СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРА, ХАРАКТЕРИЗУЮЩЕГО СОСТОЯНИЕ СИСТЕМЫ КОЛЕСО - РЕЛЬС, И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1996 года по МПК B61K9/00 E01B35/04 

Изобретение относится к области железнодорожного транспорта, в частности к контрольно-измерительным устройствам для измерения углов набеганий бандажей колесных пар на рельс в кривых участках железнодорожного пути и предназначено для использования при научных исследованиях процессов взаимодействия экипажа и железнодорожного пути.

Известен способ измерения угла поворота и устройство для его осуществления [1]
Способ заключается в том, что на основе изморенных в двух системах отсчета, жестко связанных с объектами 4-к компонент вектора линейного ускорения общей точки кинематической пары, определяют угол между системами отсчета соответствующий углу между кинематически связанными объектами, угол поворота определяют по формулам

где компоненты вектора линейного ускорения в первой системе отсчета;
компоненты вектора линейного ускорения во второй системе отсчета.

В качестве вектора ускорения выбирается вектор ускорения точки О общей точки плоской вращаемой пары.

Устройство для измерения угла Φ содержащее связываемый с контролируемым объектом в процессе измерений преобразователь ускорений и схему обработки его сигналов, кроме того, преобразователь выполнен в виде двух двухкомпонентных линейных акселерометров, каждый из которых установлен на одном из объектов, образующих кинематическую пару так, что оси их чувствительности расположены перпендикулярно оси относительно поворота кинематической пары, а их центры лежат на этой оси.

Недостаток известного способа и устройства заключается в том, что они не обеспечивают высокой точности измерения угловой величины, т.к. измерения основаны на определении вектора линейного ускорения, который является относительной характеристикой углового перемещения, кроме того способ и устройство реализуется исключительно на объектах, образующих кинематическую пару, что исключает возможность применения их на несопрягаемых парах, в частности в точке соприкосновения системы колесо рельс.

Аналогом заявляемому также являются способ измерения угловых мер и устройство для его существования [2] заключающийся в том, что измеряемую угловую меру размещают на основании, жестко связанном с датчиком угловых перемещений, приводят основание во вращение, фиксируют положение граней меры, формирую временный интервал, длительность которого равна промежутку времени между моментом фиксации граней, измеряют угол поворота основания в течение указанного временного интервала и повторяют операцию измерения угла поворота основания до тех пор, пока мера не пройдет полный круг на основании и определяется значение угла угловой меры, как среднее арифметическое значений измерений угла поворота основания.

Устройство, содержащее привод углового перемещения, на валу которого закреплены измерительный стол и импульсный датчик угловых перемещений фотоэлектрический автоколиматор и вычислительный блок, соответствующие входы которого соединены с выходами фотоэлектрического автоколиматора и датчика угловых перемещений, кроме того, устройство снабжено основанием, установленного соосно с измерительным столом с возможностью вращения относительно него, шаговым приводом углового перемещения основания относительно измерительного стола, блоком управления, выход которого соединен с управляющим входом шагового привода, а вычислительный блок выполнен в виде блока усреднения по измерениям, с текстирующим выходом соединенным с входным блоком. Вышеприведенный способ и устройство, реализующее его, измеряют стационарно фиксированную угловую меру довольно сложным по конструкции устройством, но этим способом невозможно измерить углы, возникающие между гребнем бандажа колесной пары и рельсом при движении транспортного средства в кривых участках железнодорожного пути.

Известен способ и устройство предназначенное для определения параметра характеризующего состояние системы колесо рельс и контролируемого в кривых участках железнодорожного пути [3] которые выбраны в качестве прототипа заявляемому.

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

Способ заключается в том, что с помощью транспортного средства с передней и задней ходовыми тележками, которое перемещают в круговой 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, вел чина радиуса круговой кривой железнодорожного пути в плане зависит от величины углов поворотов тележек относительно базы транспортного средства и величины самой базы. Устройство для измерения кривизны пути содержит датчики установленные на ходовых тележках реализующие электрический сигнал пропорциональный углу поворота тележек.

Электрические сигналы от датчиков, преобразуясь в делителях напряжения и функциональных преобразователях, подают на вход операционного усилителя работающего в режиме сумматора. На входе операционного усилителя форсируют сигнал, пропорциональный сумме углов поворота 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 полностью не отражает геометрические и динамические параметры взаимодействия пути и подвижного состава к которым относится угол набегания гребней бандажей колесных пар на раме в кривых.

