Устройство для определения давления колеса на рельс

(5 ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН СВИДЕ ТОРСК СТВУ в жеим. ский ного,Гра лезНИЯ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(21) 4784975/11 (22) 22.01,90 (46) 15,02,93.Бюл, М 6 (71) Ленинградский институт инженера лез нодорожного транспорта акад,В.Н.Образцова и Днепропетров институт инженеров железнодорож транспорта им. М.И.Калинина (72) Г, Ф.Агафонов, Э.И.Даниленко, А.В чев и Л.3.Фролов и В.М.Романов (56) Измерение сил взаимодействия м колесом и рельсом. - Электрические ж ные дороги, Берн.Ь 5, 1961, с,93-110. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕ ДАВЛЕНИЯ КОЛЕСА НА РЕЛЬС у Б 21794739 А 1(57) Использование; в области измерения динамических характеристик взаимодействия железнодорожного пути и подвижного состава, Сущность изобретения; на шейке 6 рельса закреплены тензорезисторц 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 01/02=1,1-4,0, где О 1- напряжение одного источника питания, О 2- напряжение другого источника питания. 5 ил., 1 табл.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 осцилаграмму, 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 тензорезисторав, наклеенных на спицах или диск колеса, Сигнал в этом устройстве получен с помощью токосьемника, 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 недостаточную точность измерения динамических сил взаимодействия колеса и рельса.Предлагаемое устройство позволяет с повышенной точностью измерять силы в любам сечении пути ат действия всех колес подвижного состава, Наиболее близким по технической сущности аналогом является устройство, с помощью которого можно измерить величину горизонтальных сил с учетам величины деформаций шейки рельса. Эта устройства принято за прототип. В этом устройстве установлены четыре тенэорезистара на шейку рельса и включены в тензометрический мост, В одну диагональ тензометрическаго 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 располо жены в сечениях с одинаковой площадьюпоперечного сечения. Если это не соблюдено, то деформации в верхней и нижней зонах шейки не пропорциональны моментам сил от горизонтальной силы, а также от вер тикальной нагрузки, действующей с эксцентриситетом, Следовательно, имеет место значительная ошибка в измерении горизонтальной силы.Целью изобретения является .повыше 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, З 0 а другие ниже горизонтальной плоскости,проходящей через поперечную ось рельса, активные тензарезисторы, одними из которых образованы одни плечи мостовой схемы, в одну диагональ которой включен З 5 источник питания, а в другую - регистратор.Новое устройство отличается тем, что оно снабжено эталонными тензарезисторами и дополнительным источником питания, а другими активными тензорезистарами аб разаваны 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 тензорезисторамиобразованы другие плечи одной и другой мостовых схем, а источники питания выполненыс выхоаными напряжениями всоответствии с соотношением50 01- =1,1-4,002. где 01 - напряжение одного источника питания;О 2 - 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 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 Ое 1=Ое 2, 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- о ва прототипа (предложение Шлумпфа) и спомощью предлагаемого нами технического решения выполнено на примере взаимодействия колеса с рельсом типа Р 65,Результаты этого эксперимента приведенына фиг,4 (сплошные линии 1,2 - при измерении с помощью нового устройства; пунктирные линии 3,4 - при измерении с помощьюпрототипа, предложение Шлумпфа),5 Из анализа полученных результатоввидно, что при центральном приложениивертикальной нагрузки отклонения гальванометра в обоих случаях примерно одинаковое, близкое к нулевому. При эксцентрично10 приложенной вертикальной нагрузке 15 тс иэксцентриситете, равном 10 мм, отклонениегальванометра при измерении устройствомШлумпфа было в 6 раз больше, чем в случаес использованием нового устройства. В15 этом примере величина "фиктивной" горизонтальной силы составляла 17-20, вертикальной нагрузки, т.е. ошибка достигала до2,5-3 тс. Поэтому, при больших эксцентриситетах.