Спосіб випробування на контактну взаємодію залізничних рейок і коліс “slide”

Реферат: Спосіб випробування на контактну взаємодію залізничних рейок і коліс, під час якого зразок фрагмент рейки обкочують натискним роликом у поздовжньому напрямку і реєструють параметри навантаження, деформування та ознаки руйнування, за якими визначають стан контактної зони. Крім цього натискний ролик виготовляють у вигляді зразка - фрагмента реального залізничного колеса із збереженням параметрів його робочих поверхонь і циклічно зворотно-поступально перекочують його по зразку-фрагменту рейки при заданому значенні навантаження і одночасно виконують регульоване взаємне переміщення ковзання згаданих зразків, значення якого задають за умови дотримання реального ковзання колісної пари на певній криволінійній ділянці шляху. UA 93377 U (12) UA 93377 U UA 93377 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Пропонована корисна модель належить до галузі механічних досліджень деталей машин, а саме до способу випробування на контактну взаємодію залізничних рейок і коліс, призначеного для досліджування взаємодії натурних залізничних рейок і коліс при основних реальних параметрах їх експлуатації з можливістю прогнозування ресурсу та обґрунтовування заходів по вдосконаленню рухомого складу залізниці та режимів його експлуатації. Найбільш близьким до пропонованого за технічною суттю та за кількістю суттєвих ознак є спосіб випробування на контактну взаємодію залізничних рейок і коліс, під час якого зразок фрагмент рейки обкочують натискним роликом у поздовжньому напрямку і реєструють параметри навантаження та ознаки руйнування, за якими визначають стан контактної зони 7 [Патент на винахід № 2253112 Росія, МПК G01N 33/20, G01N 3/56, G01M 7/00, Опубліковано: 27.05.2005]. Під час руху і рейки, і колеса одночасно з дією зусиль, переважно, стиску на криволінійних ділянках піддаються і дії ковзання, що суттєво впливає і на ресурс рейок, і на ресурс рухомого складу через підвищене деформування і знос у момент проходження криволінійних ділянок колії. Згаданий спосіб не дозволяє отримати дані щодо впливу ковзання під час контактної взаємодії залізничних рейок і коліс на їх ресурс, а тому є недостатньо достовірним. В основу пропонованої корисної моделі поставлена задача створення більш достовірного способу випробування на контактну взаємодію залізничних рейок і коліс, за рахунок створення умов для отримання даних щодо впливу ковзання під час контактної взаємодії залізничних рейок і коліс на їх деформацію та ресурс. Пропонований, як і відомий спосіб випробування на контактну взаємодію залізничних рейок і коліс, під час якого зразок - фрагмент рейки обкочують натискним роликом у поздовжньому напрямку і реєструють параметри навантаження, деформування та ознаки руйнування, за якими визначають стан контактної зони, а, відповідно до пропонованої корисної моделі, натискний ролик виготовляють у вигляді зразка - фрагмента реального залізничного колеса із збереженням параметрів його робочих поверхонь і циклічно зворотно-поступально перекочують його по зразку-фрагменту рейки при заданому значенні навантаження і одночасно виконують регульоване взаємне переміщення ковзання згаданих зразків, значення якого задають за умови дотримання реального ковзання колісної пари на певній криволінійній ділянці шляху. Запропонований спосіб експериментального дослідження контактної взаємодії залізничних рейок і коліс полягає в наступному. Із натуральної рейки беруть відрізок (зразок-рейка, далі рейка), довжина якого більша за характерну відстань між шпалами. З колеса або з ободу колеса вирізають фрагмент (зразок-колесо, далі - колесо) із збереженням робочих поверхонь, довжина дуги котрого більша за 10 розмірів контактних зон при максимальному навантаженні. Рейку розміщують на опорах (наприклад, циліндричних), відстань між якими (прогін) є регульованою. В центрі прогону розміщують колесо, площина круга якого утворює регульований кут з поздовжньою віссю рейки. Величину цього кута вибирають з урахуванням реального положення колеса на прямолінійній і криволінійній ділянках шляху. Колесо притискають до рейки заданою силою, величину якої регулюють в широкому діапазоні, що охоплює експлуатаційні значення, і циклічно зворотно-поступально перекочують по рейці. Зусилля до колеса прикладають або при двох напрямках перекочування, або при одному напрямку. До переміщення колеса при обкочуванні додається дозоване переміщення при ковзанні, величину якого