Способ измерения коэффициента сцепления железнодорожного колеса с рельсом при различной степени проскальзывания и устройство для его реализации Российский патент 2025 года по МПК G01M17/10 G01N19/02 

Предлагаемое изобретение предназначено для исследования процессов трения и определения коэффициента сцепления колеса подвижного состава с рельсом (ϕ). И является дальнейшим совершенствованием ранее разработанного способа для определения коэффициента сцепления железнодорожного колеса с рельсом и устройства для его осуществления, заявка на изобретение RU 2023113967 А от 26.05.2023.

Задачей настоящего технического решения является получение возможности измерения коэффициента сцепления не только для различных нагрузок на колесо, скоростей движения, а также измерения коэффициента сцепления не только при степени проскальзывания колеса относительно рельса, но и в условиях торможения - окружная скорость поверхности катания колеса ниже поступательной скорости движения тележки и режимах тяги - окружная скорость поверхности катания колеса выше поступательной скорости движения тележки, оценивать эффективность влияния на возрастание коэффициента сцепления подсыпки под колеса подсыпки песка и других активаторов трения. Дополнительно, получения возможности транспортировки тележки с отключенным режимом измерения, и использования колесных пар с одинаковым диаметром колес, что соответствует техническим условиям, предъявляемым к тележкам вагонов.

Результатами изобретения являются значения коэффициентов сцепления железнодорожных колес с рельсами при торможении подвижного состава с частичным проскальзыванием колес и режиме тяги с частичным буксованием колес, а также подсыпания под них песка или иных активаторов трения.

Недостатком способа, предложенного в заявке на изобретение RU 2023113967 А от 26.05.2023 является использование в тележке колесных пар с колесами разных диаметров, то не соответствует техническим требованиям, предъявляемым к тележкам вагонов, а также невозможностью определения степени проскальзывания, при которой коэффициент сцепления будет иметь наибольшее значение.

Поставленная задача решается следующим образом.

Задается качение колесных пар тележки, определение скорости движения тележки, измерение силы нормальной нагрузки на рельсы от колесных пар тележки, регистрацию величины циркуляции мощности, возникающей от частичного проскальзывания одной из колесных пар, отличающий тем, что при качении кинематически связанных колесных пар с колесами одинакового диаметра обеспечивают различные степени их проскальзывания с помощью вариатора, после чего рассчитывают коэффициент сцепления по формуле:

где F_p - сила реакции на корпусе балансирно-качающегося вариатора, (Н); l_p - расстояние от оси вращения балансирно-качающегося вариатора до точки приложения силы реакции к силоизмерительному датчику, (м) i - передаточное отношение вариаторе; i_г - передаточное отношение вариатора привода подвагонного генератора; R_К - радиус колеса по кругу катания колесной пары, (м); η - общий коэффициент полезного действия редуктора привода генератора, карданных передач и коробки передач; G_MК2 - вес, приходящийся на рельсы, от менее нагруженной колесной пары, (Н); F_p - сила реакции на корпусе вариатора, (Н); l_p - расстояние от оси вращения балансирно-качающегося вариатора до точки приложения силы реакции к силоизмерительному датчику, (м).

Тележка для определения коэффициента сцепления железнодорожного колеса с рельсом при различной степени проскальзывания по, состоит из двух колесных пар, каждая из колесных пар имеет редуктор привода генератора от средней части оси, при чем на раме тележки установлен силоизмерительный датчик, измеряющий величину реактивного момента, возникающего на корпусе вариатора, датчик частоты вращения валов привода генераторов, позволяющий определить скорость движения тележки, отличающаяся тем, что колесные пары имеют колеса одинакового диаметра, вращение колесных пар кинематически связано вариатором, позволяющим получить разные значения частот их вращения и степени проскальзывания соответственно.

Техническими результатами изобретения являются значения коэффициентов сцепления железнодорожных колес с рельсами при торможении подвижного состава с частичным проскальзыванием колес и режиме тяги с частичным буксованием колес 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, а также оценивать эффективность влияния на возрастание коэффициента сцепления подсыпки под колеса подсыпки песка и других активаторов трения.

Указанные технические результаты достигаются тем, что тележка для измерения коэффициента сцепления железнодорожного колеса с рельсом, имеющая две колесные пары с угловыми редукторами на средней части оси, а также вариатор кинематически связывающий вращение колесных пар, что обеспечивает получение разных значений частот их вращения и степени проскальзывания соответственно, при чем вариатор устанавливается балансирно-качающейся на оси, что обеспечивает возможность его поворота при возникновении на картере реактивного крутящего момента, при чем на раме тележки установлен силоизмерительный датчик, измеряющий силу на противоположном от оси вращения вариатора силу от возникающего реактивного момента, датчик частоты вращения первичного вала вариатора, позволяющий определить скорость движения тележки. Колесные пары тележки имеют колеса одинакового диаметра, нагрузка на колесные пары распределяется таким образом, что на одну из них приходится на 25% веса больше, чем на другую, что позволяет исключить ее проскальзывание, вращение колесных пар кинематически связано вариатором, обеспечивающим диапазон изменения передаточных отношений в диапазоне 1,2÷1/1,2 и нейтральную передачу.