В предлагаемом способе измерения углов набеганий гребней бандажей колесных пар в кривых участках железнодорожного пути, заключающемся в измерении углов поворотов тележек транспортного средства, относительно шкворней между осевыми линиями тележек и осью рамы транспортного средства и измерении длины базы транспортного средства, согласно изобретению, измеряют длину тележек, установленных на колесные пары, затем тележки, в процессе движения, устанавливают в положение максимального перекоса и, после измерения углов поворотов тележек, по результатам измерений, определяют угол набегания, возникающий между бандажом колеса и рельсом по формуле

где α угол набегания гребня бандажа колесной пары на рельс;
L база транспортного средства;
a половина базы тележки;
v_п угол поворота передней тележки;
Φ_з угол поворота задней тележки.

Заявляемый способ может быть реализован с помощью устройства содержащего, делители напряжения, сумматора аппаратной части, датчиков углов поворота и функционального преобразователя, функциональный преобразователь реализован с использованием инвертора и дополнительного делителя напряжения, определенным образом соединенным с другими элементами схемы.

Способ имеет математическое обоснование. Известно, что углы поворотов передней и задней тележек относительно базы транспортного средства определяются [4] по формулам


tgΦ_п≈ Φ_п и tgΦ_з≈ Φ_з,
т.к. углы поворота не превышают качения 5^o,
где Φ_п угол поворота передней тележки;
Φ_з угол поворота водней тележки;
половина базы транспортного средства;
a половина базы тележки;
Xп полюсное расстояние передней тележки;
Xз полюсное расстояние задней тележки;
R радиус кривой железнодорожного пути.

Известно, что при положении максимального перекоса при прохождении транспортного средства кривых участков железнодорожного пути полюсные расстояния передней и задней тележек будут одинаковы, т.е. Xп Xз X.

Находим значение полюсного расстояния из выражения (I)

Из формулы (2) определим значение R

Подставляя (3) и (4) и упрощая, получим

Из выражения (5) находим радиус кривой /4/

Учитывая, что при движении транспортного средства в кривой в положении максимального перекоса, имеем значение полюсного расстояния

где δ суммарный зазор с учетом уширения колеи (δ=e+2σ), подставляя выражение (6) в (3) получим

Из выражения (7) находим значение суммарного зазора с учетом уширения в колее

Подставляя (8) в (9) получим

Используя выражение (6) в выражении (10) значение зазора равно

Угол набегания определяется по формуле (5)

Подставив (7) в (12) получим

Используя (11) в выражении (13) находим

Подставив (6) в (14) получим

Таким образом из выражения (15) видно, что величина угла набегания зависит от разности величины углов поворота тележек в функциональной зависимости величины L базы транспортного средства, a половина базы тележки и постоянного коэффициента.

Рассмотрим работу предлагаемого устройства, реализующего способ непрерывной регистрации углов набеганий.

Устройство в статическом состоянии при нахождении транспортного средства в кривой рельсового пути (фиг. 1), 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 АВ); 6 рама транспортного средства; 7 ось рамы транспортного средства; 8 индуктивный датчик (статор); 9 - сердечник индуктивного датчика (ротор); 10 жесткая кинематическая связь ротора датчика с рамой транспортного средства; 11 касательная, проведенная в точке контакта системы колесно-рельс относительно рельса(продольно направлению рельса); 12 направление качения колеса (перпендикулярно качению колесной пары); L база транспортного средства; Rк- радиус оси рельсового пути; α угол набегания гребня бандажа на рельс; v_п угол поворота передней тележки, измеряемый между осью передней рамы тележки и осью рамы транспортного средства; Φ_з угол поворота задней тележки, измеряемый между осью рамы задней тележки и осью рамы транспортного средства.

В круговой кривой тележки устанавливаются в положение максимального перекоса, при котором первая колесная пара прижата к наружному рельсу, а задняя к внутреннему рельсу.

Оси реже ходовых тележек 5 совпадают с осью рельсового пути, описанного радиусом Rк. Но центральная ось рамы транспортного средства 7 не совпадает с осями рам ходовых тележек 5, а значит и с осью рельсового пути. Отклонение осей рам ходовых тележек 5 от оси рамы транспортного средства 7 фиксируется бесконтактными датчиками, представляющими собой (см.фиг.1) катушку статор 8, перемещающимся в ней сердечником ротором 9, катушка подключена входными обмотками к источнику переменного напряжения, причем корпус датчика жестко прикреплен к раме ходовой тележки 1 и 2, а ротор 9 имеет жесткую кинематическую связь 10 с рамой транспортного средства 6.

