Способ оценивания состояния рессорного подвешивания тележек подвижного состава и устройство для его осуществления
Владельцы патента RU 2733939:
Акционерное общество "Научно-внедренческий центр "Вагоны" (АО "НВЦ "Вагоны") (RU)
Использование: для оценивания состояния рессорного подвешивания тележек подвижного состава. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют контактное взаимодействие колес тележек с измерительным участком рельсового пути путем прогона подвижного состава по измерительному участку, регистрацию сигналов с тензорезисторов, установленных в зонах шейки рельса, измерительным устройством и обработку указанных сигналов, при этом выполняют прогон подвижного состава по участку искусственной неровности рельсового пути для инициирования колебаний вагонов на рессорном подвешивании, причем этом участок искусственной неровности располагают на рельсовом пути перед измерительным участком, либо частично или полностью совмещают с измерительным участком, а состояние рессорного подвешивания тележек оценивают по величине погонной динамической нагрузки, воздействующей на рельсовый путь от тележки, определяемой по определенному математическому выражению, и в случае превышения погонной динамической нагрузки фиксируется наличие перегрузки вагона или дефекта рессорного подвешивания тележки. Технический результат: обеспечение возможности обнаружения дефектов рессорного подвешивания вагонов на ходу подвижного состава в условиях колебаний рессорного подвешивания. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к области технической диагностики и может быть использовано в сфере железнодорожного транспорта, а именно для обнаружения дефектов рессорного подвешивания подвижного состава.
Известно устройство для измерения вертикальных и боковых сил взаимодействия между колесом и рельсом (патент РФ на изобретение №2591739, МПК G01L1/220, G01L5/16 от 20.07.2016), содержащее железнодорожную колесную пару, тензодатчики, тензометрические усилители, программируемый контроллер, блок передачи сигналов по радиоканалу, связанный с блоком приема сигналов и бортовым компьютером, на наружной стороне диска колеса диаметрально расположены включенные в полумостовые схемы тензорезисторы.
Недостатком известного устройства для измерения вертикальных и боковых сил взаимодействия между колесом и рельсом является необходимость установки тензодатчиков на колесах и оснащения измерительными устройствами эксплуатируемых вагонов, что вызывает значительное увеличение стоимости вагонов.
Известен способ измерения трех компонентов нагрузки в сечении рельса при контактном взаимодействии с колесом железнодорожного подвижного состава (патент РФ на изобретение №2623665, МПК G01L5/16 от 28.06.2017), включающий электрическое соединение наклеенных в зонах шейки рельса тензорезисторов в измерительные мосты, подключенные к входу измерительных каналов тензометрической аппаратуры, позволяющей измерять воздействие от колес на рельсы.
Недостатком известного способа является отсутствие возможности обнаружения дефектов рессорного подвешивания тележек на ходу поезда, т.к. тензорезисторы наклеиваются в ограниченном числе точек, и при движении по ровному участку рельсового пути дефекты рессорного подвешивания не обнаруживаются.
Способ обнаружения дефектов поверхности катания колес железнодорожных транспортных средств в движении (патент РФ на изобретение №2480711, МПК G01B 7/34 от 27.04.2013), принятый в качестве прототипа, заключающийся в том, что на измерительном участке прямолинейного пути на рельс устанавливают тензодатчики, в процессе движения колесной пары по измерительному участку регистрируют сигналы с тензодатчиков, по которым судят о наличии дефекта поверхности катания, определяют скорость движения поезда для определения полосы частот, проводят частотную фильтрацию асимметричных деформаций и регистрируют максимумы деформаций и при совпадении максимумов на соседних парах тензодатчиков сравнивают их с порогом регистрации дефекта
Недостатком известного способа является отсутствие возможности обнаружения дефектов рессорного подвешивания тележек на ходу поезда, т.к. без принудительного инициирования колебания вагона на рессорном подвешивании, при движении по ровному участку рельсового пути, дефекты не обнаруживаются.
Решаемой технической проблемой является отсутствие возможности эффективного контроля состояния рессорного подвешивания тележек и обнаружения его дефектов рессорного подвешивания вагонов на ходу подвижного состава в условиях колебаний рессорного подвешивания, что в свою очередь ставит под угрозу безопасность движения.
