CC BY
71
Тензометрическая колесная пара для подвижного состава с осевой нагрузкой до 30 тс
В. С. Коссов,
д.т.н., профессор, генеральный директор АО «Научно-исследовательский и конструк-торско-технологический институт подвижного состава» (АО «ВНИКТИ»)
О. Г. Краснов,
к.т.н., заведующий отделом пути и специального подвижного состава АО «ВНИКТИ»
М. Г. Акашев,
ведущий инженер отдела пути и специального подвижного состава АО «ВНИКТИ»
в связи с развитием тяжеловесного движения на российских железных дорогах разработаны и внедряются инновационные вагоны с осевыми нагрузками 25 и 27 тс. возникла необходимость в сравнительной оценке силового воздействия на путь серийных и инновационных вагонов.
Один из вариантов решения данной задачи — применение тензометрических колесных пар (ТКП), позволяющих в непрерывном режиме проводить измерения вертикальных и боковых сил в зоне, близкой к зоне контакта колеса с рельсом [1-8]. Для подвижного состава с осевыми нагрузками до 30 тс специалистами АО «ВНИКТИ» разработана ТКП на основе вагонных колесных пар с криволинейным профилем по ГОСТ 10791.
Для определения зон минимального взаимного влияния вертикальных и боковых сил применялась конечно-элементная модель колесной пары с использованием программного комплекса Nastran. В узлах конечно-элементной сетки, расположенных в радиальном сечении колеса, с помощью специальной опции MSC.Fatigue размещены виртуальные датчики с базой 10*5 мм для оптимизации обработки информации. Общее количество тензорезисторов в модели — 54. Виртуальные датчики деформаций позволяли определять напряженно-деформированное состояние диска колеса при приложении вертикальных и боковых сил. По результатам моделирования
тензометрическая колесная пара на стенде
определены зоны минимального взаимного влияния от вертикальных сил на боковые, и наоборот.
В качестве основной схемы соединения тензорезисторов на входе измерительных каналов выбран полумост из двух активных тензорезисторов, размещенных на измерительных диаметрах, которые при вращении колеса поочередно входят в зону контактирования и воспринимают деформацию поверхности диска колеса, пропорциональную действующим силам. При такой схеме включения тензорезисторов обеспечивается максимальная чувствительность при минимальных погрешностях измерений, связанных с необходимостью температурной компенсации. Кроме того, выбранный способ соединения тензорезисторов обеспечивает самый простой контроль балансировки (контроль нулей) измерительных каналов.
Места размещения тензорезисторов на дисках колес ТКП выбраны на основании расчетных данных о напряженном состоянии диска колеса под действием внешних нагрузок различных направлений и результатов экспериментальной проверки напряженного состояния диска на специальном стенде АО «ВНИКТИ», где колесные пары нагружали внешними силами различных уровней и направлений (см. рисунок).
Подготовка тензорезисторов к наклейке, их наклейка в предварительно выбранных местах, соединение в измерительные полумосты, изоляция от влаги и механических повреждений были выполнены по технологии АО «ВНИКТИ», обеспечивающей возможность длительной и надежной работы измерительных схем без замены и ремонта в условиях работы колесных пар под вагонами — объектами измере-
68 | «Транспорт Российской Федерации»
№6 (73) 2017
ний. Основные требования к качеству выполнения работ на этом этапе оборудования ТКП: высокая степень изоляции тензорезисторов и их соединений от влаги (не менее 50 МОм), прочность приклеивания и надежность восприятия деформации металла под действием внешних сил, обеспечение относительно небольшой (до 0,1 Ом) разницы сопротивлений в плечах измерительных полумостов при подборе и подготовке тензорезисторов.
Все ТКП оборудованы тензорези-сторами типа LY11-10/350 с базой 10 мм и сопротивлением 350 Ом фирмы НВМ (Германия). Для измерения вертикальных и боковых сил тензорезисторы наклеиваются с внутренних сторон дисков колес и включаются в схему полумоста. Для определения вертикальных и боковых сил, находящихся в одном створе, используются две группы схем; каждый створ расположен под углом 90° друг к другу. Группы схем обеспечивают точечные измерения вертикальных и боковых сил.
Усиление сигнала, его предварительная обработка, передача с вращающейся оси на стационарно установленное приемное устройство на оси колесной пары выполняются с помощью набора модулей [9], включающего коммутирующие коробки (2 шт.), тензометрические усилители (2 шт.), программируемый логический контроллер (1 шт.), аккумулятор, рассчитанный на 8-10 ч непрерывной работы системы, передатчик сигналов (1 шт.). Оборудование располагается на оси в специально разработанном защитном корпусе.
Тензометрические схемы, расположенные на дисках колесной пары, соединены с измерительными приборами кабелем типа витая пара для исключения искажения сигналов от воздействия электромагнитных полей. Приемник сигналов установлен на главной раме вагона, так что антенна направлена в сторону оси ТКП.