Большее нагружение (на 25%) одной из колесных пар обеспечивает ее качение по рельсам практически без проскальзывания, при этом, другая колесная пара будет вращаться с частотой, обеспечивающей занижение или завышение окружной скорости круга катания относительно скорости движения тележки, что позволит получить значения коэффициента сцепления для исследуемых условий при различных величинах проскальзывания. При необходимости, возможно обеспечить подачу песка или иного активатора трения под колеса тележки и оценить степень его влияния на увеличение коэффициента сцепления.

Тележка для измерения коэффициента сцепления железнодорожного колеса с рельсом фиг. 1, фиг. 2, имеющую две колесные пары с угловыми редукторами на средней части оси, а также вариатор кинематически связывающий вращение колесных пар и обеспечивающий получение разности окружных скоростей на кругах катания колесных пар±20% и нейтральную передачу, позволяющую обеспечить транспортировку тележки к месту проведения испытаний.

Тележка для измерения коэффициента сцепления железнодорожного колеса с рельсом включает:

1 - колесная пара, нагруженная на 25% больше, чем другая;

2 - колесная пара, нагруженная на 25% меньше, чем другая;

3 - вариатор, обеспечивающий кинематическую связь колесных пар;

4 - рама тележки;

5 - редукторы привода генераторов вагона;

6 - балансирная ось вариатора;

7 - датчик измерения силы, создаваемой, реактивным моментом M_R на корпусе вариатора;

8 - датчик частоты вращения;

9 - груз, обеспечивающий нагрузку на оси в необходимом соотношении;

10 - коробкой передач, позволяющая получить кинематическую связь колесных пар;

V_T - скорость движения тележки, (м/с);

ω₁, ω₂ - угловые скорости колесных пар - более нагруженной и менее нагруженной, соответственно, (рад/с);

V_O1, V_O2 - окружные скорости колес по кругу катания колесных пар - более нагруженной и менее нагруженной, соответственно, (м/с);

F_T1, F_T2 - силы трения между поверхностью колес колесных пар - более нагруженной и менее нагруженной, соответственно, (н);

G_Г - вес груза, (Кн);

G_МК1, G_МК2 - вес, приходящийся на рельсы, под каждой из колесных пар колесные пары - более нагруженную и менее нагруженную соответственно, (н);

R_K, - радиус колес по кругу катания, (м);

M_R - реактивный момент на картере вариатора, (н*м);

l_p - расстояние от оси вращения балансирно-качающегося вариатора до точки приложения силы реакции к силоизмерительному датчику, (м);

Измерение коэффициента сцепления колеса с рельсом ϕ выполняется следующим образом. После установки на раму тележки 4 груза 9 весом С_Г, (н) измеряются значения веса под каждой из колесных пар G_МК1 и G_МК2, (н). Тележка доставляется к месту проведения испытаний при включенной нейтральной передаче в вариаторе. Перед началом испытаний, в вариаторе выбирается передаточное число i=1,0 и начинается буксировка тележки, при этом, для случая измерения коэффициента сцепления в режиме торможения выполняется его плавное изменение до максимального значения i=1,20, а для измерения коэффициента сцепления в режиме тяги до минимального i=1/1,20. В процессе буксировки измеряется значение силы реакции F датчиком силы 7, (н) и скорости движения тележки V_T, (м/с) датчиком частоты вращения, по формуле

V_T=ωπi_гR_кб,

где R_К - радиус колеса по кругу катания колесной пары, (м); i_г - передаточное отношение редуктора привода подвагонного генератора.

Коэффициент сцепления определяется по формуле

где F_p - сила реакции на корпусе балансирно-качающейся вариатора, (н);

l_p - расстояние от оси вращения балансирно-качающегося вариатора до точки приложения силы реакции к силоизмерительному датчику, (м);

i - передаточное отношение вариатора i=ω₂/ω₁;

i_г - передаточное отношение редуктора привода подвагонного генератора;

R_К - радиус колеса по кругу катания колесной пары, (м);

η - общий коэффициент полезного действия редуктора привода генератора, карданных передач и коробки передач;

l_p - расстояние от оси вращения балансирно-качающегося редуктора до точки приложения силы реакции к силоизмерительному датчику, (м);

V_T - скорость движения тележки, (м/с);

ω₁, ω₂ - угловые скорости колесных пар - более нагруженной и менее нагруженной, соответственно, (рад/с), ω₁*i=ω₂;

V_O1, V_O2 - окружные скорости колес по кругу катания колесных пар - более нагруженной и менее нагруженной, соответственно, (м/с);

F_T1, F_T2 - силы трения между поверхностью колес колесных пар - более нагруженной и менее нагруженной, соответственно, (н);

G_Г - вес груза, (н);

G_MК1, С_МК2 - вес, приходящийся на рельсы, под каждой из колесных пар колесные пары - более нагруженную и менее нагруженную, соответственно, (Н), G_MК1>G_MК2, 0,75*G_MК1=G_MК2;

R_К - радиус колес по кругу катания, (м).

