Устройство для измерения вертикальных и боковых сил взаимодействия между колесом и рельсом



Устройство для измерения вертикальных и боковых сил взаимодействия между колесом и рельсом
Устройство для измерения вертикальных и боковых сил взаимодействия между колесом и рельсом
Устройство для измерения вертикальных и боковых сил взаимодействия между колесом и рельсом
Устройство для измерения вертикальных и боковых сил взаимодействия между колесом и рельсом
Устройство для измерения вертикальных и боковых сил взаимодействия между колесом и рельсом
Устройство для измерения вертикальных и боковых сил взаимодействия между колесом и рельсом
Устройство для измерения вертикальных и боковых сил взаимодействия между колесом и рельсом
Устройство для измерения вертикальных и боковых сил взаимодействия между колесом и рельсом

 


Владельцы патента RU 2591739:

Акционерное общество "Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта" (АО "ВНИИЖТ") (RU)

Изобретение относится к приборостроению, в частности к измерительным устройствам для измерения и регистрации сил взаимодействия между колесом и рельсом. Техническим результатом является повышение точности измерения сил взаимодействия колеса с рельсом за счет уменьшения влияния на измерения вертикальных сил, поперечного смещения колеса относительно рельса и расширения частотного диапазона измеряемых вертикальных и боковых (горизонтальных) сил, возникающих при контакте колеса с рельсом при прохождении по геометрическим, стыковым неровностям пути и волнообразным неровностям на поверхности катания рельса. Устройство для измерения вертикальных и боковых сил взаимодействия между колесом и рельсом содержит железнодорожную колесную пару, тензометрические датчики, размещенные на внутренней и наружной стороне диска колеса по разные стороны от оси на концентричных диаметрах внутренней стороны дисков колес и включенные в полумостовые схемы, тензометрические усилители, програмируемый контроллер, блок передачи сигналов по радиоканалу, связанный с блоком приема сигналов и бортовым компьютером. Тензореристоры на наружной стороне диска колеса диаметрально расположены в створе с тензорезисторами на внутренней стороне, а угол α между соседними диаметрами на внутренней или наружной стороне диска колеса, на которых размещены диаметрально расположенные тензодатчики, составляет от 36° до 60° дуги окружности. 4 з.п. ф-лы, 12 ил.

 

Изобретение относится к приборостроению, в частности к измерительным устройствам для измерения и регистрации сил взаимодействия между колесом и рельсом.

Известен метод регистрации вертикальных и боковых (горизонтальных) сил взаимодействия колеса с рельсом, включающий в себя цельнокатаную колесную пару вагона с диаметрами колес 950 мм или 1050 мм, две мостовые схемы, расположенные на концентрических окружностях с радиусами 182, 186 или 282 мм по обеим сторонам диска колеса с тензорезисторами, включенными последовательно-параллельно в два противоположных плеча моста по четыре датчика с угловым интервалом между ними 45° для измерения деформаций диска колеса и определения вертикальных и боковых сил, действующих от колеса на рельс, токосъемное устройство, балансировочный блок, усилитель и шлейфовый осциллограф (А.К. Шафрановский «Непрерывная регистрация вертикальных и боковых сил взаимодействия колеса и рельса». Труды «ВНИИЖТ», Выпуск 308, Глава I, раздел 2, раздел 3 и Глава II, раздел 1, раздел 3, «Транспорт», Москва, 1965 г.) - аналог.

Известный метод заключается в раздельном измерении тензорезисторами деформаций диска колеса, зависящих только от одной силовой компоненты, и преобразовании их в электрический сигнал, пропорциональный вертикальной и боковой силам, действующим вблизи контакта колеса с рельсом. Недостатками указанного метода являются погрешности в определении вертикальной силы от 12% до 14% и боковой 8,6% - из-за неравномерной чувствительности тензорезисторов за оборот колеса и низкой тензочувствительности при соединении их в одну измерительную схему, низкая надежность работы токосъемника, невозможность проведения автоматической обработки сигналов сил из-за неопределенности нулевой линии в записях процессов.