Сигналы с систем бесконтактной передачи данных направляются в компьютер, находящийся в вагоне-лаборатории. На стационарном компьютере установлена специализированная программа для автоматической обработки информации.
Калибровку всех измерительных схем выполняли на колесном стенде АО «ВНИКТИ», позволяющем воспроизводить и прикладывать к колесным парам внешние нагрузки требуемой величины.
Калибровку осуществляли при раз-
дельном приложении вертикальных и боковых сил. С каждой измерительной схемы выполняли записи сигналов на выходах усилителей при действии указанных сил и шунтировании плеч измерительных полумостов калиброванным резистором с известным сопротивлением для определения масштабных постоянных. Нагружение ТКП при каждом значении сил выполняли не менее трех раз. После проведения калибровки и обработки полученных данных были определены масштабные постоянные использованного шунта для каждой измерительной схемы.
Для оценки работоспособности, достоверности и точности измерений вертикальных и боковых сил выполнена подкатка ТКП под вагон-углевоз модели 18-9829. Перед началом испытаний было выполнено поколесное взвешивание вагона-углевоза, заполнененного песком до нагрузки на ось 30 тс. Взвешивание полувагона, загруженного песком, проводили на весовом устройстве «Измеритель нагрузки, создаваемой колесом подвижного состава, на железнодорожное полотно РД-К1», изготовленном ЗАО «Весоизмерительная компания Тензо-М». Погрешность измерений при осевой нагрузке до 30 тс составляла 50 кгс.
Полигонные испытания проводили при движении опытного поезда передним и задним ходом со скоростью 40-90 км/ч, шаг 10 км/ч, на прямом участке пути и в кривой радиусом 300 м. При каждом значении скорости выполняли по три заезда в прямом и обратном направлении. Данные регистрировали от километровых столбов на протяжении всего километра. Испытания проходили в светлое время суток при температуре окружающей среды от -3 до +8 °С и относительной влажности 86-90 %.
Точность и достоверность результатов измерений оценивали с помощью сравнительного анализа значений вертикальных и боковых сил, фиксируемых ТКП в сечении, где были установлены измерительные приборы для точечной регистрации сил методом «РЖД-2016». Для синхронизации силовых факторов использовали магнитные отметчики, которые были установлены в начале и в конце измерительного участка на пути, и приемного соленоида, расположенного на раме вагона.
По результатам измерений расхождение вертикальных сил составило 6,3-10,7 % для прямого участка пути,
боковых сил — 8,7-12,4 % для кривой радиусом 300 м в зависимости от скорости движения, что допустимо для практического использования.
Разработанные ТКП могут быть использованы для сравнительной силовой оценки воздействия на железнодорожный путь от грузовых вагонов 25, 27 и 30 тс/ось в сравнении с грузовыми вагонами 23,5 тс/ось на маршрутах большой протяженности с учетом геометричеа ских параметров рельсовой колеи.
Работа выполнена по проекту РФФИ 17-20-01088.
Литература
1. Шафрановский А. К. Непрерывная регистрация вертикальных и боковых сил взаимодействия колеса и рельса // Труды ВНИИЖТа. Вып. 308. М.: Транспорт, 1965. 96 с.
2. Шафрановский А. К. Измерения и непрерывная регистрация сил взаимодействия колесных пар локомотивов с рельсами // Труды ВНИИЖТа. Вып. 389. М.: Транспорт, 1969. 120 с.
3. Кудрявцев Н. Н. Анализ методов измерения сил, действующих на колесные пары вагонов // Вестн. ВНИИЖТа. 1993. № 8. С. 31-36.
4. Кудрявцев Н. Н., Белоусов В. М., Сас-ковец В. М. Области применения тен-зометрических колесных пар // Вестн. ВНИИЖТа. 1997. № 1. С. 26-31.
5. Li D., Morgart D., Harbuck R. et al. BNSF experience: track geometry inspection taking into account vehicle performance // Railway Track Struct. 2005. Vol. 101. № 9. P. 19-23.
6. Martin T. P., Carr G. A., El-Sibaie M. Application of neural network technology for predicting wheel and rail interactive forces // Proc. ASME/ IEEE Joint Rail Conf., Rus. Railways. Washington: D. C., 2009. Oct. 25.
7. Salahifar Т., Li D., Shust B. Neural network modeling: responses of a loaded, covered hopper car to track geometry // Technol. Digest 99-022. Assoc. Amer. Railroads. 1999. June.
8. Краснов О. Г., Акашев М. Г. Исследование устойчивости порожних вагонов при движении по искусственным неровностям // Вагоны и вагон. хоз-во. 2011. № 4. С. 38-39.
Бидуля А. Л., Краснов О. Г., Акашев М. Г. и др. Геометрически-силовой метод оценки устойчивости порожних вагонов // Вагоны и вагон. хоз-во. 2011. № 2. С. 45.
№6 (73) 2017
«Транспорт Российской Федерации» | 69
