Устройство для определения давления колеса на рельс

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 9) (11) К 9/08 И ВУ и подвижно 1 о состания; на шейке 6 рельные тензорезисторы ы по мостовой схеме дними тензорезистовыше горизонтальроходя щей через са, включены резис сопротивлением ститут о тр Днеп железн сопротивление резиние тензверхнейной плосречнук) онижнеи резистора; оне шейки остью, прось рельса; оне шейки ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОВЕДОМСТВО СССР1 ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕ(71) Ленинградский ин инженеров железнодорожног анспортаим.акад. В,Н,Образцова и ропетровский институт инженеров одорожйого транспорта им.М,И.Калинина(56) Вебер Х. Измерение сил взаимодействия между колесом и рельсом. - Электрические железные дороги. Берн. М 5, 1961,с.93-110.(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯДАВЛЕНИЯ КОЛЕСА НА РЕЛЬС(57) Использование; в измерениях динамических характеристик взаимодействия железнодорожного пути ва, Сущность изобрете са закреплены актив 1-4, которые соединен и последовательно с о рами, закрепленными ной плоскости, и поперечную ось рель стары, выполненные Вх=В( ), где йх - О - 02 ГГЗ О 4 сторов; В - сопротивл 1 Т 1, Рг - напряжение в рельса, над горизонтал ходящей через попе оз . 04 - напряжения рельса. 5 ил 1 табл,77 81Изобретение 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 напряжений.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 отдельныхслучаях могут в два и более раз превышать значения реальнодействующих сил. Измерение горизонтальных сил в этом устройстве выполнено с учетом допущения, что деформация сжатия в шейке рельса от вертикальной нагрузки по всей высоте постоянны. В действительности этидеформации уменьшень 1 по мере удаленияот места приложения вертикальной силы.Кроме этого необходимо отметить, что вер 5 тикальная сила приложения с эксцентриситетом, может оказывать значительноевлияние на результаты измерения горизонтальных сил. Еще одним критерием для работоспособности этого устройства является10 условие, чтобы тензорезисторы были наклеены в сечениях с одинаковой площадью поперечного сечения. Если это не соблюдено,то деформации в верхней и нижней зонахшейки не пропорциональны действующим15 моментам от горизонтальной силы, а такжеот вертикальной нагрузки, действующей сэксцентриситетом. Следовательно, могутиметь место значительные ошибки в измерении горизонтальной силы.20 Целью изобретения является повышение точности измерения и расширение диапазона измерения путем определениядействующих на рельс горизонтальных сил.Это цель достигается тем, что устройство26 для определения давления колеса на рельссодержит закреплекные на шейке рельсасимметрично относительно вертикальнойплоскости, проходящей через продольнуюось рельса попарно - одни выше, а другиеЗ 0 ниже горизонтальной плоскости, проходящей через поперечную ось рельса, активныетензорезисторы, которыми образованы одни и другие плечи мостовой схемы, в однудиагональ которой включен источник питаЗБ кия, а в другую -регистратор и отличаетсятем, что последовательно с первыми активными резисторами в одни плечи мостовойсхемы включены резисторы, которые выполнены с сопротивлением01 - 02й,= й ( - -1),уз - 040)где Вх - сопротивление резисторов;В - сопротивление активного тензорезистора;4 б щ, а - напряжения в верхней зонешейки рельса над горизонтальной плоскостью, проходящей через поперечную осьрельса;03,04 - НапряжЕкИя в НижнЕй ЗонЕ50 шейки рельса, под горизонтальной плоскостью, проходящей через поперечную осьрельса,На фигЛ представлена схема расположения тензорезисторов на рельсе и в изме 55 рительном тензомосту; на фиг,2 - опорыраспределения поперечных нормальных напряжений в,шейке рельса при действии центральной и эксцентрично приложеннойвертикальной силы 01 и О 2 и боковой силы, 1794740сопротивления проволоки ОВ датчика пропорционально относительному ее удлинению г сти;(а), характер деформации (б); на фиг,З - 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 измерениями 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 13 и центра тяжести 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 напряжение питания а диагональ 10, 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.З), 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 1 И=9 б /1=9 е, (2) где Я - омическое сопротивление датчика;1 и 01 - соответственно длина и удлинение проволоки;9 - коэффициент тенэочувствительно 5 10 15 20 25 30 35 40 45(9); я - относительное удлинение проволоки.Сигнал на клеммах измерительногоприбора при включении всех четырех датчиков в мост(фиг.