專利名稱：一種新型軌道動態稱重方法
技術領域：
本發明涉及一種對運輸貨物進行測重的設備，特別是一種新型軌道動態稱重方法。
背景技術：
在鐵路、礦山、港口、電力、冶金等廣泛采用軌道運輸的行業，對運輸貨物進行測重的設備稱為軌道衡。軌道衡的作用不僅是計量，它還具有防止運輸車輛偏載、超載，保障運輸安全等功能。目前，經濟發達國家廣泛采用的軌道衡為無坑基動態軌道衡，它是利用傳感器測量普通鋼軌或經過特制的鋼軌在車輛通過時的變形量來實現稱重的系統。這種動態稱重軌完全不要基坑和秤臺，不改變原有軌下基礎，所以安裝方便快捷。另外，它稱量時不斷軌，速度高，不計量時不限速。但是，這種動態軌道衡要求稱重系統的傳感器應具有信號強、可靠性高、結構堅固、壽命長、適應室外惡劣工作環境等特點。
在以測量軌道變形為核心的無坑基動態軌道衡中，主要采用電阻應變片壓式傳感器和塞孔式剪力傳感器。電阻應變片有較高的測試靈敏度和精度，但要將應變片長期牢固地粘貼于鋼軌上依然是一個難題。塞孔式傳感器信號強、可靠性高、結構堅固，壽命長(不少于500萬次)，能適應室外惡劣工作環境，但由于軌道變形時，應力先要穿過磁芯柱，才能使其磁導率發生變化，所以這種傳感器響應慢，限制了被測車輛車速的提高。另外，安裝這種傳感器時要先在鋼軌腹板上鉆130錐度的孔，該孔的加工精度要求較高。
發明內容
本發明要解決的技術問題是針對現有技術的不足，提出了一種使用維護方便、傳感器信號強，靈敏度高，能適應室外惡劣工作環境的新型軌道動態稱重方法。
本發明要解決的技術問題是通過以下技術方案來實現的，一種新型軌道動態稱重方法，在稱重軌道的兩個支點之間距兩個支點等距離設置兩個測重點，測重點設在軌道的側面水平向的中心軸線上，其特點是在測重點表面上附著一層非晶態合金薄膜層，在非晶態合金薄膜層外固定有傳感器，所述的傳感器采用三磁極“E”型整體鐵芯，中間磁極繞有勵磁線圈，兩端磁極繞有測量線圈，兩測量線圈正向串連，傳感器的中間磁極對準軌道側面水平向的中心軸線，兩端磁極在上述的中心軸線的兩側，傳感器與中心軸線之間的交角為135±1°或45±1°，通過檢測測量線圈輸出電壓的變化量，從而測量出軌道所受力的大小。
本發明要解決的技術問題還可以通過以下技術方案來進一步實現，通過等離子噴涂在測重點表面上形成非晶態合金薄膜層，非晶態合金薄膜層厚度為50～100μm。
本發明要解決的技術問題還可以通過以下技術方案來進一步實現，傳感器通過壓蓋用螺栓與稱重軌道緊固，在正對傳感器中間磁極的壓蓋上設有螺紋孔，螺紋孔中裝有調節螺釘。通過調節螺釘進一步將傳感器與非晶態合金薄膜層釘緊，消除氣隙。
當車輛通過稱重軌道時，鋼軌因加載發生彎曲彎形，鋼軌中心軸線以上的部分受到壓力，中心軸線以下的部分受到拉力，在中心軸線上既不受壓又不受拉，屬于純剪切應力狀態，沿450和1350方向為最大和最小主應力方向。因此可在鋼軌中心軸線位置安裝剪切力稱重傳感器，通過剪切力信號大小進行稱重。本發明的稱重傳感器的工作原理是基于非晶態合金的逆磁致伸縮效應。所謂逆磁致伸縮效應是指，磁場中的鐵磁材料在力的作用下，其磁特性發生變化的特性。根據這一特性，采用特殊結構的傳感器，檢測鐵磁材料磁導率的變化，就可以測量出其所受力的大小。但普通鐵磁材料的逆磁致伸縮效應比較弱，導致測力精度和靈敏度比較低。非晶態合金具有顯著的逆磁致伸縮效應，并且有較高的機械強度、抗腐蝕、耐輻射以及溫度穩定性，很適合惡劣的工作環境。通過在被測材料表面牢固附著一層非晶態合金薄膜，使材料內部的應力變化轉變為非晶態合金的磁特性變化，就可以實現高靈敏度和準確性的應力測量。根據逆磁致伸縮效應，被測鐵磁材料的變形導致附著在其表面的非晶態合金的磁導率的變化，在材料中不同方向的變形導致非晶態合金不同方向的磁導率的不同，磁導率的變化對整個磁路來說，就是引起磁阻變化，磁阻的變化又引起磁通量的變化，一旦磁通量變化，就會在測量線圈產生感應電壓。測量線圈輸出端連接測量儀器和電路，根據選用的非晶態合金、測量線圈匝數、勵磁線圈的勵磁頻率標定出感應電壓與稱重軌道受力之間的線性關系，從而實現軌道動態稱重。本發明與現有技術相比，結構簡單，使用維護方便；傳感器信號強，工作可靠；適應室外惡劣工作環境，使用壽命長；靈敏度高，響應快。
