Способ определения параметров, характеризующих состояние системы колесо - рельс, при движении транспортного средства по криволинейному участку пути

 

Использование: на железнодорожном транспорте для определения параметров, характеризующих состояние системы "колесо-рельс" при движении транспортного средства по криволинейному участку пути. Сущность изобретения: по углам между продольными осями тележек и продольной осью рамы транспортного средства, длине базы транспортного средства, величинам усилий, возникающих между рамой тележки и осями колесных пар, определяют параметры, характеризующие состояние системы "колесо-рельс", выраженные в виде величин направляющих усилий, между наружным рельсом и гребнями колес. 4 ил.

Изобретение относится к области железнодорожного транспорта, к контрольно-измерительным устройствам и предназначено для проверки состояния железнодорожного пути и подвижного состава, для определения направляющих усилий при исследовании взаимодействия подвижного состава и пути.

Известен способ исследования процессов взаимодействия экипажа и железнодорожного пути путем использования вычислительного устройства, позволяющего непрерывно во времени определять динамические силы, передаваемые колесами подвижного состава на путь, функционального преобразователя, позволяющего получать величины остаточных деформаций в узлах верхнего строения пути, остаточных перемещений рельсов, изменения жесткости пути и регистрирующего устройства, сигналы, характеризующие заданные конструктивные параметры подвижного состава, скорость движения последнего, жесткость пути, неровности на пути и на колесах, деформации в узлах верхнего строения, вводят в вычислительное устройство и получают сигналы, пропорциональные сигналы, которые посредством функционального преобразования преобразуют в сигналы, соответствующие остаточным деформациям в узлах верхнего строения пути, остаточным перемещениям рельсов и изменениям жесткости пути, и алгебраически суммируют эти сигналы на выходе функционального преобразователя с выходными сигналами, характеризующими заданные деформации в узле верхнего строения пути, неровности пути и его жесткость.

Суммарный сигнал запоминают в регистрирующем устройстве, а затем с некоторым сдвигом во времени этот сигнал возвращают на вход вычислительного устройства /I/. Недостатком способа является то, что сигналы, пропорциональные остаточным деформациям в узлах верхнего строения и остаточным перемещениям рельсов, а также изменения жесткости пути не меняют своих характеристик в процессе исследования, тогда как в реальных условиях эти величины изменяются во времени. Основной недостаток заключается в том, что процесс взаимодействия подвижного состава и железнодорожного пути моделируют на установке без учета реальных условий. В А.с. N 929485 [2] которое является дополнительным к А. с. N 446445, дополнительно вводятся сигналы пропорциональные остаточным деформациям пути и перемещения рельсов за счет увеличения количества циклов воздействия колес экипажа на железнодорожный путь, тем не менее данный способ не отражает реальных условий взаимодействия экипажа и пути, и исследование процессов взаимодействия экипажа и пути происходит исключительно в вертикальной плоскости.

В качестве аналога заявляемого способа принят способ определения динамического взаимодействия пути и подвижного состава по силовым факторам [З] заключающийся в том, что применяют систему связанных между собой датчиков, устанавливаемых как на подрессоренной, так и на неподрессоренной частях экипажа, усилителей и электронных амплитудных селекторов, на выходе которых устанавливают электромагнитные отметчики, фиксирующие величины импульсов на протягиваемой пропорционально пройденному пути бумаге, т.е. непрерывно регистрируют значения величины направляющих усилий, передаваемых рельсами гребня колес подвижного состава.

К недостаткам этого изобретения можно отнести: Использование электрического датчика, который установлен на подвижном составе, в данном случае датчик выдает электрические сигналы импульсы, которые сравниваются с заранее назначенной градацией на выходе отьюстированного электронно-амплитудного селектора, т.е. полученные сигналы сравниваются с сигналами, полученными установленным путем. Поэтому после сравнения получаются электрические сигналы, отражающие нереальное силовое воздействие или смоделированное.