З) определяются следующимвыражениемд 1 (аа а) (раР) 3 (3)сбгде с - коэффициент пропорциональности,Этот сигнал равен величине внешнейгоризонтальной силы и не зависит от влияния вертикальной силы, Выражение для изгибающих моментов в сечениях Р и 0 будутравны (фиг.З)М,=У щ-О Е (4)М= У ц-О е (5)Отсюда при вычитании моментов получено выражение для горизонтальной силыМ - Мр(б)ч П 1Аналогичное выражение для горизонтальной силы получено при постановке вформулу (3) выражений для относительныхдеформаций датчиков, записанных в видеаз ( + ) (7)ф1 О МаЕ Еа Иаер = - ( - + )1 О МрЕр Щ(р(8);1 О Маа = - ( -- );Е Ра ааер= - ( - + )1 О МрЕ Ер Ир(10),где Е - модуль упругости;Ер и Еа - площади сечений Р и 0 наединице длиныИр и О/а - моменты сопротивления техже сечений.При подстановке в (3) выражений (7-10)после преобразований выражения для силыбудут иметь вид=24 О/о ир ")Из формулы (11) следует, что электрический сигнал на зажимах измерительногоприбора не зависит от вертикальных нагрузок и эквивалентен величине горизонталной силы. По Шлумпфу напряжения, аследовательно, и деформации в шейке рельса при указанном на фиг.За силовом воздействии распределяются, как показано нафиг.Зв. Суммарные напряжения складываются из напряжений сжатия от вертикальной силы и напряжений от изгибающегомомента. При этом из формул (7-10) видно,что распределение напряжений сжатия вшейке по всей высоте принято равномерным, Первые члены в скобках выражений(7,8,9,10) во всех четырех формулах величинотносительных деформаций равны междусобой при равенстве площадок сечений, т.е.Гр=Г 0, 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, приложеннойпо оси симметрии, уменьшаются по мереудаления от места приложения силы. Величины этих напряжений могут быть определены по формуле2 Ош сов О(12)где 0- угол между вертикалью и направлением, по которому измерено давление;Ош - равнодействующая давления, передаваемого отголовки рельса на шейку;Ь - .толщина шейки;г- расстояние от действующей силь 1 доместа измерения напряжений,Вертикальнаясила, приложения с эксцентриситетом, одновременно со сжатиемвызывает также вертикальный изгиб шейкии кручение, Эпюры распределения поперечных нормальных напряжений в шейке рельса при действии центральной иэксцентрично приложенной вертикальнойнагрузки, а также бОковой силы представлены на фиг.2. Кривая изменения напряженияв среднем участке шейки рельса в зависимости от эксцентриситета приложения вертикальной нагрузки также показана на фиг.2 а.На основе анализа результатов исследований напряженного состояния рельсовустановлено, что вертикальная эксцентрично приложенная сила вызывает в шейкерельса деформации; от сжатия, прогрессивно уменьшающиеся по мере удаления отместа приложения нагрузки, от кручениярельса, от изгиба в вертикальной плоскости,Горизонтальная нагрузка вызывает деформации: от кручения рельса, от изгиба рельсав горизонтальной плоскости, В методеШлумпфа в формулах (7-10) для отнбсительных деформаций в измеряемых точках учитывается только равномерное сжатие отвертикальной 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, чтои приводит к неверному конечному выводуоб эквивалентности сигнала только горизонтальной силе без учета влияния вертикальной нагрузки,Для выяснения влияния вертикальнойнагрузки на реэ;, льтаты измерения горизонтальных сил с помощью устройства Шлумпфа экспериментально изучены напряженияв шейке рельса при действии вертикальной 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 центральна и эксцентрично приложенной нагрузок. Исследования были вьполнены на лабораторной установке при нагружении рельса Р 65 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 О. При действии на рельс эксцентрично приложенной вертикальной силы и отсутствии горизонтальной нагрузки измерительным прибором фиксировали ификтивную" 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 реальньм 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 Р 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, "фиктивнаяи горизонтальная сила не превышала 0,5 тс и составляла не более 300 действующей вертикалкной силы. Практически лри соотает1794740 10 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 В - сопротивление резисторов;В - сопротивление активного тензореэистора;гтрк,от - напряжения в верхней зоне шейки рельса над горизонтальной плоскостью, проходящей через поперечную ось рельса;Оэ,а 4 - напряжения в нижней зоне шейки рельса под горизонтальной плоскостью, проходящей через поперечную ось рельса,1794740 1.5 0 0 иг 1 Гвженые димваоы Зиекаооооз Составитель Г. АгафоноТехред М,Моргентал Редакт ректор С. Патрушева ФПроизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 Заказ 396 Тираж ВНИИПИ Государственного комитете и 113035, Москва, ЖПодписноеизобретениям и открытиям при ГКНТ ССС Раушская наб 4 Уб