Стенд для исследования параметров тормозного прижатия колодки к колесу Российский патент 2023 года по МПК G01M17/10 

«Стенд для исследования параметров тормозного прижатия колодки к колесу», относится к устройствам в области механических испытаний материалов трибологического характера, а также к области контроля и оценки динамических параметров, возникающих в ходе эксплуатации железнодорожного подвижного состава при осуществлении процессов торможения.

При проведении патентного поиска по фондам ФИПСа были найдены следующие патенты аналоги:

- Известен "Катковый стенд для испытаний колесных пар рельсового подвижного состава". (SU, авторское свидетельство N 741088, кл. G01M17/00, опуб. 1980 г.),

Стенд содержит основание, на котором закреплены стойки для опирания буксовых узлов испытуемой колесной пары, привод вращения последней, узлы осевого и радиального нагружения испытуемой колесной пары и горизонтально расположенные ролики, при этом узел радиального нагружения состоит из закрепленной к штокам силовых цилиндров траверсы, несущей подпружиненные в горизонтальном направлении катки, смонтированные с возможностью вращения в плоскости, перпендикулярной оси колесной пары, фрикционно связанные в горизонтальной плоскости с роликами и взаимодействующие с поверхностью катания и гребнем каждого колеса испытуемой колесной пары.

Недостатком известного стенда является полное отсутствие возможности проведения испытаний, связанных с исследованием тормозного нажатия колодки на колесо. Соответственно полностью отсутствует возможность анализа и оценки изменения коэффициента трения.

- Известен "Стенд для определения коэффициентов трения скольжения", (патент RU №49266, МГЖ G01N19/02, опуб. 10.11.2005 г.).

Стенд относится к измерительным устройствам и может найти применение в учебных лабораториях по теоретической механике. Стенд для определения коэффициентов трения скольжения, состоит из станины, двух цилиндров с горизонтальными валами и сменными ободами, двух зубчатых колес, жестко связанных с цилиндрами, приводного электродвигателя и бруса с нагружающим устройством, расположенного на поверхностях цилиндрических ободов, цилиндры снабжены с одной стороны ребордой, а с другой стороны - откидными боковинами, прикрепляемыми к ним резьбовыми крепежными элементами, и цилиндрическими прямозубыми колесами, которые кинематически связаны между собой двумя промежуточными зубчатыми колесами, вал одного из цилиндров с помощью соединительной муфты связан с валом частотно регулируемого электродвигателя. Это позволило упростить конструкцию, снизить материалоемкость, повысить устойчивость работы и удобство управления.

Недостатком данного стенда является невозможность учитывать геометрию колеса и колодки в ходе проведения испытаний, а также недостатком является невозможность реализовать высокую регулируемую силу прижатия.

В качестве прототипа принят "Стенд для исследования взаимодействия колеса с рельсом железнодорожного транспорта", (патент RU №2115908, МПК G01M17/00, опуб. 20/07/1998 г.)

Изобретение относится к испытательной технике железнодорожного транспорта. Стенд содержит связанный с электродвигателем вал для колеса, контактирующего с имитатором рельсового пути, механизм вертикального радиального нагружения колеса и механизм горизонтального бокового нагружения колеса, колодочный тормоз, установленный с возможностью взаимодействия с испытуемым колесом, и подпружиненный рычаг, один конец которого связан с механизмом вертикального радиального нагружения колеса. Имитатор рельсового пути представляет собой отрезок рельса, опирающийся с одной стороны от зоны контакта с колесом на роликовую опору на основании стенда, а на втором конце подпружиненного колеса установлен ролик для опирания на него другой стороны отрезка рельса, который зафиксирован с обоих торцов пружинами с регулируемой затяжкой. Во втором варианте выполнения стенда имитатор рельсового пути выполнен в виде катка, имеющего профиль рельса и шарнирно установленного на втором конце подпружиненного рычага. Обеспечиваются расширение функциональных возможностей стенда, сокращение его габаритов и потребляемой электроэнергии, а также приближение условий испытаний к реальным. Торможение, т.е. нагружение тормозным моментом, осуществляется под действием штоков пневмоцилиндров и рычагов, прижатием тормозных колодок до полной остановки колеса или в режиме подтормаживания. В ходе исследований по сигналам месдозы (датчика) регистрируется сила сцепления колеса с рельсом, сила прижатия отрезка рельса к колесу, бокового усилия на отрезок рельса (каток), нормальная и тангенциальная составляющие тормозной силы. Кроме того, измеряются и регистрируются скорость вращения и величина вращающего момента. По указанным параметрам определяются контактные давления, коэффициенты трения, интенсивность износа и другие параметры. Недостатками данного стенда следует отметить:

- использование силоизмерительных устройств, позволяющих оценивать усилие нажатия в точке, а не по всей поверхности тормозной колодки

- сложность конструкции стенда, а также большое количество узлов, негативно влияющее на общую надежность и безопасность конструкции при эксплуатации в режиме повышенных нагрузок.

Задачей предлагаемого устройства, является возможность оценивать усилие прижатия колодки к колесу по всей поверхности, учитывая при этом влияние всевозможных факторов, с последующим определением коэффициента трения, значительное упрощение конструкции в сравнении с аналогами, а также повышение мощностей и нагрузок, реализуемых устройством.

