Устройство для измерения деформации изгиба на вращающихся валах Советский патент 1992 года по МПК G01B7/16 

(Л

С

Изобретение относится к средствам измерения деформаций изгиба на вращающихся деталях типа валы, оси, колесные пары. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей устройства для измерения деформации изгиба валов колесных пар в до подступим ной и за- подступичной зонах, а также измерение боковой силы взаимодействия колесной пары с рельсами пути. С этой целью устройство для измерения деформаций изгиба на вращающихся деталях снабжено дополнительно двумя парами тензорезисторов 5-6 и 7-8, а коммутатор 16 объединяет все тензорези- сторы (1-8) в мостовые (полумостовые) измерительные схемы двумя усилителями 9 и 10 и двумя усилителями-инверторами 11 и 12. Изобретение может быть использовано для измерений боковых и вертикальных сил, действующих на колесные пары рельсового подвижного состава. 2 ил.

о

СО Ю

Изобретение относится к средствам измерения деформации изгиба вращающихся деталей и может быть использовано для определения величины боковой силы взаимодействия колеса колесной пары с рельсами пути, сидящего на валу зубчатого колеса - с шестерней, для определения максимальных величин изгибающих моментов, действующих в поперечных сечениях вала вращающейся детали.

Известно устройство для измерения горизонтальных сил с помощью датчиков давления, расположенных на дополнительных деталях колесной пары и включенных по схеме тензометрического моста.

Недостатком данного устройства, кроме конструктивных сложностей изготовления и использования дополнительных деталей, примыкающих к колесной паре, таких как вращающийся корпус, неподвижный корпус, корпус оси, дополнительные подшипники и другие, является неизбежная потеря части информации о взаимодействии колеса с рельсами пути, обусловленная невозможностью обеспечения беззазорного движения оси колесной пары относительно базы - рамы тележки (в динамике наступают моменты, когда горизонтальные силы, действующие на колесную пару, уравновешиваются силами инерции колесной пары и силами трения колес о рельсы. При этом показания датчиков Давления отсутствуют и боковая сила взаимодействия колеса с рельсами пути не регистрируется). Таким образом, данное устройство определяет давление колесной пары на раму (горизонтальную силу), а не боковую силу взаимодействия колес и рельсов.

Использование данного устройства функционально ограничено - определяет только горизонтальную силу, действующую на колесную пару, но не может регистрировать максимальных изгибающих моментов в поперечных сечениях оси колесной пары.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения деформации изгиба на вращающихся деталях, содержащее две пары тензорезисторов, два канала усилительной аппаратуры, каждый из которых соединен с одной парой тензорезисторов, два квадратора, каждый из которых своим входом соединен с выходом одного из каналов усилительной аппаратуры, а выходом - с одним из входов сумматора, блок выделения результирующего значения сигнала, который выполнен в виде блока извлечения квадратурного корня, при этом по крайней мере один канал усилительной аппаратуры выполнен регулируемым по чувствительности, а тензорезисторы предназначены для размещения в одном поперечном сечении вращающейся детали в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

Недостатком известного устройства является ограниченная возможность его функционального использования, связанная с получением информации при измерениях только максимального значения изгибающего момента в одном поперечном сечении вращающейся детали, например оси колесной пары,

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей устройства для измерения деформации изгиба валов колесных пар в до под ступичной и за- подступичной зонах, а также измерение боковой силы взаимодействия колесной пары с рельсами пути.

Указанная цель достигается тем, что устройство для измерения деформаций изгиба на вращающихся деталях снабжено дополнительно двумя парами тензорезисторов, причем первые две пары тензорезисторов размещены на концах двух взаимно перпендикулярных диаметров поперечного сечения оси в доподступичной части, а вторые две пары - в заподступичной части оси. Кроме того, две взаимно перпендикулярные

плоскости продольных сечений оси объединяют тензорезисторы в мостовые (полумостовые) измерительные схемы двумя усилителями и двумя усилителями-инверторами. При определении максимальных значений изгибающих моментов в обоих поперечных сечениях оси колесной пары выходы соответствующих усилителей и усилителей-инверторов переключены соответственно на входы квадраторов с помощью

коммутатора.

На фиг. 1 приведена схема, поясняющая сущность предлагаемого устройства; на фиг. 2 - блок-схема предлагаемого устройства.

Считая звено ось колесной пары - колесо относительно жестким и применяя известный из теории упругости принцип независимого действия сил, имеет соотношение изгибающих моментов от действия

силы Р в доподступичной части (сечение I) и в заподступичной части (сечение II)

МРИ М р i

аи ai

0)

При достаточно близком расположении сечения II к ступице колеса относительная погрешность, вносимая пренебрежением величины изгибающего момента от деиствия реакции R, близка к нулю и тогда момент от боковой силы можно представить в виде

MY М - Мри или с учетом (1) в виде

an ai

MPI

Переходя в выражении (3) от изгибающих моментов к напряжениям (деформациям), получаем

(4)

Yr oj|W:i- - OjWi, ai

где Y - боковая сила взаимодействия колеса и рельса;

г - радиус колеса колесной пары;

ai, an, Wi, Wif- геометрические параметры расположения тензорезисторов на оси колесной пары и соответствующие им моменты сопротивления изгибу поперечных сечений;

Oi ( EI ) , а ( Јц ) - измеряемые величины напряжений (деформаций) в соответствующих поперечных сечениях.

