Обзор и анализ конструкций тензометрических колесных пар

Выполнен обзор и анализ конструкций тензометрических колесных пар, применяемых для измерения поперечных, продольных и вертикальных сил в точке контакта колеса и рельса. Использование тензометрических колесных пар — важный инструмент для проведения исследований и испытаний подвижного состава. Актуальность его применения возрастает при повышении осевых нагрузок и увеличении скоростей движения. Кроме того, применяемые в настоящее время тензометрические колесные пары позволяют реализовывать различные методы регистрации (кусочно-непрерывные, непрерывные) вертикальных и боковых сил взаимодействия в системе «колесо — рельс» за один оборот колеса. Точечные методы измерения воздействия подвижного состава на железнодорожный путь по деформациям, возникающим в рельсе, позволяют измерить силу между колесом и рельсом только в момент расположения колеса над измерительным сечением, расположенным на участке железнодорожного пути. Основным недостатком применения существующих тензометрических колесных пар для диагностики состояния железнодорожного пути является ограничение в шаге регистрации силового воздействия. Для диагностики состояния железнодорожного пути с использованием тензометрической колесной пары вероятность обнаружения сходоопасного участка пути недостаточно высока и возникает задача ее увеличения.
Выполнен ретроспективный анализ истории применения тензометрических колесных пар, определены основные этапы эволюции конструкций. Рассмотрены особенности конструкций современных отечественных и зарубежных тензометрических колесных пар и методы регистрации измерений вертикальных и боковых сил, действующих между колесом и рельсом. Сделан вывод об основных направлениях развития и требованиях к тензометрическим колесным парам. Описана конструкция и характеристики тензометрической колесной пары с непрерывной регистрацией измерений, разработанной учеными ПГУПС и сотрудниками АО «НВЦ “Вагоны”», обладающей минимальным расстоянием шага регистрации силового воздействия из известных в настоящее время отечественных конструкций, а также специальным программным обеспечением, применяемым для обнаружения сходоопасных участков железнодорожного пути. 

1. Шафрановский, А.К. Непрерывная регистрация вертикальных и боковых сил взаимодействия колеса и рельса // Труды ЦНИИ МПС. – М.: Транспорт, 1965. Вып. 308. 96 с.

2. Olson, P.E., Johnsson S. (1959), “Seit enkräfte zwischen Rad und Schiene”, Glasers Annalen, pp. 153-161.

3. Olson, P. E. and S. Johnsson, (1960), Lateral forces between wheels and rails - an experimental investigation, ASME Paper No. 60-RR-6, also in Anthology of Rail Vehicle Dynamics, Vol. III, Axles, Wheels and Rail-Wheel Interaction, S. G. Guins and C. E. Tack, Editors, American society of Mechanical Engineers, New York, pp. 253-261.

4. Koci, L. F. and H. A. Marta, (1965), Lateral loading between locomotive truck wheels and rail due to curve negotiation, ASME Paper No. 65-WA/RR-4, also in Anthology of Rail Vehicle Dynamics, Vol. III, Axles, Wheels and Rail Wheel Interactional S. G. Guins and C. E. Tack, Editors, American Society of Mechanical Engineers, New York, pp. 119-129.

5. Konishi, S. (1967), Measurement of loads on wheel sets, Japan ese Railway Engineering, 8, (3), 26-29.

6. Allen, R.A. A Superior Instrumented Wheelset, Wheel/Rail Dynamics Society, (1980).

7. Bižić, M., Petrović, D. Design of instrumented wheelset for measuring wheel-rail interaction forces. Metrology and Measurement Systems (2023): n. pag.

8. Iwnicki, Simon. (2006). A Handbook of Railway Vehicle Dynamics. 10.1201/9781420004892.ch1.

9. Berg, H., Gößling, G., Zück, H., Radsatzwelle und Radscheibe – die richtige Kombination zur Messung der Kräfte zwischen Rad und Schiene, ZEV - Glasers Annalen, 120(2), pp. 40-47, (1996).

10. Modransky, J., Donnelly, W. J., Novak, S. P. and Smith, K. R., (1979), Instrumented locomotive wheels for continuous measurements of vertical and lateral loads, ASME Paper No. 79-RT-8, American Society of Mechanical Engineers, New York.

11. Anon. (1975), Instrumentation for measurement of forces on wheels of rail vehicles, Rpt. No. FRA-ORDeD-75-11, Association of American Railroads, Chicago IL and ENSCO, Inc., Springfield VA (PB-247154).

