（机械电子工程专业论文）一种用于货车超载及偏载监测传感器的设计与研究.pdf

硕士学位论文摘要 摘要 随着我国货车速度的不断提高，铁道部对货车超偏载设备的监测 力度也不断加强。高速货车的传感器设计技术对超偏载监测来说是至 关重要的，它决定了超偏载监测设备的更新速度。 首先，通过对当前国内外超偏载监测设备上所用传感器的对比， 认识到国内现有传感器的不足与缺陷，在现有钢轨传感器的基础上设 计出一种新型钢轨传感器，并详细讨论了这种传感器的工作原理。 在a n s y s 软件中建立钢轨的有限元模型，后处理过程中分析钢 轨上应变变化梯度分布图，并做出轴向应变变化趋势曲线图。设计出 弹性体结构，计算不同载荷工况条件下应变片粘贴位置处的具体应变 值和变化趋势。 通过组桥电路计算出不同载荷下传感器的电压输出值，然后把这 些理论计算值拟合成一条电压输出曲线，也就是传感器信号输出变化 曲线，并对该传感器理论输出值的线性度进行评价，其研究结论可为 设计制造传感器提供参考。 针对现场实际监测过程中货车重量监测值有随行车速度提高而 变小的问题进行了轮轨接触的动力学分析。介绍了轮轨接触的基本原 理以及m a r c 软件在滚动接触分析方面的优点，并在m a r c 中建立 轮轨接触的有限元模型，引入速度因子，进行动力学仿真。选择钢轨 有限元模型中的几个关键节点进行分析，分析它们在车辆以不同速度 运行的过程中节点的应力变化曲线图，从图中可以得出随着轮子速度 的提高节点应力值有变小的趋势，由此可得出速度提高是货车载重测 轻的一个重要因素的结论。 关键词：超偏载检测，钢轨传感器，有限元分析，轮轨接触模型， 动力学仿真 硕士学位论文 a bs t r a c t a st h es p e e do ft h ef r e i g h tc a r si n c r e a s eu n c e a s i n g l y , m i n i s t r yo f r a i l w a y sw i l ls t r e n g t h e nt h ee x t e n to fm o n i t o rt o w a r dt h eo v e r l o a da n d u n e v e n 1 0 a dd e t e c t i o no ft h et r a i n t h e nt h ed e v e l o p m e n to fs e n s o r t e c h n o l o g yi si m p o r t a n tt ot h eo v e r l o a da n do f f - b a l a n c ed e t e c t i o n ，w h i c h d e t e r m i n e st h eu p d a t i n gs p e e do fm e a s u r e m e n te q u i p m e n t a b o v ea l l ，b ym e a n so fc o m p a r i n gt h es e n s o r so fo v e r l o a da n d u n e v e n 1 0 a dd e t e c t i o ne q u i p m e n ta th o m ea n da b r o a d ，w er e a l i z et h ef a u l t o ft h es e n s o r sa th o m e an e wr a i ls e n s o ri sd e s i g n e d ；p r i n c i p l eo f o p e r a t i o ni sd i s c u s s e di nd e t a i l t h es t r a i na tt h ea x i a ls t r a i ns e n s i n gp o s i t i o no ft h es e n s o ri s a n a l y z e du n d e rf e at h e o r yb yu s i n ga n s y s t h es t r a i nv a l u eo fs t r a i n g a g eu n d e rd i f f e r e n tl o a dc o n d i t i o ni sc a l c u l a t e da n dv a r i a t i o nt r e n di s f i g u r e do u t t h ev o l t a g eo u t p u to fs e n s o ru n d e rd i f f e r e n tl o a di sc a l c u l a t e d ，t h e n av o l t a g eo u t p u t 渊ei sp r