горизонтальной силы взаимодейст 20 вия колеса и рельса может достигатьзначительных величин и в некоторых случаях может превысить реально действующуюсилу в два и более раз, Такие большие завышения горизойтального давления имели ме 25 сто, например, в крановых рельсах суширенной шейкой округлого очертания,При измерении горизонтальной силыпредлагаемым устройством при той же вертикальной нагрузке 15 тс, приложенной с30 эксцентриситетом 10 мм, "фиктивная" горизонтальная сила не превышала 0,5 тс и составляла 8, от величины вертикальнойсилы. Такая ошибка. вполне допустима в инженерных расчетах. Практически при опре 35 деленных величинах напряженийтензомостов ошибка в измерении давленияколеса на рельс предлагаемым устройствомможет быть устранена,Предложенное устройство для опреде 40 ления давления колеса на рельс, выполненов ЛИИЖГе следующим образом. На шейке6 рельса 5 размечены места расположениятензореэисторов 1,2,3,4 и наклеенные симметрично относительно вертикальной оси45 15 рельса. Выводы от датчиков соединены вдва различных тензометрических моста 11,12, При этом еще четыре смонтированныхдатчика 7 и 8 включены в тензомаст 11, адатчики 9 и 10 в электроизмерительный50 мост 12. На диагонали мостов 11 и 12 автономно подключены различные напряженияпитания. В другие две диагонали 13 и 14включен шлейф регистрирующего прибора19 для фиксирования сигналов на осцилло 55 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 тенз.:мостов 11 и 12 равные 1,1-4,0. Нижний пре,;ел обосновывается наклейкой датчиков на шейке ельса типа Р 43 и легче, применя:,мих на.д, путях МПС и промпредприятий. Пги этом точность измерения горизонт ьных сил повышается и ошибка составляе". не более 8 О. Верхний предел с- э, ноше,ия питающих напрякений тензомостов., рав ый 4,0 обусловлен более тякелым типом;: льсов, в том числе типа Р 75 и КР. Какзвали многократные экспериментальные прч;ерки, точность измерения горизонтальных сил в этом случае обеспечена не менее 5 О.Конкретный пример реализации предлагаемого устройства измерения горизонтальных сил, действующих на рельс, проиллюстрирован на фиг,3-5, и в таблице.Зкспериментально 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 рельсасимметрично 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 т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения диапазона измерения путем обеспечения определения действующих на рельс горизонтальных сил, оно снабжено эталонными щрморезисторами и дополнис эксцентриситетом, В таблице приведенызначения этих напряжений при действиивертикальной силы Д=22 тс и Д=7,5 тс нарельс типа Р 65,5 Анализ полученных результатов позволил выявить влияние вертикальной нагрузки на фиксируемый одинарным мостомрезультат, В случае, если бы воздействиевертикальной силы не влияло на показания10 измерительного прибора включенного водинарный мост (рис.3), тогда результирую-щий сигнал согласно формуле был бы равеннулю. Однако, это оказывается справедливым только для частного случая осевого при- .15 ложения нагрузки (при =О), когдаЕО ЕОа И ЕРЕраАнализ таблицы показывает, что напряжения, а следовательно, и деформации вкаждом из четырех датчиков неодинаковы20 при различных эксцентриситетах приложения вертикальной нагрузкиЕ 0 р ФЕ 0 а и Ер ФЕра . КРомЕ ТОГО,Ье 0 Ьер, т.е. результирующий сигналпри включении датчиков по схеме одинарного моста не может быть равным нулю, (здесьЕ 0 =Е 0 а Е 01 и ЕР =Ера ЕР )ким образом, при действии на рельс тольковертикальной силы, эксцентрично прило 30 кенной, измерительный прибор фиксиро;вал "фиктивную" горизонтальную нагрузкуот вертикальной эксцентрично приложенной силы,тельным 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 регистратором, причем одними и другими эталонными тензорезисторами образованы другие плечи одной и другой мостовых схем, а источники питания выполнены с выходными напряжениями в соответствии с соотношением - ,=,1-4,00 где 01 - напряжение одного О02источника питания; 02 - напрякение другого питания,1794739 Вюсеиые дцчпыРш Реда кто т аказ 396 е Тираж Подписное ВНИИПИ Г 4 сударственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 о-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 10 Произво 1 ф вс 2.0 Составитель Г. АгафоновТехред М,Моргентал Корректор