Устройство сбора информации и способ оценки результатов взаимодействия между колесом и рельсом Российский патент 2019 года по МПК G01L1/22 

Описание патента на изобретение RU2682567C1

Устройство сбора информации и способ оценки результатов взаимодействия между колесом и рельсом

Изобретение относится к приборостроению, а именно к устройствам для измерения и регистрации сил взаимодействия между колесом рельсового транспортного средства и рельсом.

Известно устройство регистрации вертикальных и боковых сил взаимодействия колеса и рельса (патент РФ №2441206 С1, МПК G01L 5/16, G01L 1/22, опубл. 27.01.2012 г.), включающее в себя цельнокатаную вагонную колесную пару, тензорезисторы, включенные диаметрально в полумостовые тензометрические схемы и размещенные по разные стороны от оси на концентричных диаметрах внутренней стороны диска колес с шагом 90° по дуге окружности, 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 приемки сигналов и бортовым компьютером.

В известном устройстве из-за расположения активных тензорезисторов с угловым интервалом π/2 на диске колеса и съеме информации в положении перпендикулярном рельсу, при диаметре колеса (950-1050) мм, путь, пройденный без регистрации силового воздействия составит 0,7-0,8 м за один оборот колеса.

Недостатками данного устройства являются: большой период расстановки активных тензорезисторов, который не позволяет данному устройству обеспечить достаточную выборку измерений вертикальных и поперечных сил при качении колесной пары по коротким неровностям пути, а дополнительный набор данных требует временных затрат. Недостаточное количество информативных значений за оборот колеса и отсутствие учета продольной силы снижают точность определения коэффициента запаса устойчивости против схода колеса с рельса.

Также известно устройство для измерения вертикальных и боковых сил взаимодействия между колесом и рельсом (патент РФ №2591739 С1, МПК G01L 1/22, G01L 5/16, опубл. 20.07.2016 г.), выбранное в качестве прототипа, включающее в себя железнодорожную колесную пару, тензорезисторы, предназначенные для измерения вертикальных сил, включенные диаметрально в полумостовые тензометрические схемы и расположенные на внутренней и наружной сторонах диска (4 тензорезистора на каждую диагональ), тензорезисторы, предназначенные для измерения боковых (горизонтальных) сил, включенные диаметрально в полумостовые схемы и расположенные с внутренней стороны диска (2 тензорезистора на каждую диагональ), тензометрические усилители, программируемый контроллер, блок определения угла набегания колеса на рельс, флэш-накопитель, блок передачи сигнала по радиоканалу, принимающее устройство, бортовой компьютер. Тензорезисторы, расположенные на внутренней стороне диска колеса установлены на окружности размерностью 0,6-0,7 диаметра колеса, а тензорезисторы, расположенные на наружной стороне диска колеса, установлены на окружности размерностью 0,6-0,8 диаметра колеса. Тензорезисторы размещены на дуге окружности с угловым интервалом от 36° до 60°.

Известное решение разделяет тензометрические схемы на группы для отдельного анализа вертикальных и боковых сил, количество тензометрических схем колеблется от шести до десяти в зависимости от углового шага, что обеспечивает малый бесконтрольный интервал при качении колеса от 0,3 м до 0,5 м и дает возможность оценки влияния коротких неровностей.

Недостатком указанного устройства является погрешность в определении силового воздействия между колесом и рельсом за счет отсутствия учета продольной составляющей вектора силы в «пятне» контакта и принятие истинных значений вертикальных и боковых сил как среднее от суммы точечных измерений за оборот колеса. Кроме того, расположение тензорезисторов снаружи колеса и наличие дополнительных средств анализа положения «пятна» контакта усложняют функциональную схему измерения и снижают надежность известного устройства при неблагоприятных условиях эксплуатации.

Решаемой технической проблемой является: небольшое число и усреднение информативных значений сил за оборот колеса, отсутствие учета компоненты продольной силы снижает точность измерения, а сложное конструктивное исполнение снижает надежность работы в процессе эксплуатации.

Технический результат заявляемых устройства и способа заключается в повышении точности и надежности измерений.

