Способ и устройство измерения продольных сил, прикладываемых к автосцепкам грузовых поездов Российский патент 2021 года по МПК G01L1/00 B61D7/10 G01L5/13 G01B7/16 

Способ и устройство измерения продольных сил, прикладываемых к автосцепкам грузовых поездов, позволяют измерять продольные силы на автосцепках вагонов и локомотивов. Известен ряд устройств аналогичного функционального назначения. К конструкциям, обеспечивающим измерение продольных сил в поездах, относятся механические, гидравлические и тензоизмерительные (электрические) динамометры.

Механические динамометры, такие как описанные в Патентах СССР №4723 от 29.02.1928 [1], №8701 от 30.03.1929 [2], связывают перемещение элементов сцепки с перемещениями писца, оставляющего след на бумажной ленте в лентопротяжном механизме, приводимым от свободной (не тормозной) колесной пары динамометрического вагона. Несмотря на возможность определения максимальных растягивающих усилий и техническое совершенство механизма, такие динамометры имели малую разрешающую способность для изучения динамических процессов, так как малая скорость протяжки бумажной ленты при движении поезда с малыми и средними скоростям приводили к перекрытию смежных штрихов писца, что не позволяло расшифровать показания с высокой точностью. Кроме того, большинство конструкций механических динамометров не предусматривало измерение сжимающих сил, прикладываемых к торцевым буферам вагонов.

Гидравлические динамометры, такие как описанные в Патентах СССР №19831 от 31.03.1931 [3], №51589 от 31.08.1937 [4] или в «Теории локомотивной тяги» [5], используют принцип измерения гидростатического давления в замкнутом объеме при изменении сил, приложенных к автосцепному устройству. Для этого в конструкцию вагона включается гидравлические диафрагменные динамометры, измеряющие давление жидкости, заключенной в закрытом объеме под диафрагмой, при изменении нагрузки, прикладываемой к диафрагме от автосцепных приборов вагона. Давление жидкости под диафрагмой измеряют визуальным и регистрирующим манометрами, установленными внутри динамометрического вагона и проградуированными в единицах силы, приложенной к сцепному устройству.

В конструкциях гидравлических динамометров кассеты устанавливаются в разные места конструкции сцепки и позволяют измерять или только растягивающие, или только сжимающие силы. Использование гидравлических динамометров ограничено необходимостью изготовления вагона специальной конструкции. Кроме того, необходимо решение проблемы компенсации погрешностей измерений, связанных с изменением внутреннего давления в гидравлическом динамометре при измерении температуры наружного воздуха и температуры гидравлического масла внутри динамометра.

Тензоизмерительные динамометры, такие как описанные в Патенте СССР №1111915 [6] от 07.09.1984 или в [5], или в Патенте США №4042810 [7] от 16.08.1977, обладают возможностью преобразования деформаций контролируемой детали в пропорциональную величину изменения электрического сигнала. Такие динамометры получили распространение после перевода подвижного состава на автоматические и полуавтоматические сцепки. Известна (Патент СССР №1111915) динамометрическая автосцепка, широко используемая в вагонах-лабораториях для проведения тяговых испытаний и позволяющая непосредственно измерять и контролировать продольные динамические усилия, в том числе реализуемые в различных сечениях грузового поезда при его движении в режимах тяги и торможения. Однако, оснащение такими сложными, дорогостоящими и недостаточно надежными устройствами парка эксплуатируемых грузовых вагонов потребует чрезвычайно больших временных и капитальных затрат. Известна технология контроля продольной динамики, которая предполагает использование тензометрических автосцепок, устанавливаемых на специализированных вагонах-лабораториях и на нескольких вагонах в различных сечениях грузового поезда [8].

Тензометрическая автосцепка имеет точно такую же конструкцию, как и стандартная автосцепка типа СА-3. Изготовление тензометрических автосцепок заключается в наклейке тензодатчиков на подготовленный участок хвостовой части автосцепки или на тензометрический клин, после чего такая автосцепка тарируется с помощью гидравлического пресса с целью определения соотношения между прикладываемой продольной силой и вызываемым ею напряжениями в контролируемой детали по показаниям тензодатчиков.

