способ определения коэффициента относительной жесткости основания железнодорожного пути и рельса и устройство для его реализации
Классы МПК: | E01B35/12 для измерения перемещения рельсовых путей или их частей при воздействии на них подвижной нагрузки, например просадки шпал, уширения пути B61K9/08 контрольно-измерительные устройства для проверки состояния железнодорожного полотна |
Автор(ы): | Григорьев В.П., Дюков Г.Н., Князев Н.А., Шейнман Л.Е. |
Патентообладатель(и): | Управление Октябрьской железной дороги |
Приоритеты: |
подача заявки:
1996-01-24 публикация патента:
27.07.1998 |
Использование: для измерения параметров железнодорожного пути. Сущность изобретения: способ заключается в том, что регистрируют электрический сигнал при прогибе рельса под каждой тележкой вагонов состава, каждый раз определяют по меньшей мере два расстояния между датчиком и опорной точкой ближнего к датчику колеса тележки, при которых наблюдаются нулевые значения прогиба рельса, и по данным о полученных расстояниях при воздействии всех тележек вагонов состава определяют среднее значение и дисперсию искомого коэффициента. Устройство содержит датчик прогиба рельса, регистратор прогиба рельса, последовательно соединенные вычислитель коэффициента относительно жесткости основания пути и рельса и индикатор значения искомого коэффициента. Устройство также содержит измеритель расстояния между датчиком и опорной точкой ближнего к датчику колеса тележки, при которых наблюдаются нулевые значения прогиба рельса, и блок управления устройством. Изобретения обеспечат оперативное определение в реальном масштабе времени при движении состава упомянутого коэффициента. 2 с.п.ф-лы; 6 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6
Формула изобретения
1. Способ определения коэффициента относительной жесткости основания железнодорожного пути и рельса в процессе движения состава, заключающийся в том, что регистрируют с помощью датчика прогиб рельса под воздействием на него вагонной тележки, отличающийся тем, что регистрируют электрический сигнал при прогибе рельса под каждой тележкой вагонов состава, каждый раз определяют по меньшей мере два расстояния между датчиком и опорной точкой ближнего к датчику колеса тележки, при которых наблюдаются нулевые значения прогиба рельса, и по данным о полученных расстояниях при воздействии всех тележек вагонов состава определяют среднее значение и дисперсию искомого коэффициента. 2. Устройство для определения коэффициента относительной жесткости основания железнодорожного пути и рельса, содержащее датчик прогиба рельса и регистратор прогиба рельса, отличающееся тем, что оно снабжено аналого-цифровым преобразователем, последовательно соединенными между собой вычислителем коэффициента относительной жесткости основания пути и рельса и индикатором значения искомого коэффициента, измерителем расстояний между датчиком прогиба рельса и опорной точкой ближнего к этому датчику колеса тележки, при которых наблюдаются нулевые значения прогиба рельса, и блоком управления устройством, первый, второй, третий, четвертый и пятый синхровыходы которого соединены соответственно с синхровходами аналого-цифрового преобразователя, регистратора прогиба рельса, упомянутого измерителя расстояний, вычислителя коэффициента относительной жесткости основания пути и рельса и упомянутого индикатора, при этом первый вход упомянутого вычислителя коэффициента соединен с регистратором прогиба рельса, вход измерителя расстояний соединен с выходом регистратора прогиба рельса, а выход - с вторым входом вычислителя коэффициента относительной жесткости основания пути и рельса, вход аналого-цифрового преобразователя соединен с датчиком прогиба рельса, а выход - с регистратором прогиба рельса.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к измерительной технике, а конкретнее, к технике железнодорожных измерений. Коэффициент относительной жесткости основания пути и рельса имеет вид (см. М.Ф. Вериго. Динамика вагонов. - М.: ВЗИИЖТ, 1971, с. 147:![способ определения коэффициента относительной жесткости основания железнодорожного пути и рельса и устройство для его реализации, патент № 2116400](/images/patents/355/2116400/2116400-2t.gif)
где
U - модуль упругости основания пути;
