RU2709704C1 - Способ измерений вертикальной нагрузки от колеса на рельс и устройство для его осуществления - Google Patents

Способ измерений вертикальной нагрузки от колеса на рельс и устройство для его осуществления Download PDF

Info

Publication number
RU2709704C1
RU2709704C1 RU2018140938A RU2018140938A RU2709704C1 RU 2709704 C1 RU2709704 C1 RU 2709704C1 RU 2018140938 A RU2018140938 A RU 2018140938A RU 2018140938 A RU2018140938 A RU 2018140938A RU 2709704 C1 RU2709704 C1 RU 2709704C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
rail
measuring
wheel
strain gauges
neck
Prior art date
Application number
RU2018140938A
Other languages
English (en)
Inventor
Юрий Павлович Бороненко
Анфиса Сергеевна Даукша
Рустам Вячеславович Рахимов
Original Assignee
Акционерное общество "Научно-внедренческий центр "Вагоны" (АО "НВЦ "Вагоны")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Научно-внедренческий центр "Вагоны" (АО "НВЦ "Вагоны") filed Critical Акционерное общество "Научно-внедренческий центр "Вагоны" (АО "НВЦ "Вагоны")
Priority to RU2018140938A priority Critical patent/RU2709704C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2709704C1 publication Critical patent/RU2709704C1/ru

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/14—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring distance or clearance between spaced objects or spaced apertures
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01G—WEIGHING
    • G01G19/00—Weighing apparatus or methods adapted for special purposes not provided for in the preceding groups
    • G01G19/02—Weighing apparatus or methods adapted for special purposes not provided for in the preceding groups for weighing wheeled or rolling bodies, e.g. vehicles
    • G01G19/04—Weighing apparatus or methods adapted for special purposes not provided for in the preceding groups for weighing wheeled or rolling bodies, e.g. vehicles for weighing railway vehicles

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области технической диагностики и может быть использовано в сфере железнодорожного транспорта, а именно для измерений вертикальной нагрузки от колеса на рельс при обнаружении дефектов ходовых частей подвижного состава. Способ заключается в том, что при диагностике подвижной состав проходит измерительный участок, на котором регистрируются сигналы с тензорезисторов, установленных в зонах шейки рельса, в двух измерительных сечениях рельса каждого межшпального пролёта по ним определяются поперечные силы, в рельсе и по их разнице постоянно вычисляется вертикальная сила, действующая от колеса на рельсы при прохождении между измерительными сечениями. Технический результат заключается в увеличении статистической достоверности измерений вертикальных сил между колесом и рельсом при проведении диагностики ходовых частей железнодорожных транспортных средств при их движении. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