Окончательное для боковой силы Y выражение имеет вид

где

Y п( Јц - к Ј| ) k an Wi .

(5)

ai Wn

n-- Wu,

где Е - модуль упругости материала оси,

Устройство для измерения деформации изгиба на вращающихся деталях содержит четыре пары тензорезисторов, две из которых (пары 5-6 и 7-8) размещены в сечении (I) доподступичной части поперечного сечения оси колесной пары, а другие две пары 1-2 и 3-4 - в сечении (II) заподступичной части на концах взаимно перпендикулярных диаметров сечений, при этом две взаимно перпендикулярные плоскости продольных сечений оси объединяют тензоре- зисторы в мостовые (полумостовые) измерительные схемы двумя усилителями- инверторами 11 и 12 и двумя усилителями 9 и 10, которые, в свою очередь, соединены с двумя сумматорами 13 и 14, двумя квадраторами 17 и 18, а все вместе - сумматором 15 и устройством 19 извлечения квадратного корня, а также коммутатор 16.

Усилители-инверторы 11 и 12 имеют коэффициенты усиления, равные n k, а усилители 9 и 10 - равные п.

При определении максимальных значений деформаций изгиба в обоих поперечных сечениях оси колесной пары выходы усилителей-инверторов 11 и 12 и усилителей 9 и

5 10 переключены коммутатором 16 соответственно на входы квадраторов 17 и 18 и через сумматор 15 на блок 19 извлечения квадратного корня.

Устройство работает следующим обра10 зом.

При нагружении колесной пары усиленный (усилителем 10) сигнал от тензорезисто- ров 3-4 алгебраически суммируется сумматором 14 с усиленным (усилителем15 инвертором 12) сигналом от тензорезисторов 7-8. Результат возводится в квадрат квадратором 18 и поступает на сумматор 15 параллельно с усиленным (усилителем 9) сигналом от тензорезисторов 1-2, который

20 алгебраически суммируется сумматором 13 с усиленным (усилителем-инвертором 11) сигналом от тензорезисторов 5-6, также возведенным в квадрат квадратором 17. С выхода сумматора 15 сигнал поступает на

25 устройство 19 извлечения квадратного корня.

При вращении колесной пары благодаря инвариантному усреднению сигналов и операционной их обработке по всем четы30 рем каналам имеем сигнал, соответствующий квадрату боковой силы Y .

Извлекая с помощью блока 19 квадратный корень, получаем непрерывный искомый сигнал для Y.

35 Работа устройства при определении максимальных деформаций изгиба в обоих поперечных сечениях оси колесной пары аналогична работе устройства-прототипа, только каналов измерения в этом случае два

40 и они переключаются коммутатором 16.

Перед работой устройства в режиме измерения боковой силы необходимо согласо- . вать по коэффициентам усиления каналы усилителей-инверторов 11 и 12 и каналы

45 усилителей 9 и 10 соответственно.

Работа в режиме измерения максимальных изгибающих моментов требует дополнительной балансировки каналов усилителей 9 и 10 и усилителей-инверто50 ров 11 и 12 между собой.

Формула изобретения Устройство для измерения деформации изгиба на вращающихся валах, содержащее два основных канала усилительной

55 аппаратуры, один из которых выполнен регулируемым по чувствительности, два тензорезистора, предназначенных для установки в ортогональных плоскостях в одном сечении вала, каждый из которых соединен с входом соответствующего основного канала усилительной аппаратуры, два квадратора, сумматор, входы которого соединены с выходами квадраторов, блок извлечения квадратного корня, вход которого соединен с выходом сумматора, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей устройства для измерения деформации изгиба валов колесных пар в доподступичной и заподступичной зонах, а также измерения боковой силы взаимодействия колесной пары с рельсами пути, оно снабжено двумя дополнительными инвертирующими каналами регулируемой по чувствительности усилительной аппаратуры, шестью дополнительными тензорези- сторами, предназначенными для установки в тех же ортогональных плоскостях, из которых два предназначены для установки в том же сечении, располагаемом в заподступичной зоне, а четыре - в другом сечении, располагаемом в доподступичной зоне, двумя

дополнительными сумматорами и двухка- нальным коммутатором с тремя входами и одним выходом по каждому каналу и синхронным переключением каналов, второй основной канал выполнен регулируемым по чувствительности, входы всех каналов усилительной аппаратуры выполнены дифференциальными, выходы дополнительных сумматоров соединены соответственно с

первыми входами каналов коммутатора, выходы каналов коммутатора соединены соответственно с входами квадраторов, каждые два тензорезистора, лежащие в одной плоскости и в одном сечении, объединены по

схеме полумоста и соединены с дифференциальными входами соответствующего канала усилительной аппаратуры, а выходы основных и дополнительных каналов усилительной аппаратуры соединены соответственно с вторыми и третьими входами каналов коммутатора.

Н