Устройство для определения давления колеса на рельс

 

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 Бюл.N 6 (71) Ленинградский институт инженеров железнодорожного транспорта им.акад. В,Н,Образцова и Днепропетровский институт инженеров железнодорожйого транспорта им.М.И.Калинина (72) Г.Ф.Агафонов. Э.И,Даниленко, А,В.Грачев, Л.Н.Фролов и В.М,Романов (56) Вебер Х. Измерение сил взаимодействия между колесом и рельсом.— Электрические железные дороги. Берн. М 5, 1961, с.93-110. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

qABnFHVV КОЛЕСА HA РЕЛЬС (57) Использование; в измерениях динамических характеристик взаимодействия же„„5U„„1794740 А1 лезнодорожного пути и подвижного состава. Сущность изобретения: на шейке 6 рельса закреплены активные тензорезисторы

1-4, которые соединены по мостовой схеме и последовательно с одними тензорезисторами, закрепленными выше горизонтальной плоскости, проходящей через поперечную ось рельса, включены резисторы, выполненные с сопротивлением

Вх=R (), где Йх — сопротивление рези01 — Ор

aa — П4 сторов; R — сопротивление тензорезистора; о1, с — напряжение в верхней зоне шейки рельса, над горизонтальной плоскостью, проходящей через поперечную ось рельса; оз, 04 — напряжения в нижней зоне шейки рельса. 5 ил., 1 табл, а 7 Ф

1794740

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

Известно устройство, в котором о величине горизонтальных сил судят по величине напряжений в головке и подошве рельса.

Оно имеет три тензорезистора, два из которых наклеены на подошву рельса и одни на головку. Эти тензорезисторы включены в измерительную тензометрическую схему с регистратором. Недостатком этого устройства является необходимость последующего расчета действующей силы по результатам измеренных величик напряжеHM A.

Также известно устройство, позволяющее судить о величине горизонтальных сил по деформации спиц или диска колеса, В этом устройстве тензорезисторы наклеены на спицы или диск колеса и включены в один измерительный тензометрический мост, а для записи сигнала на осциллограмму предусмотрен токосьемник. Это устройство не может быть использовано в тех случаях, когда необходимо измерить силу воздействия от колес проходящего поезда в одной какойто определенной точке пути. Указанные устройства имеют недостаточную точность измерения динамических сил взаимодействия колеса и рельса.

Предлагаемое устройство. позволяет повысить точность и расширить диапазон измерения путем определения действующих на рельс горизонтальных сил. Наиболее близким по технической сущности аналогов является устройство, с помощью которого определяют величину горизонтальных, сравнивая их с величиной деформаций шейки рельса, Это устройство принято за прототип, оно содержит четыре тензорезистора, которые наклеены ка шейку рельса и включены в тензометрический мост. В одну диагональ тензометрического моста подключен блок питания с постоянным напряжением. Другая диагональ связана с чувствительным элементом, например, шлейфом осциллографа. Отклонением луча шлейфа и определена величина горизонтальной силы. Недостатком этого устройства является малая точность измерения горизонтальных сил. Величины измеренных сил в отдельных случзях могут в два и более раз превышать значения реальнодействующих сил. Измерение горизонтальных сил в этом устройстве выполнено с учетом допу щения, что деформация 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 вер6 тикальная сила приложения с эксцентриситетом, может оказывать значительное влияние на результаты измерения горизонтальных сил. Еще одним критерием для работоспособности этого устройства является

"0 условие, чтобы тензорезисторы были наклеены в сечениях с одинаковой площадью поперечного сечения. Если это не соблюдено, то деформации в верхней и нижней зонах шейки не пропорциональны действующим

15 моментам от горизонтальной силы, а также от вертикальной нагрузки, действующей с эксцентриситетом. Следовательно, могут иметь место значительные ошибки в измерении горизонтальной силы.

