RU2329176C2

RU2329176C2 - Force transducer

Info

Publication number: RU2329176C2
Application number: RU2006131094/11A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Владимирович Дубина (BY); Анатолий Владимирович Дубина
Original assignee: Анатолий Владимирович Дубина
Priority date: 2006-08-30
Filing date: 2006-08-30
Publication date: 2008-07-20
Also published as: RU2006131094A

Abstract

FIELD: transportation.

SUBSTANCE: invention relates to methods and devices intended to measure the rolling stock weight in operating conditions without stopping the said rolling stock and in inclined track automatic control systems. The force transducer incorporates a signal processing unit and a sensitive element fitted on the rail and made up of a passive and active parts moving relative to each other, the passive part being fitted directly on the rail while the active one being fitted on a rigid beam mounted on two hinged supports equidistant, along the rail, from the passive part. The aforesaid passive part represents a bush with an inner and outer threads and is fastened, by means of outer thread and nut, in the rail web hole, while the bush inner thread serves to locate a threaded stepwise rod made from a nonmagnetic material accommodating a magnetic material insert on its end face closer to the sensitive element active part. The said insert magnetisation vector is parallel to the measuring rail direction. The sensitive element active part incorporates a magnetic field intensity meter.

EFFECT: higher measurement accuracy.

2 dwg

Description

Заявляемая конструкция датчика относится к рельсовому транспорту, в частности к методам и устройствам для измерения силовой нагрузки от движущегося колеса на рельс.The inventive design of the sensor relates to rail transport, in particular to methods and devices for measuring power load from a moving wheel on a rail.

Известно устройство для измерения нагрузки колеса на рельс (Публикация заявки РБ №а20010601 «Способ измерения нагрузки колеса на рельс и устройство для его реализации». Бюллетень РБ №1 за 2003 г.), содержащее блок обработки сигналов и установленный на рельсе чувствительный элемент, который выполнен из пассивной и активной частей с возможностью их относительного перемещения, причем пассивная часть укреплена непосредственно к рельсу, а активная часть укреплена на жесткой балке, установленной на рельсе на двух шарнирных опорах, равноудаленных вдоль рельса от пассивной части чувствительного элемента.A device is known for measuring the load of a wheel on a rail (Publication of the application of RB No. 20010601 “Method for measuring the load of a wheel on a rail and a device for its implementation.” Bulletin of RB No. 1 for 2003), comprising a signal processing unit and a sensing element mounted on the rail, which made of passive and active parts with the possibility of their relative movement, and the passive part is mounted directly to the rail, and the active part is mounted on a rigid beam mounted on the rail on two hinged supports equidistant in Rail share from the passive part of the sensor.

Работа устройства заключается в измерении деформации рельса под нагрузкой колес на измерительном участке, в котором измеряют разность одновременных деформационных перемещений в направлении, перпендикулярном упругой оси рельса, трех точек рельса - точки крепления пассивной части чувствительного элемента на рельсе и геометрической полусуммы деформационных перемещений двух точек крепления к рельсу шарнирных опор, на которых укреплена жесткая балка с размещенной на ней активной частью чувствительного элемента, которая пропорциональна нагрузке колеса на рельс. Недостатком описанного устройства является низкая помехоустойчивость к высокочастотным ударам, создаваемым неровностями поверхности катания вагонных колес, и недостаточный срок работы вследствие быстрого износа.The operation of the device is to measure the deformation of the rail under the load of the wheels in the measuring section, in which the difference of simultaneous deformation movements in the direction perpendicular to the elastic axis of the rail, three points of the rail — the fastening points of the passive part of the sensitive element on the rail and the geometric half-sum of the deformation movements of the two fastening points to the hinge rail on which a rigid beam is mounted with the active part of the sensing element placed on it, which is proportional wheel load on the rail. The disadvantage of the described device is the low noise immunity to high-frequency shocks created by the unevenness of the rolling surface of the wagon wheels, and the insufficient life due to rapid wear.

