Устройство для определения нагрузки колеса на рельс

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАГРУЗКИ КОЛЕСА НА РЕЛЬС(71) Заявитель Майданюк Светлана Дмитриевна(72) Автор Майданюк Светлана Дмитриевна(73) Патентообладатель Майданюк Светлана Дмитриевна(57) 1. Устройство для определения нагрузки колеса на рельс, содержащее установленный на рельсе чувствительный элемент и блок обработки сигналов, в котором чувствительный элемент выполнен из имеющих возможность относительного перемещения пассивной и активной частей, отличающееся тем, что пассивная часть чувствительного элемента представляет собой жестко закрепленный на рельсе излучатель, оптическая ось которого направлена вдоль рельса, а активная часть - ориентированный встречно ему позиционнозависимый фотоприемник, объединенные защитным корпусом, и выходы фотоприемника связаны с блоком обработки сигналов. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оптическая ось позиционно-зависимого фотоприемника наклонена под углом более 30 к оптической оси излучателя. 73952011.06.30 Полезная модель относится к железнодорожному транспорту, в частности к устройствам для определения силового воздействия колес подвижного состава на железнодорожный путь в эксплуатационных условиях. Известно устройство для измерения давления колеса на рельс 1, содержащее установленный на рельсе чувствительный элемент с тензорезисторами и блок обработки сигнала. Чувствительный элемент выполнен в виде закладываемого в укрепленную в отверстии шейки рельса и выполненную с внутренним конусом втулку болта, в конической части которого расположена упругая перемычка из электроизоляционного материала, на которой закреплены тензорезисторы, а в полости головки - клеммная панель, к которой подключены выводы тензорезисторов. Работа устройства реализуется способом, заключающимся в том, что при движении над чувствительным элементом колесо деформирует рельс и отверстие в шейке рельса,отверстие передает деформацию через втулку на упругую перемычку и через нее на вертикально расположенные тензорезисторы активного плеча измерительного моста, на выходе блока обработки сигналов измеряют напряжение, амплитуда которого пропорциональна давлению колеса на рельс. Недостатком данного устройства и способа его работы является низкая точность измерений, обусловленная тем, что активное плечо измерительного моста, расположенное внутри болта, имеет малую измерительную базу и малую относительную деформацию этой базы. Наиболее близким по функциональному назначению и совокупности признаков является устройство определения нагрузки колеса на рельс, описанное в изобретении Способ определения нагрузки колеса на рельс и устройство для его осуществления 2, при котором измеряют деформацию рельса под нагрузкой колеса как разность одновременных деформационных перемещений в направлении, перпендикулярном упругой оси рельса, двух частей чувствительного элемента - пассивной части, установленной на рельсе, и активной части чувствительного элемента, закрепленной на жесткой балке, которая смонтирована на рельсе на двух шарнирных опорах, равноудаленных вдоль рельса от пассивной части чувствительного элемента, а нагрузку колеса на рельс определяют расчетным путем как пропорциональную измеренному значению деформации рельса. Приведенный способ реализуется устройством (прототипом) для определения нагрузки колеса на рельс, содержащим установленный на рельсе чувствительный элемент и блок обработки сигналов, в котором чувствительный элемент выполнен из имеющих возможность относительного перемещения пассивной и активной частей. Пассивная часть чувствительного элемента прикреплена непосредственно к рельсу, а активная часть закреплена на жесткой балке, установленной на рельсе на двух шарнирных опорах, равноудаленных вдоль рельса от пассивной части чувствительного элемента. В качестве пассивной части чувствительного элемента используется источник постоянного магнитного поля, а в качестве активной части - магниточувствительный элемент на основе датчика Холла. Недостатком указанного способа и устройства является недостаточная точность определения нагрузки от колеса на рельс. Задачей настоящей полезной модели является повышение точности определения нагрузки колеса на рельс. Технический результат достигается устройством, содержащим установленный на рельсе чувствительный элемент и блок обработки сигналов, в котором чувствительный элемент выполнен из имеющих возможность относительного перемещения пассивной и активной частей, отличающимся