Кроме того, электрические сигналы, полученные от датчиков в зависимости от уровня сигнала с электронно-амплитудного селектора подается в соответствующий электромагнитный отметчик, фиксирующий только свой показатель на бумаге. Данная система фильтрации сигнала и разделение его на сильный и слабый, отражает примитивную отработку импульса, которая в конце концов регистрирует на протягиваемой бумаге сигналы, отражающие лишь изменения электрических импульсов неподрессоренной или подрессоренной сети экипажа после усилителя с неоправданным и ненужным разложением сигнала.

Рассматриваемое в качестве другого аналога изобретение представляет собой способ для определения динамического взаимодействия пути и подвижного состава по силовым факторам, т.к. полученные с помощью способа и зафиксированные на бумаге сигналы не отражают процесса взаимодействия системы экипаж-рельс, поэтому зафиксированные значения силовых факторов являются отрешенными от действительности. А способ отражает скорее всего технологию процесса измерения и регистрации электрических сигналов с усилением и сравнением с заданными значениями импульсов. Необходимо отметить недостаточную надежность работы устройства, связанную с применением датчика и электронно-амплитудного селектора, которые не способны обеспечить стабильной работы устройства. Об отсутствии точности измерения говорит и тот факт, что в приведенном изобретении не говорится о положении экипажа в кривых участках железнодорожного пути, хотя, как известно, при движении экипажа в кривых, силы динамического взаимодействия системы экипаж-рельсы резко возрастают, также не учитываются последствия взаимодействия, как например перекосы и просадки пути, положение экипажа в кривой, отжатие рельса.

Динамическое взаимодействие системы колесо-рельс при движении железнодорожного экипажа в кривых участках пути, находится в прямой зависимости от геометрических параметров взаимодействия данных систем и их взаимного износа. В процессе проведения патентного поиска установлена известность являющегося наиболее близким аналогом способа непрерывной регистрации параметра, характеризующего состояние системы колесо-рельс и определяемого при движении экипажа в кривых [4] который выбран в качестве прототипа к заявляемому.

В известном способе и устройстве контролируемым параметром является кривизна железнодорожного пути, определяемая с учетом углов поворота передней и задней тележек, величины которых зависят от износа системы колесо-рельс.

Способ заключается в том, что с помощью транспортного средства с передней и задней ходовыми тележками, которые перемещают в кривой, в положении максимального перекоса, измеряют передний и задний горизонтальные углы между продольной осью рамы транспортного средства и продольными осями ходовых тележек и определяют кривизну круговой кривой по формуле Таким образом, величина радиуса круговой кривой железнодорожного пути в плане зависит от величины углов поворотов тележек относительно базы транспортного средства и величины самой базы. Устройство для определения кривизны пути содержит датчики, установленные на ходовых тележках, реализующие электрический сигнал, пропорциональный углу поворота тележек.

Электрические сигналы от датчиков, преобразуясь в делителях напряжений и функциональных преобразователях, подают на вход операционного усилителя, работающего в режиме сумматора. На входе операционного усилителя форсируют сигнал, пропорциональный сумме углов поворотов в функциональной зависимости от длины базы транспортного средства. Электрический сигнал на выходе устройства является характеристикой кривизны рельсовой колеи.

Недостаток известного способа и устройства заключается в том, что измеряемый параметр кривизны пути зависит от степени износа системы колесо-рельс и не отражает динамические параметры взаимодействия пути и подвижного состава.

