Устройство для определения давления колеса на рельс Советский патент 1993 года по МПК B61K9/08 

i

S 9

СдЗ О

Изобретение относится к измерению динамических характеристик взаимодействия железнодорожного пути и подвижного состава и может быть использовано для измерения горизонтальных сил, действующих на рельс при движении поездов.

Известно устройство, с помощью которого о величине горизонтальных сил судят по величине напряжений в головке и подошве рельса, В этом устройстве имеются три тензорезистора, два из которых наклеены на подошву рельса и одни на головку. Эти тензорезисторы включены в измерительную тензометрическую схему для записи ре- зультата на -осцилограмму. Недостатком этого устройство является необходимость дополнительного расчета величины действующей силы по результатам измеренных величин напряжений.

Также известно устройство, позволяющее судить о величине горизонтальных сил по.деформации спиц или диска колеса. Деформации получены с помощью тензорези- сторов, наклеенных на спицах или диск колеса. Сигнал в этом устройстве получен с помощью токосъемника. Устройство не может быть использовано в тех случаях, когда необходимо знать силу воздействия в одной какой-то определенной точке пути от воздействия колес проходящего поезда.

Все указанные устройства имеют недо; статочную точность измерения динамических сил взаимодействия колеса и рельса.

Предлагаемое устройство позволяет с повышенной точностью измерять силы в любом сечении пути от действия всех колес подвижного состава. Наиболее близким по технической сущности аналогом является устройство, с помощью которого можно измерить величину горизонтальных сил с учетом величины деформаций шейки рельса. Это устройство принято за прототип. В этом устройстве установлены четыре тензорезистора на шейку рельса и включены втензо- метрический мост. В одну диагональ тензометрического моста подключен блок питания с постоянным напряжением. Другая диагональ связана с чувствительным элементом, например, шлейфом осцилогра- фа. Отклонение луча шлейфа равно величине горизонтальной силы. Недостатком этого устройства является малая точность измерения горизонтальных сил. Величины измеренных сил в отдельных случаях могут в два и более раз превышать значения-реально действующих сил. Измерение горизонтальных сил этим устройством выполнено с учетом допущения, что деформации сжатия в шейке рельса от вертикальной нагрузки по всей высоте постоянны. В действительности эти деформации уменьшены по мере удаления от места приложения вертикальной силы. Кроме этого необходимо отметить, что вертикальная сила, приложенная

с эксцентриситетом, может оказывать значительное влияние на результаты измерения горизонтальных сил. Еще одним критерием точности измерения является условие, чтобы тензорезисторы были расположены в сечениях с одинаковой площадью поперечного сечения. Если это не соблюдено, то деформации в верхней и нижней зонах шейки не пропорциональны моментам сил от горизонтальной силы, а также от вертикальной нагрузки, действующей с эксцентриситетом. Следовательно, имеет место значительная ошибка в измерении горизонтальной силы.

Целью изобретения является .повышение точности измерения и расширение диапазона измерения путем обеспечения определения действующих на рельс горизонтальных сил.

Поставленная цель достигается тем, что

устройство для определения давления колеса на рельс, содержащее закрепленные на шейке рельса симметрично относительно вертикальной плоскости, проходящей через продольную ось рельса попарно одни выше,

а другие ниже горизонтальной плоскости, проходящей через поперечную ось рельса, активные тензорезисторы, одними из которых образованы одни плечи мостовой схемы, в одну диагональ которой включен

источник питания, а в другую - регистратор. Новое устройство отличается тем, что оно снабжено эталонными тензорезисторами и дополнительным источником питания, а другими активными тензорезисторами образованы одни плечи другой мостовой схемы, в одну диагональ которой включен второй источник питания, а другой диагональю вторая мостовая схема соединена с упомянутым регистратором, причем одними

и другими эталонными тензорезисторами образованы другие плечи одной и другой мостовых схем, а источники питания выполнены с выхоан ыми напряжениями в соответствии с соотношением

Ui

Ш

1,1-4,0

где Ui - напряжение одного источника питания;

U2 - напряжение другого источника пи- тания.

