Введение

В современной промышленности при производстве продукции очень большое внимание уделяется её качеству и безопасности использования конечным потребителем. В сложных изделиях, например в железнодорожных вагонах, количество внешних и внутренних факторов влияющих на безопасность столь велико, что учесть их все невозможно без применения различных технических средств. Особенную роль здесь играют различные преобразователи и датчики. Измерительный преобразователь как средство измерений является преобразователем входного измерительного сигнала в выходной сигнал, более удобный для дальнейшего преобразования, передачи, обработки вычислительными устройствами или хранения, но не пригодным для непосредственного восприятия наблюдателем (это задача измерительного прибора, в состав которого может входить один или несколько преобразователей).[17] На сегодняшний день количество видов и конструкций датчиков колоссально. Интересующие нас преобразователи линейных перемещений так же довольно разнообразны, и нет проблемы подобрать подходящий.

Тема данного курсового проекта – преобразователи линейных перемещений, а именно линейных перемещений в рессорном подвешивании вагона. То есть, разрабатываемый преобразователь имеет довольно узкую сферу применения, что, однако, не умаляет его важности. Регистрация и контроль избыточных перемещений буксы в рессорах вагонов помогают предпринять меры по предотвращению поломок и избежать развития процессов разрушения узлов, тем самым способствуя повышения срока службы, а возможно и предотвращению серьёзных аварий, результат которых, как известно, может стать довольно печальным.

Для достижения поставленной цели было рассмотрено множество различных преобразователей с различным принципом действия и выбран один, для дальнейших расчетов и проектирования.

1. К вопросу о понятии измеряемого объекта

Данная курсовая работа посвящена очень серьёзной и актуальной проблеме: линейные перемещения. Под перемещением объектов подразумевается их передвижение из одного положения в другое, находящееся от первого на определённом расстоянии или под определённым углом. Определение положения физических объектов и их перемещений является важной функцией многих автоматизированных систем. Она необходима в системах управления транспортными потоками, в охранных системах, без неё не может обойтись ни один станок или робот. Большинство датчиков перемещений являются статическими устройствами, быстродействие которых, как правило, не сказывается на рабочих характеристиках систем.

Итак, данная работа посвящена линейным перемещениям и в качестве объекта её исследования предлагается рассмотреть железнодорожные вагоны, а именно – рессорное подвешивание этих вагонов. Рессора, по определению, это упругий элемент подвески транспортной машины (в данном случае вагона), передающий нагрузку кузова на ходовые тележки, колёса, гусеницы, лыжи, полозья и т.п. и смягчающий толчки и удары при прохождении по неровностям пути. Основные виды рессор: пружинные, листовые и торсионные. В ходовых частях современных вагонов наибольшее распространение получили пружинные рессоры с витыми цилиндрическими пружинами, которые по сравнению с применяемыми ранее листовыми рессорами позволяют получать необходимые упругие характеристики при меньших массах и габаритных размерах, а в сочетании с гасителями колебаний, обеспечивать более спокойный ход вагона. В силу своих преимуществ пружинные рессоры почти вытеснили широко применяемые ранее листовые.[19 - 21]

Из большого количества типов и видов железнодорожных вагонов для исследования выбираем пассажирские, т.к. плацкартные пассажирские вагоны – это наиболее распространенный вид транспорта для переездов на дальние расстояния в нашей стране. Кроме того, выбор пассажирских вагонов обусловлен тем, что в них необходимо не только соблюдение надежности рессорного подвешивания, но и очень важен комфорт пассажиров.

Как уже отмечалось ранее, рессора – это упругий элемент, т.е. элемент, испытывающий упругие деформации. Тогда вполне закономерен вопрос: при чём здесь линейные перемещения? Ответ состоит в том, что рессорное подвешивание поездов – сложная и многоступенчатая конструкция, содержащая в себе множество элементов. В частности буксу (рис. 1).

Рисунок 1 – Корпус буксы пассажирского вагона

Букса – важнейший элемент ходовой части вагона. На рисунке 1 показана конструкция буксы пассажирского вагона. Главной её особенностью и, одновременно, отличием от букс грузовых вагонов, является то, что она в нижней части с обеих сторон имеет кронштейны с отверстиями для шпинтонов. На кронштейны опираются пружины буксового подвешивания, а на них — рама тележки. Буксы воспринимают и передают колесным парам силы тяжести груженого кузова, а также динамические нагрузки, возникающие при движении вагона. Буксы предохраняют шейки оси от загрязнения и повреждения, являясь резервуаром для смазки и местом размещения подшипников, они ограничивают продольные и поперечные перемещения колесных пар относительно рамы тележки (рис. 2).[20]

Итак, букса – это элемент рессорного подвешивания, испытывающий при движении, в том числе, вертикальные линейные перемещения. Эти перемещения и станут объектом нашего исследования.

