Способ определения коэффициента сцепления железнодорожного колеса с рельсом и устройство для его осуществления Российский патент 2024 года по МПК G01M17/10 G01N19/02 

Предлагаемое изобретение относится к области исследования процессов трения и изнашивания, в частности к способам определения коэффициента сцепления колеса подвижного состава с рельсом и устройств для их реализации. Целью изобретения является получение возможности измерения коэффициента сцепления для различных нагрузок на колесо, скоростей движения, а так же различной степени проскальзывания колеса относительно рельса, что позволит повысить безопасность движения и более полно реализовать тягу локомотивов за счет получения возможности определения тормозной и тяговой динамики подвижного состава в широком диапазоне режимов движения и условиях эксплуатации.

Результатами изобретения являются значения коэффициентов сцепления железнодорожных колес с рельсами при различных нагрузках на колесо в процессе движения, как на прямолинейных, так и криволинейных участках с различными скоростями и учетом влияния проскальзывания колеса относительно рельса, при различных природно-климатических, атмосферных условий.

Технический уровень

В результате патентного поиска найдены следующие патенты.

- Способ определения коэффициента сцепления колеса с рельсом (RU 2075057 С1, МПК-G01N 19/02, опубл. 10.03.1997) заключающийся в том, что задают движение колесу относительно рельса в момент трогания, определяют величину силы тяги на ободе колеса и нагрузку на колесо, регистрируют температуру поверхности головки рельса, температуру и относительную влажность окружающей среды, с учетом которых определяют степень увлажнения рельса и определяют для этих параметров коэффициент сцепления колеса с рельсом.

Данный способ не позволяет учитывать затраты силы на ободе колеса на преодоление сил инерции поступательно движущихся масс, а также моментов инерции вращающихся масс, имеющих место в момент начала трогания.

Способ не позволяет определить значение коэффициента сцепления при различных эксплуатационных скоростях движения железнодорожного колеса и влияния скорости движения центра масс колеса на коэффициент сцепления. Вместе с тем, известно, что с ростом скорости движения коэффициент сцепления уменьшается (Самме Г.В. Фрикционное взаимодействие колесных пар локомотива с рельсами: Монография. - М: Маршрут, 2005 - 80 с. ISBN 5-89035-221-0).

Также способ не позволяет определить влияние движения в кривых участках разного радиуса, на коэффициент сцепления, тогда, как известно, что при движении в кривых коэффициент сцепления имеет отличающееся от движения на прямолинейных участках значение (Самме Г.В. Фрикционное взаимодействие колесных пар локомотива с рельсами: Монография. - М.: Маршрут, 2005 - 80 с. ISBN 5-89035-221-0).

Кроме того, указанный способ не позволяет определить влияние на коэффициент сцепления степени относительно проскальзывания колеса, которая характеризуется отношением окружной скорости колеса V_O к скорости движения центра масс колеса V_K. Относительная скорость проскальзывания колеса δ определяется по формуле Известно, что максимальное значение коэффициента сцепления колеса возникает δ≈15%. (Самме Г.В. Фрикционное взаимодействие колесных пар локомотива с рельсами: Монография. - М.: Маршрут, 2005 - 80 с. ISBN 5-89035-221-0).

- Способ определения коэффициента сцепления колеса с поверхностью и устройство для его осуществления (RU 2626581 С1, МПК G01N 19/02, опубл. 28.07.2016), включающее качение измерительного колеса транспортным средством по контролируемой поверхности, определение скорости движения измерительного колеса, измерение силы нормальной нагрузки измерительного колеса на поверхность, прикладывание к оси измерительного колеса момента силы торможения, измерение угловой скорости вращения измерительного колеса, определение текущего значения коэффициента скольжения на основании полученных значений угловой скорости вращения измерительного колеса и скорости его движения с учетом известного радиуса измерительного колеса, изменение величины тормозящего момента для приближения текущего значения коэффициента скольжения к заданному значению, определение силы сцепления измерительного колеса с поверхностью и определение коэффициента сцепления измерительного колеса с поверхностью в виде отношения полученного значения силы сцепления измерительного колеса с поверхностью к полученному значению силы нормальной нагрузки измерительного колеса на поверхность.

Недостатками данного устройства является наличие энергоемкой установки, создающей тормозной момент, а также сложность создания фиксированной величины относительной скорости проскальзывания 6.

Существенным недостатком устройства является необходимость движения испытательного колеса по плоской поверхности, что исключает возможность его применения для условий движения железнодорожного колеса.

