Устройство для определения давления колеса на рельс
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.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (я)5 В 61 К 9/08
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ
ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4784975/11 (22) 22.01,90 (46) 15.02,93.5еп, М 6 (71) Ленинградский институт инженеров железнодорожного транспорта им. акад.В.Н.Образцова и Днепропетровский институт инженеров железнодорожного транспорта им. М.И.Калинина (72) Г, Ф.Агафонов, Э.И.Даниленко, А.В.Грачев и Л.Н.Фролов и B.М.Романов (56) Измерение сил взаимодействия между колесом и рельсом.— Электрические железные дороги. БернЛФ 5, 1961, с.93-110. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ДАВЛЕНИЯ КОЛЕСА НА РЕЛЬС g 5
„„59„„1794739 Al (57) 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 -10, а источники питания, включенные в диагонали одной и другой мостовых схем, выполнены с выходными напряжениями в.соответствии с соотношением U1/U2=1,1-4,0, где Ui- напряжение одного источника питания, Uz — напряжение другого источника питания. 5 ил. ° 1 табл.
1794739
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 тензаметрическую схему для записи результата 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 тензорезисторов, наклеенных на спицах или диск колеса, Сигнал в этом устройстве получен с помощью токосъемника, Устройство не мо>кет 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 недостаточную 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 устройства принято за прототип. В этом устройстве установлены четыре тенэорезистара на шейку рельса и включены в тензометрический мост, B одну диагональ тензометрического моста подключен блок питания с постоянным напряжением. Другая диагональ связана с чувствительным элементом, например, шлейфом асцилографа, 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 учетам допущения, что деформации сжатия в шейке рельса ат 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 располо10 жены 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 вер15 тикальной нагрузки, действующей с эксцентриситетом, Следовательно, имеет место значительная ошибка в измерении горизонтальной силы.
Целью изобретения является .повыше 0 ние точности измерения и расширение диапазона измерения путем обеспечения определения действующих на рельс горизонтальных сил.
Поставленная цель достигается тем, что
25 устройство для определения давления колеса на рельс, содержащее закрепленные на шейке рельса симметрично относительно вертикальной плоскости, проходящей через продольную ось рельса попарно одни выше, 30 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
45 и другими эталонными тензорезисторами образованы другие плечи одной и другой мостовых схем, а источники питания выполненыс выхоаными напряжениями всоответствии с соотношением
50 01 — =1, 1-4,0
U2 . где U> — напряжение одного источника питания;
U2 — напряжение другого источника пи55 тания.
На фиг.1 изображено предлагаемое устройство; на фиг.2 — силы воздействия и виды упругой деформации рельса от вертикальной и горизонтальной сил; на фиг.3—
1794739 напряженное состояние рельса от вертикальной силы и от изгибающего момента: а) схема сил приложения, б) схема тензомоста; в) эпюры напряжений; r) распределение напряжений сжатия в шейке рельса от вертикальной силы; на фиг.4 — график зависимости горизонтальной силы "фиктивной" от вертикальной силы, действующей в различных точках приложения (данные эксперимента); на фиг,5 — пример записи измеряемых сил на осциллограмме; а) от подвижной х-нагрузки; б) от известной силы.
Для достоверности достигаемого положительного эффекта при определении давления 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 тензодатчиков, 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 действительности 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 автономно от отдельных источников, при этом напряжение питания Ue1=Ue2. 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 устройсто 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).
5 Из анализа полученных результатов видно, что при центральном приложении вертикальной нагрузки отклонения гальванометра в обоих случаях примерно одинаковое, близкое к нулевому. При эксцентрично
10 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
15 этом примере величина "фиктивной" горизонтальной силы составляла 17-20;ь вертикальной нагрузки, т.е. ошибка достигала до
2,5-3 тс. Поэтому, при больших эксцентриситетах.горизонтальной силы взаимодейст20 вия колеса и рельса может достигать значительных величин и в некоторых случаях может превысить реально действующую силу в два и более раз. Такие большие завышения горизойтального давления имели ме25 сто, например, в крановых рельсах с уширенной шейкой округлого очертания.
При измерении горизонтальной силы предлагаемым устройством при той же вертикальной нагрузке 15 тс, приложенной с
30 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 опре35 деленных величинах напряжений тензомостов ошибка в измерении давления колеса на рельс предлагаемым устройством может быть устранена.
Предложенное устройство для опреде40 ления давления колеса на рельс, выполнено в ЛИИЖГе следующим образом. На шейке
6 рельса 5 размечены места расположения тензореэисторов 1,2,3,4 и наклеенные симметрично относительно вертикальной оси
45 15 рельса. Выводы от датчиков соединены в два различных тензометрических моста 11, 12, При этом еще четыре смонтированных датчика 7 и 8 включены в тензомаст 11, а датчики 9 и 10 в электроизмерительный
50 мост 12. На диагонали мостов 11 и 12 автономно подключены различные напряжения питания. B другие две диагонали 13 и 14 включен шлейф регистрирующего прибора
19 для фиксирования сигналов на осцилло55 грамму величины давления на рельс от воз1794739
35 действия сил 16,17 или 18. Сигналы от действия сил известной величины, т.е. тарировка.чувствительности элементов и масштаба запиои 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 пре,;ел обосновывается наклейкой датчиков на шейке -;>ельса типа Р43 и легче, применямих на .::.<.д, путях МПС и промпредприятий. При этом точность измерения горизонт: ьных сил повышается и ошибка составляе". не более 8О . Верхний предел с:- э.,-.о:.Ое.;ия питающих напря>кений тензомостов., рав ый 4,0 обусловлен более тя>келым типом „.. ëüñoâ, в том числе типа Р75 и
КР-140. Как, .:;зели многократные экспериментальные пр;.ч;ерки, точность измерения горизонталь;- ых 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.
3кспериментально 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
Формула изобретения 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,сцелью расширения диапазона измерения путем обеспечения определения действующих на рельс горизонтальных сил, оно снабжено эталонными терморезисторами и дополнис эксцентриситетом, В таблице приведены значения этих напряжений при действии вертикальной силы Д=22 тс и Д=7,5 тс на рельс типа Р65, 5 Анализ полученных результатов позволил выявить влияние вертикальной нагрузки на фиксируемый одинарным мостом результат. В случае, если бы воздействие вертикальной силы не влияло на показания
10 измерительного прибора включенного в одинарный мост (рис.3), тогда результирую- щий сигнал согласно формуле был бы равен нулю. Однако, это оказывается справедливым только для частного случая осевого при- .
15 ло>кения нагрузки (при I=O), когда QI Qa И P I pa
Анализ таблицы показывает, что напряжения, а следовательно, и деформации в каждом из четырех датчиков неодинаковы
20 при различных эксцентриситетах приложения вертикальной нагрузки QI +
U<
02 источника питания; U2 — напря>кение другого питания, 3794739
6вр
umpg
1794739
ggpggpgQ3 Я-р2" Гвжсеаие Вы@Он
Составитель Г. Агафонов
Техред М,Моргентал Корректор С. Патрушева
Редактор.Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101
Заказ 396 е Тираж Подписное
ВНИИПИ Г4сударственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.. 4/5