Description

Изобретение относится к области технической диагностики и может быть использовано в сфере железнодорожного транспорта, а именно для измерений вертикальной нагрузки от колеса на рельс, при обнаружении дефектов ходовых частей подвижного состава.
Известен способ обнаружения дефектов поверхности катания колёс железнодорожных транспортных средств в движении (патент России на изобретение №2480711, МПК G01B7/34 от 27.04.2013), заключающийся в том, что тензорезисторы устанавливают симметрично парами на рельс. По сигналам с тензорезисторов определяют симметричные и асимметричные деформации шейки рельса. По превышению симметричными деформациями порога селекции, устанавливаемого в 3–4 раза выше уровня собственных шумов измерительной аппаратуры, задают номер колёсной пары, равный единице. Затем проводят частотную фильтрацию асимметричных деформаций в полосе частот, определяемой частотой свободных колебаний рельса. Регистрируют максимумы асимметричных деформаций на каждой паре тензорезисторов. При совпадении максимумов на соседних парах тензорезисторов их сравнивают с порогом регистрации дефекта, определяемым по максимальной глубине допускаемого дефекта, диаметру колеса и скорости поезда.
Известен способ контроля поверхности катания железнодорожных колёс в движении (патент России на изобретение №2625256, МПК G01B7/34 от 12.07.2017), принятый в качестве прототипа, заключающийся в том, что на участке пути на рельс устанавливают тензорезисторы парами симметрично с двух сторон шейки рельса и ориентируют вертикально. В процессе движения колесной пары по измерительному участку определяют симметричные деформации и проводят их частотную фильтрацию в зависимости от скорости движения. Регистрируют локальные минимумы симметричных деформаций, определяют скорость, момент входа колеса в зону чувствительности пары тензорезисторов, используя фильтрованные симметричные деформации и эталонные деформации, определяют вертикальную силу от колеса на рельс.
Общим недостатком известных способов является то, что оценка возникающих сил фиксируется только в момент прохождения колесом датчиков. При дискретном измерении силы с шагом датчиков 0,544 м (расстояние между шпалами) фиксируется только 1–2 значения сил, и даже при уменьшении расстояния между датчиками до 0,136 м число измерений не превысит 7. В результате ограниченного количества измерений возможен риск пропуска превышения уровня вертикальных сил критического значения в зоне рельса, где показания датчиками не фиксируются, следовательно, итоговые результаты измерений, информирующих о наличии или отсутствии дефекта, статистически недостоверны.
Решаемой технической проблемой является частичное отсутствие статистически достоверных измерений вертикальных сил между колесом и рельсом при проведении диагностики ходовых частей железнодорожных транспортных средств при их движении.
Технический результат заключается в увеличении статистической достоверности измерений вертикальных сил между колесом и рельсом при проведении диагностики ходовых частей железнодорожных транспортных средств при их движении.
Указанный технический результат достигается следующим образом.
Способ измерений вертикальной нагрузки от колеса на рельс заключается в том, что при проведении диагностики вагон проходит измерительный участок, на котором постоянно в каждом межшпальном промежутке в двух измерительных сечениях рельса регистрируются сигналы с тензорезисторов, установленных на шейке рельса под углом 45˚ по отношению к оси в виде двух компонентных розеток, а между собой тензорезисторы имеют угол 90˚ и соединены в два полных измерительных моста, так, что тензорезисторы с одной стороны рельса находятся в параллельных или противоположных плечах мостов, таким образом, чтобы обеспечить сложение и вычитание деформаций и определить одновременно две поперечные силы в рельсе в двух измерительных сечениях, а по их разнице вычислить вертикальную силу от колеса на рельс. При этом для обеспечения фиксации максимальных напряжений тензорезисторы установлены на расстоянии не менее 60 мм и не более 122 мм от вертикальной оси шпалы до вертикальной оси розетки тензорезистора. Установка тензодатчиков на расстоянии, выходящем за пределы указанного диапазона может привести к не выявлению максимальных значений сил, действующих от колеса на рельс при прохождении колеса в межшпальном промежутке, так как напряжения на данном участке не достигают своего максимума.
Нагрузка от колеса на рельс определяется как разность поперечных сил в двух сечениях рельса в межшпальном промежутке и фиксируется измерительными приборами на всём расстоянии между измерительными сечениями.
Сущность заявляемой группы изобретений поясняется графическим материалом.
На фигуре 1 показан рельсошпальный пролет с установленными в сечениях I–I и II–II на шейке рельса тензорезисторами;
На фигуре 2 показана расчетная схема для участка
Figure 00000001
.
На фигуре 3 показана расчетная схема для участка
Figure 00000002
.
На фигуре 4 показана расчетная схема для участка
Figure 00000003
.
На фигуре 5 показана схема соединения тензорезисторов (ТР1-8) в два измерительных моста для измерения поперечной силы.
На фигуре 6 показана общая схема устройства для измерений вертикальной нагрузки от колеса на рельс.
На фигуре 7 показан поперечный профиль рельса с установленными тензорезисторами в параллельных плечах измерительного моста.
На фигуре 8 показан продольный профиль рельса с установленными тензорезисторами в параллельных плечах измерительного моста.
Способ измерений вертикальной нагрузки от колеса на рельс, заключается в том, что при проведении диагностики подвижной состав проходит измерительный участок, на котором в каждом межшпальном промежутке регистрируются сигналы с тензорезисторов, установленных в зонах шейки рельса в двух измерительных сечениях рельса.
Возможность такого определения обосновывается рассмотрением уравнения равновесия для каждого участка
Figure 00000004
(Фиг. 1). Поперечные силы
Figure 00000005
Figure 00000006
в сечениях I–I и II–II выражаются из условий равновесия через реакции опор