Известно устройство для измерения вертикальных и боковых сил взаимодействия между колесом и рельсом, содержащее железнодорожную колесную пару, тензорезисторы, включенные в полумостовые схемы из четырех тензорезисторов, размещенных по разные стороны оси на диаметрах с наружной и внутренней сторонах диска колеса, токосъемник, тензометрические усилители, синхронизирующий и тактовый генераторы, блок управления, блоки электронных ключей вертикальной и боковой сил и блоки определения направления действия боковой силы, тензорезисторы трех полумостовых схем на внутренней стороне диска колеса установлены на диаметрах с радиусом 0,6-0,7 радиуса колеса и соседние диаметры сдвинуты относительно друг друга на 30°, а тензорезисторы трех полумостовых схем на наружной стороне диска колеса установлены на диаметрах с радиусом 0,6-0,8 радиуса колеса, у которых соседние диаметры также сдвинуты относительно друг друга на угол 30° (авторское свидетельство СССР №1312412, МПК: G01L 1/22, G01L 5/16, опубл. 23.05.1987 г.) - аналог.

При использовании известного решения последовательно измеряют двенадцать точечных информативных значений вертикальных и боковых сил за оборот колеса, т.е. через 0,25 м по протяженности пути, что дает возможность оценки влияния коротких неровностей пути на характеристики силового взаимодействия колеса с рельсом и позволяет повысить точность определения коэффициента запаса устойчивости колеса против схода с рельса. Недостатками указанного устройства являются ошибки в определении вертикальных сил взаимодействия колеса с рельсом при изменении поперечного положения колеса относительно рельса, а также низкая надежность работы токосъемника. Кроме того, известное решение не позволяет проводить измерения вертикальных и боковых сил по двум дискам колесной пары одновременно из-за ограниченного числа каналов токосъемников, расположенных в правом и левом буксовых узлах колесной пары, что значительно снижает функциональные возможности измерительной колесной пары.

Известно устройство для измерения вертикальных и боковых сил взаимодействия колеса с рельсом, содержащее железнодорожную колесную пару, тензорезисторы, включенные диаметрально в полумостовые тензометрические схемы и размещенные по разные стороны от оси на концентричных диаметрах внутренней стороны дисков колес, тензометрические усилители, программируемый логический контроллер, датчики регистрации поперечного и углового положения колесной пары относительно рельсов, блок синхронизации, блок передачи сигналов по радиоканалу, связанный с блоком приема сигналов и бортовым компьютером (патент РФ №2441206 C1, МПК: G01L 5/16, G01L 1/22, опубл. 27.01.2012 г.) - прототип.

В известном решении раздельно измеряют четыре информативных значения силовых компонент за оборот колеса на каждом из дисков колесной пары и рассчитывают истинные значения вертикальных и боковых сил с учетом масштабных коэффициентов, корректирующих неравномерную чувствительность тензорезисторов. Недостатком известного решения является небольшое количество измерений за оборот колеса, а большой интервал между последовательными измерениями за оборот колеса (0,75 м) не дает возможности точного определения коэффициента запаса устойчивости колеса против схода с рельса, так как путь схода составляет примерно 0,6 м. Кроме того, известное решение не позволяет измерять составляющие вертикальных и боковых сил, возникающие при прохождении колеса по коротким неровностям пути, таким как стыковые неровности и волнообразный износ поверхности катания рельса.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое решение, является повышение точности измерения сил взаимодействия колеса с рельсом и технических показателей устройства за счет уменьшения, вплоть до полного исключения, влияния на измерения вертикальных сил, поперечного смещения колеса относительно рельса, и расширения частотного диапазона измеряемых вертикальных и боковых (горизонтальных) сил, возникающих в контакте колеса с рельсом при прохождении по геометрическим, стыковым неровностям пути и волнообразным неровностям на поверхности катания рельса.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство для измерения вертикальных и боковых сил взаимодействия между колесом и рельсом содержит железнодорожную колесную пару, тензометрические датчики (тензодатчики), размещенные на внутренней стороне диска колеса по разные стороны от оси на концентричных диаметрах внутренней стороны дисков колес (диаметрально на концентричных окружностях - по два на каждом диаметре) и включенные в полумостовые схемы, тензометрические усилители, програмируемый контроллер, блок передачи сигналов по радиоканалу, связанный с блоком приема сигналов и бортовым компьютером, причем на наружной стороне диска колеса диаметрально расположены включенные в полумостовые схемы тензорезисторы - по два на каждом диаметре, которые размещены в створе с тензорезисторами на внутренней стороне, а угол α между соседними диаметрами на внутренней или наружной стороне диска колеса, на которых размещены диаметрально расположенные тензодатчики, составляет от 36° до 60° дуги окружности.