В предлагаемом способе непрерывной регистрации направляющих усилий при движении экипажа в кривых участках железнодорожного пути, при котором непрерывно регистрируют значения величины направляющих усилий, передаваемых рельсами гребням колес транспортного средства, включающего в себя две тележки, в любой точке круговых кривых в горизонтальной плоскости, согласно изобретению, тележки устанавливают в положение максимального перекоса и измеряют углы поворотов тележек относительно шкворня между продольными осями тележек и осью рамы транспортного средства, измеряют длину базы транспортного средства, половину базы тележки, величину рамных усилий между рамой тележки и колесными парами (буксами) в поперечном направлении, а затем по результатам измерений определяют направляющие усилия, возникающие между рельсами и гребнями колесных пар по формулам для первой и второй колесных пар где Y₁ направляющее усилие, возникающее между гребнем колеса первой колесной пары и наружным рельсом; Y₂ направляющее усилие, возникающее между гребнем колеса второй колесной пары и наружным рельсом; Y_р1 рамное усилие, действующее на первую колесную пару: Y_р2 рамное усилие, действующее на вторую колесную пару;
a половина базы тележки;
L база рамы локомотива;
T сила трения колес о рельс;
ϕ_п- угол поворота передней тележки относительно шкворня базы транспортного средства;
ϕ_з угол поворота задней тележки относительно шкворня базы транспортного средства.

В патентной и технической литературе авторами не обнаружены технические решения, содержащие признаки, сходные с отличительными признаками заявляемого способа. Таким образом, можно сделать вывод, что данное решение отвечает критерию "существенные отличия".

Для осуществления заявляемого способа определения направляющих усилий при движении экипажа в кривых участках железнодорожного пути рассмотрим упрощенную схему двухосной тележки с действующими на нее силами в горизонтальной плоскости (фиг. 1), принимаем условие: свободные разбеги и упругие перемещения крайних колесных пар не учитываются. Рассматриваем динамическое вписывание без учета отжатия рельсов.

С целью непрерывной регистрации величины направляющих усилий, передаваемых рельсами гребням колес в любой точке круговых кривых в горизонтальной плоскости с помощью бесконтактных датчиков измеряют углы поворотов тележек относительно шкворня между продольными осями тележек и осью рамы транспортного средства, измеряют длину базы транспортного средства, половину базы тележки, измеряют величину рамных усилий между рамой тележки и колесными парами (буксами) в поперечном направлении.

Обозначим:
X полюсное расстояние;
Ω- центр поворота тележки;
T равнодействующая сил трения колес о рельсы;
H₁ продольная составляющая сил трения одного колеса I-й колесной пары о рельсы;
H₂ продольная составляющая сил трения одного колеса II-й колесной пары о рельсы;
V₁ поперечная составляющая сил трения одного колеса I-й колесной пары о рельсы;
V₂ поперечная составляющая сил трения одного колеса II-й колесной пары о рельсы;
2a база тележки;
Y₁ направляющее усилия первой колесной пары (реакция рельс);
Y₂ направляющее усилие второй колесной пары;
2S расстояние между кругами катания колес.

Способ имеет математическое обоснование.

Учитывая отношение поперечной составляющей сил трения V₁ к равнодействующей сил трения колес о рельсы T и отношения полюсного расстояния X к половине длины 2S, из подобия треугольников составляем пропорцию:


из которой находим значение поперечных составляющих сил трения для первой и второй колесных пар.

В данном случае V₁ -Y₁ и V₂ -Y₂ с учетом Y_р рамных усилий, возникающих от действия центробежных сил и реакции рельса, получим:


Известно, что углы поворотов передней и задней тележек относительно базы транспортного средства определяются [4] по формуле:


tgϕ_п≈ϕ_п и tgϕ_з≈ϕ_з,
т. к. углы поворота не превышают значения 5^o и идентичны для различных установок экипажа в кривой,
где ϕ_п- угол поворота передней тележки;
ϕ_з угол поворота задней тележки;
L/2 половина базы транспортного средства;
a половина базы тележки;
X_п полюсное расстояние первой тележки;
X_з полюсное расстояние задней тележки;
R радиус круговой кривой.

Рассматривая положение экипажа в кривой, в положении максимального перекоса допускается, что полюсное расстояние передней и задней тележек, равны, т.е. X_п X_з X
Находим X из выражения (7)

Из формулы (8) определяем значение R:

Подставляя (9) в (10) и упрощая, получим:

Из выражения (11) находим радиус круговой кривой /6/:

Находим полюсное расстояние для задней тележки:

где δ суммарный зазор с учетом уширения колеи.

