Измерения динамических показателей воздействия опытного экипажа на путь имеют целью установить, главным образом, максимальные значения этих показателей и определить условия, при которых будет обеспечена безопасность движения экипажа по прочности и устойчивости пути. Аналогом этому, при испытаниях машин, является стремление установить место и характер напряженного состояния в наиболее напряженной зоне конструкции машины.
При изучении динамики пути необходимо прежде всего наметить наиболее напряженные зоны на испытуемом пути, в которых четко прослеживаются и недостатки в динамических характеристиках экипажа. Разумеется, такие исследования возможны только на коротких участках испытательного пути, т. е. на полигоне.
Напряженные зоны на пути полигона определяются в так называемых рекогносцировочных поездках опытных экипажей по полигону с измерением динамических показателей на опытных экипажах. При этом производится привязка динамических показаний на экипаже к точкам на пути. Для этого применяют установленные на пути и экипажах специальные индуктивные или контактные отметчики прохождения опытного экипажа через те или иные точки пути. Сигналы, возникающие при прохождении таких отметчиков, регистрируются на записях динамических процессов, получаемых на опытном подвижном составе.
Определяющими параметрами при выборе зоны измерения динамических процессов на пути служат наибольшие значения наблюдаемых на экипаже вертикальных и горизонтальных поперечных динамических сил при максимальных скоростях его движения или неблагоприятные сочетания этих сил. Заметим, что для этой цели наиболее эффективным методом определения указанной зоны является использование измерительных колесных пар. В намеченной наиболее напряженной зоне пути окончательно определяются точки установки приборов. Для этого последовательно на кромке подошвы рельса подряд во всех шпальных ящиках этой зоны устанавливается 40—50 съемных тензорезисторов и в рекогносцировочных поездках опытного экипажа регистрируются в них напряжения. Затем эти тензорезисторы переставляют на кромки подошвы рельсов в следующей группе шпальных ящиков, и опыт повторяется. Таким образом обследуется примерно 50—70 м участка пути на выбранной зоне наибольших динамических воздействий. В местах, где наблюдались наибольшие напряжения, устанавливают приборы на весь период испытаний.
При оценке воздействия экипажа на пути различных конструкций определяют в местах установки приборов: динамические напряжения в кромках подошвы рельсов; силы, передаваемые рельсом шпале; упругие общие деформации рельсов (вертикальные и горизонтальные упругие прогибы, динамические изменения ширины колеи и подуклонки рельсов); вертикальные и поперечные горизонтальные динамические силы, воспринимаемые рельсами; остаточные вертикальные горизонтальные продольные и поперечные перемещения рельсов.
В исследовательских целях определяют также нормальные напряжения на основной площадке земляного полотна, напряжения в рельсовых скреплениях и т. п.
Динамические напряжения в кромках подошвы рельсов измеряют обычно тензорезисторами с базой 17—20 мм; эти измерения ведутся или по одной, наиболее напряженной кромке рельса (в кривых, например, — на наружной кромке наружного рельса), или по обеим кромкам строго в одном сечении рельса.
Вертикальные и горизонтальные силы, передаваемые рельсами шпалам, измеряются с помощью специальных измерительных подкладок с установленными на них силомерными элементами.
Рис. 141. Измерение вертикальных (а) и горизонтальных (б) динамических усилий, передаваемых рельсом шпале:
1 — силомерная подкладка; 2 — рельс; 3 — вертикальные силомеры; 4 — тензорезнсторы; 5 — выводы от тензорезисторов; 6 — горизонтальные силомеры
Конструкции вертикального и горизонтального силомерных элементов, разработанных во ВНИИЖТе инж. Л. А. Гречишниковым, показаны на рис. 141. Эти приборы также построены с применением тензорезисторов, включаемых в мостовую схему.
Измерение упругих деформаций рельсов производится электрическими прогибомерами (с ходом до 15 мм) по схемам, предложенным Л. А. Гречишниковым (рис. 142). При измерении упругих вертикальных прогибов рельсов свая, относительно которой они измеряются, должна быть забита на глубину не менее 2—3 м, иначе возникают погрешности измерений, связанные с вертикальными упругими перемещениями самой сваи вместе с основанием пути.