На фиг.1 изображено предлагаемое устройство; на фиг.2 - силы воздействия и виды упругой деформации рельса от вертикальной и горизонтальной сил; на фиг.З напряженное состояние рельса от вертикальной силы и от изгибающего момента: а) схема сил приложения, б) схема тензомоста; в) эпюры напряжений; г) распределение напряжений сжатия в шейке рельса от верти- кальной силы; на фиг.4 - график зависимости горизонтальной силы фиктивной от вертикальной силы, действующей в различных точках приложения (данные эксперимента); на фиг,5 - пример записи изме- ряемых сил на осциллограмме; а) от подвижной х-нагрузки; б) от известной силы.

Для достоверности достигаемого положительного эффекта при определении дав- ленйя колеса на рельс, авторами были проанализированы теоретические допущения и выполнена экспериментальная проверка динамических сил взаимодействия колеса и рельса.

При определении давления колеса, действующего на железнодорожный рельс от колес подвижного состава с помощью устройства Шлумпфа при наклейке тензодатчи- ков, вертикально на шейку рельса и при включении по электрической схеме в один мост Уинстона принято допущение, что результаты измерения горизонтальных сил получены без влияния места .приложения величины вертикальной нагрузки. В деист- вительности это утверждение является весьма далеким от истины.

Изобретение иллюстрируется следующим примером. В устройстве для определения давления колеса на рельс (фиг.1) тензодатчики наклеены на шейку рельса выше середины и ниже середины и включены в два различных моста.

Поступающие сигналы суммируются алгебраически. Питание мостов выполнено ав- тономно от отдельных источников, при этом напряжение питания . Соотношение напряжений питания предусмотрено таким образом, что при наличии эксцентриситета приложения вертикальной нагрузки исключено ее влияние на результат измерения горизонтального давления колеса на рельс.

Экспериментальное определение соотношения напряжений выполнено путем многократных вертикальных нагружений исследуемого рельса с различным эксцентриситетом. При этом достигнуто минимальное (на практике близкое к нулю) отклонение гальванометра при изменении эксцентриситета приложения вертикальной силы. Экспериментальное сравнение результатов измерения сигнала от вертикальной нагрузки в схеме измерения горизонтальной силы с помощью устройст-

ва прототипа (предложение Шлумпфа) и с помощью предлагаемого нами технического решения выполнено на примере взаимодействия колеса с рельсом типа Р65. Результаты этого эксперимента приведены на фиг.4 (сплошные линии 1,2 - при измерении с помощью нового устройства; пунктирные линии 3,4 - при измерении с помощью прототипа, предложение Шлумпфа).

Из анализа полученных результатов видно, что при центральном приложении вертикальной нагрузки отклонения гальванометра в обоих случаях примерно одинаковое, близкое к нулевому. При эксцентрично приложенной вертикальной нагрузке 15 тс и эксцентриситете, равном 10 мм, отклонение гальванометра при измерении устройством Шлумпфа было в 6 раз больше, чем в случае с использованием нового устройства. В этом примере величина фиктивной горизонтальной силы составляла 17-20% вертикальной нагрузки, т.е. ошибка достигала до 2,5-3 тс. Поэтому, при больших зксцентри- ситетах.горизонтальной силы взаимодействия колеса и рельса может достигать значительных величин и в некоторых случаях может превысить реально действующую силу в два и более раз. Такие большие завышения горизонтального давления имели место, например, в крановых рельсах с уширенной шейкой округлого очертания.

При измерении горизонтальной силы предлагаемым устройством при той же вертикальной нагрузке 15 тс, приложенной с эксцентриситетом 10 мм, фиктивная горизонтальная сила не превышала 0,5 тс и составляла 8% от величины вертикальной силы. Такая ошибка вполне допустима в инженерных расчетах. Практически при определенных величинах напряжений тензомостов ошибка в измерении давления колеса на рельс предлагаемым устройством может быть устранена.

Предложенное устройство для определения давления колеса на рельс, выполнено в ЛИИЖТе следующим образом. На шейке 6 рельса 5 размечены места расположения тензорезисторов 1,2,3,4 и наклеенные симметрично относительно вертикальной оси 15 рельса. Выводы отдатчиков соединены в два различных тензометрических моста 11, 12. При этом еще четыре смонтированных датчика 7 и 8 включены в тензомост 11, а датчики 9 и 10 в электроизмерительный мост 12. На диагонали мостов 11 и 12 автономно подключены различные напряжения питания. В другие две диагонали 13 и 14 включен шлейф регистрирующего прибора 19 для фиксирования сигналов на осциллограмму величины давления на рельс от воздействия сил 16,17 или 18. Сигналы от действия сил известной величины, т.е. тарировка-чувствительности элементов и масштаба записи фиксируется также на осциллографе с помощью предложенного устройства.