Указанный технический результат достигается за счет измерения трех компонент сил в контакте между колесом и рельсом с учетом его геометрического положения и повышение надежности за счет использования современного оборудования сбора и беспроводной передачи данных по сети «Wi-Fi», наличие эффективного (как сумма достаточного и резервного) набора тензорезисторов и расположение основных компонентов измерительной схемы во внутреннем контуре колесной пары.

Заявляемое устройства сбора информации результатов взаимодействия между колесом и рельсом содержит железнодорожную колесную пару, активные тензодатчики, размещенные радиально на внутренней стороне диска колеса на двух концентричных окружностях с угловым шагом 22,5°, включенные в тензометрические полумостовые схемы с компенсационными тензодатчиками (всего 64 полумостовые тензометрические схемы), компактное устройство сбора и беспроводной передачи данных, маршрутизатор, модуль «Wi-Fi» передачи данных и бортовой компьютер. Оборудование сбора и беспроводной передачи данных включает в себя независимый источник питания, тензометрический усилитель, контроллер сбора данных, аналого-цифровой преобразователь, блок синхронизации, флэш-накопитель информации, радиомодуль «Wi-Fi» передачи данных. Оборудование условно разделено на два независимых блока, каждый из которых отвечает за регистрацию данных с отдельного колеса, два блока регистрируют сигналы в едином временном формате, т.е. полностью синхронизированы между собой.

Отличительными признаками заявляемого устройства сбора информации результатов взаимодействия между колесом и рельсом являются:

- устройство кроме вертикальных и боковых сил позволяет проводить измерения продольных сил взаимодействия колеса и рельса;

- устройство позволяет проводить измерения поперечного смещения и угла качения колес колесной пары при ее движении в составе тележки без дополнительных устройств регистрации положения колесной пары относительно рельсов (датчиков углового и поперечного перемещения, блока синхронизации и др.);

- устройство снабжено современным компактным оборудованием беспроводной передачи данных по протоколу IEEE 802.11g «Wi-Fi» с возможность одновременно автоматически проводить регистрацию, передачу и обработку до 64 процессов (вертикальных, боковых и продольных сил взаимодействия колеса и рельса);

- устройство оборудовано полумостовыми тензометрическими схемами, активные тензорезисторы которых расположены радиально на двух концентрических окружностях с диаметрами 398,2 мм и 586,6 мм на внутренней стороне диска колеса и смещены друг относительно друга на угол 22,5°, (всего 64 тензометрических схем, по 32 на каждое колесо, по 16 на каждый диаметр);

- устройство обладает возможностью «горячего резервирования», т.е. восстановлению результатов измерения при нарушении работоспособности до 50% тензометрических схем.

Также заявляется способ оценки результатов взаимодействия между колесом и рельсом, заключающийся в рассмотрении сил непосредственно в контакте с рельсом. Такой подход позволяет уйти от приложения сил на колесную пару со стороны вагона, когда за счет трения между колесом и рельсом задача определения реакций в «пятне контакта» сводится к решению множества частных случаев нелинейного уравнения и ограничится определением зависимости «деформация-сила», руководствуясь упруго-физическими свойствами металла и основами тензометрии.

Технический результат в заявляемом способе достигается за счет реализации непрерывной записи процесса изменения вектора силы в «пятне» контакта и, как следствие, получения большого набора статистических данных для анализа, а также возможности воспроизведения поперечного смещения и угла качения колеса без использования дополнительного оборудования со своей погрешностью измерений.

Отличительная особенность заявляемого способа оценки результатов взаимодействия между колесом и рельсом заключается в переходе от усреднения точечных информативных значений силовых компонент за оборот колеса к непрерывной записи процесса на всем измерительном участке рельсовой колеи.

Заявленное устройство и способ оценки показаны на фиг. 1-7.

На фиг. 1 изображено расположение элементов устройства на железнодорожной колесной паре, на фиг. 2 - сечение А-А фиг. 1, на фиг. 3 - блок-схема устройства, на фиг. 4 - соединение тензорезисторов в схемы для каждого диска, на фиг. 5 - сигнал изменения относительных деформаций с тензометрических схем при качении колеса по рельсу, на фиг. 6, 7 - вертикальная и боковая силы, соответственно, после применения предлагаемого способа обработки сигналов с тензометрических схем.