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

Это цель достигается тем, что устройство

2 для определения давления колеса на рельс содержит закреплекные на шейке рельса симметрично относительно вертикальной плоскости, проходящей через продольную ось рельса попарно — одни выше, а другие

З0 ниже горизонтальной плоскости, проходящей через поперечную ось рельса, активные тензорезисторы, которыми образованы одни и другие плечи мостовой схемы, в одну диагональ которой включен источник питаЗБ кия, а в другую — регистратор и отличается тем, что последовательно с первыми активными резисторами в одни плечи мостовой схемы включены резисторы, которые выполнены с сопротивлением

40 О1-02 (— 1), 73 — <4 (1) где Rx — сопротивление рези торов;

R — сопротивление активного тензорезистора;

4б щ, az — напряжения в верхней зоне шейки рельса над горизонтальной плоскостью, проходящей через поперечную ось рельса;

Оз, 04 — напряжения в нижней зоне шейки рельса, под горизонтальной плоскостью, проходящей через поперечную ось рельса.

На фигЛ представлена схема расположения тензорезисторов на рельсе и в изме55 рительном тензомосту; ка фиг,2 — опоры распределения поперечных нормальных напряжений в.шейке рельса при действии центральной и эксцентрично приложенной вертикальной силы D1 и Dz и боковой силы, 1/94740 сопротивления проволоки dR датчика про- 50 порционально относительному ее удлинению г

55 сти; (а), характер деформации (б); на фиг,3— схема Шлумпфа для измерения горизонтальных сил, действующих в отдельном сечении рельса и распределение напряжения сжатия в шейке рельса от вертикальной нагрузки; на фиг,4 — график зависимости "фиктивной" горизонтальной силы от действующей вертикальной нагрузки при измерения/ предлагаемым устройством (сплошные линии) и с помощью устройства — прототипа (штриховые); на фиг.5 — копия. осциллограммы записи сил, предлагаемым устройством, Предлагаемое устройство (фиг.1) для измерения горизонтальных сил, действующих на рельс, содержит рабочие тензорезисторы 1,2,3,4, наклеенные.на шейке 6 рельса 5 и расположенные по разные стороны относительно оси симметрии l3 и центра тя>кести рельса, Тензорезисторы 8, 9 смонтированы в тензометрический мост 7.

Измерительный мост 7 подключен к источнику питания. Для записи сигнала от воздействия горизонтальной нагрузки 14 в измерительную схему тензомоста 7 предусмотрено напря>кение питания а диагональ

i0, а в другую диагональ 11 включен шлейф

12. Для достоверности достигаемого положительного эффекта при измерении горизрнтальных поперечных сил, действующих на рельс, с помощью предлагаемого устройства авторами были проанализированы теоретические допущения и экспериментальные данные измерений динамических сил взаимодействия колеса и рельса, Измерение горизонтальных сил, действующих на железнодорожный рельс от колес подвижного состава. выполняют например, методом Шлумпфа с помощью тензодатчиков, наклеиваемых вертикально на шейку рельса и включаемых по электрической схеме моста Уинстона (фиг.3). При этом принято допущение, что на результаты измерения горизонтальных сил с помощью указанного устройства не влияют величина и место приложения вертикальной нагрузки. В действительности это не так.

Относительное изменение омического

dR/R=gdl/l=g е, (2) где R — омическое сопротивление датчика;

I u dt — соответственно длина и удлинение проволоки;

g — коэффициент тенэочувствительно5

45 (9); я — относительное удлинение проволоки.

Сигнал на клеммах измерительного прибора при включении всех четырех датчиков в мост(фиг.3) определяются следующим выражением

4 I (Qa Qi) (pa < pi) ) ° (3)

cd где с — коэффициент пропорциональности, Этот сигнал равен величине внешней горизонтальной силы и не зависит от влияния вертикальной силы, Выражение для изгибающих моментов в сечениях P u G будут равны (фиг.3)

М,=Y m-D e (4)

М = Y q— - 0 е (5)

Отсюда при вычитании моментов получено выражение для горизонтальной силы

Ч вЂ” Мр (б) о — m

Аналогичное выражение для горизонтальной силы получено при постановке в формулу (3) выражений для относительных деформаций датчиков, записанных в виде

<аа (+ ) P)

1 D MQ.

Е FQ WQ ер = — (— + — );

1 0 Мр

Е Fp Wp (8)

1 DMQ а = — (— ):

Е FQ WQ

1 0 Мр

Е Гр Wp 10). где Š— модуль упругости;

FP u FQ — площади сечений P u Q на единице длины;

Wp u WQ — моменты сопротивления тех же сечений.