- Наиболее близким для реализации предлагаемого способа является тележка аэродромная тормозная для определения условий торможения авиационных пневматических колес (RU 204025 U1, МПК Е01С 23/07, G01M 17/02, G01N 19/02, опубл. 04.05.2021), включающая колесо измерительное с авиационной шиной и колесо ведущее, а вал привода, передающий вращательный момент от ведущего колеса к измерительному, через шарниры равных угловых скоростей соединен со ступицами измерительного и ведущего колес, а на ведущем колесе установлена муфта включения-выключения измерительного колеса, причем дышло состоит из дышла центрального для крепления и буксировки тележки и дышла бокового в виде силового элемента нагружения измерительного датчика, причем нагружение измерительного датчика обеспечивается перемещаемой вдоль направляющей тягой.

Благодаря наличию в устройстве двух синхронно вращающихся колес разных диаметров обеспечивается фиксированная относительная скорость проскальзывания δ исключена необходимость применения сложной энергоемкой установки, создающей фиксированной величины δ.

Недостатком выбранного прототипа является реализация измерения коэффициента сцепления при постоянной, заданной нагрузке на испытательное колесо, а также ограниченном диапазоне скорости движения 60÷70 км/ч. Также, следует отметить, что реализация предлагаемого способа не представляется возможным для измерения коэффициента сцепления железнодорожного колеса с рельсом, вследствие специфики конструкции и условий движения железнодорожных колес.

Задачей предлагаемого изобретения является создание способа определения коэффициента сцепления железнодорожных колес с рельсами при различных нагрузках на колесо в процессе движения, как на прямолинейных, так и криволинейных участках с различными скоростями, а также различных природно-климатических, атмосферных условий, позволяющие повысить точность определения тяговой и тормозной динамики подвижного состава при эксплуатации.

Поставленная задача решается следующим образом.

Способ определения коэффициента сцепления железнодорожного колеса с рельсом, включающий качение колесных пар тележки, определение скорости движения тележки, измерение силы нормальной нагрузки на рельсы от колесных пар тележки, отличающий тем, что синхронизируют при движении частоту вращения колесных пар, при чем колеса одной из них имеют меньший диаметр, регистрируют изменения величины циркуляции мощности, возникающей от частичного проскальзывания колесной пары с меньшим диаметром колес, устанавливают зависимость величины циркуляции мощности N_ц, (Вт) от возникающей при скольжении силы трения по формуле

где G_мк - часть веса испытательной тележки, приходящегося на рельсы от колесной пары с меньшим диаметром колес, (Н); ϕ - коэффициент сцепления между колесом и рельсом; ω - частота вращения колесных пар, (рад/с); R_M - радиус колеса меньшего диаметра, (м); R_Б - радиус колеса большего диаметра, (м). Значение коэффициента трения, при этом можно определить по зависимости

где F_тp - сила трения между рельсами и поверхностями катания колес колесной пары, (Н).

Сила F_тp будет создавать реактивный момент на корпусе балансирно-качающегося редуктора, а ее величину можно определить по значению силы реакции на опоре F_тp, (Н), являющейся силоизмерительным датчиком и препятствующей вращению корпуса редуктора от возникающего на нем реактивного момента

где r_д - радиус делительной окружности шестерни балансирно-качающегося редуктора, (м); - расстояние от точки возникновения силы на делительной окружности шестерни балансирно-качающегося редуктора до оси его вращения, (м); - расстояние от оси вращения балансирно-качающегося редуктора до точки приложения силы реакции к силоизмерительному датчику, (м); i_г - передаточное число редуктора привода генератора; η - суммарный коэффициент полезного действия всех редукторов, испытательной тележки и всех буксовых подшипников. Соответственно

В итоге, коэффициент сцепления между колесом и рельсом можно рассчитать по формуле:

Тележка для определения коэффициента сцепления железнодорожного колеса с рельсом по предлагаемому способу, состоит из двух колесных пар, при чем колеса одной из них имеют меньший диаметр, каждая из колесных пар имеет редуктор привода генератора от средней части оси, редуктор, синхронизирующий частоту вращения валов привода генераторов, при чем редуктор устанавливается балансирно-качающимся на оси, тем самым обеспечивается возможность его поворота при возникновении на его корпусе реактивного крутящего момента при проходящей через него циркулирующей мощности, при чем на раме тележки установлен силоизмерительный датчик, измеряющий величину крутящего момента, возникающего на корпусе редуктора, датчик частоты вращения валов привода генераторов, позволяющий определить скорость движения тележки.

Предлагаемый способ поясняется фигурами 1 и 2.

На фиг. 1 представлен общий вид с боку устройства для осуществления способа определения коэффициента сцепления железнодорожного колеса с рельсом.

На фиг. 2 представлен общий вид спереди с разрезом по фланцу балансирно-качающегося редуктора, устройства для осуществления способа определения коэффициента сцепления железнодорожного колеса с рельсом.