Устройство сбора информации результатов взаимодействия между колесом и рельсом (фиг. 1, 2, 3 и 4) содержит железнодорожную колесную пару 1, активные тензорезисторы (SnBm) 2, включенные с компенсационными тензорезисторами (RKn) в тензометрические полумостовые схемы 3-18, 19-34, 35-50, 51-66, размещенные на внутренней 67 стороне диска 68 колеса 69 на концентрических окружностях 70, 71. Устройство также содержит многофункциональное измерительное оборудование сбора и передачи информации, которое условно разделено на два независимых блока 72, 73, каждый из которых отвечает за регистрацию данных с отдельного колеса и передает по радиоканалу через маршрутизатор 74 и модуль приемки сигналов 75 оцифрованные сигналы с тензометрических схем 3-18, 19-34, 35-50, 51-66 в бортовой компьютер 76.

Устройство работает следующим образом. При качении колесной пары 1 по рельсам 77 аналоговые сигналы от тензометрических полумостовых схем 3-18, 19-34, 35-50, 51-66 поступают на входы блоков 74, 75, далее после коммутации по передающему радиоканалу оцифрованные сигналы через маршрутизатор 74 и модуль приемки сигнала 75 поступают на бортовой компьютер 76. В результате качения колесной 1 пары по рельсам 77 на бортовом компьютере 76 формируется массив данных напряженно-деформированного состояния диска в виде сигналов с тензометрических схем, смещенных на угол 22,5° (фиг. 5). Если принять положение, когда диаметральные оси 78-85 с полумостовыми тензометрическими схемами 3-18, 19-34, 35-50, 51-66 внутренней стороны 68 диска 69 каждого колеса 70 при качении колесной пары 1 занимают положение перпендикулярно к рельсам 77, синхронизированные блоки 72, 73 через маршрутизатор 74 и блок приемки 75 на бортовой компьютер 76 посылают 64 информативных значений напряженно-деформированного состояния каждого колеса 70. Формируется матрица 64×8, где первые 6 столбцов содержат коды искомых сил, а 2 последних столбца - координаты точек контакта правого и левого колеса 70 колесной пары 1, несложно получить, используя предварительно полученные калибровочные коэффициенты, истинные значения вертикальной, боковой и продольной сил. При качении колеса 70 создаются периодические сигналы с шагом 0,19 м (фиг. 5), опрос тензометрических схем 3-18, 19-34, 35-50, 51-66 проводится с частотой дискретизации не менее 400 Гц, после фильтрации и применения заявляемого способа оценки формируются непрерывные сигналы вертикальной (фиг. 7) и боковой (фиг. 6) сил, на всем протяжении рельсового пути с учетом составляющей от продольной силы и положений «пятен» контакта.

Таким образом, алгоритм заявляемого способа оценки обработки сводится к решению системы линейных уравнений. Давая приращения одной из сил и отслеживая изменения измеряемых деформаций, можно получить зависимость вида Е=А×В, где:

Е=(ε1 ε2 … εm)т - вектор - столбец относительных деформаций;

А - матрица Якоби, размерностью n×m;

В=(b1 b2 … bn)т - вектор - столбец искомых величин;

εm - относительная деформация, m=1…8;

bn - искомая величина, n=1…8.

Число уравнений (64) больше числа неизвестных (8). Система уравнений не имеет точного решения. Предлагается находить так называемое «псевдорешение» В=С×Е, где:

С=(Ат×А)×А-1 - «псевдообратная» матрица празмерностью n×m.

Поскольку предлагаемое устройство определяет 8 величин по 64 тензометрическим схемам, матрица С имеет размер 8×64. Проведение экспериментов над математической моделью и натурных опытов доказали, что коэффициенты матриц А и С с достаточной достоверностью восстанавливают силы и смещения «пятна контакта» для данного устройства, если тензорезисторы расположить на окружностях с диаметрами 398,2 мм и 586,6 мм. Для учета изменения положения пятна контакта используются варианты матриц А и С, определенные минимум по трем точкам, распределенным по поверхности катания колеса. Используется сплайн интерполяция для восстановления деформаций по найденным силам.