Подставляя выражение (12) в (9), получим

Учитывая формулу, определяющую поперечные силы, возникающие между колесом и рельсом /7/

где Y направляющее усилие при движении экипажа в кривой;
T силы трения колес о рельсы;
X полюсное расстояние;
S половина расстояния между кругами катания колесной пары.

Подставляя выражение (14) в (15), получим значения направляющих усилий для первой и второй колесных пар


Таким образом из выражений (16) и (17) видно, что величина направляющих усилий рельсов при движении экипажа в кривых железнодорожного пути в плане зависит от величины рамных усилий, силы трения колес о рельсы, величин углов поворотов тележек и геометрических размеров экипажа; а половина базы тележки, L база локомотива; S- половина расстояния между кругами катания колес.

На фиг. 1 представлена схема тележки с действующими на нее силами в кривом участке рельсового пути,
где 2a база тележки;
Y₁ направляющее усилие, действующее от рельса на первую колесную пару;
Y₂ направляющее усилие действующее от рельса на вторую колесную пару;
2S расстояние между кругами катания;
X полюсное расстояние;
Ω- центр поворота тележки;
T сила трения колес о рельс;
V поперечная составляющая силы трения;
H продольная составляющая силы трения.

Рассмотрим работу устройства, реализующего способ, в статическом состоянии при нахождении транспортного средства в прямом участке рельсового пути на фиг. 2:
где 1 рама передней ходовой тележки;
2 рама задней ходовой тележки;
3 колесные пары ходовых тележек;
4 рельсовая колея;
5 оси рам ходовых тележек (АВ и А'В')
6 рама транспортного средства.

В данном случае ось рельсовой колеи совпадает с осями ходовых тележек и осью транспортного средства, бесконтактные датчики передней и задней тележек выдают электрический сигнал, соответствующий значению "0", на регистрирующем приборе фиксируется прямая линия.

Работа устройства в статическом состоянии при нахождении транспортного средства в кривой рельсового пути представлена на фиг. 3,
где 1 рама передней ходовой тележки;
2 рама задней ходовой тележки;
3 колесные пары ходовых тележек;
4 рельсовая колея;
5 оси рам ходовых тележек (АВ и А'В');
6 рама транспортного средства;
7 ось рамы транспортного средства, оо';
L база транспортного средства;
R_k радиус оси рельсового пути;
v_п- угол поворота передней тележки, измеряемый между осью рамы тележки и осью рамы транспортного средства;
ϕ_з-угол поворота задней тележки, измеряемый между осью рамы задней тележки и осью рамы транспортного средства;
8 бесконтактный датчик (статор);
9 сердечник бесконтактного датчика (ротор);
10 жесткая кинематическая связь ротора датчика с рамой транспортного средства;
11 датчик рамных усилий.

Способ осуществляется следующим образом.

В круговой кривой первая 1 и задняя 2 тележки устанавливаются в положение максимального перекоса, при этом гребень первой колесной пары 3 тележки прижат к наружному рельсу, а задней к внутреннему рельсу рельсовой колеи 4.

Оси 5 рам ходовых совпадают с осью рельсового пути, описанного радиусом R_k. Но центральная ось 7 рамы 6 транспортного средства не совпадает с осями 5 рам ходовых тележек, а значит и с осью рельсового пути. Отключения осей 5 рам ходовых тележек от оси 7 рамы 6 транспортного средства фиксируют бесконтактными индуктивными датчиками, представляющими собой катушку-статор с перемещающимся в ней сердечником-ротором, катушка подключена входными обмотками к источнику переменного напряжения, причем корпус датчика жестко прикреплен к раме ходовой тележки, а ротор имеет жесткую кинематическую связь с рамой транспортного средства.