Рис. 142. Схема измерений упругих динамических горизонтальных (а), вертикальных (б) деформаций рельсов, динамических изменений ширины колеи (в) и подуклонки (г):
1 — рельс; 2 — гибкий трос; 3 — электропрогибомер; 4 — пружина; 5 — сваи; 6 — столик для прогибомера; 7 — блок
Рис. 143. Схема измерения в заданном сечении рельса динамических вертикальных Q и боковых Yб сил, передаваемых колесами подвижного состава:
1, 2, 3, 4, 5, 6 - тензорезисторы
Остаточные вертикальные, горизонтальные продольные и поперечные перемещения рельсов определяются прямыми измерениями этих перемещений линейкой или с помощью устройства для измерения положения по уровню относительно установленных непосредственно вблизи Пути или прямо на пути неподвижных реперов.
Весьма эффективным методом измерения вертикальных и боковых сил, воспринимаемых рельсом в данном его сечении или на очень коротком отрезке рельса (порядка 1,0 м), является метод Шлумпфа, впервые примененный в Швейцарии. Этот метод заключается в следующем. Если включить датчики (тензорезисторы) 3 и 4 (рис. 143) в сечении рельса В в схему моста Уитстона таким образом, чтобы ток в диагонали моста был пропорционален абсолютной величине суммы их деформаций, то эта величина, очевидно, будет пропорциональна действующей на рельс вертикальной силе. Для получения численной зависимости между суммарной деформацией, измеренной датчиками 3 и 4, и вертикальной силой рельс нагружается вертикальными усилиями разного значения в том сечении, где стоят датчики, и фиксируются их показания при каждом значении вертикальной нагрузки.
Метод измерения приложенной к рельсу боковой силы [232] сводится к измерению изгибающих моментов в шейке рельса в точках А и С (датчиками 1, 2 и 5, 6):
где h1, h2 — плечи приложения силы Yб, в — эксцентриситет приложения вертикальной нагрузки.
Отсюда
Точки А и С выбирают так, чтобы моменты сопротивления горизонтальных сечений, проходящих через эти точки, были равны, а наклеенные вертикально на шейку рельса датчики в точках А и С испытывали деформации, пропорциональные действующим моментам МА и МC. Это достигается подбором одинаковой толщиной шеек рельсов по оси датчиков в точках А и С.
Моменты сил МА и МC вычитаются электрически в мостовой схеме включением датчиков в сечении А в одно плечо моста, а датчиков в сечении С — в другое плечо.
Для тарировки этой схемы к рельсу прикладываются вертикальные и горизонтальные силы. При приложении к головке рельса вертикальной силы (с эксцентриситетом) схема не должна быть чувствительна к этой силе, а между показаниями датчиков в схеме и значениями боковой нагрузки должна соблюдаться четкая линейная зависимость. Опыты А. К. Шафрановского [230] подтвердили такие возможности описанной схемы.
Несколько схем, установленных в смежных близких сечениях рельса (на расстоянии не более 150 мм), можно объединить в единую схему. При этом силы на отрезке рельса длиной около 1 м можно регистрировать непрерывно. Однако чувствительность такой схемы и точность определения сил снижаются.
Все источники питания датчиков и регистрирующая аппаратура размещаются в вагоне-лаборатории, который ставят в специально сооружаемом тупике, расположенном рядом с действующим испытательным путем. Датчики на пути соединяют с аппаратурой вагона-лаборатории специальными кабелями.
В специальных испытаниях по воздействию опытных экипажей на стрелочные переводы предусматривают регистрацию динамических напряжений в рамных рельсах, остряках, переводной кривой, болтах контррельсов и других элементах. Все измерения производятся тензорезисторами так же, как и в верхнем строении главного пути.
Получаемые при поездках опытного экипажа данные по измерениям динамических процессов в пути и подвижном составе подвергаются обработке по специальным методикам.