El - жесткость изгибаемого рельса. Коэффициент K может в значительной степени колебаться от типа рельс, срока их службы, состояния балласта, погодных факторов и др. Значения K необходимы при измерении веса вагонов для учета влияния соседних тележек на путь, а также при расчете допускаемых напряжений, возникающих в элементах пути. Поэтому, особенно при определении веса вагонов необходимо экспериментальное определение значения коэффициента K в реальном масштабе времени при движении состава при конкретных погодных условиях. В известном способе (авт. св. N 1735124, кл. C 01 C 19/04). При наезде вагонной тележки на край весового рельса измерительные преобразователи вырабатывают сигнал пропорциональный вертикальным реакциям пути. Однако, учета влияния соседних тележек, определяемых коэффициентом K, не производится, что существенно снижает точность измерений весов вагонов. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ, описанный в книге М.Ф. Вериго. Динамика вагонов. - М.: ВЗИИЖТ, 1971, с. 168-172. В этом способе при движении опытновых составов по рельсовому пути определяют упругие вертикальные прогибы рельса под нагрузкой с помощью прогибомеров, определяют силы, передаваемые рельсом на шпалу, с помощью вертикальных силомеров, и определяют напряжения на площадке земляного полотна с помощью балластных мессдоз. Определение коэффициентов, характеризующих воздействие состава на путь, в частности K, осуществляют по результатам 20-50 поездок с каждой заранее установленной скоростью движения опытного состава. Описанный способ реализуется с помощью устройства содержащего датчики и регистратор (см. там же). Недостатком этого способа и реализующего его устройства является то, что определение коэффициента относительной жесткости пути и рельса K выполняется эпизодически в процессе работ с опытовым составом. При этом на момент реальной ситуации (погода, состояние рельсов и пути) значения этого коэффициента могут значительно отличаться от первоначально измеренного. Задачей изобретения является оперативное определение в реальном масштабе времени коэффициента относительной жесткости пути и рельса K при движении состава, при реальных погодных условиях и состоянии пути. Для решения поставленной задачи в способ определения коэффициента относительной жесткости пути и рельса в процессе движения состава, содержащий регистрацию данных о прогибе рельса под воздействием на рельс вагонной тележки введены новые операции, заключающиеся в том, что регистрируют электрический сигнал от датчика при прогибе рельса под каждой тележкой вагонов состава, каждый раз определяют по меньшей мере два расстояния между датчиком и опорной точкой ближнего к датчику колеса тележки, при которых наблюдаются нулевые значения прогиба рельса, и по данным о полученных расстояниях при воздействии всех тележек вагонов состава определяют среднее значение и дисперсию искомого коэффициента. Для решения этой же задачи в устройство для определения коэффициента относительной жесткости основания пути и рельса, содержащее датчик прогиба рельса и регистратор прогиба рельса введены новые блоки: аналого-цифровой преобразователь, последовательно соединенные между собой вычислитель коэффициента относительной жесткости основания пути и рельса и индикатор значений искомого коэффициента, измеритель расстояния между датчиком и опорной точкой ближнего к датчику колеса тележки, при которых наблюдаются нулевые значения прогиба рельса, и блок управления устройством, первый, второй, третий, четвертый и пятый синхровыходы которого соединены соответственно с синхровходами аналого-цифрового преобразователя, регистратора прогиба рельса, упомянутого измерителя расстояний, вычислителя коэффициента относительной жесткости основания пути и рельса и упомянутого индикатора, при этом первый вход упомянутого вычислителя коэффициента соединен с регистратором прогиба рельса, вход измерителя расстояний соединен с выходом регистратора прогиба рельса, а выход - со вторым входом вычислителя коэффициента относительной жесткости основания пути и рельса, вход аналого-цифрового преобразователя соединен с датчиком прогиба рельса, а выход - с регистратором прогиба рельса. Новые операции способа и новые блоки реализующего его устройства при их соответствующем соединении обеспечивают возможность определения значения коэффициента относительной жесткости пути и рельса в процессе движения конкретного состава, т. е. определение коэффициента K в реальном масштабе времени при данных погодных условиях и данном состоянии пути в момент прохождения состава. На фиг. 1 приведено пояснение к обоснованию предлагаемого способа; на фиг. 2 приведена кривая прогиба Y в функции координаты X; на фиг. 3 приведена блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способу; на фиг. 4 приведена блок-схема блока управления устройством; на фиг. 5 приведена блок-схема измерителя расстояний; на фиг. 6 приведена блок-схема вычислителя коэффициента. Для подтверждения осуществимости способа и возможности его практического применения приведем теоретическое доказательство. Как известно (смотрите, например, М.Ф. Вериго. Динамика вагонов. - М.: ВЗИИЖТ, 1971, с. 148) прогиб рельса 1, опирающегося на шпалы 2 и балласт 3, вагона 4, измеряемый датчиком 5, определяется формулой для двуосной тележки с колесными парами 6 и 7 (фиг.1), имеет вид (кривая 8 на фиг. 2):