Датчики, фиксирующие углы поворотов устанавливают непосредственно у поворотного угла ходовых тележек и реализуют электрический сигнал, пропорциональный углу поворота передней ходовой тележки ϕ_п и задней ходовой тележки ϕ_з. Датчики рамных усилий 11, фиксирующие изменения рамных усилий, устанавливаются на раме тележки 1,2 и с помощью кинематической связи соединены с буксовыми углами колесных пар 3. Датчики выдают электрический сигнал пропорционально давлению рамы тележки на буксовые углы колесных пар.

Под базой транспортного средства понимается межшкворневое расстояние между ходовыми тележками.

Электрические сигналы от датчиков поступают на входы блоков обработки сигналов в последующим фиксированием в блоке регистрации. Электрические сигналы на выходах блоков обработки прямо пропорциональны направляющим усилиям.

Величина изменяющегося сигнала может фиксироваться любой аппаратной частью, либо в виде графика на диаграммной ленте, либо в цифровой форме на магнитном носителе информации.

Схема устройства для непрерывной регистрации направляющих усилий изображена на фиг. 4.

11 бесконтактный индуктивный датчик рамных усилий тележки на первую колесную пару;
12 бесконтактный индуктивный датчик рамных усилий тележки на вторую колесную пару;
13 бесконтактный индуктивный датчик поворота первой ходовой тележки;
14 бесконтактный индуктивный датчик поворота задней ходовой тележки;
15 статический преобразователь;
16 аккумуляторная батарея;
17 распределительный трансформатор;
18 выпрямитель электрического сигнала индуктивного датчика первой тележки;
19 выпрямитель электрического сигнала индуктивного датчика задней тележки;
20 выпрямитель электрического сигнала индуктивного датчика рамных усилий колесной пары;
21 выпрямитель электрического сигнала индуктивного датчика рамных усилий второй колесной пары;
22 блок обработки сигналов, регистрирующий направляющие усилия первой колесной пары (БОС-1);
23 блок обработки сигналов, регистрирующий направляющие усилия второй колесной пары (БОС-2);
24 регистрирующий прибор.

При измерении направляющих усилий в круговых кривых железнодорожной колеи в плане использовался локомотив ТГМ-4, у которого ходовые тележки не имели поперечных разбегов колесных пар. На рамах тележек устанавливают корпуса бесконтактных индуктивных датчиков типа ИД-31УХЛЗ, подвижные штоки которых посредством жесткой кинематической связи закреплены на кузове локомотива, измеряют углы между продольной осью рамы транспортного средства и продольными осями ходовых тележек относительно шкворней.

Для определения рамных усилий использовались бесконтактные датчики типа ИД-31УХЛЗ, закрепленные на тележке между рамой тележки и буксовыми узлом колесных пар. На рамках тележки закреплены корпуса датчиков, подвижные штоки которых посредством жесткой кинематической связи закреплены на буксах колесных пар, измеряют рамные усилия действующие на колесные пары.

Устройство выполнено в металлическом корпусе размером 240 х 220 х 120 мм, к которому экранированным кабелем подключаются выходы датчиков. Устройство включает в себя статический преобразователь, распределительный трансформатор, комплект выпрямителей, блоки обработки сигналов БОС-1 и БОС-2. Регистрирующий прибор (использовался самопишущий двухкоординатный точный электроизмерительный прибор Н-307-1), который подключается к устройству двухканальным проводником.

Все оборудование предлагаемого устройства устанавливалось в кабине машиниста. Мобильность устройства позволяет закрепить его стационарно в любом месте транспортного средства, исключение составляет лишь записывающий прибор, который устанавливается горизонтально на столе для визуального и выборочного контроля, применяя другую аппаратную регистрирующую часть, можно еще более упростить систему регистрирования сигналов.

Предлагаемое устройство регистрирует направляющие усилия между рельсами и гребнями колес, имеет ряд преимуществ, которые выражены не только малыми габаритами, простотой и надежностью схемы, но и возможностью установки устройства на всех видах железнодорожных транспортных средств, имеющих две поворотные ходовые тележки.