При подстановке в (3) выражений (7-10) после преобразований выражения для силы будут иметь вид

Й w wp . .Из формулы (11) следует, что электрический сигнал на зажимах измерительного прибора не зависит от вертикальных нагрузок и эквивалентен величине горизонталной силы. По Шлумпфу напряжения, а следовательно, и деформации в шейке рельса при указанном на фиг.За силовом воздействии распределяются, как показано на фиг.Зв. Суммарные напряжения складываются из напряжений сжатия от вертикальной силы и напряжений от изгибающего момента. При этом из формул (7-10) видно, что распределение напряжений сжатия в шейке по всей высоте принято равномерным, Первые члены в скобках выражений (7,8,9,10) во всех четырех формулах величин относительных деформаций равны между

1794740 собой при равенстве площадок сечений, т.е.

Fp=Fo, что задается по условию. В действительности имеет место другая картина распределения напряжений сжатия в шейке (фиг.3). Напряжения в шейке рельса от действия вертикальной нагрузки, приложенной по оси симметрии, уменьшаются по мере удаления от места приложения силы. Величины этих напряжений могут быть определены по формуле

20шcosд (12) где 0- угол между вертикалью и направлением, по которому измерено давление;

Ощ — равнодействующая давления, передаваемого от головки рельса на шейку;

b --толщина шейки;

r расстояние от действующей силы до места измерения напряжений.

Вертикальная сила, приложения с эксцентриситетом, одновременно со сжатием вызывает также вертикальный изгиб шейки и кручение. Эпюры распределения поперечных нормальных напряжений в шейке рельса при действии центральной и эксцентрично приложенной вертикальной нагрузки, а также б0ковой силы представлеHbl на фиг.2. Кривая изменения напряжения в среднем участке шейки рельса в зависимости от эксцентриситета приложения вертикальной нагрузки также показана на фиг.2а.

На основе анализа результатов исследований напряженного состояния рельсов установлено, что вертикальная эксцентрично приложенная сила вызывает в шейке рельса деформации; от сжатия, прогрессивно уменьшающиеся по мере удаления от места приложения нагрузки, от кручения рельса, от изгиба в вертикальной плоскости.

Горизонтальная нагрузка вызывает деформации: от кручения рельса, от изгиба рельса в горизонтальной плоскости, В методе

Шлумпфа в формулах (7-10) для относительных деформаций в измеряемых точках учитывается только равномерное сжатие от вертикальной силы (первое слагаемое) и изгибной момент, изменяющийся по линейному закону, как для защемленной консоли (второе слагаемое), Таким образом, формулы для этих деформаций (7-10) не точны, что и приводит к неверному конечному выводу об эквивалентности сигнала только горизонтальной силе без учета влияния вертикал ь н ой нагрузки.

Для выяснения влияния вертикальной нагрузки на реэ ;, льтаты измерения горизонтальных сил с помощью устройства Шлумпфа экспериментально изучены напряжения в шейке рельса при действии вертикальной

55 центральна и эксцентрично приложенной нагрузок. Исследования были выполнены на лабораторной установке при нагружении рельса Р65 вертикальной нагрузкой 7,5 и 22 тс (таблица).

Полученные данные подтверждают, что напряжения при осевом приложении вертикальной нагрузки в сечениях Р больше, чем в сечении Q. При действии на рельс эксцентрично приложенной вертикальной силы и отсутствии горизонтальной нагрузки измерительным прибором фиксировали "фиктивную" горизонтальную силу оТ вертикальной эксцентрично приложенной силы, Величина ошибки, т.е. "фиктивной" горизонтальной силы, зависит от эксцентриситета приложения вертикальной нагрузки и типа рельса.