圖1為本發明的動態稱重工作原理圖。
圖2為傳感器工作原理圖。
圖3為傳感器安裝示意圖。
圖4為圖3的A—A向剖視圖。
具體實施例方式 一種新型軌道動態稱重方法，在稱重軌道3的兩個支點之間距兩個支點等距離設置兩個測重點，測重點設在軌道3的側面水平向的中心軸線上，其特點是在測重點表面上附著一層非晶態合金薄膜層1，在非晶態合金薄膜層1外固定有傳感器2，所述的傳感器2采用三磁極“E”型整體鐵芯，中間磁極繞有勵磁線圈，兩端磁極繞有測量線圈，兩測量線圈正向串連，傳感器2的中間磁極對準軌道側面水平向的中心軸線，兩端磁極在上述的中心軸線的兩側，傳感器2與中心軸線之間的交角為135±1°或45±1°，通過檢測測量線圈輸出電壓的變化量，從而測量出軌道所受力的大小。
軌道動態稱重工作原理如圖1所示。當車輛通過稱量區時，軌道因加載發生彎曲彎形，軌道中心軸線以上的部分受到壓力，中心軸線以下的部分受到拉力，在中心軸線上既不受壓又不受拉，屬于純剪切應力狀態，沿450和1350方向為最大和最小主應力方向。因此可在軌道中心軸線位置安裝剪切力稱重傳感器，通過剪切力信號大小進行稱重。圖中稱重軌道支承于AB上，支距為S；C、D為各距支承m兩截面上的點，位于中心軸線上。W為輪重，當W的位置x變化時，在C、D所在截面上的剪力Qc和QD也隨之變化。當輪重位于C、D所在截面之間時，兩截面上的剪力合成為一常量，其值即為輪重。
傳感器2通過壓蓋4用螺栓6與稱重軌道3緊固，在正對傳感器2中間磁極的壓蓋上設有螺紋孔，螺紋孔中裝有調節螺釘5。通過調節螺釘5進一步將傳感器2與非晶態合金薄膜層1釘緊，消除氣隙。
將非晶態合金附著于被測材料表面的方法有噴涂、電鍍以及粘貼。為了保證非晶態合金層的附著強度，等離子噴涂非晶態合金層是可行的選擇，這種方法能獲得良好磁性能，組織均勻，高附著強度的非晶態合金層。該附著層厚度可達0.1mm。另外，由于趨膚效應，磁場穿透非晶態合金層深度隨頻率而變化。因此測量時，可通過控制勵磁頻率使磁場不穿透非晶態合金層。通過等離子噴涂在測重點表面上形成非晶態合金薄膜層，非晶態合金薄膜層厚度為50～100μm。
在中間磁極D上纏繞勵磁線圈，兩側磁極E1和E2上纏繞測量線圈，兩線圈正向串連。傳感器的磁路分析。當勵磁線圈接通具有一定頻率的交流電時，便在勵磁磁極上產生了交變磁通φ。磁通φ平均分成φ1和φ2穿過與非晶態合金層表面的間隙，進入非晶態合金內部(進入深度與勵磁電流的頻率有關)，再通過測量磁極回到勵磁磁極，形成一個封閉的磁回路。
根據磁路定律，磁路中的瞬時磁通為
(1) 式中，e1為磁動勢；ro、rA、rB分別為勵磁磁極和測量磁極下的氣隙磁阻；REC、RED分別為封閉磁路中非晶態合金表面上EC段和ED段磁阻；ROA、ROB分別為封閉磁路中磁芯上從勵磁磁極至兩個測量磁的磁阻，其中rA＝δA/μoSMA，rB＝δB/μoSMB，ro＝δo/μoSMo，而δA＝δB＝δo，SMA＝SMB＝SMo/2；rA+rB+ro＝5 ro；REC+RED＝RCD＝lCD/μCDha；ROA+ROB＝RM＝1/μM∑lMi/SMi。在上述式中，μo為空氣的磁導率；δA、δB及δo分別為測量磁極和勵磁磁極下的氣隙厚度；SMA、SMB及SMo分別為非晶態合金表面上相對應測量極和勵磁極的端面投影面積；RM為封閉磁路中被測材料表面段的總磁阻；lCD為非晶態合金表面上對應兩個測量磁極間的磁路長度；a為非晶態合金內磁路的平均寬度；h為磁通在非晶態合金表面穿透深度；μCD為非晶態合金表面上對應兩個測量磁極間的絕對磁導率；μM為磁芯材料絕對磁導率；SMi為傳感器磁芯中從勵磁磁極到測量磁極各段截面面積；lMi為傳感器磁芯中對應SMi各段的磁路長度。