Предлагаемый способ реализует возможность определения направляющих усилий, возникающих между гребнями букса и колесной пары экипажа и рельсом железнодорожного пути, в прототипе и других источниках приведенные измерения не проводятся. Поэтому провести объективный анализ преимуществ заявляемого объекта в сравнении с прототипом невозможно.

Обоснование технико-экономической эффективности изобретения затруднительно, т.к. направляющие усилия рельсовой колеи находятся в прямой зависимости от износа рельсов и гребней бандажей колесных пар. Теоретически существует возможность провести аналитический расчет направляющих усилий, но этот расчет настолько громоздок, что не идет ни в какое сравнение с предлагаемым способом и устройством по экономическим затратам, по определению регистрирующего параметра.

Если учесть, что для проведения аналитического расчета требуется привлечение высококвалифицированных специалистов программистов для составления расчетной программы модели динамического вписывания в кривых участках железнодорожного пути для определения направляющих усилий, возникающих между гребнями колесных пар и рельсами, стоимость использования вычислительного комплекса, зарплату обслуживающего персонала, затраты значительно превысят расходы, связанные с использованием приводимого способа и устройства.

Данное изобретение позволяет управлять процессом износа системы колесо-рельс. Например только на устранение издержек, связанных с заменой рельсов по боковому износу и обточкой и заменой бандажей колесных пар в 1990 г. управлением Северо-Кавказской железной дороги было затрачено 1200 тыс. руб. Поэтому разработки, проводимые по определению величины направляющих усилий приводят к экономии приводимых затрат.

ЛИТЕРАТУРА.

1. Авторское свидетельство СССР, N 446445, В 61 К 9/08, 1974, Бюлл. N 38.

2. Авторское свидетельство СССР, N 929485, В 61 К 9/08, 1982, Бюлл. N 19.

3. Авторское свидетельство СССР, N 119703, B 01 С 23/00, 1959, Бюлл. N 9.

4. Авторское свидетельство СССР, N 1691447, B 01 В 35/04, прототип.

5. Иванов В. Н. Конструкция и динамика тепловозов. Изд. 2-е дополнительное. М. Транспорт. 1974, с. 291.

6. Авторское свидетельство СССР, N 4721167, Е 01 В 35/04.

7. Лисовенко С.И. Динамика локомотивов. Учебное пособие. М.1962, с. 219.

8. Основы метрологии и электрические измерения. Под редакцией Е.М.Душина. 6-е издание переработанное и дополнительное. Ленинград. Энергоатомиздат. 1987 г.

Формула изобретения

Способ определения параметров, характеризующих состояние системы колесо
рельс, при движении транспортного средства по криволинейному участку пути, заключающийся в том, что при движении транспортного средства с передними и задними ходовыми тележками по криволинейному участку пути определяют углы между продольными осями рам тележек и продольной осью рамы транспортного средства и длину базы транспортного средства, по которым определяют параметры, характеризующие состояние системы колесо рельс, отличающийся тем, что определяют половину длины базы каждой тележки и величины усилий, возникающих между рамой тележки и осями колесных пар, по которым определяют параметры, характеризующие состояние системы колесо рельс, выраженные в виде величин направляющих усилий междунаружным рельсом и гребнями колес по формулам


где S половина расстояния между кругами катания колесной пары;
Y₁ направляющее усилие между наружным рельсом и гребнем колеса первой колесной пары;
Y₂ направляющее усилие между наружным рельсом и гребнем колеса второй колесной пары;
L длина базы транспортного средства;
а длина половины базы;
Т сила трения колес о рельсы;
ϕ_п угол между продольной осью передней тележки и продольной осью рамы транспортного средства, рад.

ϕ_з угол между продольной осью задней тележки и продольной осью рамы транспортного средства, рад.

Y_p1 усилие между рамой тележки и осью первой колесной пары;
Y_p2 усилие между рамой тележки и осью второй колесной пары.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4