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. Угол набегания измеряется между касательной, проведенной по направлению рельса в точке контакта системы колесо рельс и линией, перпендикулярной качению колесной пары и определяется в функции углов поворотов тележек.

Под базой транспортного средства понимается межшкворневое расстояние между ходовыми тележками.

Схема устройства для измерения углов набегания изображена на фиг. 2, где 13 бесконтактный датчик угла поворота передней тележки; 14 бесконтактный датчик угла поворота задней тележки; 15 делитель напряжения сигнала угла поворота передней тележки ДН-1; 16 делитель напряжения сигнала угла поворота задней тележки ДН-2; 17 входное сопротивление сигнала датчика передней тележки; 18 входное сопротивление сигнала датчика задней тележки; 19 - операционный усилитель, работающий в режиме инвертора; 20 сопротивление обратной связи инвертора; 21 делитель напряжения инвертированного сигнала ДН-З; 22 выходное сопротивление сигнала инвертора; 23 операционный усилитель, работающий в режиме сумматора; 24 сопротивление обратной связи сумматора; 25 аппаратная часть регистрирующего устройства.

Электрические сигналы Φ_п и Φ_з от датчиков угловых перемещений, передней тележки 13 и задней тележки 14 подаются соответственно на входы делителей напряжения 15 и 16. Выход делителя напряжения 15 через входное сопротивление 17, операционный усилитель работающий в режиме инвертора 19, сопротивление обратной связи 20, подключен к делителю напряжения инвертированного сигнала угла поворота передней тележки 21 и через выходное сопротивление 22 соединен со входом операционного усилителя, работающего в режиме сумматора 23 и сопротивления обратной связи сумматора 24. Выход делителя напряжения 16, сигнала характеризующего угол поворота задней тележки, через входное сопротивление 18 соединен со входом сумматора 23. Выход сумматора 23 связан со входом аппаратной части регистрирующего блока 25.

На выходе операционного усилителя, работающего в режиме суммирования формируется электрический сигнал, пропорциональный сумме углов поворотов тележек в функциональный зависимости от длины базы транспортного средства, половины базы тележки и коэффициента 1/2.

Электрический сигнал на выходе предлагаемого устройства является характеристикой углов набегания гребней бандажей колесных пар на рельс в кривых участках железнодорожного пути.

Измеряемая величина может фиксироваться любой аппаратной частью, на диаграммной ленте или магнитном носителе.

На фиг. 3 представлена схема подключения (энергетический блок) устройства измерения углов набегания гребней бандажей колесных пар на рельс в кривых участках железнодорожного пути. 26 аккумуляторная батарея (GB); 27 - статический преобразователь (СП); 28 распределительный трансформатор (Т1); 29 бесконтактный индуктивный датчик угла поворота передней тележки (ВС1); 30 бесконтактный индуктивный датчик угла поворота задней тележки (BC2) 31 - сопротивления ( R1, R2 ); 32 выпрямитель сигнала датчика угла поворота передней тележки (Д1); 33 выпрямитель сигнала датчика угла поворота задней тележки (Д2); 34 блок-схема устройства.

Индуктивные датчики BC1 и BC2 подключены к аккумуляторной батареи (GB) 26 транспортного средства, через статический преобразователь 27 для получения переменного синусоидального напряжения и распределительный трансформатор 28. Каждый датчик подключен к индивидуальному выпрямительному комплексу сигналов углов поворотов тележек ВС1-29 к 32 и BC2-30 к 33. Выпрямительные устройства, реализующего данный способ 34, Выпрямленные сигналы поступают на блок-схему устройства, реализующего данный способ 34.

Пример контактного выполнения. При измерении угла набегания бандажей колесных пар на рельс в кривых, использовался локомотив ТГМ-4, у которого ходовые тележки не имели поперечных разбегов колесных пар. На рамах тележки устанавливают корпус датчиков типа ИД-31 УХЛЗ, 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.