o d u c e d ，w h i c hw i l lp r o v i d em u c hp r e f e r e n c e f o rs e n s o rm a n u f a c t u r i n g o nf i e l dm e a s u r i n g ，f i n dt h ep r o b l e mt h a tt h ed a t ad e c r e a s e m e e l t r a c kc o n t a c tm o d e li nd y n a m i cs i m u l a t i o n t h eb a s i cp r i n c i p l ei s d i s c u s s e d ；t h em a r ch a s 也ev i r t u eo fc o n t a c ta n a l y s i s s e tu pt h e w h e e l t r a c kc o n t a c tm o d e li nt h em a r c p i c kd o w ns e v e r a lp o i n t s ，o nt h e r a n g e o fd i f f e r e n tv e l o c i t y , g e tt h es t r e s sd a t ao ft h ep o i n t a t t e ra n a l y z i n g t h ed a t ao fp o i n t ，t h e ng e tt h er e s u l tt h a tt h es p e e di sai m p o r t a n tf a c t o r , w h i c hm a k et h el o a d i n go ft h ef r e i g h tc a r sd e c r e a s e k e yw o i s ：o v e r l o a da n du n e v e n - l o a dd e t e c t i o n ，r a i l s e n s o r ，f i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s ，w h e e l t r a c kc o n t a c tm o d e l ，d y n a m i c s i m u l a t i o n 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名：哗嗍2 丑年月盟日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅；学校可以公布学位论文的 全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学 校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 日期：掣年月翌日 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 随着我国铁路运输事业的快速发展，尤其是近年来铁路大幅度的提速后，货 车装载状态监测系统的研究在铁路运输中的作用越来越重要。超偏载的检测设备 是这一系统研究中的重要内容。长期以来，由于客观条件的限制以及经济利益的 驱使，铁路货车超载和偏载现象非常严重，造成车辆严重损伤，大大降低使用寿 命甚至危及行车安全；由于装车不准或者装载不均匀和运输中货物移位等原因， 铁路不规范装载现象时有发生。货物的欠载使得列车的实际牵引能力发挥不足， 使得已经很紧张的铁路运能更显紧张；而超载、偏载对列车本身的技术状态和列 车的运输安全都是一种直接的威胁，如果列车长期处于此种运行情况下，列车的 车轮和车轴受力不均匀，长期处于疲劳状况，断轴、切轴、爬轨和列车的颠覆等 事故就会发生n 。据统计，1 9 7 8 - 1 9 8 8 年1 0 年间，我国全路重大事故中，列车 脱轨约占总事故的7 0 嘲。 因此，设计出一种适用于高速货车的超偏载检测设备，对于改变这种状况有 很大的帮助，不仅可以收到很大的经济效益，而且可尽量避免由于货车超偏载带 来一系列交通事故。 1 1 国内外研究技术及现状 1 1 1 国内现有技术与现状 国内高速状态下列车轮轨作用机理研究成果匮乏，基于实验技术的基础理论 研究薄弱，实验室研究基本未开展，分离式监测传感器依赖进口，列车高速通过 监测区时的轮轨作用力的信号特征与有效信号的提取技术尚属空白。这些事实严 重制约了我国在高速货车超偏载监测系统设计理论与技术等相关领域的深入研 究与发展。 由于缺乏设计理论与技术的支持，目前国内货车超偏载监测技术主要采用动 态轨道衡监测超载( 转向架计量型) ，现有技术只能适用于5 - - 3 0 k m h 左右的低 速车辆监测，无法满足提速列车的监测需求。