Figure 00000007
и
Figure 00000008
:
Расчетная схема для участка
Figure 00000001
показана на фигуре 2. Разность поперечных сил
Figure 00000005
Figure 00000006
для участка
Figure 00000001
определяется по формуле:
Figure 00000009
 (1)
Расчетная схема для участка
Figure 00000002
показана на фигуре 3. Разность поперечных сил
Figure 00000005
Figure 00000006
для участка
Figure 00000002
определяется по формуле:
Figure 00000010
 (2)
Расчетная схема для участка
Figure 00000003
показана на фигуре 4. Разность поперечных сил
Figure 00000005
Figure 00000006
для участка
Figure 00000003
выражается по формуле:
Figure 00000011
 (3)
здесь учтено, что реакции опор
Figure 00000007
и
Figure 00000008
соответственно равны
Figure 00000012
,
Figure 00000013
,
где
Figure 00000014
– длина пролета, то есть расстояние между опорами,
Figure 00000015
Figure 00000016
– расстояние от точки приложения силы Р до опор.
Нагрузка от колеса на рельс определяется путём вычитания поперечных сил в двух измерительных сечениях каждого межшпального пролёта, при прохождении колеса между ними, при этом разность значений поперечных сил
Figure 00000017
на расстоянии одного измерительного сечения до второго остаётся постоянной и равной нагрузке от колеса на рельс
Figure 00000018
.
Поперечные силы вызывают в рельсе касательные напряжения
Figure 00000019
, которые прямо пропорциональны поперечной силе:
Figure 00000020
 (4)
где
Figure 00000021
– поперечная сила;
Figure 00000022
– статический момент нижней части сечения относительно точки, в которой определяются напряжения;
Figure 00000023
– ширина шейки рельса в измеряемом сечении;
Figure 00000024
– момент инерции рельса.
Максимального значения касательные напряжения достигают в сечении, проходящем через центральную ось. В этом же сечении нормальные напряжения изгиба
Figure 00000025
равны нулю.
Тензорезисторы не измеряют сдвиговые деформации, следовательно, прямое измерение сдвиговых деформаций невозможно. Поэтому для определения сдвиговых деформаций были применены известные соотношения теории упругости между деформациями и напряжениями на главных площадках.
При действии вертикальной силы в шейке рельса наблюдается плоское напряжённое состояние, то есть
Figure 00000026
и
Figure 00000027
. На центральной оси сечения продольные напряжения равны нулю
Figure 00000028
. Главные напряжения
Figure 00000029
и
Figure 00000030
расположены под углом 90° друг к другу и направлены под углом 45° к продольной оси рельса в противоположные стороны. В данном случае формула для определения касательных напряжений имеет вид:
Figure 00000031
 (5)
или через деформации сдвига:
Figure 00000032
где
Figure 00000033
и
Figure 00000034
– главные деформации, соответствующие главным напряжениям
Figure 00000029
и
Figure 00000030
.
Теоретическая зависимость поперечной силы от деформаций с учетом, что
Figure 00000035
, где
Figure 00000036
– модуль сдвига, принимает вид:
Figure 00000037
 (6)
где
Figure 00000038
– постоянная, зависящая от характеристик материала и геометрических размеров рельса;
Figure 00000022
– статический момент нижней части сечения относительно точки, в которой определяются напряжения;
Figure 00000023
– ширина шейки рельса в измеряемом сечении;
Figure 00000024
– момент инерции рельса.
Выражение для вертикальной силы через главные деформации тензорезисторов
Figure 00000039
в двух сечениях:
Figure 00000040
 (7)
где
Figure 00000039
– главные деформации, регистрируемые датчиком номер
Figure 00000041
.
Данное суммирование и вычитание можно выполнить с помощью измерительных мостов, пример схемы подключения которых показан на фиг. 2, что позволит существенно сократить количество проводов, ведущих к тензоусилителям.
Изменение выходного напряжения
Figure 00000042
для схемы параллельной работы двух мостов определяют:
Figure 00000043
 (8)
или
Figure 00000044
где
Figure 00000045
– коэффициент чувствительности тензорезисторов;
Figure 00000046
– параметр, характеризующий нелинейность измерительного моста (при деформациях менее 104 мкм/н
Figure 00000047
);
Figure 00000048
– напряжение измерительного моста,
Figure 00000042
– изменение выходного напряжения измерительного моста;
Figure 00000049
– сумма главных деформаций сдвига, которую определяют по формуле:
Figure 00000050
или по формуле:
Figure 00000051
.
Из равенства (7) и (8) получаем формулу для вычисления вертикальной силы по показаниям измерительных мостов:
Figure 00000052
 (9)
Устройство для измерения вертикальной нагрузки от колеса на рельс, содержит измерительный участок рельсового пути Lизм (фиг. 6), два рельса 1, шпалы 2, тензорезисторы 3 в виде двух компонентных розеток для проведения измерений главных напряжений в двух измерительных сечениях I–I и II–II в каждом межшпальном промежутке измерительного участка рельсового пути, измерительные мосты 4, тензоусилители 5 (фиг. 5) и регистрирующие устройства 6. Для компенсации влияния температуры тензорезисторы одной розетки включаются в разные плечи моста. Для исключения влияния боковых и продольных сил тензорензисторы 3 установлены в двух измерительных сечениях А, В (фиг.1) симметрично с обоих сторон рельса 1 на нейтральной оси (фиг. 7), при этом тензорезисторы 3 в виде двух компонентных розеток установлены на шейке рельса 1 на расстоянии
Figure 00000053
не менее 60 мм и не более 122 мм от вертикальной оси шпалы 2 до вертикальной оси розетки тензорезистора. Тензорезисторы установлены под углом 45˚ (фиг. 7, 8) по отношению к оси рельса, а между собой тензорезисторы 3 имеют угол 90˚ и соединены в два полных измерительных моста, так, что тензорезисторы с одной стороны рельса находятся в параллельных плечах измерительного моста или противоположных плечах мостов, таким образом, чтобы обеспечить вычисление деформаций по формуле:
Figure 00000054
Таким образом достигается технический результат, заключающийся в увеличении статистической достоверности измерений вертикальных сил между колесом и рельсом при проведении диагностики ходовых частей железнодорожных транспортных средств при их движении.

