CN101368842A - 一种新型轨道动态称重方法 - Google Patents

Abstract

一种新型轨道动态称重方法，在称重轨道的两个支点之间距两个支点等距离设置两个测重点，测重点设在轨道的侧面水平向的中心轴线上，在测重点表面上附着一层非晶态合金薄膜层，在非晶态合金薄膜层外固定有传感器，所述的传感器采用三磁极“E”型整体铁芯，中间磁极绕有励磁线圈，两端磁极绕有测量线圈，两测量线圈正向串连，传感器的中间磁极对准轨道侧面水平向的中心轴线，两端磁极在上述的中心轴线的两侧，传感器与中心轴线之间的交角为135±1°或45±1°，通过检测测量线圈输出电压的变化量，从而测量出轨道所受力的大小。结构简单，使用维护方便；传感器信号强，工作可靠；适应室外恶劣工作环境，使用寿命长；灵敏度高，响应快。

Description

一种新型轨道动态称重方法

技术领域

本发明涉及一种对运输货物进行测重的设备，特别是一种新型轨道动态称重方法。

背景技术

在铁路、矿山、港口、电力、冶金等广泛采用轨道运输的行业，对运输货物进行测重的设备称为轨道衡。轨道衡的作用不仅是计量，它还具有防止运输车辆偏载、超载，保障运输安全等功能。目前，经济发达国家广泛采用的轨道衡为无坑基动态轨道衡，它是利用传感器测量普通钢轨或经过特制的钢轨在车辆通过时的变形量来实现称重的系统。这种动态称重轨完全不要基坑和秤台，不改变原有轨下基础，所以安装方便快捷。另外，它称量时不断轨，速度高，不计量时不限速。但是，这种动态轨道衡要求称重系统的传感器应具有信号强、可靠性高、结构坚固、寿命长、适应室外恶劣工作环境等特点。

在以测量轨道变形为核心的无坑基动态轨道衡中，主要采用电阻应变片压式传感器和塞孔式剪力传感器。电阻应变片有较高的测试灵敏度和精度，但要将应变片长期牢固地粘贴于钢轨上依然是一个难题。塞孔式传感器信号强、可靠性高、结构坚固，寿命长(不少于500万次)，能适应室外恶劣工作环境，但由于轨道变形时，应力先要穿过磁芯柱，才能使其磁导率发生变化，所以这种传感器响应慢，限制了被测车辆车速的提高。另外，安装这种传感器时要先在钢轨腹板上钻1：30锥度的孔，该孔的加工精度要求较高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提出了一种使用维护方便、传感器信号强，灵敏度高，能适应室外恶劣工作环境的新型轨道动态称重方法。

本发明要解决的技术问题是通过以下技术方案来实现的，一种新型轨道动态称重方法，在称重轨道的两个支点之间距两个支点等距离设置两个测重点，测重点设在轨道的侧面水平向的中心轴线上，其特点是：在测重点表面上附着一层非晶态合金薄膜层，在非晶态合金薄膜层外固定有传感器，所述的传感器采用三磁极“E”型整体铁芯，中间磁极绕有励磁线圈，两端磁极绕有测量线圈，两测量线圈正向串连，传感器的中间磁极对准轨道侧面水平向的中心轴线，两端磁极在上述的中心轴线的两侧，传感器与中心轴线之间的交角为135±1°或45±1°，通过检测测量线圈输出电压的变化量，从而测量出轨道所受力的大小。

本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，通过等离子喷涂在测重点表面上形成非晶态合金薄膜层，非晶态合金薄膜层厚度为50～100μm。

本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，传感器通过压盖用螺栓与称重轨道紧固，在正对传感器中间磁极的压盖上设有螺纹孔，螺纹孔中装有调节螺钉。通过调节螺钉进一步将传感器与非晶态合金薄膜层钉紧，消除气隙。

当车辆通过称重轨道时，钢轨因加载发生弯曲弯形，钢轨中心轴线以上的部分受到压力，中心轴线以下的部分受到拉力，在中心轴线上既不受压又不受拉，属于纯剪切应力状态，沿45⁰和135⁰方向为最大和最小主应力方向。因此可在钢轨中心轴线位置安装剪切力称重传感器，通过剪切力信号大小进行称重。本发明的称重传感器的工作原理是基于非晶态合金的逆磁致伸缩效应。所谓逆磁致伸缩效应是指，磁场中的铁磁材料在力的作用下，其磁特性发生变化的特性。根据这一特性，采用特殊结构的传感器，检测铁磁材料磁导率的变化，就可以测量出其所受力的大小。但普通铁磁材料的逆磁致伸缩效应比较弱，导致测力精度和灵敏度比较低。非晶态合金具有显著的逆磁致伸缩效应，并且有较高的机械强度、抗腐蚀、耐辐射以及温度稳定性，很适合恶劣的工作环境。通过在被测材料表面牢固附着一层非晶态合金薄膜，使材料内部的应力变化转变为非晶态合金的磁特性变化，就可以实现高灵敏度和准确性的应力测量。根据逆磁致伸缩效应，被测铁磁材料的变形导致附着在其表面的非晶态合金的磁导率的变化，在材料中不同方向的变形导致非晶态合金不同方向的磁导率的不同，磁导率的变化对整个磁路来说，就是引起磁阻变化，磁阻的变化又引起磁通量的变化，一旦磁通量变化，就会在测量线圈产生感应电压。测量线圈输出端连接测量仪器和电路，根据选用的非晶态合金、测量线圈匝数、励磁线圈的励磁频率标定出感应电压与称重轨道受力之间的线性关系，从而实现轨道动态称重。本发明与现有技术相比，结构简单，使用维护方便；传感器信号强，工作可靠；适应室外恶劣工作环境，使用寿命长；灵敏度高，响应快。