Поставленная задача достигается за счет внедрения стенда для исследования параметров тормозного прижатия колодки к колесу, который содержит механизм создания трения между двумя расположенными друг над другом элементами, нижний элемент приводят во вращение двигателем, а верхний элемент подвергают прижатию к нижнему элементу, отличается тем, что содержит следующие узлы:

- Узел вращения колесной пары, включающий в себя асинхронный привод, который через муфту электродвигателя, соединенную с коробкой передач, взаимодействует с многоскоростным редуктором и приводит во вращение колесную пару, установленную на стойках,

- Узел прижатия тормозных колодок, в котором под действием веса переменного груза, через систему блоков, закрепленных на стойке, приводят в действие башмаки с тормозными колодками, установленные на рычагах, тем самым осуществляя регулируемое тормозное прижатие,

- Узел охлаждения зоны контакта при помощи системы обдува, при этом параметры контролируются электроизмерительными и теплоизмерительными устройствами в ходе чего осуществляется их автоматизированное снятие и контроль, посредством блока фиксации и контроля.

Предложенная конструкция стенда поясняется фигурами.

На фиг.1 показан общий вид стенда сбоку с размещением на раме колесной пары и системы прижатия колодки к колесу.

На фигуре 1 обозначено: 1 - асинхронный привод; 2 - муфта электродвигателя; 3 - коробка передач; 4 - многоступенчатый редуктор; 5 - колесная пара; 6 - стойки для колесной пары; 7 - бетонный груз; 8 - система блоков; 9 - стойки для грузов, 10 - башмак, 11 - тормозная колодка, 12 - рычаг, 13 - измерительные системы, 14 - блок фиксации и контроля измеряемых параметров, 15 - система обдува.

По предложенной схеме, устройство для реализации определения коэффициента трения колодки о колесо, состоящие из асинхронного привода (1), который через муфту электродвигателя (2), соединенную с коробкой передач (3), взаимодействующую с многоскоростным редуктором (4) приводит во вращение колесную пару(5), установленную на стойках (6), предназначено для реализации способа определения коэффициента трения колодки о колесо, отличающееся тем, что осуществление регулируемого тормозного нажатия происходит благодаря бетонным грузам (7), которые через систему блоков (8), закрепленных на стойке (9), приводят в действие башмаки (10) с тормозными колодками (11), установленные на рычагах (12), а также наличием электроизмерительных и теплоизмерительных (13) устройств, при помощи которых, в режиме реального времени, осуществляется автоматизированное снятие и контроль параметров, необходимых для расчета, посредством блока фиксации и контроля измеряемых параметров (14), наряду с этим выполняется охлаждение зоны контакта при помощи системы обдува (15).

Порядок работы устройства по проведению эксперимента выглядит следующим образом:

1) В башмаки устанавливаются предлагаемые к испытанию сменные тормозные колодки

2) При помощи асинхронного привода, установленного на специальном постаменте, задается скорость вращения колесной пары, которая находится на специальной стойке. Вращение колесной пары осуществляется через муфту электродвигателя, коробку передач, а также много ступенчатый редуктор.

3) Производится замер и фиксация параметров асинхронного электродвигателя, осуществляющего вращение колесной пары. Замеры производятся посредством стандартного электротехнического измерительного оборудования по типу амперметра, вольтметра и т.д.

4) В ходе вращения колесной пары производится имитация двухстороннего тормозного нажатия колодки на колесо посредством рычагов, установленных на специальных стойках. Рычаги приводятся в действие благодаря натяжению троса, который через систему подвижных блоков соединен с грузами, установленными на специальных опорных дисках.

5) Производится повторный замер и фиксация параметров при осуществлении тормозного нажатия. В ходе осуществления нажатия дополнительно используем пирометры, для фиксации температурных явлений в зоне контакта между колесом и колодкой.

6) Увеличивая, либо уменьшая количество грузов на опорных дисках, производим соответственно увеличение или уменьшение силы тормозного нажатия.

7) Выполняем повторный замер и фиксацию параметров с учетом изменившейся силы нажатия.

8) При помощи асинхронного привода и коробки передач меняем скорость вращения колесной пары до необходимой величины

9) Производим очередной замер и фиксацию параметров учитывая не только изменившуюся силу нажатия, но и скорость вращения колесной пары.

10) После выполнения программы эксперимента и выключения оборудования производим замену испытуемых колодок на другие, отличающиеся по свойствам материала, степени износа и геометрическим параметрам, после чего повторно проводим эксперимент

11) После фиксации и обработки данных, полученных в ходе экспериментов, а также выполнения математических расчетов согласно предлагаемой формуле, производим корреляцию полученных зависимостей. Следствием выполнения расчетов и корреляции обработанных данных будет являться наглядное и полное представление коэффициента трения как в графической, так и в аналитической (цифровой) форме.