Существенным отличием является нижний и верхний пределы отношения питания тензомостов 11 и 12 равные 1,1-4,0. Нижний предел обосновывается наклейкой датчиков из шейхе рельса типа Р43 и легче, применяемых на :-:.д, путях МПС и промпредприя- тий. При этом точность измерения горизонте ьных сил повышается и ошибка составляв ; не более 8%. Верхний предел ссэ .ношбг.ия питающих напряжений тензо- мостов, равный 4,0 обусловлен более тяжелым типом рельсов, в том числе типа Р75 и КР-140. Как НУ; зззли многократные экспериментальные проверки, точность измерения горизонтальных сил в этом случае обеспечена не менее 5 %.

. Конкретный пример реализации предлагаемого устройства измерения горизонтальных сил, действующих на рельс, проиллюстрирован на фиг.3-5, и в таблице.

Экспериментально проверено влияние вертикальной нагрузки на результаты измерения в схеме Шлумпфа путем наклейки датчиков попарно на шейку рельса и включением их в одинарный мост.

Измерение напряжения выполнено по каждому датчику при действии как осевой вертикальной нагрузки, так и приложенной

с эксцентриситетом. В таблице приведены значения этих напряжений при действии вертикальной силы тс и ,5 тс на рельс типа Р65.

Анализ полученных результатов позволил выявить влияние вертикальной нагрузки на фиксируемый одинарным мостом результат. В случае, если бы воздействие вертикальной силы не влияло на показания

измерительного прибора включенного в одинарный мост (рис.3), тогда результирующий сигнал согласно формуле был бы равен нулю. Однако, это оказывается справедли- вым только для частного случая осевого приложения нагрузки (при ), когда и Јр,ЈРа. Анализ таблицы показывает, что напряжения, а следовательно, и деформации в каждом из четырех датчиков неодинаковы

при различных эксцентриситетах приложения . вертикальнойнагрузки и Јpi ера Кроме того, , т.е. результирующий сигнал

при включении датчиков по схеме одинарного моста не может быть равным нулю, (здесь AЈQ ЈQa-ЈQ1 и ЛЈР Јра-Јр, ). Таким образом, при действии на рельс только вертикальной силы, эксцентрично приложенной, измерительный прибор фиксировал фиктивную горизонтальную нагрузку от вертикальной эксцентрично приложенной силы,

Использование: в области измерения динамических характеристик взаимодействия железнодорожного пути и подвижного состава. Сущность изобретения: на шейке 6 рельса закреплены тензорезисторы 1-4, включенные в две мостовые схемы, в другие плечи которых включены эталонные терморезисторы 7-10. а источники питания, включенные в диагонали одной и другой мостовых схем, выполнены с выходными напряжениями в. соответствии с соотношением Ui/U2 1,1-4,0, где Ui- напряжение одного источника питания, U2- напряжение другого источника питания. 5 ил.. 1 табл.

Формулаизобретения Устройство для определения давления колеса на рельс, содержащее закрепленные на шейке рельса симметрично относительно вертикальной плоскости, проходящей через продольную ось рельса попарно одни выше, а другие ниже горизонтальной плоскости, проходящей через поперечную ось рельса, активные тензорезисторы, одними из которых образованы одни плечи мостовой схемы, в одну диагональ которой включен источник питания, в другую-регистратор, о тлича ющееся тем, что, с целью расширения диапазона измерения путем обеспечения определения действующих на рельс горизонтальных сил, оно снабжено эталонными тефмбрезисторами и дополнительным источником питания, а другими активными тензорезисторами образованы одни плечи другой мостовой схемы, в одну диагональ которой включен второй источник питания, а другой диагональю вторая м остовая схема соединена с регистратором, причем одними и другими эталонными тен- зорезистсрами образованы другие плечи одной и другой мостовых схем, а источники питания выполнены с выходными напряжениями в соответствии с соотношением

Ui

Ш

.1,1-4,00 где Ui - напряжение одного

источника питания; U2 - напряжение другого питания,

800 О -аОО -1600 НГС/СМг

УыгЗ

1фт& .2.6

x

/

/

/

/

еноми

l

W .

Tf2Дтс

/

/

/

/

/

1

0

10

V5 Q,b

s&,5mo I

T- CJ

Т