Технический результат заключается в повышении безопасности движения путем предварительного обнаружения дефектов рессорного подвешивания тележек вагонов в процессе движения подвижного состава.
Указанный технический результат достигается следующим образом.
Способ обнаружения дефектов рессорного подвешивания на железнодорожном транспорте заключается в том, что при проведении диагностики вагон проходит сначала искусственную неровность, при этом возникают интенсивные затухающие колебания вагона на рессорном подвешивании, а затем измерительный участок, на котором регистрируются сигналы с тензорезисторов, установленных в зонах шейки рельса. Если измерительный участок полностью или частично совмещен с искусственной неровностью, то сигналы с тензорезисторов через электрические связи, регистрируются и обрабатываются измерительным устройством как при прохождении тележки искусственной неровности, так и при прохождении измерительного участка.
По погонной динамической нагрузке, воздействующей на рельсовый путь, определяют состояние рессорного подвешивания тележки. В случае превышения воздействия погонной динамической нагрузки допустимого значения фиксируется наличие неисправности вагона, вызванной перегрузкой вагона или дефектом рессорного подвешивания тележки.
Для того чтобы отличить неисправность рессорного подвешивания от перегрузки вагона проводится расчет коэффициента относительного трения в подвешивании по формуле: , где 
– коэффициент относительного трения; 
– величина уменьшения амплитуды сил в контакте колесо-рельс за один период колебаний, регистрируемая тензорезисторами; i – номер оси тележки (первая, вторая, третья и т.п.); j – номер колеса колесной пары (1 – левое колесо, 2 – правое колесо); 
– статическая нагрузка от колеса, полученная обработкой сигналов от тензорезисторов при прохождении измерительного участка; 
– масса необресоренных частей тележки; g – ускорение свободного падения. Статическая нагрузка от колеса определяется по формуле: 
, где n – количество измерений вертикальных сил для одного колеса; m – индекс тензорезистора. При значении коэффициента относительного трения
меньше допустимого 
фиксируется наличие дефекта рессорного подвешивания (
≥0,07 по ГОСТ 9246-2013 Тележки двухосные трехэлементные грузовых вагонов железных дорог колеи 1520 мм или 
≥ 0,06 для тележек старых моделей типа 18-100).
Устройство для оценивания состояния рессорного подвешивания тележек подвижного состава содержит рельсовый путь с по крайней мере одной искусственной неровностью в виде периодической кривой, при этом длина искусственной неровности 
находится в диапазоне от 5 до 15 м, зависимость глубины неровности от длины описывается функциями 
или 
, где x – координата вдоль пути от начала искусственной неровности, h – величина неровности пути, находящаяся в диапазоне от 0,01 до 0,03 м в соответствии с Инструкцией по текущему содержанию железнодорожного пути, и измерительный участок длиной 
, на котором в зонах шейки рельса по длине рельса с шагом Lт = 0,15…0,6 м установлены тензорезисторы, соединенные с измерительным устройством посредством электрической связи. Измерительный участок расположен за искусственной неровностью, т.е. сначала расположена искусственная неровность, а за ней измерительный участок, на котором в зонах шейки рельса по длине рельса расположены тензорезисторы, либо измерительный участок полностью или частично совмещен с искусственной неровностью, т.е. тензорезисторы расположены на измерительном участке и на искусственной неровности.
Диапазон длины искусственной неровности 
обусловлен обеспечением приближения частоты вынужденных колебаний, вызываемых неровностями пути, к частоте собственных колебаний вагона для выявления дефекта рессорного подвешивания. Диапазон глубины неровности соответствует требованиям Инструкции по текущему содержанию железнодорожного пути. Шаг расположения тензорезисторов Lт обусловлен базой тележки и обеспечением необходимого количества измерений сил, для достоверного определения дефектов рессорного подвешивания.
Сущность заявляемой группы изобретений поясняется графическим материалом.
На фигуре 1 показано устройство для оценивания состояния рессорного подвешивания тележек подвижного состава, которое содержит рельсовый путь 1, по крайней мере одну искусственную неровность 2 длиной Lн в виде периодической кривой, измерительный участок 3 длиной 
, на котором, в зонах шейки рельса 4 расположены тензорезисторы 5 с шагом Lт = 0,15…0,6 м, соединенные посредством электрической связи 6 с измерительным устройством 7, регистрирующим сигналы с тензорезисторов 5.
