. Способ автоматического считывания мгновенных значений сил воздействия колеса на рельс железнодорожного пути в процессе движения, включающий преобразование механических сил воздействия колеса на рельс в давление жидкости, преобразование изменяющегося давления жидкости, которое возникает в результате взаимодействия колес с рельсом в процессе движения, в электрический сигнал, который повторяет форму сигнала результирующих мгновенных значений сил воздействия колеса на рельсы, анализ полученного сигнала для определения дефектов элементов подвески.

2. Устройство для осуществления способа автоматического считывания мгновенных сил воздействия колеса железнодорожного транспорта на рельс, включающее размещенный под рельсом резервуар с жидкостью и поршнем, передающим воздействие колес на жидкость, при этом резервуар с жидкостью связан с датчиком давления, а герметичность резервуара обеспечивается посредством гибкой герметизирующей прокладки, размещенной в резервуаре и контактирующей с поршнем.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что между нижней поверхностью рельса и верхней поверхностью поршня последовательно установлены винтовой домкрат и шаровой силоввод.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что используется безынерционный или малоинерционный датчик давления.