现有国内知名系统采用的大多是与 轨道分离的垫块式或柱形压力传感器如图1 - 1 ，图1 - 2 所示，因而导致测量系统 惯性大，传递环节多，系统的固有频率难以提高，系统的响应迟缓陬5 】。其信号 回稳时间将大于有效荷载通过监测区的时间，从而监测值明显偏轻。显然现有的 设计方法从根本上限制了轨道车辆超偏载监测装置系统固有频率的提高，并决定 了以这种方式设计的动态轮轨监测系统不可能用于高速列车的监测一一。 硕十学位论文第一章绪论 图卜1 轨道衡采用的垫块式秤重传感器图1 - 2 轨道衡下的钢结构及柱形压力传感器 1 9 9 0 年柳州铁路局科研所研制了全路第一台货车超偏载检测装置。此后在 广大科技人员的努力下，发展的速度比较快，取得了很大的发展和成绩，下面介 绍几个研究和应用中的产品。 中国铁道科学研究院铁道建筑工程技术公司研制了g c u - i o o b b 超偏载轨道 衡，这种装置是压力传感器和剪力传感器结合使用，如图l 一3 所示。计量节重 小于1 0 0 t 的标准轨距四轴货车，计量车速一般为4 0 k m h ，特殊要求可达6 0 k m h ， 不计量时通过速度不限。计量精度符合国家颁发的j j g 2 3 4 9 0 的规定和铁道部颁发的j j g ( 铁路) 1 2 9 9 2 的规定。可用于对行进中装载大宗散装货物的列车进行不断轨自 动称量和超偏载检测。采用纵横钢结构框架的机械秤体，具有先进的仪表系统和 功能齐全的软件，适用于高速和大运量的要求，并保证运输的安全可靠及计量的 高精度。目前在全国仍然大量使用。 图1 3 超偏载轨道衡g c u 一1 0 0 b b图1 4 超偏载轨道衡g c u 一1o o b s 成都货安计量技术中心研制出了全电子不断轨超偏载轨道衡g c u - - i o o b s ， 这种设备采用的是板式传感器，如图1 4 所示，是最新设计的第三代轨道称重 设备，具有功能强、稳定性好的特点，既可对货车装载时和运行中超载情况实时 硕士学位论文第一章绪论 检测，也可作为商贸结算称重使用，且具有检测偏载的功能。由于采用了不断轨 结构，在列车通过时不用限速；可实现高速计量，计量速度3 5 k m h ；超载检测 精度：列车以4 0 k m h 及以下速度通过时，优于0 5 ，以4 0 k m h 以上速度通过 时，优于1 o ；偏载检测精度满足j j g ( 铁道) 1 2 9 9 2 铁路货车超偏载检测装 置中要求。该装置由不断轨秤体结构、高精度传感器，高速采样通道和计算机 及软件组成，大大提高了计量速度和计量精度。 1 1 2 国外研究方向与现状 国外轨道车辆超偏载监测技术以无基坑、不断轨的动态轮轨监测技术为主要 研究热点，有较完备的实验条件。而上世纪末国外新出现的w h e e l - s c a n 图卜6 监测技术与现代信号处理技术的结合，将动态轮轨监测技术大大的推进了一步， 代表了新的研究方向。美国p f i s t e rw a a g e nb i 】a n c i a i 公司最新推出安装便捷 的s o l a r 动态轮重检测系统允许列车动态检测速度为6 0 k m h 。s o l a r 在原轨道上 安装只需数小时就能完成，报道测量精度可达0 2 级。美国s c h e n c kp r o c e s s 正在加紧研制基于w h e e l s c a n 技术的m u l t i r a i l 高速轨道车辆超偏载检测系统， 不仅安装便捷，而且预期动态测量车速可达2 4 0 k m h 。美国a v e r yw e i g h t r o n i x 公司研制的w e i g h li n e 动态轮重检测系统则能很好监控货车的超载、偏载等情 况，检测精度可达到o 2 5 。美、英等国目前已经研制成可以监测车速达到 8 0 k m h 以上列车的轮轨动载监测设备。目前尚未见文献对其进行深入的理论研 究介绍，国内近年尝试引进美国的超偏载监测设备，除设备价格极其高昂之外还 遭到严重的技术封锁。 图卜5 国外轮扫描轮重监测研制实验室图1 - 6 国外轮扫描方式监测设备的传感器 综观国内外超偏载监测技术应用现状，其技术的发展还远未成熟，国内理论 研究更为欠缺，在理论上不能准确解释钢轨在集中载荷扫掠作用下的应变机理与 规律，其应变量与扫掠速度之间的关系不明( 因同- n 车在高速通过监测系统时 会变轻) ，在技术上不能实现对不同路基的适用性，国内外目前对速度超过 硕士学位论文 第一章绪论 8 0 k m h 以上的列车监测技术仍是空白。 1 2 车辆重量的计量方式 铁路车辆重量的计量方法有轮计量、轴计量、转向架计量和整车计量四种方 法嘲。