На фигуре 2 показано устройство для оценивания состояния рессорного подвешивания тележек подвижного состава, на котором измерительный участок 3 длиной 
частично совмещен с искусственной неровностью 2 длиной Lн.
На фигуре 3 показан вертикальный профиль пути устройства для оценивания состояния рессорного подвешивания тележек подвижного состава, зависимость глубины от длины искусственной неровности которого описывается функциями
или 
, где 
= 0,01…0,03 м – глубина искусственной неровности,
= 5…15 м – длина искусственной неровности, x – координата вдоль пути от начала искусственной неровности.
На фигуре 4 показаны значения сил от одной колесной пары, регистрируемые тензорезисторами при прохождении вагоном устройства для оценивания состояния рессорного подвешивания тележек подвижного состава. Путем сложения сил от колесных пар одной тележки вычисляется динамическая погонная нагрузка на путь по формуле: 
, где P – вертикальная сила в контакте колесо-рельс; k – количество осей тележки; i – номер оси тележки (первая, вторая, третья и т.п.); j – номер колеса колесной пары (1 – левое колесо, 2 – правое колесо); 
– база тележки.
На фигуре 5 показано изменение динамической погонной нагрузки на путь при прохождении устройства вагоном с исправным рессорным подвешиванием. Максимальная величина динамической погонной нагрузки на путь не достигает предельное значение, установленного ГОСТ Р 55050-2012 Железнодорожный подвижной состав.
На фигуре 6 показано изменение динамической погонной нагрузки на путь при прохождении устройства вагоном с дефектным рессорным подвешиванием. Максимальная величина динамической погонной нагрузки на путь превышает предельное значение, установленное ГОСТ Р 55050-2012.
Способ обнаружения дефектов рессорного подвешивания на железнодорожном транспорте заключается в том, что при проведении диагностики подвижной состав проходит сначала искусственную неровность 2 (фиг. 1, 2, 3), а затем измерительный участок 3, на котором регистрируются сигналы с тензорезисторов 5 (фиг. 1), установленных в зонах шейки рельса 4. После прохождения тележки 9 искусственной неровности 2 возникают колебания вагона на рессорном подвешивании 8, сигналы с тензорезисторов 5 через электрические связи 6, регистрируются и обрабатываются измерительным устройством 7. Если измерительный участок полностью или частично совмещен с искусственной неровностью (фиг. 2), то сигналы с тензорезисторов 5 через электрические связи 6, регистрируются и обрабатываются измерительным устройством 7 как при прохождении тележки 9 искусственной неровности 2, так и при прохождении измерительного участка 3.
Дефект рессорного подвешивания определяется по величине погонной динамической нагрузки, воздействующей на рельсовый путь 1 от тележки 9, которая рассчитывается по формуле: 
, где P – вертикальная сила в контакте колесо-рельс; k – количество осей тележки; i – номер оси тележки (первая, вторая, третья и т.п.); j – номер колеса колесной пары (1 – левое колесо, 2 – правое колесо); 
– база тележки.
Либо дефект рессорного подвешивания уточняется по коэффициенту относительного трения по формуле: 
, где 
– коэффициент относительного трения; 
– величина уменьшения амплитуды сил в контакте колесо-рельс за один период колебаний, регистрируемая тензорезисторами; i – номер оси тележки (первая, вторая, третья и т.п.); j – номер колеса колесной пары (1 – левое колесо, 2 – правое колесо); 
– статическая нагрузка от колеса, полученная обработкой сигналов от тензорезисторов при прохождении измерительного участка; 
– масса необресоренных частей тележки; g – ускорение свободного падения. 
, где n – количество измерений вертикальных сил для одного колеса, m – индекс тензорезистора. При значении коэффициента относительного трения
меньше допустимого 
фиксируется наличие дефекта рессорного подвешивания (
≥ 0,07 по ГОСТ 9246-2013 Тележки двухосные трехэлементные грузовых вагонов железных дорог колеи 1520 мм или 
≥ 0,06 для тележек старых моделей типа 18-100).