Полученные результаты записываются на энергонезависимый накопитель, с целью дальнейшего анализа.

Для реализации способа предлагается использовать тележку фиг. 1, фиг. 2, имеющую две колесные пары с колесами одинакового диаметра, вращение колесных пар кинематически связано вариатором. Определения коэффициента сцепления ϕ железнодорожного колеса с рельсом заключается в измерении циркулирующей мощности, возникающей вследствие движения одной колесной пары с частичным проскальзыванием (режим тяги) или волочением (режим торможения), которая определяется путем измерения крутящего момента М_к и скорости движения тележки. Значение коэффициента сцепления определяется по формуле , где r_к - радиус колеса; G_MК2 - нагрузка от менее нагруженной колесной пары на рельс. Значение нагрузки от колесной пары на рельс G_MК2, 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_т, м/с определяется по формуле

V_т=ωπi_г r_к,

где ω - частота вращения вала синхронизирующего редуктора; i_г - передаточное число редуктора привода генератора; r_к - радиус колеса колесной пары по кругу катания.

Сила реакции на корпусе синхронизирующего редуктора измеряется с помощью датчика силы, которая преобразуется в величину коэффициента сцепления с помощью специальной программы, в цифровом модуле с 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.

Изобретение относится к исследованию процессов трения и определению коэффициента сцепления колеса подвижного состава с рельсом. Согласно способу определения коэффициента сцепления железнодорожного колеса с рельсом при различной степени проскальзывания производят качение колесных пар тележки, определяют скорость движения тележки, измеряют силу нормальной нагрузки на рельсы от колесных пар тележки, регистрируют величину циркуляции мощности, возникающей от частичного проскальзывания одной из колесных пар. При качении кинематически связанных колесных пар, с колесами одинакового диаметра, обеспечивают различные степени их проскальзывания с помощью вариатора, после чего рассчитывают коэффициент сцепления по формуле

где F_p - сила реакции на корпусе балансирно-качающегося вариатора, (Н), l_p - расстояние от оси вращения балансирно-качающегося вариатора до точки приложения силы реакции к силоизмерительному датчику, (м), i - передаточное отношение вариатора, i_г - передаточное отношение редуктора привода подвагонного генератора; R_К - радиус колеса по кругу катания колесной пары, (м), η - общий коэффициент полезного действия редуктора привода генератора, карданных передач и коробки передач, G_MК2 - вес, приходящийся на рельсы, от менее нагруженной колесной пары, (Н). Изобретение относится также к тележке, которая осуществляет упомянутый способ. В результате обеспечивается возможность определить значения коэффициентов сцепления железнодорожных колес с рельсами при торможении подвижного состава с частичным проскальзыванием колес и в режиме тяги с частичным буксованием колес при различных нагрузках на колесо в процессе движения как на прямолинейных, так и криволинейных участках с различными скоростями и с учетом влияния различных факторов на колесо. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ определения коэффициента сцепления железнодорожного колеса с рельсом при различной степени проскальзывания, включающий качение колесных пар тележки, определение скорости движения тележки, измерение силы нормальной нагрузки на рельсы от колесных пар тележки, регистрацию величины циркуляции мощности, возникающей от частичного проскальзывания одной из колесных пар, отличающийся тем, что при качении кинематически связанных колесных пар, с колесами одинакового диаметра, обеспечивают различные степени их проскальзывания с помощью вариатора, после чего рассчитывают коэффициент сцепления по формуле

где F_p - сила реакции на корпусе балансирно-качающегося вариатора, (Н), l_p - расстояние от оси вращения балансирно-качающегося вариатора до точки приложения силы реакции к силоизмерительному датчику, (м), i - передаточное отношение вариатора, i_г - передаточное отношение редуктора привода подвагонного генератора, R_К - радиус колеса по кругу катания колесной пары, (м), η - общий коэффициент полезного действия редуктора привода генератора, карданных передач и коробки передач, G_MК2 - вес, приходящийся на рельсы, от менее нагруженной колесной пары, (Н).

2. Тележка для определения коэффициента сцепления железнодорожного колеса с рельсом при различной степени проскальзывания по п. 1, состоящая из двух колесных пар, каждая из колесных пар имеет редуктор привода генератора от средней части оси, причем на раме тележки установлен силоизмерительный датчик, измеряющий величину реактивного момента, возникающего на корпусе вариатора, датчик частоты вращения валов привода генераторов, позволяющий определить скорость движения тележки, отличающаяся тем, что колесные пары имеют колеса одинакового диаметра, вращение колесных пар кинематически связано вариатором, позволяющим получить разные значения частот их вращения и степени проскальзывания соответственно.