在超偏载的检测计量中，为了检测超偏载状态必须要选择了轮重计量的方 法，这种方法虽然精确度比其它三种方法略差一些，但此法不影响列车的运行速 度和装卸，比较适合用于繁忙的列车运行系统，另外，这种方法在进行超偏载的 检测中，更加方便。轮计量的工作原理是：分别计量每一节车厢的各个轮子所承 受的压力( 轮重) ，由此计算整车的重量。虽然各轮重在不同的时刻测得，测量 的不同时性对测量结果的准确性会产生一定的影响，但是这种计量方法无须断 轨，测量所需要的传感区域较小，结构简单，便于安装，成本低廉，直接测量每 个轮子的重量，不仅适合检测整车重量和超载，而且便于检测车辆的偏载情况。 1 3 超偏载车辆的认定标准 根据铁道部颁布的铁路货物装载加固规则规定：“货物重心的投影必须 位于车地板的纵横中心线的交叉点上。必须位移时，横向位移不得超过1 0 0 m m ， 超过时应采取配重措施；纵向位移时，每个车辆转向架所承受得货物重量不得超 过货车容许载重量的1 2 ，且两个转向架所承受重量之差不得大于1 0 吨。 由轮 重数据分析判断货车“超载 和“纵向位移”是比较容易的，关键是如何判断“横 向位移 。由于检测装置无法判断“货物重心 的位置，因此，只能按照轮重数 据对货车或每一转向架两侧轮重和之差来进行比较。参照铁道部铁路货车超偏 载检测装置检定规程中的“偏载率 的概念进行分析n 们，标准号j j o ( 铁 道) 1 2 9 - 2 4 4 。 ( 1 ) 超载车 装载成件包装货物的重量超过允许装载量的1 0 以上，或装散装货物的重 量超过允许装载量的1 5 以上时。例如，用6 0 吨的棚车装成件包装货物，当该 车( 实测总重值一标重一自重) 6 吨时；或者用6 0 吨的敞车装散装货物，当该 车( 实测总重值一标重一自重) 9 吨时，均判为超载车。 ( 2 ) 左右偏载车 按照车辆检测时的运行方向，当 ( 左轮中之和一右轮重之和) ( 左轮重之 和+ 右轮重之和) ) t 0 2 ( 即2 0 ) 时。 ( 3 ) 前后偏载车 按照车辆检测时的运行方向，当 前转向架负重值一后转向架负重值 b 1 0 t 4 硕士学位论文第一章绪论 时。 1 4 超偏载检测设备的分类 超偏载检测设备按照检测方法的不同主要分为直接测量法，间接测量法和轨 道衡测量法。 ( 1 ) 直接测量法： 使用传感器直接测量出列车车轮通过时，列车轮对的轮重在测量体上产生的 压力的测量方法叭1 。它实现了对车辆的不停车称重，特别是对车辆的超、偏载可 及时发现。不破坏原有轨道结构，不断开轨道，施工简便、安全，费用低。但是， 由于测量块高出轨道顶面，当车辆通过时会有很大的冲击，因而车速会有一定的 限制；同时，车轮是直接压在承重块上，由于车轮形状的差异，在测量时会有偏 差，使最终的测量结果不准确，这是这种测量方式的致命缺点，因而目前已经很 少应用。 可动、静两用的铁路车辆超偏载检测装置n 羽。这种装置是靠安装载测桥两端 部的压力传感器来工作的，列车轮缘将载重传给压力传感器、输入电脑进行测算， 一般设有左右测桥，两测桥互不连接，独立工作，测量偏载准确；可动静两用， 能实现单轴动态测量和整车的静态测量，可准确测量出整车的重量、超载值和偏 载值；该装置结构简单，但同样存在由于轮缘本身的差异对测量结果的影响较大， 因而在测量过程中存在较大误差。 ( 2 ) 间接测量法： 这种方式根据力学原理，轨道的两根枕木及其上的钢轨相当于一根简支梁， 轨枕相当于支点，当火车轮重加到钢轨上时，钢轨的横截面产生剪切力，此应力 的大小与受到车轮的压力大小有关，由测出应力的大小，即可求出所受压力的大 小。这种测量方式目前已经进入实用阶段，主要有轨道称重传感装置n 3 1 ( 使用轨 腰位置的直接测剪切应变的传感器) 、货车车辆超载、偏载检测系统n 帕( 使用栓 式剪应变传感器) 和铁路货物列车动态称重装置n 司( 使用安装载轨腰部锥孔内部 的外壳带凸台的插销式称重传感器) 。这三种检测装置主要使用的是剪切应变传 感器来工作。都可以实现双向动态称重，自动判断超偏载车的功能。 另外一种检测装置是利用位移传感器测量钢轨变形的检测方式n 1 3 。这种设备 可准确地判定车辆类型，由于使用扣件将传感器固定在钢轨上，避免了将应变片 牢固长期粘贴在钢轨上这一难题，同时由于安装过程无须断轨安装，因而系统稳 定，抗干扰能力较强，安装方便。 5 硕士学位论文第一章绪论 ( 3 ) 轨道衡方法： 这种方法是在轨道衡技术的基础上出现的，是在原来专门用于称重的轨道衡 基础上，经过改进为可以测偏载功能的一种复合检测设备n 6 1 。根据轨道衡的检测 方法同样出现了测偏载的静态电子轨道衡和可测偏载的动态电子轨道衡。它克服 了以往电子轨道衡只能整车称量的缺点，是既能测量车辆偏载又能进行整车计量 的检测设备。测偏载的静态电子轨道衡主要依靠的是压力传感器来工作，因为是 静态检测，所以测量精度较高，但是比较浪费有限的铁路货运资源，已经不适合 现代市场经济的需要。