обирають з розрахунку реального ковзання колісної пари на криволінійному шляху. В зоні контакту відомими засобами створюють певні умови зовнішнього середовища (температура, вологість, агресивні середовища, абразивний пил, тощо). Періодично протягом експерименту відомими засобами контролюють і реєструють стан контактної зони і ознаки руйнування. Суть пропонованого способу пояснюється схематичними кресленнями. На фіг. 1 показана установка, що дозволяє реалізувати пропонований спосіб. На фіг. 2 - вузол установки з механізмом регульованого взаємного переміщення ковзання зразків - фрагмента реального залізничного колеса та зразка-фрагмента рейки. Установка, що дозволяє реалізувати пропонований спосіб, складається із станини, що включає основу 1 та стояки 2 і 3. На основі 1 розміщений натискний брус 4 і захват 5 для зразка - фрагмента рейки - з осьовими упорами 6 і пересувними циліндричними опорами 7, на яких встановлений зразок-рейка 8. Зразок-колесо 9 закріплений на секторі 10 - деталі, через яку здійснюється навантаження на зразок-колесо 9 і його перекочування по зразку-рейці 8. Сектор 10 горизонтальним шарніром з'єднаний з рамкою 11, яка, в свою чергу, вертикальним шарніром з'єднана з важелем 12. Завдяки вертикальному шарнірові рамка 11 разом з сектором 10 і зразком-колесом 9 можуть бути зафіксовані під певним кутом до поздовжньої осі важеля 12. Положення важеля 12 встановлюють за допомогою шкали 13 і ноніуса 14. Така установка дозволяє імітувати проходження колесом криволінійних ділянок колії. Один кінець важеля 12 1 UA 93377 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 шарнірно з'єднаний шатуном 15, що також шарнірно з'єднаний із стояком 2. На іншому, довгому, плечі важіль (співвідношення плечей складає 1:6) через пружний елемент 16 з'єднаний з пневмоциліндром 17, який живиться стисненим повітрям від компресора 18 із вбудованим ресивером (не показано). Зусилля від пневмоциліндра 17, що контролюється по деформації пружного елемента 16, протягом експерименту, як правило не змінюється, і в даному виконанні машини може досягати 2 тон, яке на зразку-рейці 8 трансформується у 12 тон, що відповідає максимальним реальним значенням навантаження на ділянці контакту рейки і колеса. Для здійснення циклічного переміщення колеса по рейці в заданому режимі використаний корбовошатунний механізм, забезпечений електроприводом 19, що розташований на стояку 3. Корба 20 з'єднана через шатун 21 і пружний елемент 22 з важелем 12 для здійснення зворотнопоступального руху при одночасній дії навантаження від пневмоциліндра 17. На корбі ексцентрично закріплений підшипник 23, який при проходженні верхньої частини своєї траєкторії взаємодіє із змінним упором 24 важеля 12 і піднімає його, забезпечуючи розвантаження ділянки контактування зразків 8 і 9 на час відповідної частини циклу. Якщо упор 24 зняти, то дія навантаження на ділянку контактування зразків 8 і 9 буде відбуватись при обох напрямках циклу. При зменшенні розміру упору 24 можливі варіанти з розвантаженням під час меншої частини півциклу. Для відтворення реальних процесів на контакті зразків 8 і 9, пов'язаних із тертям ковзання, що супроводжує перекочування колеса по рейці, установка забезпечена механізмом 25. Механізм 25 нерухомо прикріплений до основи 1 і включає ролик 26, встановлений у направляючих 27, виконаних у нижній частині сектора 10, призначених для встановлення ролика 26 на визначеній відстані від ділянки контакту зразків 8 і 9. Установка також забезпечена системою управління, що включає блок управління, як такий використано персональний комп'ютер з відповідним програмним статком та датчики деформації і навантаги, що встановлені на відповідних захватах (не показано). В установці є пристрої для охолодження та нагрівання ділянки контакту зразків-фрагментів рейки 8 та колеса 9 (від -50 °C до +50 °C), створення вологості (від 20 % до 100 %) та дії на ділянку контакту зразків 8 і 9 піску та пилу (до 2 5 г на см ), що дозволяє відтворювати реальні параметри чинників експлуатації залізничної колії (не показано). Приклад. Попередньо вибирали довжину зразка-фрагмента рейки 8 з умови щоб вона була рівною або більшою за відстань між шпалами. Виготовляли натискний ролик у вигляді зразка фрагмента реального залізничного колеса 9 із збереженням параметрів його робочих поверхонь, довжина дуги L , якого відповідала виразу L  10K , де K - розмір контактної зони при максимальному навантаженні. Зразок-фрагмент рейки 8 циклічно зворотно-поступально