附图说明

图1为本发明的动态称重工作原理图。

图2为传感器工作原理图。

图3为传感器安装示意图。

图4为图3的A—A向剖视图。

具体实施方式

一种新型轨道动态称重方法，在称重轨道3的两个支点之间距两个支点等距离设置两个测重点，测重点设在轨道3的侧面水平向的中心轴线上，其特点是：在测重点表面上附着一层非晶态合金薄膜层1，在非晶态合金薄膜层1外固定有传感器2，所述的传感器2采用三磁极“E”型整体铁芯，中间磁极绕有励磁线圈，两端磁极绕有测量线圈，两测量线圈正向串连，传感器2的中间磁极对准轨道侧面水平向的中心轴线，两端磁极在上述的中心轴线的两侧，传感器2与中心轴线之间的交角为135±1°或45±1°，通过检测测量线圈输出电压的变化量，从而测量出轨道所受力的大小。

轨道动态称重工作原理如图1所示。当车辆通过称量区时，轨道因加载发生弯曲弯形，轨道中心轴线以上的部分受到压力，中心轴线以下的部分受到拉力，在中心轴线上既不受压又不受拉，属于纯剪切应力状态，沿45⁰和135⁰方向为最大和最小主应力方向。因此可在轨道中心轴线位置安装剪切力称重传感器，通过剪切力信号大小进行称重。图中称重轨道支承于AB上，支距为S；C、D为各距支承m两截面上的点，位于中心轴线上。W为轮重，当W的位置x变化时，在C、D所在截面上的剪力Q_c和Q_D也随之变化。当轮重位于C、D所在截面之间时，两截面上的剪力合成为一常量，其值即为轮重。

传感器2通过压盖4用螺栓6与称重轨道3紧固，在正对传感器2中间磁极的压盖上设有螺纹孔，螺纹孔中装有调节螺钉5。通过调节螺钉5进一步将传感器2与非晶态合金薄膜层1钉紧，消除气隙。

将非晶态合金附着于被测材料表面的方法有：喷涂、电镀以及粘贴。为了保证非晶态合金层的附着强度，等离子喷涂非晶态合金层是可行的选择，这种方法能获得良好磁性能，组织均匀，高附着强度的非晶态合金层。该附着层厚度可达0.1mm。另外，由于趋肤效应，磁场穿透非晶态合金层深度随频率而变化。因此测量时，可通过控制励磁频率使磁场不穿透非晶态合金层。通过等离子喷涂在测重点表面上形成非晶态合金薄膜层，非晶态合金薄膜层厚度为50～100μm。

在中间磁极D上缠绕励磁线圈，两侧磁极E₁和E₂上缠绕测量线圈，两线圈正向串连。传感器的磁路分析。当励磁线圈接通具有一定频率的交流电时，便在励磁磁极上产生了交变磁通φ。磁通φ平均分成φ₁和φ₂穿过与非晶态合金层表面的间隙，进入非晶态合金内部(进入深度与励磁电流的频率有关)，再通过测量磁极回到励磁磁极，形成一个封闭的磁回路。

根据磁路定律，磁路中的瞬时磁通为

                                 (1)

$=\frac{e_1}{{5r}_O+R_M+R_{\mathrm{CD}}}$

$=\frac{e_1}{\frac{{5\mathrm{\δ}}_o}{{\mathrm{\μ}}_0{S}_{\mathrm{MO}}}+\mathrm{\Σ}\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_M}\left(\frac{l_{\mathrm{MI}}}{S_{\mathrm{Mi}}}\right)+\frac{l_{\mathrm{CD}}}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{CD}}\mathrm{ha}}}$