Известно устройство для измерения весовой нагрузки колес на рельс (публикация заявки РБ а20031118 «Устройство для измерения весовой нагрузки колес на рельс», бюллетень РБ №2, 2005 г.), содержащее измерительный рельс, блок обработки сигналов, установленный на измерительном рельсе чувствительный элемент, выполненный из пассивной и активной частей с возможностью их относительного перемещения, в котором пассивная часть укреплена непосредственно к измерительному рельсу, а активная часть укреплена на жесткой балке, установленной на измерительном рельсе на двух шарнирных опорах, причем каждая из шарнирных опор оснащена амортизатором в виде резиновой катушкообразной втулки, сопряженной с осью шарнира и жесткой балкой с гарантированным натягом, а пассивная часть измерительного датчика посредством регулировочной винтовой опоры и двойного шарнира с взаимно-перпендикулярными осями соединена с крепительной планкой, установленной на измерительном рельсе.A device is known for measuring the weight load of wheels on a rail (publication of application RB a20031118 “Device for measuring the weight load of wheels on a rail”, bulletin RB No. 2, 2005), comprising a measuring rail, a signal processing unit mounted on a measuring rail a sensitive element, made of passive and active parts with the possibility of their relative movement, in which the passive part is mounted directly to the measuring rail, and the active part is mounted on a rigid beam mounted on the measuring a rail on two hinged supports, each of the hinged supports being equipped with a shock absorber in the form of a rubber coil sleeve mated to the hinge axis and a rigid beam with a guaranteed interference fit, and the passive part of the measuring sensor is connected to the fastening axle by means of an adjusting screw support and a double hinge with mutually perpendicular axes a bar mounted on the measuring rail.

Работает устройство следующим образом. При движении колеса по измерительному рельсу на участке между цилиндрическими шарнирными опорами происходит деформация измерительного рельса, вызывающая, посредством регулировочной винтовой опоры и двойного шарнира с взаимно-перпендикулярными осями, смещение пассивной части чувствительного элемента относительно активной части, которое регистрируется активной частью. Недостатком данного устройства является снижение точности измерений вследствие механического износа регулировочной винтовой опоры и пар трения в двойном шарнире с взаимно-перпендикулярными осями.The device operates as follows. When the wheel moves along the measuring rail in the area between the cylindrical hinged supports, the measuring rail deforms, causing, through the adjusting screw support and the double hinge with mutually perpendicular axes, the displacement of the passive part of the sensing element relative to the active part, which is recorded by the active part. The disadvantage of this device is the decrease in measurement accuracy due to mechanical wear of the adjusting screw support and friction pairs in a double hinge with mutually perpendicular axes.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению (прототип) является устройство для измерения давления колеса на рельс (Авт.св. СССР №742221, БИ №23, 1980 г.), содержащее установленный на рельсе чувствительный элемент с тензорезисторами и блок обработки сигналов. Чувствительный элемент выполнен в виде закладываемого в укрепленную в отверстии шейки рельса и выполненную с внутренним конусом втулку болта, в конической части которого расположена упругая перемычка из электроизоляционного материала, на которой закреплены тензорезисторы, а в полости головки клеммная панель, к которой подключены выводы тензорезисторов.Closest to the claimed technical solution (prototype) is a device for measuring wheel pressure on a rail (Autost. St. USSR No. 742221, BI No. 23, 1980), containing a sensing element mounted on a rail with strain gauges and a signal processing unit. The sensitive element is made in the form of a bolt sleeve inserted into a rail that is reinforced in the neck of the neck and made with an inner cone, in the conical part of which there is an elastic jumper made of insulating material on which strain gages are fixed, and in the head cavity there is a terminal panel to which the terminals of the strain gages are connected.

Работа устройства заключается в том, что при движении над чувствительным элементом колесо деформирует рельс и отверстие в шейке рельса, отверстие передает деформацию через втулку на упругую перемычку, и через нее на вертикально расположенные тензорезисторы активного плеча измерительного моста, на выходе блока обработки сигналов измеряют напряжение, амплитуда которого пропорциональна давлению колеса на рельс.The operation of the device consists in the fact that when moving over a sensitive element, the wheel deforms the rail and the hole in the neck of the rail, the hole transfers the deformation through the sleeve to the elastic jumper, and through it to the vertically located strain gages of the active arm of the measuring bridge, the voltage is measured at the output of the signal processing unit, whose amplitude is proportional to the pressure of the wheel on the rail.