обкочували зразком - фрагментом реального залізничного колеса 9 при заданому значенні навантаги, яке здійснювали через важіль 12 за допомогою пневмоциліндра 17. Одночасно з навантаженням ділянки контакту зразків 8 і 9 виконували регульоване взаємне переміщення ковзання згаданих зразків, значення якого задавали за умови дотримання реального ковзання колісної пари на певній криволінійній ділянці шляху. Для пояснення роботи згаданого механізму позначимо відстань від осі обертання сектора 10 із зразком 9 до поверхні зразка-рейки 8 через r0 . Якщо ролик 26 закріплено на рівні контакту, то обертання сектора при переміщенні важеля 12 буде відбуватись навколо точки контакту, тобто при чистому перекочуванні. Якщо ж ролик 26 опустити нижче рівня контакту, то обертання сектора 10 при переміщенні важеля 121 буде відбуватись не навколо точки контакту, а навколо центру ролика 26. При цьому зразок-колесо 9 буде одночасно перекочуватись і ковзати по робочій поверхні зразка-рейки 8. Позначимо новий радіус обертання, тобто відстань між осями сектора 10 і ролика 26, через r1 . Тоді при r0  r1 взаємодія зразків рейки 8 і колеса 9 відбувається в режимі чистого обкочування. При r0  r1 до обкочування додається ковзання. В цьому випадку, якщо важіль 12 проходить шлях x , то точка на ободі описує дугу довжиною x * (r0 / r1) . Різниця цих відстаней складає величину ковзання s(x) : s( x )  x  x 50 55 k  1  r  r0  x1  0   kx . (1)  r1 r1    r0 . (2) r1 Таким чином, коефіцієнт k , назвемо його коефіцієнтом ковзання, визначає, яку частину переміщення колесо проходить в режимі чистого ковзання. Знайдемо цей коефіцієнт при проходженні колісною парою криволінійної ділянки шляху. Для цього визначимо різницю довжин зовнішньої і внутрішньої дуг криволінійного шляху, яка дорівнює переміщенню одного з коліс пари в режимі чистого ковзання, і віднесемо її до повного шляху (до довжини зовнішньої дуги). 2 UA 93377 U Довжина зовнішньої дуги криволінійного шляху, що відповідає центральному куту повороту  , дорівнює L1  R . (3) 5 де R - радіус шляху. Радіус внутрішньої дуги менший на ширину колії A . Відповідно, довжина внутрішньої дуги, що відповідає тому ж куту  , дорівнює L2  (R  A) . (4) Коефіцієнт ковзання дорівнює k 10 L1  L 2 R  (R  A ) A   . (5) L1 R R З рівнянь (2) і (5) знайдемо положення ролика криволінійному шляху r1  r0 15 20 25 30 35 40 r1 для відтворення ковзання на R . (6) RA Наприклад, при радіусі шляху R  500м ; ширині колії A  1524м ; r0  0,36 м положення , регулюючого ролика r1  0,3611м . Тобто ролик необхідно перемістити вниз на 1,1 мм. В дослідницьких цілях з метою випробувань матеріалів на зносостійкість в більш жорстких умовах коефіцієнт ковзання збільшують. Слід також відзначити таку особливість. Якщо регулюючий ролик знаходиться нижче точки контакту, то напрямок ковзання збігається з напрямком перекочування, а якщо вище, то напрямки перекочування і ковзання протилежні. При цьому параметри механічного навантаження відповідали експлуатаційним. Згадані параметри механічного навантажування задавали блоком управління. Періодично протягом експерименту відомими, зокрема оптичними, засобами контролювали і реєстрували стан контактної зони і фіксували ознаки руйнування. Пропонований спосіб, за рахунок створення умов для отримання даних щодо впливу ковзання під час контактної взаємодії залізничних рейок і коліс при основних реальних параметрах експлуатації, дозволяє підвищити достовірність випробувань і одержати коректні дані для прогнозування ресурсу та надання обґрунтованих пропозицій по вдосконаленню зокрема рухомого складу залізниці та режимів його експлуатації. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Спосіб випробування на контактну взаємодію залізничних рейок і коліс, під час якого зразок фрагмент рейки обкочують натискним роликом у поздовжньому напрямку і реєструють параметри навантаження, деформування та ознаки руйнування, за якими визначають стан контактної зони, який відрізняється тим, що натискний ролик виготовляють у вигляді зразка фрагмента реального залізничного колеса із збереженням параметрів його робочих поверхонь і циклічно зворотно-поступально перекочують його по зразку-фрагменту рейки при заданому значенні навантаження і одночасно виконують регульоване взаємне переміщення ковзання згаданих зразків, значення якого задають за умови дотримання реального ковзання колісної пари на певній криволінійній ділянці шляху. 3 UA 93377 U Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4