Устройство, характеризующееся тем, что содержит датчик угла набегания колеса на рельс.

Устройство, характеризующееся тем, что снабжено флеш-накопителем и GSM-приемником.

Устройство, в котором тензорезисторы, расположенные на внутренней стороне диска колеса установлены на диаметрах 0,6-0,7 диаметра колеса, а тензорезисторы, расположенные на наружной стороне диска колеса, установлены на диаметрах 0,6-0,8 диаметра колеса.

Заявляемое устройство конкретизировано на фиг. 1-12, где на фиг. 1 изображена блок-схема устройства для измерения вертикальных и боковых сил взаимодействия между колесом и рельсом, на фиг. 2 - расположение элементов устройства на железнодорожной колесной паре, на фиг. 3 - размещение схем тензорезисторов для измерения вертикальных и горизонтальных сил на диске колеса, на фиг. 4 и фиг. 5 - соединение тензорезисторов в схемы соответственно для измерения вертикальных и боковых сил для каждого диска, на фиг. 6-12 сигналы схем измерения соответственно вертикальных и боковых сил.

Устройство для измерения вертикальных и боковых сил взаимодействия между колесом и рельсом (фиг. 1, 2 и 3) содержит железнодорожную колесную пару 1, тензорезисторы (Rn) 2, включенные диаметрально в тензометрические полумостовые схемы 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, предназначенные для измерения вертикальных сил и размещенные на внутренней 11 и наружной 12 сторонах диска 13 колеса 14 на диаметрах 15, 16, 17 и 18, и тензометрические полумостовые схемы 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25 и 26, предназначенные для измерения горизонтальных сил и размещенные на внутренней 11 стороне диска 13 колеса 14 на диаметрах 15, 16, 17 и 18. Устройство содержит также тензометрические усилители 27 и 28, программируемый контроллер 29, блок определения угла набегания колеса на рельс 30, флеш-накопитель 31, блок передачи сигнала по радиоканалу 32, принимающее устройство 33, бортовой компьютер 34 и блок GPS 35.

Конструктивные особенности заявляемого устройство и особенности его работы описаны ниже.

Достижение заявляемого технического результата при использовании заявляемого устройства, а именно повышение точности (достоверности) измерения сил взаимодействия колеса с рельсом и расширение круга решаемых задач (функциональных возможностей), происходит за счет расширения частотного диапазона измеряемых сил путем суммирования сигналов со схем измерения каждой из измеряемых сил и получения в результате за оборот колеса непрерывного сигнала вертикальной и боковой сил (что зависит от величины угла α), исключения влияния на точность измерения вертикальных сил изменения поперечного смещения колеса относительно рельса.

Размещение тензорезисторов (Rn) по два на каждом диаметре позволяет получать при качении колеса по рельсу с каждой измерительной схемы периодический сигнал, что дает возможность с помощью фильтров верхних частот либо программным путем отфильтровывать постоянную составляющую сигналов сил, возникающую в результате несбалансированности полумостовых схем из-за разброса номиналов тензорезисторов, дрейфа нуля измерительных усилителей в зависимости от температуры окружающей среды и др. Размещение тензорезисторов на дуге окружности с угловым интервалом от 36° до 60° позволяет из сигналов, вырабатываемых отдельными полумостовыми схемами при качении колеса по рельсу, сформировать непрерывный сигнал о величинах сил за оборот колеса (по протяженности пути). Увеличение углового интервала между тензорезисторами более 60° приводит к невозможности измерений непрерывного сигнала измеряемых сил из-за снижения среднего значения и завышения среднего квадратического отклонения сигналов сил. Уменьшение углового интервала между тензорезисторами менее 36° также сопровождается снижением точности измерений за счет завышения среднего значения и завышения среднего квадратического отклонения сигналов сил и невозможностью измерения непрерывного сигнала. Таким образом, при расположении тензорезисторов за пределами указанного углового интервала можно говорить только о точечных измерениях по протяженности пути в ограниченном частотном диапазоне, зависящем от количества тензорезисторов на окружности колеса.