Claims (16)

1. Способ измерения вертикальной силы от колёс подвижного железнодорожного состава на рельс, заключающийся в том, что железнодорожный состав проводят по измерительному рельсовому участку, на котором в зонах шейки рельса установлены тензорезисторы, регистрирующие деформации рельса от воздействия колёс, отличающийся тем, что деформации рельса постоянно измеряют в двух измерительных сечениях рельса на участке между соседними шпалами, и по их показаниям вычисляют вертикальную силу
Figure 00000055
действующую от колеса на рельс во время прохождения колеса расстояния между измерительными сечениями, по формуле:
Figure 00000056
,
где
Figure 00000057
– постоянная, зависящая от характеристик материала и геометрических размеров рельса,
Figure 00000058
– модуль сдвига,
Figure 00000059
– статический момент нижней части сечения относительно точки, в которой определяются напряжения;
Figure 00000060
– ширина шейки рельса в измеряемом сечении;
Figure 00000061
– момент инерции рельса;
Figure 00000062
– коэффициент чувствительности тензорезисторов;
Figure 00000063
– параметр, характеризующий нелинейность измерительного моста (при деформациях менее 104 мкм/н
Figure 00000064
);
Figure 00000065
– напряжение измерительного моста,
Figure 00000066
– изменение выходного напряжения измерительного моста;
Figure 00000067
– сумма деформаций
Figure 00000068
, определяемая по формуле:
Figure 00000069
.
2. Устройство для измерения вертикальной силы от колёс на рельс, выполненное в виде измерительного участка рельсового пути, содержащего рельсы, уложенные на шпалы, тензорезисторы, закреплённые в двух измерительных сечениях рельса оппозитно с обеих сторон шейке рельса и на нейтральной его оси, подключённые в измерительные мосты, связанные с усилителями и регистрирующими устройствами, отличающееся тем, что тензорезисторы установлены на шейке рельса попарно под взаимным углом 90° и под углом 45° по отношению к нейтральной оси рельса, образующих измерительные парные розетки, при этом тензорезисторы каждой из измерительных парных розеток соединены в два полных измерительных моста, в один полный мост или четыре полумоста таким образом, что тензорезисторы с одной стороны рельса находятся в параллельных или противоположных плечах измерительных мостов с целью обеспечить сложение/вычитание изменения сопротивления/напряжения тензорезисторов при прохождении колеса по измерительному участку рельсового пути.
3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что тензорезисторы установлены в измерительных сечениях на шейке рельса на расстоянии не менее 60 мм и не более 122 мм, измеренном от вертикальной центральной оси шпалы до вертикальной центральной оси измерительной розетки.
RU2018140938A 2018-11-21 2018-11-21 Способ измерений вертикальной нагрузки от колеса на рельс и устройство для его осуществления RU2709704C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018140938A RU2709704C1 (ru) 2018-11-21 2018-11-21 Способ измерений вертикальной нагрузки от колеса на рельс и устройство для его осуществления

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018140938A RU2709704C1 (ru) 2018-11-21 2018-11-21 Способ измерений вертикальной нагрузки от колеса на рельс и устройство для его осуществления

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2709704C1 true RU2709704C1 (ru) 2019-12-19

Family

ID=69006647

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018140938A RU2709704C1 (ru) 2018-11-21 2018-11-21 Способ измерений вертикальной нагрузки от колеса на рельс и устройство для его осуществления