Для учета поворота колесной пары используются варианты матриц, полученные для разных углов поворота ТКП.

Таким образом, конструктивное исполнение заявляемого устройства обеспечивает надежность процесса измерения, а функциональные возможности заявляемого устройства и способ оценки повышают точность измерения сил при взаимодействии колеса и рельса в процессе эксплуатации.

Похожие патенты RU2682567C1

название год авторы номер документа
Способ мониторинга технического состояния железнодорожного пути и устройство для его осуществления 2021
  • Бороненко Юрий Павлович
  • Третьяков Александр Владимирович
  • Рахимов Рустам Вячеславович
  • Зимакова Мария Викторовна
  • Петров Антон Анатольевич
  • Третьяков Олег Александрович
  • Некрасова Анастасия Владимировна
RU2780704C2
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕРТИКАЛЬНЫХ И БОКОВЫХ СИЛ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МЕЖДУ КОЛЕСОМ И РЕЛЬСОМ 2010
  • Краснов Олег Геннадьевич
  • Бидуля Александр Леонидович
  • Коссов Валерий Семенович
  • Астанин Николай Николаевич
RU2441206C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕРТИКАЛЬНЫХ И БОКОВЫХ СИЛ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МЕЖДУ КОЛЕСОМ И РЕЛЬСОМ 2015
  • Коган Александр Яковлевич
  • Суслов Олег Александрович
  • Кажаев Александр Николаевич
RU2591739C1
УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ И РЕГИСТРАЦИИ СИЛ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МЕЖДУ КОЛЕСОМ И РЕЛЬСОМ 2014
  • Бидуля Александр Леонидович
  • Краснов Олег Геннадьевич
  • Фролова Ольга Леонидовна
RU2566654C2
Устройство для измерения вертикальных и боковых сил взаимодействия между колесом и рельсом 1985
  • Коган Александр Яковлевич
  • Коваль Виктор Александрович
  • Кажаев Александр Николаевич
SU1312412A1
СПОСОБ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ РЕЛЬСОВОГО ПУТИ 2012
  • Бидуля Александр Леонидович
  • Краснов Олег Геннадьевич
  • Никитина Надежда Николаевна
RU2513338C1
Способ оценивания состояния рессорного подвешивания тележек подвижного состава и устройство для его осуществления 2018
  • Бороненко Юрий Павлович
  • Даукша Анфиса Сергеевна
  • Житков Юрий Борисович
RU2733939C2
Способ оценки напряженно-деформированного состояния пути 2017
  • Коган Александр Яковлевич
  • Суслов Олег Александрович
  • Кажаев Александр Николаевич
RU2659365C1
Устройство для измерения деформации изгиба на вращающихся валах 1989
  • Голендер Владимир Артемович
  • Никольская Эльвира Николаевна
  • Лысак Владимир Акимович
  • Ткаченко Виталий Николаевич
SU1716312A1
ТРИБОМЕТРИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ НА ПОВЕРХНОСТИ РЕЛЬСА 2009
  • Лужнов Юрий Михайлович
  • Попов Владимир Александрович
  • Малахов Роман Михайлович
RU2390451C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 682 567 C1

Реферат патента 2019 года Устройство сбора информации и способ оценки результатов взаимодействия между колесом и рельсом