При качении железнодорожной колесной пары 1 по рельсам сигналы от тензорезисторов 2 с полумостовых тензометрических схем 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 и 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25 и 26, подключенных к входам тензометрических усилителей 27 и 28, поступают на входы программируемого контроллера 29. Одновременно, для оптимизации полученных результатов на вход программируемого контроллера может поступать сигнал с блока определения угла набегания колеса на рельс, работающего на сравнении фаз сигналов, подающихся от схем измерения боковых сил, размещенных на разных дисках колеса в створе друг с другом. Сигналы, поступившие с полумостовых тензометрических схем 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9,10, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25 и 26 и блока 30 определения угла набегания колеса на рельс, передаются передающим устройством 32 по радиоканалу через приемное устройство 33 на бортовой компьютер и одновременно записываются на флеш-память 31. На бортовом компьютере сигналы вертикальных сил (фиг. 6), смещенные друг относительно друга, например, на 45° в результате качения колесной пары по рельсам, обрабатываются и суммируются по модулю со своими масштабными коэффициентами, в результате суммирования на выходе получается непрерывный сигнал вертикальной силы по протяженности пути (фиг. 13). Результат с непрерывным значением сигнала вертикальной силы путем суммирования сигналов с разных измерительных схем будет получен при условии размещения на диаметрах, с углом смещения α между соседними диаметрами от 36° до 60°, от шести до десяти (например, восьми тензорезисторов, что соответствует α=45°), оптимально с равными интервалами, любое другое включение приводит к возникновению дополнительной погрешности в суммарном сигнале и не обеспечивает выполнение заявляемого технического результата.

Расположение тензорезисторов на внутренней стороне диска колеса на диаметрах 0,6-0,7 диаметра колеса и на наружной стороне диска колеса на диаметрах 0,6-0,8 диаметра колеса соответствует оптимальному результату, однако для каждой колесной пары эти диаметры выбираются в зависимости от индивидуальных особенностей колеса, т.е. от точности его изготовления, и определяются для каждой колесной пары.

Одновременно, по сигналам, поступающим со схем измерения горизонтальных сил (фиг. 7), определяется направление действия горизонтальной силы, проводится суммирование сигналов сил со своими масштабными коэффициентами и на выходе получается непрерывный сигнал боковой силы, действующий от колеса на рельс, в зависимости от направления действия наружу или вовнутрь колеи.

На фиг. 8 показан сигнал измерительной схемы, размещенной на диаметре 15, на фиг. 9 показан сигнал измерительной схемы, размещенной на диаметре 16, фиг. 10 - сигнал измерительной схемы, размещенной на диаметре 17, на фиг. 11 - сигнал измерительной схемы, размещенной на диаметр 18, а на фиг. 12 показан суммарный непрерывный сигнал от всех измерительных схем, размещенных на диаметрах 15, 16, 17 и 18.

Введение в полумостовые схемы измерения вертикальных сил дополнительных тензорезисторов, размещенных на наружной стороне диска колеса, датчика определения угла набегания колеса на рельс, флеш-накопителя информации, реализующего запись сигналов сил, измеренных под опытным вагоном, расположенным в любой части поезда вдали от приемного устройства, GSM-приемника, формирование непрерывных сигналов вертикальных и боковых сил позволяет повысить точность измерения сил взаимодействия между колесом и рельсом объектов железнодорожного транспорта, улучшить технические показатели устройства и обеспечить его применение при определении критериев безопасности от схода с рельсов, износов и контактной повреждаемости поверхности рельсов и кругов катания и гребней колес, исследовании процессов высокочастотных колебаний пути и неподрессоренных масс вагонов с привязкой к плану и продольному профилю железнодорожного пути.

1. Устройство для измерения вертикальных и боковых сил взаимодействия между колесом и рельсом, содержащее железнодорожную колесную пару, тензодатчики, размещенные на внутренней стороне диска колеса диаметрально на концентричных окружностях - по два на каждом диаметре и включенные в полумостовые схемы, тензометрические усилители, програмируемый контроллер, блок передачи сигналов по радиоканалу, связанный с блоком приема сигналов и бортовым компьютером, отличающееся тем, что на наружной стороне диска колеса диаметрально расположены включенные в полумостовые схемы тензорезисторы - по два на каждом диаметре, причем тензорезисторы, расположенные на наружной стороне, размещены в створе с тензорезисторами на внутренней стороне, а угол α между соседними диаметрами на внутренней или наружной стороне диска колеса, на которых размещены диаметрально расположенные тензодатчики, составляет от 40° до 60° дуги окружности.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что содержит датчик угла набегания колеса на рельс.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что снабжено флеш-накопителем и GSM-приемником.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что тензорезисторы, расположенные на внутренней стороне диска колеса, установлены на диаметрах 0,6-0,7 диаметра колеса.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что тензорезисторы, расположенные на наружной стороне диска колеса, установлены на диаметрах 0,6-0,8 диаметра колеса.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области измерения динамометрических параметров при фрезеровании, а именно к измерению, например, сил резания, вибраций и температуры при фрезеровании с использованием динамометра.