令A＝5/μo SMo，B＝lCD/ha，C＝∑lMi/SMi，又式中，N1勵磁線圈的匝數；I1為勵磁線圈中電流的有效值；f為勵磁電流的頻率，t為時間。
則(1)式可改寫為
由法拉第電磁感應定律知
式中，e2為測量線圈瞬時電動勢，N2為測量線圈匝數，φ為測量線圈瞬時磁通。
由于被測構件承受動載荷，且在干擾載荷的作用下，δo也可能為變量，而且μCD也是應力σ的函數。則根據式(3)得
將代入(4)式，并整理得 令b＝1， 利用三角變換公式，式(5)可寫為
式中
因此，傳感器測量線圈中電動勢的最大值可寫為 則傳感器測量線圈中電動勢的有效值為 傳感器的測量線圈繞組輸出端接有測量儀器和電路，可將其視為傳感器測量線圈的有效負載，則測量線圈輸出接線端子上的交流電壓為 式中，RL為負載的有效電阻；r2為測量線圈的有效阻抗；X2測量線圈的無效阻抗。
則傳感器的電壓輸出方程為 當傳感器與被測面緊貼，即磁性氣隙δo＝0時，上式可簡化為 測力時，將傳感器沿緊貼于鋼軌中性軸主應力方向。根據逆磁致伸縮效應，被測鐵磁材料的變形導致附著在其表面的非晶態合金的磁導率μ的變化，在材料中不同方向的變形導致非晶態合金不同方向的磁導率的不同，磁導率的變化對整個磁路來說，就是引起磁阻變化，磁阻的變化又引起磁通量的變化，一旦磁通量變化，就會在測量線圈產生感應電壓。
實際應用前，要先根據所采用的非晶態合金的類型對傳感器進行標定。標定試驗可在扭矩試驗機上進行。通過標定試驗得到傳感器轉換系數k后，可根據傳感器的輸出感應電壓U，應用下式計算出承重重量W，即 W＝kU (14)
權利要求
1.一種新型軌道動態稱重方法，在稱重軌道(3)的兩個支點之間距兩個支點等距離設置兩個測重點，測重點設在軌道(3)的側面水平向的中心軸線上，其特征在于在測重點表面上附著一層非晶態合金薄膜層(1)，在非晶態合金薄膜層(1)外固定有傳感器(2)，所述的傳感器(2)采用三磁極“E”型整體鐵芯，中間磁極繞有勵磁線圈，兩端磁極繞有測量線圈，兩測量線圈正向串連，傳感器(2)的中間磁極對準軌道(3)側面水平向的中心軸線，兩端磁極在上述的中心軸線的兩側，傳感器(2)與中心軸線之間的交角為135±1°或45±1°，通過檢測測量線圈輸出電壓的變化量，從而測量出軌道(3)所受力的大小。
2.根據權利要求1所述的新型軌道動態稱重方法，其特征在于通過等離子噴涂在測重點表面上形成非晶態合金薄膜層(1)，非晶態合金薄膜層(1)厚度為50～100μm。
3.根據權利要求1所述的新型軌道動態稱重方法，其特征在于傳感器(2)通過壓蓋(4)用螺栓(6)與稱重軌道(3)緊固，在正對傳感器(2)中間磁極的壓蓋(4)上設有螺紋孔，螺紋孔中裝有調節螺釘(5)，通過調節螺(5)釘進一步將傳感器(2)與非晶態合金薄膜層(1)釘緊，消除氣隙。
全文摘要
一種新型軌道動態稱重方法，在稱重軌道的兩個支點之間距兩個支點等距離設置兩個測重點，測重點設在軌道的側面水平向的中心軸線上，在測重點表面上附著一層非晶態合金薄膜層，在非晶態合金薄膜層外固定有傳感器，所述的傳感器采用三磁極“E”型整體鐵芯，中間磁極繞有勵磁線圈，兩端磁極繞有測量線圈，兩測量線圈正向串連，傳感器的中間磁極對準軌道側面水平向的中心軸線，兩端磁極在上述的中心軸線的兩側，傳感器與中心軸線之間的交角為135±1°或45±1°，通過檢測測量線圈輸出電壓的變化量，從而測量出軌道所受力的大小。結構簡單，使用維護方便；傳感器信號強，工作可靠；適應室外惡劣工作環境，使用壽命長；靈敏度高，響應快。
文檔編號G01G19/06GK101368842SQ200810196740
公開日2009年2月18日 申請日期2008年9月19日 優先權日2008年9月19日
發明者石延平 申請人:淮海工學院