На фиг. 1 представлен общий вид с боку устройства для осуществления способа определения коэффициента сцепления железнодорожного колеса с рельсом, где 1 - колесная пара с колесами меньшего диаметра; 2 - колесная пара с колесами большего диаметра; 3 - редуктор синхронизирующий частоту вращения колесных пар; 4 - рама тележки; 5 - редукторы привода генераторов вагона; 6 - балансирная ось синхронизирующего редуктора; 7 - датчик измерения силы, создаваемой, реактивным моментом M_R на корпусе редуктора; датчик частоты вращения валов синхронизирующего редуктора; 8 - датчик частоты вращения; 9 - груз, обеспечивающий необходимую нагрузку на ось; V_T - скорость движения тележки; ω_1, ω₂ - угловые скорости колесных пар с колесами меньшего и большего диаметров соответственно (при испытаниях равны друг другу); V₀₁, V₀₂ - окружные скорости колес по кругу катания колесных пар с колесами меньшего и большего диаметров соответственно; F_T1, F_T2 - силы трения между поверхностью колес колесных пар с колесами меньшего и большего диаметров и рельсом, соответственно; - вес груза; R_M, R_Б - радиусы колес по кругу катания меньшего и большего диаметров соответственно.

На фиг. 2 представлен общий вид спереди с разрезом по фланцу синхронизирующего редуктора, устройства для осуществления способа определения коэффициента сцепления железнодорожного колеса с рельсом, где M_R - реактивный момент на корпусе балансирно-качающегося вокруг оси 6 редуктора 3 (остальные номера позиций и обозначения соответствуют номерам позиций фиг. 1).

Для реализации способа предлагается использовать тележку фиг. 1, фиг. 2, имеющую две синхронно вращающиеся колесные пары, при чем колеса одной из них имеют меньший диаметр. Определения коэффициента сцепления ϕ железнодорожного колеса с рельсом заключается в измерении циркулирующей мощности, возникающей вследствие движения одной колесной пары с частичным проскальзыванием, которая определяется путем измерения крутящего момента М_к и скорости движения тележки. Значение коэффициента сцепления определяется по формуле где r_к - радиус колеса; G_K - нагрузка от колесной пары на рельс.

Значение нагрузки от колесной пары на рельс G_к, принимается, как постоянная величина, замеренная перед началом испытаний. Относительная скорость проскальзывания колеса δ определяется по формуле при этом, если δ<0 движение колеса происходит с частичным волочением (режим торможения), соответственно, если δ>0 движение колеса происходит с частичным буксованием (режим тяги). Значение δ задается, как постоянная величина в зависимости от необходимого режима измерения.

Скорость движения тележки V_T, м/с определяется по формуле

где ω - частота вращения вала синхронизирующего редуктора; i_г -передаточное число редуктора привода генератора; R_кб - радиус колеса колесной пары с колесами больших диаметров.

Сила реакции на корпусе синхронизирующего редуктора измеряется с помощью датчика силы, которая преобразуется в величину коэффициента сцепления с помощью специальной программы, в цифровом модуле Arduino и записывается в виде числовых значений в файл на flash накопитель при одновременной записи скорости движения, рассчитанной по данным датчика частоты вращения фланца синхронизирующего редуктора.

Для изготовления предлагаемого устройства, запланировано использовать тележку пассажирского вагона КВЗ ЦНИИ. Специальная тележка имеет колесные пары с колесами разного диаметра (новая колесная пара и колесная пара с проточенными колесами). Каждая из колесных пар имеет редуктор (мультипликатор) 5 привода вращения генератора от середины оси. Колесные пары располагаются так, чтобы выходные фланцы редукторов были направлены навстречу друг другу. Синхронизация частот вращения выходных валов осуществляется редуктором 3 с цилиндрическими шестернями и передаточным числом i=1. Синхронизирующий редуктор 2 устанавливается балансирно-качающимся на оси, что обеспечит возможность его поворота при возникновении на его корпусе реактивного крутящего момента, обусловленного проходящей через него циркулирующей мощности. Величина крутящего момента M_R, возникающего на корпусе редуктора измеряется тензометрическим силоизмерительным устройством 7, схема работы которого представлена на фиг. 2. Частота вращения вала синхронизирующего редуктора измеряется с помощью датчика Холла 8.

Реализация предлагаемого изобретению осуществляется в следующей последовательности:

- создается необходимая для исследования коэффициента сцепления нагрузка на колесо с помощью установка на тележку груза соответствующей массы;

- выполняется перемещение (движение) тележки по исследуемому участку пути с необходимой для исследования скоростью (скоростями);

- в процессе движения измеряются и записываются на flash накопитель: скорость движения тележки; величина циркулирующей мощности;

- регистрируются температура и влажность воздуха, наличие на рельсах влаги, льда, пр.;

- полученные результаты обрабатываются и представляются в виде таблиц и графиков.