式中，e₁为磁动势；r_o、r_A、r_B分别为励磁磁极和测量磁极下的气隙磁阻；R_EC、R_ED分别为封闭磁路中非晶态合金表面上EC段和ED段磁阻；R_OA、R_OB分别为封闭磁路中磁芯上从励磁磁极至两个测量磁的磁阻，其中r_A＝δ_A/μ_oS_MA，r_B＝δ_B/μ_oS_MB，r_o＝δ_o/μ_oS_Mo，而δ_A＝δ_B＝δ_o，S_MA＝S_MB＝S_Mo/2；r_A+r_B+r_o＝5 r_o；R_EC+R_ED＝R_CD＝l_CD/μ_CDha；R_OA+R_OB＝R_M＝1/μ_M∑l_Mi/S_Mi。在上述式中，μ_o为空气的磁导率；δ_A、δ_B及δ_o分别为测量磁极和励磁磁极下的气隙厚度；S_MA、S_MB及S_Mo分别为非晶态合金表面上相对应测量极和励磁极的端面投影面积；R_M为封闭磁路中被测材料表面段的总磁阻；l_CD为非晶态合金表面上对应两个测量磁极间的磁路长度；a为非晶态合金内磁路的平均宽度；h为磁通在非晶态合金表面穿透深度；μ_CD为非晶态合金表面上对应两个测量磁极间的绝对磁导率；μ_M为磁芯材料绝对磁导率；S_Mi为传感器磁芯中从励磁磁极到测量磁极各段截面面积；l_Mi为传感器磁芯中对应S_Mi各段的磁路长度。

令A＝5/μ_o S_Mo，B＝l_CD/ha，C＝∑l_Mi/S_Mi，又 $e_1=i_1{N}_1=\sqrt{2}{N}_1{I}_1\sin 2\mathrm{\πft}.$ 式中，N₁励磁线圈的匝数；I₁为励磁线圈中电流的有效值；f为励磁电流的频率，t为时间。

则(1)式可改写为

由法拉第电磁感应定律知

式中，e₂为测量线圈瞬时电动势，N₂为测量线圈匝数，φ为测量线圈瞬时磁通。

由于被测构件承受动载荷，且在干扰载荷的作用下，δ_o也可能为变量，而且μ_CD也是应力σ的函数。则根据式(3)得

$=N_1{N}_2[\frac{1}{{\mathrm{A\δ}}_o+\frac{B}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{CD}}}+C}\frac{{\mathrm{di}}_1}{\mathrm{dt}}---\left(4\right)$

$\frac{i_1}{{({\mathrm{A\δ}}_o+\frac{B}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{CD}}}+C)}^2}\left(A\frac{{\mathrm{d\δ}}_o}{\mathrm{dt}}\frac{B}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{CD}}}\frac{{\mathrm{d\μ}}_{\mathrm{CD}}}{\mathrm{dt}}\right)]$

将 $\frac{{\mathrm{di}}_1}{\mathrm{dt}}=-2\sqrt{2}\mathrm{\π}f\cos 2\mathrm{\πft}$ 代入(4)式，并整理得

$e_2=\frac{\sqrt{2}{N}_1{N}_2\mathrm{\ω}{I}_1}{{\mathrm{A\δ}}_o+\frac{B}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{CD}}}+C}[\cos \mathrm{\ωt}+\frac{A\frac{{\mathrm{d\δ}}_o}{\mathrm{dt}}\frac{B}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{CD}}}\frac{{\mathrm{d\μ}}_{\mathrm{CD}}}{\mathrm{dt}}}{2({\mathrm{A\δ}}_o+\frac{B}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{CD}}}+C)}\sin \mathrm{\ωt}]---\left(5\right)$

令 $a=\frac{A\frac{{\mathrm{d\δ}}_o}{\mathrm{dt}}\frac{B}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{CD}}}\frac{{\mathrm{d\μ}}_{\mathrm{CD}}}{\mathrm{dt}}}{2({\mathrm{A\δ}}_o+\frac{B}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{CD}}}+C)},$ b＝1， $K_1=\frac{\sqrt{2}{N}_1{N}_2\mathrm{\ω}{I}_1}{{\mathrm{A\δ}}_o+\frac{B}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{CD}}}+C}$

利用三角变换公式，式(5)可写为

式中

$K_2=\sqrt{a^2+b^2}=\sqrt{1+\frac{A\frac{{\mathrm{d\δ}}_o}{\mathrm{dt}}\frac{B}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{CD}}}{\frac{{\mathrm{d\μ}}_{\mathrm{CD}}}{\mathrm{dt}}}^2}{2({\mathrm{A\δ}}_o+\frac{B}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{CD}}}+C)}}---\left(7\right)$