可测偏载的动态电子轨道衡主要是压力传感器和剪力传感 器结合使用，剪力传感器用来判断车轮上衡的时间，压力传感器测量轮重或者转 向架的重量。与普通轨道衡相比，具有计量准确度高、稳定性好、成本低、安装 方便、可不中断行车、过衡无冲击和不计量时不限速等优点，并且工务维修与设 备维修方便。但过衡检测速度不高，这是制约其发展的重要因素。 1 5 选题的意义及本文研究的主要内容 1 5 1 选题的意义 既然货运列车在铁路运输中的事故原因多出在超偏载上，因此设计出能在轨 道正线上使用、具备自动检测超偏载功能的高速动态检测设备已是迫在眉睫。这 种高速动态检测设备需要满足几点要求：首先，满足不称量时列车通过不限速的 要求，这需要采用无称台、无基础、不断轨结构，避免不称量时高速列车通过对 称重轨有很大的冲击；其次，满足对偏载进行准确监控的要求，这就需要采用轮 扫描检测方式；再次，为了不耽误列车运行正线工作，要求能够在线便捷安装。 综合目前国内外超偏载检测技术的发展情况，要研制出满足上述要求的高速动态 检测设备，轮扫描轴计量式不断轨超偏载检测设备有较大的应用优势。一方面， 采用轮扫描检测方式和轴计量测量方式，轮重检测信号即可作为列车超偏载检测 信号，能够满足对列车超偏载的检测要求；另一方面，它采用不断轨结构，有利 于提高被检测列车的通过速度；再则，它以称重传感轨为称体，称重传感轨质量 小，结构简单，有利于在线便捷安装。 综上所述，本文在国内外超偏载检测技术研究的基础上，提出了轮扫描传感 轨技术的研究内容，对新型的超偏载检测传感器进行深入研究，是在这一领域内 的一个具有前瞻性的研究项目。 课题内容来源于导师申请的国家自然科学基金项目，项目名称为高速货车超 偏载轮重扫描监测方法关键技术研究。 6 硕士学位论文第一章绪论 1 5 2 本文研究的主要内容 本研究课题主要研究一种可以用于铁路正线使用的超偏载检测传感器一钢 轨传感器( 传感轨) 。主要研究内容有： 1 比较国内外钢轨传感器的发展现状，在现有钢轨传感器的基础上优化改进， 设计出一种可用于高速货车的新型钢轨传感器。 2 应用有限元理论及有限元软件a n s y s 对这种钢轨传感器进行仿真分析，分析 在不同载荷条件下传感器载体以及主要弹性元件的应变变化趋势，寻找钢轨 中性线上对轴向应变敏感的确切位置；组成全桥电路，计算出在不同载荷工 况条件下的传感器理论输出电压值，并对该传感器理论输出值的线性度进行 评价，其研究结论可为设计制造传感器提供参考。 3 用m a r c 软件建立轮轨的有限元模型，进行轮轨接触的动力学仿真分析，主要 研究轮子在不同速度运行过程中对轨道产生的影响。分析钢轨在高速货车车 轮高速扫掠作用下的应变机理与规律。 7 硕士学位论文第二章超偏载传感器 第二章超偏载检测传感器 在科学实验和工程技术中，我们所遇到的大量待测参数，几乎都是非电物理 量。如温度，压力，浓度，位移，速度，振动等等。非电量电测技术正是根据这 一需求逐步建立和发展起来的一种新的检测技术。它和其它一些传统的检测技术 相比，具有快速、动态、远距离测量，测试结果能及时显示和记录，必要时还可 送入计算机进行数据处理等等。一个完整的非电量电测系统，主要由传感器( 变 换器) 、调节器、测量和记录仪表，需要时，可以将所得到的模拟信号经模数转 换器( a d 转换器) 转换成数字信号，进行数字显示和记录，也可以送入计算机 进行必要的数据处理。 2 1 超偏载检测传感器的发展现状 在铁路安全检测领域，尤其是超偏载检测技术的发展过程中，传感器的研究 和发展一直是安全检测装置的关键技术因素之一n 刀。采用不同的传感器技术，直 接影响着在此技术领域内产品的更新换代和产品质量的高低。因此可以说，不同 的超偏载检测产品的关键性标志就是传感器技术。超偏载技术从最初的静态发展 到动态，再到现在的高速检测技术，其传感器也从压力传感器发展到压力和剪力 结合、纯剪切力检测传感器、到现代的钢轨传感器；从测量原理到传感器的结构 外形等都产生了很大的变化。 在检测技术的发展进步过程中，除对简化机械台面结构和对传统传感器的研 制外，国内外的科学技术人员也对衬垫法、塞入法、现场粘贴法、特殊枕木法、 g g 钢轨传感器以及称重轨技术等进行研究开发，并取得了相应的实际应用n 耵。 衬垫法是采用平面桥式传感器，安装在钢轨与枕木衔接处，使用的传感器越 多称量段越长，控制系统有足够的时间进行信号处理，能适应于车辆动、静态称 量，但费用较大，称量精确度不是很高。为了保证钢轨轨距不变和运行安全性， 在传感器之间用槽钢焊成框架。 塞入法是将锥形传感器塞入钢轨的腹板处，传感器本身称量准确度较高。塞 入钢轨配用后，综合性能指标难以保持较高的水平，据有关资料介绍，安装在未 作任何处理的钢轨中，当车速4 0 k m h ，检衡车测试动态称量准确度为1 5 - - - 2 ，称量段长度有的为5 6 0 m m ，难以长期稳定地正常工作，塞入法采用有两种不 同的传感器塞入，一种压磁式，另一种是电阻应变式。