Изобретение относится к метрологии и предназначено для измерения и регистрации нескольких составляющих сил взаимодействия колеса с рельсом. Устройство содержит железнодорожную колесную пару, тензорезисторы, включенные диаметрально в полумостовые тензометрические схемы и размещенные по разные стороны от оси на концентричных диаметрах внутренней стороны диска колес, тензометрические усилители, программируемый логический контроллер, датчики регистрации поперечного и углового положений колесной пары относительно рельсов, блок синхронизации, блок передачи сигналов по радиоканалу на принимающее устройство и бортовой компьютер.

Изобретение относится к силоизмерительной технике, в частности к способам определения силовых факторов, действующих на колеса транспортных средств. Предложенный способ определения силовых факторов, действующих на колесо транспортного средства, включает в себя соединение ступицы и обода колеса с балками, измерение величин, связанных с силовыми факторами, и вычисление сил и моментов, действующих на ступицу путем вычисления перемещения контактной точки, лежащей на радиусе окружности с центром, совпадающим с геометрическим центром колеса.

Изобретение относится к устройствам для измерения силы и может быть использовано при подледных исследованиях. Сущность изобретения: динамометр содержит измерительные пружины (1), закрепленные между двумя фланцами (2).

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройству многокомпонентных тензометрических динамометров с внутренним каналом, и может быть использовано в различных областях техники (например, в робототехнике, экспериментальной гидро- и аэродинамике).

Изобретение относится к приборостроению, в частности к измерительным устройствам для измерения и регистрации сил взаимодействия колеса с рельсом. .

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к испытаниям смазочно-охлаждающих технологических сред, используемых при резании металлов. .

Изобретение относится к области контроля и регистрации, измерения, обработки и хранения данных, а именно контроля состояния гибких соединений, используемых в различных сферах промышленности и отраслях народного хозяйства.

Изобретение относится к области обработки материалов резанием и может быть использовано для измерения составляющих силы резания. .

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к датчикам давления контактного типа, в частности к тензометрическим средствам измерений консольного типа.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к тензометрическим средствам измерения. Технический результат: расширение динамического диапазона преобразования напряженно-деформированных состояний сенсорной консоли вследствие воздействия на ее поверхность скоростного напора (динамического давления) газовых или жидкостных потоков.

Изобретение относится к буровой технике и предназначено для измерения параметров силового воздействия на буровое долото режуще-скалывающего действия в процессе разрушения им породы.

Изобретение относится к датчикам силы. Датчик силы содержит корпус, который выполнен в виде короба, основание которого с внешней стороны снабжено крестообразным хомутом для закрепления корпуса в держателе штатива, а к противоположной стороне хомута закреплено основание, посредством которого датчик силы устанавливается на лабораторном столе, корпус снабжен съемной крышкой, один торец которой выполнен с П-образным окном для выхода порта.

Изобретение относится к весовой технике, в частности к датчикам силы, для точного измерения небольших усилий в широком диапазоне. Силочувствительный элемент содержит упругое кольцо с тензорезисторами, два жестких кольца меньшего и большего диаметров, радиальные рычаги по своим концам снабжены верхними и нижними балками равной толщины и длины, выполненными в виде трапеций с криволинейными основаниями.

Изобретение относится к весовой технике, в частности к тензорезисторным датчикам силы, предназначенным для точного измерения сил, в том числе в агрессивных средах.

Изобретение относится к весовой технике, в частности к упругим элементам датчиков силы, предназначенных для точного измерения силы небольшой величины в широком диапазоне.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для постоянного измерения усилий в различных резьбовых соединениях строительных элементов и конструкций.

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к системам измерения усилий в стержнях, тягах и других протяженных элементах конструкций, и может быть использовано в любой отрасли народного хозяйства, и, в частности, в ракетной технике.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройству многокомпонентных тензометрических динамометров с внутренним каналом, и может быть использовано в различных областях техники (например, в робототехнике, экспериментальной гидро- и аэродинамике).
Наверх