Пример построения осциллограммы возникающих между колесом и рельсом сил показывает, что после прохождения искусственной неровности (фиг 3) тележки с исправным рессорным подвешиванием погонная динамическая нагрузка не превышает допустимое значение 168 кН (фиг. 6), а при рессорном подвешивании, имеющим дефекты, погонная динамическая нагрузка превышает допустимое значение (фиг. 5), при этом измерительным устройством регистрируются сигналы (фиг. 4), представляющие собой кривую построенную на точках, выходящую за пределы допустимого значения, тем самым информирующую о наличии дефекта рессорного подвешивания.
Таким образом, достигается технический результат, заключающийся в повышении безопасности движения путем обнаружения дефектов рессорного подвешивания тележек в процессе движения подвижного состава.
1. Способ оценивания состояния рессорного подвешивания тележек подвижного состава, включающий контактное взаимодействие колес тележек с измерительным участком рельсового пути путем прогона подвижного состава по измерительному участку, регистрацию сигналов с тензорезисторов, установленных в зонах шейки рельса, измерительным устройством и обработку указанных сигналов, отличающийся тем, что осуществляют прогон подвижного состава по участку искусственной неровности рельсового пути для инициирования колебаний вагонов на рессорном подвешивании, при этом участок искусственной неровности располагают на рельсовом пути перед измерительным участком, либо частично или полностью совмещают с измерительным участком, а состояние рессорного подвешивания тележек оценивают по величине погонной динамической нагрузки, воздействующей на рельсовый путь от тележки, определяемой по формуле:
где
Р - вертикальная сила в контакте колесо-рельс;
k - количество осей тележки;
i - номер оси тележки (первая, вторая, третья и т.п.);
j - номер колеса колесной пары (1 - левое колесо, 2 - правое колесо);
lтел - база тележки,
в случае превышения погонной динамической нагрузки фиксируется наличие перегрузки вагона или дефекта рессорного подвешивания тележки.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что состояние рессорного подвешивания тележек оценивают по скорости уменьшения изменения пиковых значений сил между колесом и рельсом после прохода искусственной неровности по формуле:
где
ϕ - коэффициент относительного трения;
ΔР - величина уменьшения амплитуды сил в контакте колесо-рельс за один период колебаний, регистрируемая тензорезисторами;
i - номер оси тележки (первая, вторая, третья и т.п.);
j - номер колеса колесной пары (1 - левое колесо, 2 - правое колесо);
Рст - статическая нагрузка от колеса, полученная обработкой сигналов от тензорезисторов при прохождении измерительного участка;
mнеоб - масса необрессоренных частей тележки;
g - ускорение свободного падения;
где
n - количество измерений вертикальных сил для одного колеса;
m - индекс тензорезистора,
при значении коэффициента относительного трения ϕ меньше допустимого значения, фиксируют наличие неисправности гасителей колебаний рессорного подвешивания.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при частичном или полном совмещении участка искусственной неровности с измерительным участком сигналы с тензорезисторов регистрируют и обрабатывают измерительным устройством с обоих участков.
4. Устройство для оценивания состояния рессорного подвешивания тележек подвижного состава, содержащее рельсовый путь с измерительным участком, на котором в зонах шейки рельса установлены тензорезисторы, соединенные посредством электрической связи с измерительным устройством, регистрирующим сигналы с тензорезисторов, отличающееся тем, что рельсовый путь содержит участок искусственной неровности с вертикальным профилем в виде периодической кривой.
5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что участок искусственной неровности расположен перед измерительным участком.
6. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что участок искусственной неровности частично или полностью совмещен с измерительным участком, при этом тензорезисторы расположены на измерительном участке и на участке искусственной неровности.
7. Устройство по любому из пп. 4-6, отличающееся тем, что тензорезисторы установлены по длине рельса в зонах шейки рельса с шагом Lт=0,15…0,6 м.
8. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что участок искусственной неровности выполнен по меньшей мере с одной искусственной неровностью длиной Lн и глубиной h, при этом длина искусственной неровности Lн=5…15 м, h=0,01…0,03 м.
9. Устройство по любому из пп. 4 или 8, отличающееся тем, что зависимость глубины искусственной неровности h от длины Lн описывается функциями 
или 
, где х - координата вдоль пути от начала искусственной неровности.