Недостатком данного устройства является низкая точность измерений, обусловленная тем, что активное плечо измерительного моста, расположенное внутри болта, имеет малую измерительную базу и малую относительную деформацию этой базы.The disadvantage of this device is the low accuracy of the measurements, due to the fact that the active arm of the measuring bridge located inside the bolt has a small measuring base and a small relative deformation of this base.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности измерений.The present invention is to improve the accuracy of measurements.

Задача решается за счет того, что в известном устройстве, содержащем блок обработки сигналов и установленный на рельсе чувствительный элемент, выполненный из пассивной и активной частей с возможностью их относительного перемещения, в котором пассивная часть укреплена непосредственно к рельсу, а активная часть укреплена на жесткой балке, установленной на рельсе на двух шарнирных опорах, равноудаленных вдоль рельса от пассивной части чувствительного элемента, согласно заявляемому техническому решению пассивная часть чувствительного элемента выполнена в виде втулки с внешней и внутренней резьбой, которая посредством внешней резьбы и гайки крепится в отверстии в шейке рельса, а по внутренней резьбе втулки фиксируется шток ступенчатой формы с резьбой, изготовленный из немагнитного материала, имеющий на торце, ближнем к активной части чувствительного элемента, вставку из магнитного материала, вектор намагниченности которой параллелен направлению перемещения измерительного рельса, а активная часть чувствительного элемента содержит измеритель напряженности магнитного поля.The problem is solved due to the fact that in the known device comprising a signal processing unit and a sensitive element mounted on a rail made of passive and active parts with the possibility of their relative movement, in which the passive part is mounted directly to the rail and the active part is mounted on a rigid beam mounted on the rail on two hinged supports equidistant along the rail from the passive part of the sensitive element, according to the claimed technical solution, the passive part of the sensitive element The element is made in the form of a sleeve with an external and internal thread, which is fastened by means of an external thread and a nut in the hole in the neck of the rail, and a step-shaped rod with a thread made of non-magnetic material is fixed on the internal thread of the sleeve, having at the end close to the active part of the sensor element, an insert made of magnetic material, the magnetization vector of which is parallel to the direction of movement of the measuring rail, and the active part of the sensitive element contains a magnetic field.

Приведенная конструкция обеспечивает жесткость крепления вставки из магнитного материала по отношению к измерительному рельсу, взаимное перемещение и взаимодействие активной и пассивной частей чувствительного элемента с минимальным количеством пар трения и изнашиваемых деталей, чем в совокупности достигается требуемая точность измерений заявляемого силоизмерительного датчика.The above design provides the rigidity of the mounting of the insert of magnetic material in relation to the measuring rail, the mutual movement and interaction of the active and passive parts of the sensing element with a minimum number of friction pairs and wearing parts, which together achieve the required measurement accuracy of the inventive load cell.

На фиг.1 показан общий вид силоизмерительного датчика, на фиг.2 - его поперечный разрез по оси крепления пассивной части чувствительного элемента к измерительному рельсу.Figure 1 shows a General view of the load sensor, figure 2 - its cross section along the axis of attachment of the passive part of the sensing element to the measuring rail.

Силоизмерительный датчик включает в себя блок обработки сигналов 1, подключенную к нему активную часть чувствительного элемента 2, установленную на жесткой балке 3, которая крепится к измерительному рельсу 4 на двух шарнирных опорах 5. В шейке измерительного рельса 4 закреплена посредством гайки 7 втулка 6 с внешней и внутренней резьбой. По внутренней резьбе втулки 6 ввернут шток 8 ступенчатой формы с резьбой, имеющий на торце, обращенном к измерителю напряженности магнитного поля 10, вставку 9 из магнитного материала. Шток 8 ступенчатой формы по резьбе застопорен гайкой фиксирующей 11.The force measuring sensor includes a signal processing unit 1, an active part of the sensing element 2 connected to it, mounted on a rigid beam 3, which is attached to the measuring rail 4 on two hinged supports 5. In the neck of the measuring rail 4, a sleeve 6 is secured with a nut 7 with an external and internal thread. On the internal thread of the sleeve 6, a step-shaped rod 8 with a thread is screwed, having at the end facing the magnetic field strength meter 10 an insert 9 of magnetic material. The rod 8 of a stepped shape is threaded through the thread with a fixing nut 11.