Данное устройство позволяет в полной мере реализовать Способ определения коэффициента трения трибологической пары по потребляемой электрической мощности электропривода, который заключается в создании трения между двумя расположенными друг над другом элементами, нижний элемент приводят во вращение двигателем, а верхний элемент подвергают прижатию к нижнему элементу, отличается тем, что создают электромагнитный момент вращения нижнего элемента трибологической пары с помощью асинхронного трехфазного двигателя через многоступенчатый редуктор, который компенсируется возникающей силой трения при осуществлении прижатия верхнего элемента к нижнему элементу путем переменного груза через систему рычагов, при этом коэффициент трения скольжения трибологической пары определяется по формуле:

где I - ток, потребляемый из сети;

U - напряжение в сети;

cosϕ - коэффициент мощности;

η - КПД привода;

n - количество оборотов в минуту;

r_к - радиус тела вращения;

R - сила прижатия фрикционной накладки к телу вращения;

Результатом будет являться комплексная оценка коэффициента трения трибологической пары, которая позволит исключить вероятность получения выпадающих значений в ходе определения коэффициента трения относительно различных точек контакта поверхности, и отслеживать общий характер изменения коэффициента трения по всей поверхности контакта, учитывая при этом множество сторонних и внутренних факторов, влияющих на протекание процесса.

Основополагающая особенность данного способа определения и оценки коэффициента трения заключается в возможности учесть обобщенный коэффициент трения непосредственно по всей поверхности контакта, исключая возможность появления выпадающих точек в ходе получения контактной кривой. Ее сущность и новизна состоит в измерении и оценке косвенных параметров контактного процесса, нежели непосредственных трибологических величин, которые, к данному моменту, современное техническое оборудование позволяет измерять исключительно в определенной точке. Предлагаемое устройство, дает принципиально новую возможность значительно углубить и в то же время упростить процесс определения коэффициента трения, учесть ряд факторов, непосредственно влияющих на характер контакта не только в точке, но и на поверхности. Опытные исследования образцов трущихся пар могут осуществляться с учетом ряда таких факторов, как температура, скорость скольжения, сила прижатия, геометрия - радиус вращающейся детали, площадь контакта, форма трущихся тел, условия охлаждения трущихся деталей, материал, наличие третьего тела в зоне контакта - влажность поверхностей, запыление, загрязнение, твердость материала, химического состава трущейся пары. Еще одним значимым достоинством предлагаемой установки по реализации нового способа оценки является высокая мощность и силовые характеристики, реализуемые данным устройством в отличии от ныне существующих аналогов. В то же время использование устройство отличается характерной простотой, что является предпосылкой к широкому использованию в научно-исследовательской деятельности и проведению промышленных испытаний.

Изобретение относится к устройствам в области механических испытаний материалов трибологического характера, а также к области контроля и оценки динамических параметров, возникающих в ходе эксплуатации железнодорожного подвижного состава при осуществлении процессов торможения. Стенд содержит механизм создания трения между двумя расположенными друг над другом элементами, узел вращения колесной пары, узел прижатия тормозных колодок и узел охлаждения зоны контакта при помощи системы обдува. Нижний элемент приводят во вращение двигателем, а верхний элемент подвергают прижатию к нижнему элементу. Узел вращения колесной пары содержит асинхронный привод, который через муфту электродвигателя, соединенную с коробкой передач, взаимодействует с многоскоростным редуктором и приводит во вращение колесную пару, установленную на стойках. Узел прижатия тормозных колодок выполнен с возможностью под действием веса переменного груза, через систему блоков, закрепленных на стойке, приводить в действие башмаки с тормозными колодками, установленные на рычагах, тем самым осуществляя регулируемое тормозное прижатие. Узел охлаждения зоны контакта при помощи системы обдува выполнен с возможностью контроля параметров электроизмерительными и теплоизмерительными устройствами, в ходе чего осуществляется их автоматизированное снятие и контроль, посредством блока фиксации и контроля. Технический результат: возможность комплексной оценки коэффициента трения трибологической пары, которая позволит исключить вероятность получения выпадающих значений в ходе определения коэффициента трения относительно различных точек контакта поверхности, и отслеживать общий характер изменения коэффициента трения по всей поверхности контакта, учитывая при этом множество сторонних и внутренних факторов, влияющих на протекание процесса. 1 ил.

Стенд для исследования параметров тормозного прижатия колодки к колесу содержит механизм создания трения между двумя расположенными друг над другом элементами, нижний элемент приводят во вращение двигателем, а верхний элемент подвергают прижатию к нижнему элементу, отличается тем, что содержит следующие узлы:

- узел вращения колесной пары, включающий в себя асинхронный привод, который через муфту электродвигателя, соединенную с коробкой передач, взаимодействует с многоскоростным редуктором и приводит во вращение колесную пару, установленную на стойках,

- узел прижатия тормозных колодок, в котором под действием веса переменного груза, через систему блоков, закрепленных на стойке, приводят в действие башмаки с тормозными колодками, установленные на рычагах, тем самым осуществляя регулируемое тормозное прижатие,

- узел охлаждения зоны контакта при помощи системы обдува, при этом параметры контролируются электроизмерительными и теплоизмерительными устройствами, в ходе чего осуществляется их автоматизированное снятие и контроль, посредством блока фиксации и контроля.