тем, что пассивная часть чувствительного элемента представляет собой жестко закрепленный на рельсе излучатель, оптическая ось которого направлена вдоль рельса, а активная часть - ориентированный встречно ему позиционнозависимый фотоприемник, причем излучатель и позиционно-зависимый фотоприемник 2 73952011.06.30 объединены общим защитным корпусом, а выходы фотоприемника связаны с блоком обработки сигналов. Кроме того, для повышения точности определения нагрузки оптическую ось позиционно-зависимого фотоприемника наклоняют под углом более 30 к оптической оси излучателя. На фиг. 1 показан общий вид конструкции устройства, на фиг. 2 показан вид по разрезу устройства со стороны излучателя, на фиг. 3 показана схема, поясняющая работу устройства. Устройство для определения нагрузки от колеса на рельс (фиг. 1) содержит прикрепленную к рельсу 1 посредством зажима 2 пассивную часть чувствительного элемента 3 (в дальнейшем - излучатель). На определенном расстоянии от излучателя 3 укреплена активная часть чувствительного элемента 4, которая представляет собой позиционно-зависимый фотоприемник (в дальнейшем - фотоприемник). Оптический тракт от излучателя 3 до фотоприемника 4 огражден защитным кожухом 5. Выходы фотоприемника подключены к блоку обработки информации 6, который соединен с компьютером 7. Работает устройство следующим образом (фиг. 3). При отсутствии на рельсе 1 колеса 8 и нагрузки на рельс оптическая ось излучателя 3 ориентирована параллельно упругой оси рельса, световое пятно на фотоприемнике занимает положение с координатой 1. Нагрузка от колеса 8, приложенная к рельсу 1, воздействует на рельс и деформирует его в направлении, перпендикулярном упругой оси рельса. Упругая ось рельса принимает форму, показанную на фиг. 3. При этом оптическая ось излучателя 2 смещается вниз, световое пятно перемещается по поверхности фотоприемника и принимает положение с координатой 2. Разность координат (21) для малых углов пропорциональна углу поворота упругой оси рельса и связана однозначной корреляционной зависимостью с нагрузкой колеса 8 на рельс 1. Устройство реализовано следующим образом. На подошву рельса 1 типа Р 65 укреплен зажим 2, имеющий горизонтальную монтажную площадку с регулировочными винтами 9(фиг. 2) и резьбовыми отверстиями с винтами (на фигуре не показаны) для крепления излучателя 3. В качестве излучателя использован полупроводниковый лазерный модуль АМАМ 500102. Лазерный модуль помещен в корпус, который со стороны излучателя снабжен цилиндрическим буртиком для крепления защитного кожуха 5. Защитный кожух 5 изготовлен из эластичного материала (полиэтилена), который не препятствует относительному перемещению излучателя и приемника при деформации рельса от нагрузки колеса. На расстоянии 300 мм от излучателя 3 укреплен посредством зажима 2 позиционно-зависимый фотоприемник 4 на основе ПЗС-линейки типа -4104 с разрешением 81601 элементов. ПЗС-линейка расположена в корпусе фотоприемника с наклоном в 45 по отношению к оптической оси излучателя, что позволяет увеличить разрешающую способность в 1,4 раза. Корпус фотоприемника со стороны светочувствительной поверхности снабжен цилиндрическим буртиком, посредством которого фотоприемник 4 сопрягается с защитным кожухом 5,ограждающим от воздействия внешней среды (гидрометеопомех, посторонних предметов) оптический тракт на участке излучателя 3 до фотоприемника 4. Выходы фотоприемника 4 подключены к блоку обработки информации 6, который соединен с компьютером 7. Изготовленный макетный образец устройства работает следующим образом (фиг. 3). Блок обработки информации 6 отградуирован на разрешение 5 мкм на 1 пиксел, сопряжение блока обработки информации с персональным компьютером осуществлялось по протоколу 485. При отсутствии на рельсе 1 колеса 8 и нагрузки на рельс оптическая ось излучателя 3 была ориентирована параллельно упругой оси рельса. Световое пятно на фотоприемнике занимает положение с координатой 1360 мкм. При движении колесо с нагрузкой 10 тонн воздействует на рельс и деформирует его в направлении, перпендикулярном упругой оси рельса. При этом оптическая ось излучателя 3 смещается вниз, световое пятно перемещается по поверхности фотоприемника и при положении колеса над фотоприемником принимает положение с координатой 22360 мкм. Разность коорди 3 73952011.06.30 нат (21)2000 мкм, или 400 пиксел, позволяет получить дискретность отсчета 25 кГ(на 1 пиксел), что значительно повышает точность определения нагрузки. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4