Устройство выполнено в металлическом корпусе размерами 240 х 220 х 120 мм, к которому экранированным кабелем подключаются выходы датчиков. Устройство включает в себя делители напряжения, входные сопротивления, усилитель работающий в режиме инвертора с сопротивлением обратной связи, усилитель работающий в режиме суммирования с сопротивлением обратной связи, энергетический блок состоящий из статистического преобразования для преобразования постоянного напряжения в переменное, распределительного трансформатора, резисторов и выпрямительных блоков. Аппаратная часть содержит регистрирующий прибор Н-307-1 для подключения использовался двухканальный проводник. В предлагаемом устройстве фиксируется величины базы транспортного средства, половина базы тележек. В процессе движения измеряется угол набегания бандажей колесных пар на рельс в функции углов поворотов тележек.

Мобильность устройства позволяет закрепить его стационарно в любом месте транспортного средства, исключение составляет лишь записывающий прибор, который усиливается горизонтально для визуального и выборочного контроля, применяя другую регистрирующую аппаратуру можно еще более упростить систему регистрации сигналов. Предлагаемое устройство, регистрирующее угол набегания бандажей колесных пар на рельс в кривых имеет ряд преимуществ, которые выражены не только малыми габаритами, простотой и надежностью схемы, но и возможностью установки на всех видах железнодорожных транспортных средств, имеющих две поворотные ходовые тележки. Предлагаемый способ, реализует возможность измерения угла набегания, в прототипе и других литературных источниках приводимые измерения не проводятся. Поэтому провести объективный анализ преимуществ заявляемого объекта с прототипом невозможно.

Обоснование технико-экономической эффективности изобретения затруднительно, т.к. угол набегания гребней бандажей колесных pap на рельс, линейно зависит от износа гребней бандажей колесных пар и рельсов.

Измерение производилось с помощью локомотива, движущегося с эксплуатационной скоростью, что исключает возможность нарушения графика движения поездов, стоимость самого устройства не превышает 100 руб. по калькуляции элементной базы. Данная методика обеспечивает точность измерения регистрируемого параметра со значительным сокращением времени.

Данное изобретение позволит получить надежно-измерительный орган системы управления процессом износа системы колесо-рельс. Например, только на устранение издержек, связанных с заменой бандажей колесных пар в 1990 году управлением Северо-Кавказской железной дороги было затрачено 12000 тыс.руб. Поэтому разработки, проводимые по определению геометрии касания системы колесо рельс приводят к выявлению оптимальных параметров бандажей колесных пар и рельсов, что в свою очередь исключает вышеприведенные затраты, и можно отнести к чистому экономическому эффекту. ЫЫЫ2

Использование: для определения параметра, характеризующего состояние системы "колесо-рельс". Сущность изобретения: способ заключаются в том, что по углам между продольной осью рамы транспортного средства и продольными осями ходовых тележек, длине базы транспортного средства и половине длины тележки определяют параметр, характеризующий состояние систем "колесо-рельс", выраженный в виде угла набегания бандажа колеса на рельс, а устройство содержит два датчика угла 13 и 14, три делителя напряжения 15, 16 и 21, инвертор 19, сумматор 23 и регистрирующий блок 25. 2 с. п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ определения параметра, характеризующего состояние системы колесо рельс, при движении транспортного средства по криволинейному участку пути, заключающийся в том, что при движении транспортного средства с передней и задней ходовыми тележками, по криволинейному участку пути определяют углы между продольной осью рамы транспортного средства и продольными осями ходовых тележек и длину базы транспортного средства, отличающийся тем, что определяют длину половины базы тележки и определяют параметр, характеризующий состояние системы колесо рельс, выраженный в виде величины угла набегания бандажа колеса на рельс по формуле

где α угол набегания бандажа колеса на рельс,
a длина половины базы тележки,
L длина базы транспортного средства,
v_п угол между продольной осью рамы транспортного средства и продольной осью передней тележки,
Φ_з угол между продольной осью рамы транспортного средства и продольной осью задней тележки. 2. Устройство для определения параметра, характеризующего состояние системы колесо рельс, при движении транспортного средства по криволинейному участку пути, содержащее датчики углов между продольной осью рамы транспортного средства и продольными осями передней и задней тележек, связанные через функциональные преобразователи, выполненные в виде делителей напряжения, с входами сумматора, выход которого подключен к входу регистрирующего блока, отличающееся тем, что функциональный преобразователь, связанный с датчиком угла между продольной осью рамы транспортного средства и продольной осью передней тележки, снабжен дополнительным делителем напряжения и инвертором, вход которого подключен к выходу первого делителя напряжения, а выход к входу дополнительного делителя напряжения, при этом входом первого делителя напряжения и выходом дополнительного делителя напряжения образованы соответственно вход и выход указанного функционального преобразователя.