在我国动态轨道衡中也有 所应用。 8 硕士学位论文 第二章超偏载传感器 现场粘贴法是把构成剪切应变全桥的应变片，现场粘贴在枕木之间的钢轨腹 板处、胶水贴片，另加防水密封盖，在环境温度下固化、现场标定不方便、使用 寿命不长，多用于冷扎机上，不实用于动态轨道衡。 特殊枕木法是在二根称量轨下埋设两只专门设计的狭长称量箱，称重轨紧固 在相应长度的箱盖上，箱盖与箱体之间用胶垫密封，在箱内安装多只压式传感器， 称重方式近于衬垫法，称重准确度优于衬垫法，多用于大型铁水鱼雷罐车液位称 重。北京路通公司的动态轨道衡也有所应用。 g g 型钢轨传感器是浙江余姚传感器厂在塞入法的方式基础上研制成功的称 重传感器，g g 型传感器改变了现场粘贴法以钢轨本体作弹性件的传统方法。采 用一段相当于枕木间距的矩形恒弹性钢梁与一块相当宽度和厚度的底板紧固于 体，它的总高度于响应的钢轨的标高，它的宽度及端部轮廓线与相应的钢轨一 致，在中心两侧腹板处加工剪切盲孔，粘贴应变片构成双剪切梁式传感器，目前 g g - r 型已应用在8 0 吨钢包轨道衡，现场静态检定准确度为0 2 ，也应用于天 车电子秤改造。g g - j 和g g h 型能在小矿车联挂状态下低速度行进时动态称量， 动态称量准确度为1 ，由于使用矩形恒弹性钢梁本体尺寸较短，通用4 3 轨型 为4 0 m m ，i f 5 0 型轨也只有5 0 0 i r a ，称量段较短不适宜在动态轨道衡称重系统中 应用。为了满足市场要求，该厂进一步开发2 只或更多只g g - j 型传感器串接使 用，只要每只灵敏度系数和输出阻抗一致，就能尽量增长称量段长度，目前还未 见在动态轨道衡中应用的报道。 钢轨传感器的研究和成功应用，为我们解决这些关键问题提供了途经。铁道 技术科技工作人员经过努力，已经有了不少的成绩，研究设计出了“实用剪切 应变称重传感器等一些产品，并且这些产品在动态电子轨道衡称重领域得到了 成功应用唧1 。新型实用剪切应变称重传感器属于电阻应变式称重传感器范畴，弹 性体为标准钢轨，即把电阻应变片粘贴在标准钢轨腹板上。该传感器利用剪切应 变力学原理工作，当标准钢轨受外力( 重量) 作用后，可测量由剪切力引起的切 向力。该传感器专用于铁路货车称重，与其他几种铁路货车称重传感器相比有如 下特点： ( 1 ) 与g g 型钢轨传感器相比，钢轨尺寸满足铁路安全要求和较高车速动态 计量要求，且机加工方便。 ( 2 ) 与椎型塞入式传感器相比，解决了难以配合的剪力传递界面的影响。 ( 3 ) 与现场贴片式传感器相比，精度高、室内标定方便、工作寿命长。 9 硕士学位论文 第二章超偏载传感器 2 2 现有的传感器存在的缺陷 结合当前我国的铁路运输状况和现场调研的结果来看，现在使用的传感器存 在着以下一些问题，需要认真对待： 直接测压力的传感器已经不能适应现代货运对超偏载检测技术的要求。因为 压力传感器主要是机械式传感器，虽然它结构简单，使用方便，但是由于弹性元 件具有蠕变、弹性后效等现象，材料的蠕变与承载时间、载荷大小、环境温度等 因素都有关系，而弹性后效与材料的应力、松弛和阻尼等因素有关，这些现象最 终都会影响到输出和输入的线性关系。这类传感器不适应用在动态的检测设备 中，这已经被实践所证明。 塞入法的传感器也不再被铁道部门接受。铁道工务部门最新出台的工务标准 规定，已经禁止在钢轨上开孔，因为这样会影响钢轨的强度，造成安全隐患。这 些设备中使用的传感器几乎包括了上面所介绍的那些类型。之所以出现这样的情 况，主要是其设备达不到目前国家铁道部的标准，当然也就谈不上更高的目标。 现代交通要求高速和安全，尤其是用在铁路正线上的检测设备，检测通过速 度要达到6 0 k m h ，精度要求达到1 级。但是我们的检测设备允许通过速度很低， 否则就不能完成安全检测的任务，达不到为铁路运输提供安全警示的目的。结构 比较复杂和庞大，安装和调试的时间比较长，这就导致了这些设备无法在铁路正 线使用，最终使得建设费用比较庞大，已经不适应现代化市场经济的发展要求， 在国际市场没有竞争力。 本文提出的新型钢轨传感器是在现有的钢轨传感器的基础上，采用了一种全 新的检测原理和方法来进行研究，希望能在铁路安全检测领域内作有意义的探索 性研究。 2 3 电阻式传感器的工作原理及特点 上一章节中图l l 所示轨道衡采用的垫块式秤重传感器和论文中所设计的 新型钢轨传感器的工作原理在本质上都是属于电阻应变式传感器。并且轨道衡所 采用的传感器中大多数都是属于电阻应变式，因此这一小节将着重分析一下电阻 应变式传感器，介绍电阻应变式传感器工作原理及特点。电阻应变式传感器是把 被测的非电物理量( 如力、压力、位移、加速度、扭矩等参数) 转换为电阻变化 量的一种传感器。 