Недостатком указанного способа является то, что процедура установки предварительно подготовленных тензометрических автосцепок требует значительных затрат времени на маневровую работу и технологические операции по демонтажу обычных автосцепок и установке на вагоны тензоизмерительных сцепок и измерительного оборудования. Проведение таких измерений возможно лишь в сертификационных центрах при бойковых испытаниях вагонов или периодически в эксплуатационных испытаниях, проводимых с участием специалистов ВНИИЖТ, исследователей заводов-изготовителей и специализированных лабораторий.

Использование тензометрических автосцепок в постоянной эксплуатации невозможно как ввиду недолговечности работы приклеиваемых к поверхности хвостовика автосцепки тензосопротивлений, так и из-за необходимости периодической тарировки тензометрических автосцепок. Кроме того, демонтаж автосцепки при ремонте и выполнение технологических ремонтных операций - наплавка, заварка трещин, требует предварительного нагрева корпуса автосцепки до температур, при которых ранее установленные тезнодатчики выходят из строя.

Использование тензометрических клинов позволяет изучать динамические процессы только в области действия сил растяжения, так как конструктивная особенность автосцепки СА-3 не предусматривает участия клина в силовых взаимодействиях при сжатии автосцепки. Такое ограничение не позволяет получить полноценной информации о продольных силах в поездах при использовании пневматического и электродинамического (реостатного, рекуперативного) торможения, при работе подталкивающих локомотивов, в сдвоенных поездах и при распределенной тяге.

С целью устранения недостатков описанных выше устройств измерения сил на автосцепках вагонов и локомотивов предлагается новый способ и устройство измерения продольных сил в грузовых поездах, обеспечивающие измерение продольной деформации хвостовика автосцепки, отличающиеся тем, что для установки устройства не требуется снятие автосцепки с подвижного состава. Способ заключается в том, что при помощи датчика линейных перемещений измеряется суммарная деформация хвостовика корпуса автосцепки, возникающая под действием приложенных сил, при этом измерительная база составляет более 400 мм, что в 40 раз больше, чем измерительная база стандартного тензосопротивления (10 мм). Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает существенное повышение точности измерений и/или снижает требования к точности (разрядности) используемого аналого-цифрового преобразователя. Измерительное устройство устанавливается внутрь полого хвостовика автосцепки 1 (Фиг. 1) и обеспечивает формирование на выходе 6 электрического сигнала, пропорционального деформациям хвостовика при приложении к корпусу автосцепки продольных тяговых или тормозных сил. Устройство состоит из распорного блока 2, датчика линейных перемещений 3, консольно закрепленного Г-образного кронштейна 4.

Перед установкой деталей измерительного устройства из корпуса автосцепки вынимаются все подвижные детали: замок, замкодержатель, подъемник замка, валик и предохранитель. Такая операция проста, не требует перемещения массивных деталей, может быть выполнена любым квалифицированным вагонником и не требует грузоподъемного оборудования, домкратов, специализированного инструмента или оснастки.

Распорный блок 2, выполняющий функцию заднего упора, устанавливается в дальнем конце внутренней полости хвостовика автосцепки 1 через проем для замка и замкодержателя в корпусе головки автосцепки и прочно закрепляется для предотвращения продольных смещений. Датчик линейных перемещений 3 крепится к консольно закрепленному Г-образному кронштейну 4 и устанавливается таким образом, чтобы его исходное положение соответствовало свободному положению автосцепки, без приложения сжимающих или растягивающих сил. Консольно закрепленный Г-образный кронштейн 4 крепится к вертикальной площадке на стенке внутренней полости головки автосцепки 1. В нижней части Г-образного кронштейна 4 предусмотрен опорный скользун 5, обеспечивающий восприятие вертикальной нагрузки консольно закрепленного Г-образного кронштейна 4.

Предлагаемое по заявляемому способу устройство обеспечивает измерение продольных сил, прикладываемых к сцепкам вагонов, путем формирования пропорционального изменения электрического сигнала на выходе 6 датчика линейных перемещений 3, установленного внутри полого хвостовика автосцепки 1.