При реализации используются:

- две синхронно вращающиеся колесные пары объединенные в одной тележке, чем обеспечивается возможность их движения по рельсовому пути;

- редуктор, синхронизирующий частоту вращения колесных пар, соединенный с валами привода генераторов от средней части осей;

- датчик силы, возникающей на корпусе балансирно-качающегося на оси редуктора, значение которой пропорционально силе трения между колесом и рельсом колесной пары, имеющей меньший диаметр колес и движущейся с частичным проскальзыванием;

- датчик частоты вращения фланца синхронизирующего редуктора, частота вращения которого пропорциональна скорости движения тележки.

Изобретение относится к способу определения коэффициента сцепления колеса подвижного состава с рельсом. Способ определения коэффициента сцепления железнодорожного колеса с рельсом включает качение колесных пар тележки, определение скорости движения тележки, измерение силы нормальной нагрузки на рельсы от колесных пар тележки. Согласно изобретению синхронизируют при движении частоту вращения колесных пар, причем колеса одной из них имеют меньший диаметр. Регистрируют изменения величины циркуляции мощности, возникающей от частичного проскальзывания колесной пары с меньшим диаметром колес, устанавливают зависимость величины циркуляции мощности от возникающей силы при скольжении, после чего рассчитывают коэффициент сцепления по формуле: где F_p - сила реакции на корпусе балансирно-качающегося редуктора, (Н); r_д - радиус делительной окружности шестерни балансирно-качающегося редуктора, (м); _p - расстояние от точки возникновения силы на делительной окружности шестерни редуктора до оси его вращения, (м); - расстояние от оси вращения балансирно-качающегося редуктора до точки приложения силы реакции к силоизмерительному датчику, (м); i_г - передаточное число редуктора привода генератора; R_м - радиус колеса меньшего диаметра, (м); G_мк - часть веса испытательной тележки, приходящегося на рельсы от колесной пары с меньшим диаметром колес, (Н); η - суммарный коэффициент полезного действия всех редукторов, испытательной тележки и всех буксовых подшипников. Изобретение относится также к тележке для определения коэффициента сцепления железнодорожного колеса с рельсом вышеуказанным способом. В результате можно определить значения коэффициентов сцепления железнодорожных колес с рельсами при различных нагрузках на колесо в процессе движения как на прямолинейных, так и криволинейных участках с различными скоростями и учетом влияния проскальзывания колеса относительно рельса при различных природно-климатических условиях. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ определения коэффициента сцепления железнодорожного колеса с рельсом, включающий качение колесных пар тележки, определение скорости движения тележки, измерение силы нормальной нагрузки на рельсы от колесных пар тележки, отличающийся тем, что синхронизируют при движении частоту вращения колесных пар, причем колеса одной из них имеют меньший диаметр, регистрируют изменения величины циркуляции мощности, возникающей от частичного проскальзывания колесной пары с меньшим диаметром колес, устанавливают зависимость величины циркуляции мощности от возникающей силы при скольжении, после чего рассчитывают коэффициент сцепления по формуле:

где F_p - сила реакции на корпусе балансирно-качающегося редуктора, (Н); r_д - радиус делительной окружности шестерни балансирно-качающегося редуктора, (м); _p - расстояние от точки возникновения силы на делительной окружности шестерни редуктора до оси его вращения, (м); - расстояние от оси вращения балансирно-качающегося редуктора до точки приложения силы реакции к силоизмерительному датчику, (м); i_г - передаточное число редуктора привода генератора; R_м - радиус колеса меньшего диаметра, (м); G_мк - часть веса испытательной тележки, приходящегося на рельсы от колесной пары с меньшим диаметром колес, (Н); η - суммарный коэффициент полезного действия всех редукторов, испытательной тележки и всех буксовых подшипников.

2. Тележка для определения коэффициента сцепления железнодорожного колеса с рельсом по п. 1, состоящая из двух колесных пар, причем колеса одной из них имеют меньший диаметр, каждая из колесных пар имеет редуктор привода генератора от средней части оси, редуктор, синхронизирующий частоту вращения валов привода генераторов, причем редуктор устанавливается балансирно-качающимся на оси, тем самым обеспечивается возможность его поворота при возникновении на его корпусе реактивного крутящего момента при проходящей через него циркулирующей мощности, причем на раме тележки установлен силоизмерительный датчик, измеряющий величину крутящего момента, возникающего на корпусе редуктора, датчик частоты вращения валов привода генераторов, позволяющий определить скорость движения тележки.