因此，传感器测量线圈中电动势的最大值可写为：

$E_2=K_1{K}_2$

$=\frac{\sqrt{2}{N}_1{N}_2\mathrm{\ω}{I}_1}{{\mathrm{\δ}}_o+\frac{B}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{CD}}}+C}\sqrt{1+{\left(\frac{A\frac{{\mathrm{d\δ}}_o}{\mathrm{dt}}\frac{B}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{CD}}}\frac{{\mathrm{d\μ}}_{\mathrm{CD}}}{\mathrm{dt}}}{2({\mathrm{A\δ}}_o+\frac{B}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{CD}}}+C)}\right)}^2}---\left(9\right)$

则传感器测量线圈中电动势的有效值为：

$E_{2\mathrm{mag}}=\frac{E_2}{\sqrt{2}}$

$=\frac{N_1{N}_2\mathrm{\ω}{I}_1}{{\mathrm{A\δ}}_o+\frac{B}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{CD}}}+C}\sqrt{1+{\left(\frac{A\frac{{\mathrm{d\δ}}_o}{\mathrm{dt}}\frac{B}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{CD}}}\frac{{\mathrm{d\μ}}_{\mathrm{CD}}}{\mathrm{dt}}}{2({\mathrm{A\δ}}_o+\frac{B}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{CD}}}+C)}\right)}^2}---\left(10\right)$

传感器的测量线圈绕组输出端接有测量仪器和电路，可将其视为传感器测量线圈的有效负载，则测量线圈输出接线端子上的交流电压为：

$U=\frac{E_{2\mathrm{mag}}{R}_L}{\sqrt{r_2^2+X_2^2}}---\left(11\right)$

式中，R_L为负载的有效电阻；r₂为测量线圈的有效阻抗；X₂测量线圈的无效阻抗。

则传感器的电压输出方程为

$U=\frac{N_1{N}_2\mathrm{\ω}{I}_1}{({\mathrm{A\δ}}_o+\frac{B}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{CD}}}+C)\sqrt{r_2^2+X_2^2}}\sqrt{1+{\left(\frac{A\frac{{\mathrm{d\δ}}_o}{\mathrm{dt}}\frac{B}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{CD}}}\frac{{\mathrm{d\μ}}_{\mathrm{CD}}}{\mathrm{dt}}}{2({\mathrm{A\δ}}_o+\frac{B}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{CD}}}+C)}\right)}^2}---\left(12\right)$

当传感器与被测面紧贴，即磁性气隙δ_o＝0时，上式可简化为

$U=\frac{N_1{N}_2\mathrm{\ω}{I}_1}{(\frac{B}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{CD}}}+C)\sqrt{r_2^2+X_2^2}}\sqrt{1+{\left(\frac{\frac{B}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{CD}}}\frac{{\mathrm{d\μ}}_{\mathrm{CD}}}{\mathrm{dt}}}{2(\frac{B}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{CD}}}+C)}\right)}^2}---\left(13\right)$

测力时，将传感器沿紧贴于钢轨中性轴主应力方向。根据逆磁致伸缩效应，被测铁磁材料的变形导致附着在其表面的非晶态合金的磁导率μ的变化，在材料中不同方向的变形导致非晶态合金不同方向的磁导率的不同，磁导率的变化对整个磁路来说，就是引起磁阻变化，磁阻的变化又引起磁通量的变化，一旦磁通量变化，就会在测量线圈产生感应电压。

实际应用前，要先根据所采用的非晶态合金的类型对传感器进行标定。标定试验可在扭矩试验机上进行。通过标定试验得到传感器转换系数k后，可根据传感器的输出感应电压U，应用下式计算出承重重量W，即

W＝kU                                          (14)

Claims (3)

1.一种新型轨道动态称重方法，在称重轨道(3)的两个支点之间距两个支点等距离设置两个测重点，测重点设在轨道(3)的侧面水平向的中心轴线上，其特征在于：在测重点表面上附着一层非晶态合金薄膜层(1)，在非晶态合金薄膜层(1)外固定有传感器(2)，所述的传感器(2)采用三磁极“E”型整体铁芯，中间磁极绕有励磁线圈，两端磁极绕有测量线圈，两测量线圈正向串连，传感器(2)的中间磁极对准轨道(3)侧面水平向的中心轴线，两端磁极在上述的中心轴线的两侧，传感器(2)与中心轴线之间的交角为135±1°或45±1°，通过检测测量线圈输出电压的变化量，从而测量出轨道(3)所受力的大小。

2.根据权利要求1所述的新型轨道动态称重方法，其特征在于：通过等离子喷涂在测重点表面上形成非晶态合金薄膜层(1)，非晶态合金薄膜层(1)厚度为50～100μm。

3.根据权利要求1所述的新型轨道动态称重方法，其特征在于：传感器(2)通过压盖(4)用螺栓(6)与称重轨道(3)紧固，在正对传感器(2)中间磁极的压盖(4)上设有螺纹孔，螺纹孔中装有调节螺钉(5)，通过调节螺(5)钉进一步将传感器(2)与非晶态合金薄膜层(1)钉紧，消除气隙。

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