1 0 硕士学位论文第二章超偏载传感器 2 3 1 电阻应变式传感器的工作原理 电阻应变式称重传感器是基于这样一个原理：弹性体( 弹性元件，敏感梁) 在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在它表面的电阻应变片( 转换元件) 也随同 产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化( 增大或减小) ，再经相应 的测量电路把这一电阻变化转换为电信号( 电压或电流) ，从而完成了将外力变 换为电信号的过程。由此可见，电阻应变片、弹性体和检测电路是电阻应变式称 重传感器中不可缺少的几个主要部分。电阻应变式传感器是将被测量的应力( 压 力、荷重、扭力、弯矩等) 通过它所产生的金属弹性变形，转换成电阻变化的检 测元件。主要由电阻应变片、弹性元件和粘贴剂3 部分组成，如图2 - 1 所示。 ( a ) ( & ) 电路图 ( b )( c ) 二删 度变片 ( b ) 传感器模型图( c ) 应变片 图2 - 1 电阻应变式传感器示意图 弹性元件在外力p 作用下，产生一定的应变，使粘贴在弹性元件上的应变片 电阻丝也产生相应的应变，导致电阻丝的阻值发生变化。在抗压传感器的弹性元 件上，一般均匀地贴上4 - 8 片应变片，组成一个电桥电路，电桥由稳压电源供 电，当桥臂上应变片电阻值发生变化时，电桥将输出一个电信号，其大小与弹性 元件受力大小成正比，输出的电信号经放大和显示即可读出外力p 的大小。 设有一个金属电阻丝，其长度为，横截面是半径为，的圆形，其面积记作s ， 其电阻率记作p ，材料的泊松系数是。当这根电阻丝未受外力作用时，它的电 阻值为j j c ： r ：丛 墨 ( 2 - 1 ) 硕士学位论文 第二章超偏载传感器 当电阻丝受到拉伸或压缩时，它的截面积和长度将发生变化。从式( 2 1 ) 可知拉伸后电阻值的变化为： 积：丝一p l d ：s + 丝， ( 2 2 ) s s s d rd td s d p 一= 一p 一 rzs p 又, i s ：2 r e d r ，i d s ：丝 ( 2 3 ) 如果电阻丝沿轴向伸长与径向缩短之间的关系为：g ，= 一腭 ( 2 4 ) 为电阻丝材料的泊松系数( 泊松比) ，将式( 2 - 3 ) 、( 2 - 4 ) 代入式( 2 2 ) 中得： 警= 一2 勺+ 警= ( j + 2 肋+ 警 ( 2 埘 令 k ：d r _ _ 墨r ：( 1 + 2 1 z ) 4 d p p ( 2 6 ) 8 tl k 称为“电阻丝应变灵敏系数 。它的物理意义为单位应变所引起的电阻变 化率，表示电阻丝的电阻变化率对于应变变化的敏感程度。k 值受两个因素影响： 第一个因素是( 1 + 2 ) ，它是由电阻丝几何尺寸改变引起的，一般在1 6 左右， 是个常数：第二个因素是业，它是由电阻丝的电阻率随应变的改变所引起 的，对大多数电阻丝而言，。其数值也是个常数。所以k 值为常数( - - 般k = 2 3 6 ) 。式( 2 - 6 ) 也可写成： 百d r = k 巳= k 了d l ( 2 7 ) 式( 2 7 ) 表示了电阻丝的电阻变化率竿与应变半成线性关系，由于应变 与作用于弹性元件上的外力p 成正比，而电阻变化率在图2 一l 的电桥中与电桥输 出电压的变化等等( d u 韶为输出电压的增量即a u 砧，u 为电源的电压) 成正比， 因此，只要测出电桥上输出电压量u 。的大小，即可知道作用于弹性元件 上外力的大小。 弹性体是一个有特殊形状的结构件。它的功能有两个，首先是它承受称重传 感器所受的外力，对外力产生反作用力，达到相对静平衡；其次，它要产生一个 高品质的应变场( 区) ，使粘贴在此区的电阻应变片比较理想的完成应变寨电信 号的转换任务。 以托利多公司的s b 系列称重传感器的弹性体为例，来介绍一下其中的应力分 布。设有一带有肓孔的长方体悬臂梁。肓孔底部中心是承受纯剪应力，但其上、 下部分将会出现拉伸和压缩应力。主应力方向一为拉神，一为压缩，若把应变片 1 2 硕士学位论文第二章超偏载传感器 贴在这里，则应变片上半部将受拉伸而阻值增加，而应变片的下半部将受压缩， 阻值减少。下面列出肓孔底部中心点的应变表达式，而不再推导。 占= ( 3 q ( 1 + l z ) 2 e b ) 奉b ( h - h 2 ) + b h 2 ) ( b ( 日3 埘) + b h 3 ) ( 2 - 8 ) 其中：q 一截面上的剪力；e 一扬氏模量：一泊松系数；b 、b 、h 、 一为 梁的几何尺寸。 需要说明的是，上面分析的应力状态均是“局部情况，而应变片实际感受 的是“平均 状态。 检测电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转变为电压输出。因为惠斯登电 桥具有很多优点，如可以抑制温度变化的影响，可以抑制侧向力干扰，可以比较 方便的解决称重传感器的补偿问题等，所以惠斯登电桥在称重传感器中得到了广 泛的应用。 