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2709704C1 (ru)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1654673A1 (ru) * 1988-12-30 1991-06-07 Московский Институт Инженеров Железнодорожного Транспорта Устройство дл определени давлени колес подвижного состава на рельсы
WO1993025872A1 (en) * 1992-06-12 1993-12-23 Frontec Pajala Ab Weighing device for rail mounted vehicles
RU2480711C2 (ru) * 2011-05-20 2013-04-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский государственный университет путей сообщения" (СГУПС) Способ обнаружения дефектов поверхности катания колес железнодорожных транспортных средств в движении
RU155518U1 (ru) * 2015-04-01 2015-10-10 Общество с ограниченной ответственностью научно-исследовательская и производственно-внедренческая фирма "Тензор" (ООО НИПВФ "Тензор") Рельсовые весы для взвешивания подвижных железнодорожных объектов в движении
RU2625256C1 (ru) * 2016-01-11 2017-07-12 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский государственный университет путей сообщения" (СГУПС) г. Новосибирск Способ контроля поверхности катания железнодорожных колёс в движении

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1654673A1 (ru) * 1988-12-30 1991-06-07 Московский Институт Инженеров Железнодорожного Транспорта Устройство дл определени давлени колес подвижного состава на рельсы
WO1993025872A1 (en) * 1992-06-12 1993-12-23 Frontec Pajala Ab Weighing device for rail mounted vehicles
RU2480711C2 (ru) * 2011-05-20 2013-04-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский государственный университет путей сообщения" (СГУПС) Способ обнаружения дефектов поверхности катания колес железнодорожных транспортных средств в движении
RU155518U1 (ru) * 2015-04-01 2015-10-10 Общество с ограниченной ответственностью научно-исследовательская и производственно-внедренческая фирма "Тензор" (ООО НИПВФ "Тензор") Рельсовые весы для взвешивания подвижных железнодорожных объектов в движении
RU2625256C1 (ru) * 2016-01-11 2017-07-12 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский государственный университет путей сообщения" (СГУПС) г. Новосибирск Способ контроля поверхности катания железнодорожных колёс в движении

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10392035B2 (en) Method and apparatus to determine structural parameters of a railway track
Milković et al. Wayside system for wheel–rail contact forces measurements
CN111964927B (zh) 轮轨力轨旁监测方法及系统
CN107314838B (zh) 一种用于测量轮轴载荷谱的测力轮对
CN104006978B (zh) 一种铁道车辆轮轨之间作用力的间接测量方法
AU2010328706A1 (en) Method for determining the stress free temperature of the rail and/or the track resistance
Askarinejad et al. Field measurement of wheel—rail impact force at insulated rail joint
Boronenko et al. Continuous monitoring of the wheel-rail contact vertical forces by using a variable measurement scale
JP4759744B2 (ja) 鉄道車両の車輪とレールとの接触位置検知方法
Mosleh et al. Approaches for weigh-in-motion and wheel defect detection of railway vehicles
RU2766480C2 (ru) Система и способ определения угловой скорости оси железнодорожного транспортного средства
RU2480711C2 (ru) Способ обнаружения дефектов поверхности катания колес железнодорожных транспортных средств в движении
RU2709704C1 (ru) Способ измерений вертикальной нагрузки от колеса на рельс и устройство для его осуществления
WO2000020831A1 (en) Method of measuring forces on a measuring wheel set
JP7056428B2 (ja) 軌道の状態評価方法及び評価装置
Bagheri et al. Optimal strain gauge placement in instrumented wheelset for measuring wheel-rail contact forces
PL228453B1 (pl) Sposób i układ do równoczesnego pomiaru sił Y i Q działajacych na szyne kolejowa i wyznaczania stosunku tych sił Y/Q
WO2023007273A1 (en) A system and a method for the diagnosis of abnormal bending in railway rails, in particular at connections between railway rails
RU2708693C1 (ru) Устройство и способ обнаружения дефектов колес железнодорожных транспортных средств в движении
JP7361631B2 (ja) 鉄道車両の車輪とレールとの接触位置測定方法及びこれを用いた鉄道車両の横圧測定方法
RU2625256C1 (ru) Способ контроля поверхности катания железнодорожных колёс в движении
RU2749445C1 (ru) Способ измерения вертикальных и боковых сил, действующих на боковую раму тележки от колесной пары при движении вагона
Boronenko et al. Develop a new approach measuring the wheel/rail interaction loads
Bižić et al. Basics of experimental determination of wheel-rail contact forces by using instrumented wheelsets
Song et al. Experimental Validation of a Vertical Wheel Load Measurement System.