![способ определения коэффициента относительной жесткости основания железнодорожного пути и рельса и устройство для его реализации, патент № 2116400](/images/patents/355/2116400/2116400-3t.gif)
где:
K - коэффициент относительной жесткости основания пути и рельса;
![способ определения коэффициента относительной жесткости основания железнодорожного пути и рельса и устройство для его реализации, патент № 2116400](/images/patents/355/2116324/951.gif)
P1, P2 - силы, передаваемые рельсу колесами тележки;
U - модуль основания упругости пути;
a - расстояние между осями тележки. Тележка имеет подпятник, на которой опирается подпятник кузова, соединенные между собой шкворнем. Поэтому P1 = P2 = P и выражение (2) имеет вид:
![способ определения коэффициента относительной жесткости основания железнодорожного пути и рельса и устройство для его реализации, патент № 2116400](/images/patents/355/2116400/2116400-4t.gif)
Очевидно, что прогиб Y = 0 при условии
![способ определения коэффициента относительной жесткости основания железнодорожного пути и рельса и устройство для его реализации, патент № 2116400](/images/patents/355/2116324/951.gif)
![способ определения коэффициента относительной жесткости основания железнодорожного пути и рельса и устройство для его реализации, патент № 2116400](/images/patents/355/2116324/951.gif)
Характер прогиба приведен на фиг. 2 в виде кривой 8. Видно, что кривая пересекает значение нуль в нескольких точках X. Из выражения (4) вытекает:
![способ определения коэффициента относительной жесткости основания железнодорожного пути и рельса и устройство для его реализации, патент № 2116400](/images/patents/355/2116400/2116400-5t.gif)
Так как
![способ определения коэффициента относительной жесткости основания железнодорожного пути и рельса и устройство для его реализации, патент № 2116400](/images/patents/355/2116400/2116400-6t.gif)
CosKX1 + SinKX1 + l-ka[CosK|X1+a| + SinK|X1+a|] = 0 (6)
После элементных тригонометрических преобразований можно найти
![способ определения коэффициента относительной жесткости основания железнодорожного пути и рельса и устройство для его реализации, патент № 2116400](/images/patents/355/2116400/2116400-7t.gif)
Откуда
![способ определения коэффициента относительной жесткости основания железнодорожного пути и рельса и устройство для его реализации, патент № 2116400](/images/patents/355/2116400/2116400-8t.gif)
Прогиб Y = 0 следующий раз будет наблюдаться при X2, когда
![способ определения коэффициента относительной жесткости основания железнодорожного пути и рельса и устройство для его реализации, патент № 2116400](/images/patents/355/2116400/2116400-9t.gif)
Следовательно
KX2-KX1=
![способ определения коэффициента относительной жесткости основания железнодорожного пути и рельса и устройство для его реализации, патент № 2116400](/images/patents/355/2116047/960.gif)
Откуда, окончательно, получается простая формула для определения коэффициента относительной жесткости пути и рельса:
![способ определения коэффициента относительной жесткости основания железнодорожного пути и рельса и устройство для его реализации, патент № 2116400](/images/patents/355/2116400/2116400-10t.gif)
Таким образом, по измеренным расстояниям X2 и X1, при которых прогиб Y рельса равен нулю, можно определить коэффициент относительной жесткости основания пути и рельса. Пример. В соответствии с операциями предлагаемого способа в процессе движения состава регистрировали с помощью датчика прогиб рельса под воздействием на него вагонной тележки, регистрировали электрический сигнал при прогибе рельса под каждой тележкой вагонов состава, каждый раз определяли по меньшей мере два расстояния между датчиком и опорной точкой ближнего к датчику колеса тележки, при которой наблюдались нулевые значения прогиба рельса: X1 = 219,9 см, X2 = 534,06 см. Было найдено K = 0,01. Осреднение по 20-ти тележкам показало среднее значение K = 0,01 при средне-квадратическом отклонении K = 2
![способ определения коэффициента относительной жесткости основания железнодорожного пути и рельса и устройство для его реализации, патент № 2116400](/images/patents/355/2116001/183.gif)
Класс E01B35/12 для измерения перемещения рельсовых путей или их частей при воздействии на них подвижной нагрузки, например просадки шпал, уширения пути
Класс B61K9/08 контрольно-измерительные устройства для проверки состояния железнодорожного полотна