Использование: для измерения и регистрации сил взаимодействия между колесом и рельсом. Сущность изобретения заключается в том, что устройство сбора информации результатов взаимодействия между колесом и рельсом содержит железнодорожную колесную пару с криволинейным S-образным диском, тензометрические датчики, включенные в полумостовые схемы и размещенные на двух концентрических окружностях 398,2 мм и 586,6 мм на внутренней стороне диска колеса в местах пересечения с осями, которые проходят через их центр и смещены друг относительно друга на угол 22,5°, оборудование сбора и беспроводной передачи данных, связанное через маршрутизатор с модулем приемки сигналов и бортовым компьютером по протоколу IEEE 802.11g «Wi-Fi». Способ оценки результатов взаимодействия между колесом и рельсом заключается в рассмотрении сил непосредственно в контакте с рельсом, сводится к предварительному формированию системы из 64 линейно зависимых уравнений «деформация/сила» искусственным приложением вертикальной, боковой и продольной сил к области «пятна» контакта, построению «псевдообратной» матрицы С и последующего решения системы линейных уравнений В=С×Е, где Е - деформации, полученные по результатам эксперимента, а В - искомые величины сил. Технический результат: повышение точности измерения. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

Формула изобретения RU 2 682 567 C1

1. Устройство сбора информации результатов силового взаимодействия между колесом и рельсом содержит железнодорожную колесную пару, активные тензорезисторы, размещенные на внутренней стороне диска колеса и включенные в тензометрическую полумостовую схему с компенсационными тензорезисторами, оборудование сбора и беспроводной передачи данных, маршрутизатор, модуль приемки данных и бортовой компьютер, отличающееся тем, что тензорезисторы, включенные в полумостовые схемы, регистрируют одновременно 64 динамических процесса и расположены диаметрально на двух концентрических окружностях внутренней стороны диска колеса по два на каждом диаметре, при этом угловой шаг между соседними диаметрами внутренней стороны диска колеса, на которых расположены тензорезисторы, составляет 22,5°.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что снабжено оборудованием беспроводной передачи данных по протоколу IEEE 802.11g «Wi-Fi».

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что регистрирует динамические процессы с частотой дискретизации не менее 400 Гц.

4. Способ оценки результатов взаимодействия между колесом и рельсом, отличающийся тем, что определяют взаимодействие между колесом и рельсом на основе анализа напряженно-деформируемого состояния диска колеса путем предварительного формирования зависимостей εm/bn искусственным приложением сил к области «пятна» контакта и последующего решения системы линейных уравнений В=С×Е,

где εm - относительная деформация, m=1…8;

bn - искомая величина, n=1…8;

В - вектор-столбец искомых величин;

С - "псевдообратная матрица" размерностью n×m;

Е - вектор-столбец относительных деформаций размерностью n.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что воспроизводят непрерывный процесс измерения взаимодействия между колесом и рельсом.

6. Способ по п. 4, отличающийся тем, что определяют поперечное смещение и угол качения колесной пары по измеренным деформациям диска каждого колеса.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2019 года RU2682567C1

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕРТИКАЛЬНЫХ И БОКОВЫХ СИЛ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МЕЖДУ КОЛЕСОМ И РЕЛЬСОМ 2015
  • Коган Александр Яковлевич
  • Суслов Олег Александрович
  • Кажаев Александр Николаевич
RU2591739C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕРТИКАЛЬНЫХ И БОКОВЫХ СИЛ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МЕЖДУ КОЛЕСОМ И РЕЛЬСОМ 2010
  • Краснов Олег Геннадьевич
  • Бидуля Александр Леонидович
  • Коссов Валерий Семенович
  • Астанин Николай Николаевич
RU2441206C1
Устройство для измерения вертикальных и боковых сил взаимодействия между колесом и рельсом 1985
  • Коган Александр Яковлевич
  • Коваль Виктор Александрович
  • Кажаев Александр Николаевич
SU1312412A1
Устройство для измерения усилий 1981
  • Трофимов Аркадий Николаевич
  • Фролов Лев Николаевич
SU972273A1
ИЗМЕРИТЕЛЬ ВИБРАЦИИ 2010
  • Шупейкин Павел Игоревич
RU2439508C1
СПОСОБ РАЗРУШЕНИЯ ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА 2000
  • Козин В.М.
RU2180303C2

RU 2 682 567 C1

Авторы

Третьяков Александр Владимирович

Елисеев Кирилл Валентинович

Зимакова Мария Викторовна

Петров Антон Анатольевич

Козлов Павел Викторович

Даты

2019-03-19Публикация

2017-12-08Подача