12. Prause, R. H. and H. D. Harrison, (1975), Data analysis and instrumentation requirements for' evaluating rail joints and rail fasteners in urban track. Rpt. No. DOT-TSC-UMTA-75-2, Battelle Columbus Laboratories, Columbus OH.

13. Dolecki E. A. and C.E. Hartzell, (1974), Operating and ride qualities, three axles, floating bolster truck, GE Tech. Infor. Series, DF74LC2690, General Electric Co., Erie PA.

14. ENSCO, (1977), SPD-40F/E-8 locomotives - test results report: dynamic performance testing, Rpt. No. DOT-78-10, Vol. II, ENSCO, Inc., Engineering Test § Analysis Div., Alexandria VA.

15. Tong, P., R. Brantman, R. Greif and J. Mirabella, (1979), Tests of the Amtrak SDP-40F train consist conducted on Chessie System track, Rpt. no. DOT-TSC-FRA-79-14, DOT/Transportation Systems Center, Cambridge MA.

16. Ericksson, S. and Nellgran, A. (1978), Improved signal conditioning methods for measuring the vertical forces at the wheel/rail interface, ZEV-Glas. 102, (5), 143-146.

17. Burada, C., Buga, M. Nailescu L. and Popistas, A. (1978), Possibilities to improve sensitivity of the methods for the Q-force measuring by means of spoke wheels and disk wheels, pp. 3-4-1 through 3-4-18 in Proceeding of the Sixth International Wheelset Congress, Colorado Springs CO, October.

18. Instrumented wheelset technology IWT 5. [Электронный ресурс]. — URL: https://www.tuvsud.com/en/-/media/global/pdf-files/brochures-and-infosheets/rail/220830_tuv_sud_iwt5_infosheet_final.pdf (дата обращения: 11.03.2025).

19. Railway technology. Instrumented Wheelset. [Электронный ресурс]. — URL: https://www.railway-technology.com/products/instrumented-wheelset/ (дата обращения: 11.03.2025).

20. ENSCO. Официальный сайт. [Электронный ресурс]. — URL: https://www.ensco.com/rail/instrumented-wheel-sets-iws (дата обращения: 11.03.2025).

21. Петров, А. А. Ходовые испытания грузовых вагонов с применением тензометрической колесной пары : специальность 05.22.07 "Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация" : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Петров Антон Анатольевич, 2019. – 125 с. – EDN EXAXFT.

22. Акашев, М. Г. Уточнение методики оценки процессов взаимодействия колес грузового вагона и рельсов с применением тензометрической колесной пары : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Акашев Михаил Геннадьевич, 2023. – 180 с. – EDN DOVTBM.

23. Патент № 2441206 Российская Федерация, МПК G01L 5/16 (2006.01), G01L 1/22 (2006.01). Устройство для измерения боковых и вертикальных сил взаимодействия колеса с рельсом: № 2010144830/28: заявл. 02.11.2010: опубл. 27.01.2012 / О. Г. Краснов, А. Л. Бидуля, В. С. Коссов, Н. Н. Астанин; заявитель ОАО «РЖД». – 7 с.: ил. 21.

24. Коссов, В. С. Тензометрическая колесная пара для подвижного состава с осевой нагрузкой до 30 тс / В. С. Коссов, О. Г. Краснов, М. Г. Акашев // Транспорт Российской Федерации. – 2017. – № 6(73). – С. 68-69. – EDN ZXMITH.

25. Патент RU 2682567 C1 Российская Федерация: МПК G01L 1/22 (2006.01). Устройство сбора информации и способ оценки результатов взаимодействия между колесом и рельсом / А. В. Третьяков, К. В. Елисеев, М. В. Зимакова, А. А. Петров, П. В. Козлов; заявитель и патентообладатель АО «НВЦ «Вагоны». – № 2017143085. – Заявл. 08.12.2017 г.; опубл. 19.03.2019 г. – 13 с.

26. Мониторинг технического состояния железнодорожного пути с использованием метода непрерывной регистрации динамических процессов, возникающих при взаимодействии подвижного состава и пути / Ю. П. Бороненко, А. В. Третьяков, Р. В. Рахимов [и др.] // Бюллетень результатов научных исследований. – 2021. – № 3. – С. 66-82. – DOI 10.20295/2223-9987-2021-3-66-82. – EDN GWYOJB.