Работает силоизмерительный датчик следующим образом. При движении колеса подвижного состава по измерительному рельсу 4 происходит его прогиб, жесткая балка 3, благодаря креплению на шарнирных опорах 5, остается прямолинейной, что обеспечивает перемещение активной части чувствительного элемента 2, включающей в себя измеритель напряженности магнитного поля 10, по отношению к вставке 9 из магнитного материала. Измеритель напряженности магнитного поля 10 вырабатывает сигнал, связанный однозначной зависимостью с положением по отношению к вставке 9 из магнитного материала. Сигнал, полученный от измерителя напряженности магнитного поля 10, усиливается и преобразуется в цифровое значение, поступающее в блок обработки сигналов 1.Powered sensor works as follows. When the wheel of the rolling stock along the measuring rail 4 is deflected, the rigid beam 3, due to the mounting on the hinged supports 5, remains rectilinear, which ensures the movement of the active part of the sensitive element 2, which includes a magnetic field strength meter 10, with respect to insert 9 from magnetic material. The meter of the magnetic field 10 generates a signal associated with a unique relationship with the position relative to the insert 9 of the magnetic material. The signal received from the meter of the magnetic field 10 is amplified and converted into a digital value, which enters the signal processing unit 1.

Устройство реализовано в виде макетного образца следующей конструкции. В рельсе типа Р65 на уровне нейтрального волокна просверлены три отверстия диаметром 22 мм, крайние из которых удалены от среднего на равное расстояние. В крайних отверстиях крепятся шарнирные опоры 5, в среднем - втулка 6 с внешней и внутренней резьбой пассивной части чувствительного элемента. На шарнирные опоры 5 установлена жесткая балка 3, изготовленная из стального швеллера высотой 80 мм, на середине которого между полками укреплен корпус активной части чувствительного элемента 2. Активная часть чувствительного элемента представляет собой измеритель напряженности магнитного поля на основе датчика Холла со встроенным усилителем, а также аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен с блоком обработки сигналов. По пространственной ориентации измеритель напряженности магнитного поля размещен на продолжении оси вращения штока ступенчатой формы с резьбой, имеющего на торце вставку из магнитного материала.The device is implemented as a prototype of the following design. In a rail of type P65, at the level of a neutral fiber, three holes were drilled with a diameter of 22 mm, the outermost of which were equally distant from the average. In the extreme holes, the articulated supports 5 are attached, on average, the sleeve 6 with the external and internal threads of the passive part of the sensing element. A rigid beam 3 is installed on the hinge supports 5, made of a steel channel 80 mm high, in the middle of which the housing of the active part of the sensing element 2 is fixed between the shelves. The active part of the sensing element is a magnetic field strength meter based on a Hall sensor with a built-in amplifier, and analog-to-digital converter, the output of which is connected to the signal processing unit. In spatial orientation, the magnetic field strength meter is located on the continuation of the axis of rotation of the stepped shape rod with a thread having an insert of magnetic material at the end.

Испытания макетного образца силоизмерительного датчика показали относительную погрешность измерений, не превышающую 1% при скорости движения колесных пар по измерительному рельсу от 1 м/с до 5 м/с, и стабильность этого показателя в течение года опытной эксплуатации.Tests of the prototype of the load-measuring sensor showed a relative measurement error not exceeding 1% at a speed of movement of wheel pairs along the measuring rail from 1 m / s to 5 m / s, and the stability of this indicator during the year of trial operation.

Claims

A force measuring sensor comprising a signal processing unit and a sensing element mounted on a rail made of passive and active parts with the possibility of their relative movement, in which the passive part is mounted directly to the rail and the active part is mounted on a rigid beam mounted on the rail on two hinged supports equidistant along the rail from the passive part of the sensitive element, characterized in that the passive part of the sensitive element is made in the form of a sleeve with external and internal th thread, which is fastened by means of an external thread and a nut in the hole in the neck of the rail, and a step-shaped threaded rod made of non-magnetic material is fixed on the internal thread of the sleeve, having an insert made of magnetic material at the end closest to the active part of the sensing element, vector whose magnetization is parallel to the direction of movement of the measuring rail, and the active part of the sensing element contains a magnetic field strength meter.