Ошибка может достигать значений соизмеримых по величине с реальнь|м значением горизонтальной силы, Для более точного измерения и расширения диапазона измерения путем определения действующих на рельс горизонтальных сил было предложено новое устройство.

Экспериментальное сравнение результатов измерения сигнала от вертикальной нагрузки в схеме измерения горизонтальной силы с помощью устройства прототипа (по Шлумпфу) и с помощью предлагаемого устройства выполнено на примере рельса типа P 65. Результаты этого эксперимента приведены на фиг,5 и в таблице.

Анализ полученных результатов показывает, что при центральном приложении вертикальной нагрузки отклонение гальванометра в обоих случаях практически одинаковое, близкое к нулевому. При эксцентрично приложенной вертикальной нагрузке 15 тс и эксцентриситете, равном 10 мм, отклонение гальванометра по схеме

Шлумпфа было в 6 раз больше, чем. при измерении новым устройством. В этом случае величина "фиктивной" горизонтальной силы составляла 17-20 / вертикальной нагрузки, т,е. ошибка достигала до 2,5-3 т.с.

Очевидно, что при больших эксцентриситетах приложения вертикальной нагрузки величина зарегистрированной горизонтальной силы взаимодействия колеса и рельса может достигать значительных величин и в некоторых случаях может превышать реально действующую силу в два раза. При измерении горизонтальной силы с помощью предлагаемого устройства при вертикальной нагрузке 15 тс, приложенной с эксцентриситетом 10 мм, "фиктивная" горизонтальная сила не превышала 0,5 тс и составляла не более 3 Д действующей вертикалвиой силы. Практически opvl соответ1794740

15 ствующем подборе тензореэисторов (7 и 8) ошибка в измерении горизонтальной силы предлагаемым устройством может быть сведена к нулю.

Устройство для определения давления колеса на рельс работает следующим образом. На шейке 6 рельса 5 размечают места установки тензорезисторов 1,2,3,4 и симметрично относительно вертикальной оси

13 сечения рельса наклеивают зти датчики.

При этом вывод от датчиков соединяют в тенэометрический мост 7, кроме того послеФормула изобретения

Устройство для определения давления колеса на рельс, содержащее закрепленные на шейке рельса симметрично относительно вертикальной плоскости, проходящей через пррдольную ось рельса попарно одни выше, а другие ниже горизонтальной плоскости, проходящей через поперечную ось рельса, активные тензореэисторы, которыми образованы одно и другое плечи мостовой схемы, в одну диагональ которой включен источник питания, а в другую — регистратор, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения диапазона путем определения действующих на рельс горизонтальных сил, последовательно с первыми активными тенэорезисторами а одни плечи мостовой схедовательно с первыми активными тензорезисторами 1 и 2 в одни плечи мостовой схемы включают резисторы 8 и 9, На диагональ

10 тензомоста 7 подают питание схемы, в

5 диагональ 11 включают регистратор 12 (шлейф осциллографа). При прохождении поезда производят запись сигналов от действия горизонтальных сил на осциллограмму, затем выполняют запись сигналов от

10 действия силы известной величины, т,е. тарируют чувствительность устройства и масштаб записи, мы включены резисторы, которые выполнены с сопротивлением где Rx — сопротивление резисторов;

R — сопротивление активного тензореэистора; (ò, о — напряжения в верхней зоне шейки рельса над горизонтальной плоскостью, проходящей через поперечную ось рельса; оэ, щ — напряжения в нижней зоне шейки рельса под горизонтальной плоскостью, проходящей через поперечную ось рельса.

1794740 б)

Фиг.2

Фиг.3

1794740

1.0

0.5

6 Q,lñ

О!

О о

Злекаообоз ВП-PZ" Гоюеные дУмпкоРы,5mc

Редактор

Заказ 396 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитете по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб,. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101

Yqi m

2.0

5eG г.5

Составитель Г. Агафонов

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор C. Патрушева