В отличие от известных измерительных устройств, монтаж и демонтаж предлагаемого измерительного устройства не требует снятия автосцепки с вагона или локомотива, механической обработки площадки на хвостовике и приклейки тензометрических сопротивлений и может быть выполнен на путях станции без дополнительной маневровой работы. Устанавливаемые во внутреннюю полость хвостовика автосцепки детали измерительного устройства не препятствуют нормальной работе механизма сцепного устройства и не изменяют механических свойств корпуса автосцепки. Измерительное устройство обеспечивает стабильные показания в течение длительного времени работы и устойчиво к изменению факторов внешней среды. Устройство может быть легко смонтировано в корпусе автосцепки вагона или локомотива без ее снятия с подвижного состава и состоит из простых в изготовлении деталей и доступных компонентов, что обеспечивает промышленную применимость заявляемых способа и устройства. При необходимости ремонта корпуса автосцепки устройство может быть легко демонтировано для проведения ремонтных операций, а затем смонтировано вновь, в отличие от однократно наклеиваемых тензосопротивлений.

Технико-экономический эффект применения способа и устройства заключается в снижении временных и финансовых затрат на проведение тяговых и тормозных испытаний в грузовых поездах, а также в повышении точности измерений при одновременном снижении стоимости измерительного оборудования.

В отечественных и зарубежных источниках информация о применении предлагаемого способа измерения и аналогичных устройств для измерения сил, прикладываемых к автосцепкам железнодорожного подвижного состава отсутствует. Таким образом, заявляемые способ и устройство соответствуют критерию изобретения «новизна».

1. Патент СССР №4723. Динамометр [Текст] / Б.П. Дикова. Опубл. 29.02.1928.

2. Патент СССР №8701. Устройство для измерения мощности на упряжном крюке локомотива. [Текст] / В.Д. Орлов. Опубл. 30.03.1928.

3. Патент СССР №19831. Тяговый динамометр. [Текст] / Е.М. Харитонченко. Опубл. 31.03.1931.

4. Патент СССР №51589. Устройство для измерения тяговых усилий локомотива. [Текст] /В.Н. Буркович, И.М. Волков. Опубл. 31.08.1937.

5. Кузьмич В.Д., Руднев B.C., Френкель С.Я., Теория локомотивной тяги, Изд-во «Маршрут», М. - 2005.

6. Патент СССР № SU 1111915 А, Сцепное устройство динамометрического вагона. [Текст] / В.И. Бахолдин, Р.Д. Сухих, Г.С. Афонин, Н.Л. Билинчук, Л.А. Собенин, Ф.Ф Сабуров. Опубл. 07.09.1984. Бюлл. №33.

7. Патент США №4042810 Method and apparatus for facilitating control of a railway train. [Текст] John E. Duncan. Опубл. 16.08.1977.

8. Вершинский СВ., Данилов В.Н., Хусидов В.Д. Динамика вагона: Учебник для вузов ж.д. трансп. / Под ред. С.В. Вершинского. - 3-е изд., перераб. и доп. - М., Транспорт, 1991, 360 с.

Группа изобретений относится к железнодорожному транспорту и предназначено для измерения продольных сил, прикладываемых к автосцепкам локомотивов и вагонов грузовых поездов. Устройство для измерения продольных сил, прикладываемых к автосцепкам грузовых поездов, состоит из датчика линейных перемещений, устанавливаемого на консольно закрепленном кронштейне внутри полого корпуса автосцепки через отверстие в головке корпуса автосцепки, и распорного блока. Измерительная база устройства включает в себя полную длину внутренней полости хвостовика автосцепки. Измерение суммарной линейной деформации хвостовика автосцепки осуществляется на значительной части его длины. Достигается повышение безопасности движения грузовых поездов, исключение случаев превышения максимальных значений тяговых и тормозных усилий в поезде, снижение износа ударно-тяговых приборов вагонов, повышение точности измерений и долговечности измерительных устройств. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ измерения продольных сил, прикладываемых к автосцепкам грузовых поездов, заключающийся в измерении суммарной линейной деформации хвостовика автосцепки на значительной части его длины.

2. Устройство для осуществления способа по п. 1, состоящее из датчика линейных перемещений, устанавливаемого на консольно закрепленном кронштейне внутри полого корпуса автосцепки через отверстие в головке корпуса автосцепки, и распорного блока, отличающееся тем, что измерительная база устройства включает в себя полную длину внутренней полости хвостовика автосцепки, а монтаж устройства не требует демонтажа автосцепки и наклейки тензометрических датчиков на корпус автосцепки.