Колёсная пара

ось

буксы

Рама тележки

Рисунок 2 – центральное люлечное подвешивание пассажирских вагонов

В связи с этим необходимо привести схемы рессорного подвешивания вагонов, которая для грузовых и пассажирских составов различна. В частности, в тележках пассажирских вагонов, которые предлагается исследовать, широко распространено двухступенчатое подвешивание, которое бывает буксовым и центральным (рис. 3).[21]

Рисунок 3 – Схемы подрессорного подвешивания

На рисунке 3 наглядно показано, что букса (1) (рис. 1, а) при деформациях упругого элемента (пружины) будет испытывать вертикальные линейные перемещения, значения которых, в случае превышения допустимых, могут серьёзно повлиять на дальнейшую работоспособность конструкции, а так же и на комфорт пассажиров, которые будут испытывать при этом ощутимые толчки или тряску.

Таким образом, актуальность измерения и контроля линейных перемещений буксы в конструкциях рессор вагонов представляется несомненной. Более того, в современных вагонах использование электроники только возрастает. К этому относятся регулирование уровня, системы наклона вагона, изменяющиеся приспособления уровня (например, выравнивание при износе колёс или проседании), система информации и диагностики характеристик транспортного средства. Да и в тех же буксах имеется несквозное отверстие с резьбой М16х1,5 мм, служащее для крепления термодатчика контроля состояния буксы при движении вагона.

Факторы, провоцирующие упругие деформации рессор вагона, а, соответственно, линейные перемещения буксы, могут быть различными. Поезд фактически движется не по ровным и гладким  рельсам, какими они кажутся на вид, а по рельсам, имеющим неровности. Такие же неровности есть и на поверхности катания колес. По мере износа (в период эксплуатации локомотива, между обточками колесных пар) эти поверхности становятся неточными окружностями. При наезде колеса на неровности рельсов, и особенно на стыки, возникают удары, и тем сильнее, чем выше скорость. Сила ударов, напоминающих удары молота по наковальне, при скорости 100—120 км/ч достигает нескольких сотен килоньютонов (десятков тонно-сил). Кроме того, загруженность вагона пассажирами или грузом также существенно влияет на работу рессор.

Условия эксплуатации поездов в нашей стране довольно суровы. Это и суровые зимние холода, и летний палящий зной. Поэтому предполагаемый разрабатываемый преобразователь должен обладать высокой надёжностью, высокой устойчивостью к внешним воздействиям и вибрациям. Кроме того, как уже было отмечено, когда колесная пара проходит какую-либо неровность пути (стыки, крестовины и т.п.), возникают динамические нагрузки, в том числе ударные. Так же следует учитывать и движение поезда по кривой, которое вызывает действие центробежной силы. Вследствие этого ход поезда на закруглениях не должен превышать определённой скорости, иначе поезд рискует быть опрокинутым в направлении действия центробежной силы. Для того чтобы хоть отчасти нейтрализовать её действие, наружный рельс на закруглении всегда прокладывается несколько выше, чем внутренний, что вызывает неравномерную работу упругих элементов подвески.[20] Будущий преобразователь должен быть хорошо защищён от внешних воздействий, таких как грязь, снег, вода и прочих. Ощутимо влияет на работу любого преобразователя и температура окружающей среды, которая в течение всего года (учитывая, что большинство железно-дорожных путей в нашей стране проложено в зонах с умеренным климатом) может меняться в диапазоне примерно от -30до +30. Наряду с температурой учитываем так же атмосферное давление, влажность воздуха и прочие факторы внешней среды.

Итак, в соответствии с ГОСТ 15150-69* устанавливаем климатическое исполнение для будущего преобразователя УХЛ2. Данное исполнение охватывает довольно широкий климатический диапазон (макроклиматические районы с умеренным и холодным климатом). К данным районам относят такие, где  средняя из ежегодных абсолютных максимумов температура воздуха равна или ниже плюс 40°С, а средняя из ежегодных абсолютных минимумов температура воздуха равна или выше минус 45°С. Среднегодовое значение относительной влажности воздуха в таких районах составляет 75 % при 15°С. Цифра 2 в обозначении исполнения указывают на то, что преобразователь предполагается эксплуатировать в объеме (или оболочке), где колебания температуры и влажности воздуха несущественно отличаются от колебаний на открытом воздухе, и имеется сравнительно свободный доступ наружного воздуха. В силу этих же обстоятельств не учитываем интенсивность дождя и скорость ветра. Рекомендовано использование пыленепроницаемой оболочки.