因为全桥式等臂电桥的灵敏度最高，各臂参数一致，各种干扰的影响容易相 互抵销，所以称重传感器均采用全桥式等臂电桥。 2 3 2 电阻应变式传感器的特点 1 ) 精度高，测量范围广。精度达到0 0 5 ：应变测量范围由1 0 到1 0 q ( 微 变量) 。 2 ) 使用寿命长，性能稳定可靠。如对称量而言，采用机械杠杆称重，将由 于刀口磨损、变形等使测量精度难于长期保持。但采用电阻应变式称重 传感器制造的电子秤，只要传感器设计合理、应变片选择恰当、粘贴、 防潮、密封可靠，电子秤性能可长期保持稳定、可靠。 3 ) 结构简单，尺寸小，重量轻。在测试中对试件的工作状态和应力分布影响 小。 4 ) 频率响应特性好。如一般电阻应变计响应时间为0 1 膨，由其构成的传 感器可测数十甚至上百k h z 的动态过程 5 ) 可在高温、高速、高压、强烈振动、强电磁场等恶劣条件下正常工作。 6 ) 易于实现小型化、整体化。目前已将测量电路以及a d 转换器与传感器 组成一个整体，使传感器可直接接入计算机进行数据处理。大大简化了 测试系统。 电阻应变传感器也存在一些缺点，如大应变状态下具有较大的非线性，输出 信号较薄弱，故其抗干扰能力较差等。 硕士学位论文第二章超偏载传感器 2 4 本章小结 本章节陈述了超偏载传感器的发展现状，分析现在市面上各种超偏载设备的 优缺点，进而提出了一种新型钢轨传感器的设计构想。另外介绍电阻应变式传感 器的工作原理并分析优缺点。 1 4 硕士学位论文第三章超偏载检测钢轨传感器的设计与研究 第三章超偏载检测钢轨传感器的设计与研究 在铁路安全检测领域，尤其是超偏载检测技术的发展过程中，传感器的研究 和发展一直是安全检测装置的关键技术因素之一【l 刀。采用不同的传感器技术，直 接影响着在此技术领域内产品的更新换代和产品质量的高低。因此可以说，不同 的超偏载检测产品的关键性标志就是传感器技术。超偏载技术从最初的静态发展 到动态，再到现在的高速检测技术，其传感器也从压力传感器发展到压力和剪力 结合、纯剪切力检测传感器、到现代的钢轨传感器；从测量原理到传感器的结构 外形等都产生了很大的变化。 3 1 钢轨传感器的工作原理 钢轨传感器主要由两部分组成，载体和弹性体。传感器的载体是一根普通的 标准钢轨，是主要的受力和变形输出元件；弹性体是一个粘贴了电阻应变片的微 小的弹性合金结构。弹性体与钢轨直接焊接在一起。这种结构是一个以小变形来 测较大压力的传感器，其中有一个外力转化的环节，也就是弹性体是在钢轨腹板 位置的位移带动下产生的应变变化，所以，在这种传感器制造时的焊接工艺要求 比较高。小弹性体的结构制造工艺的要求也比较高，这也会带来一些成本上的提 高；但是，这种传感器把载体和弹性体分别设计，各成器件来制造和标定，现场 安装和调试，节省了不少安装费用和时间，又不破坏原有的铁道结构。 在本系统的设计中，所选用载体为一段三个跨度长的普通6 0 k g m 的钢轨， 腹板上相应焊接位置做打磨处理。然后把一个测试成功的弹性体器件焊接在钢轨 的腹板上，要求弹性体纵向中心线要和钢轨的中性线重合。这种传感器从原理上 来说，是电阻应变式传感器n 们嘲。其中载体一钢轨的变形原理可以用一根简支梁 来说明乜。钢轨的受力变形工作原理可以用下图3 一l 来说明。 1 5 硕士学位论文第三章超偏载检测钢轨传感器的设计与研究 r 飞乎 。k 少3 、 r l | 一一 ， f 一 厂 l 、轨枕，2 、弹性体，3 钢轨，4 ，车轮 图3 1 钢轨受力示意图 上图3 1 中，c a ) 为轮轨系统示意图，( b ) 为轮轨系统简化为简支梁受力 图。根据钢轨的特殊形状，可以把它看作等截面梁模型来计算。根据材料力学的 计算原理，当等截面梁受压弯曲时，梁的中性层上下等距离位置所发生的轴向应 变大小相等、方向相反。我们把弹性体按照中心线与钢轨中性线重合的方法焊接 在钢轨的腹板上，当钢轨受到车轮压力产生变形时，钢轨腹板上焊接弹性体的位 置会把一定的弯曲力传递到弹性体上，如果焊接效果良好，弹性体焊接位置的受 力就等于钢轨腹板相应位置产生的弯曲力，对整个传感器来说，这个弯曲力属于 内力，它可以引起弹性体的弯曲变形，从而在弹性体横梁的上下表面产生大小相 等、方向相反的轴向应变；我们在弹性体的横梁上、下表面粘贴应变片，就可以 检测出弹性体横梁上、下表面的轴向应变数值的大小。由于弹性体横梁的长度较 小，所以应变数值并不太大。钢轨传感器依靠检测出小范围的应变数值来检测钢 轨受力，这就是小应变测出大外力的工作原理。 在这个理论指导下，我们将在静力学中用a n s y s 软件中对钢轨本体和弹性体 1 6 硕士学位论文第三章超偏载检测钢轨传感器的设计与研究 进行建模，分析它们的应变变形规律。 3 2 钢轨的有限元分析 3 2 1 钢轨的建模与网格划分 在a n s y s 的前处理器中需要依据钢轨的实际尺寸在其中做出来，在有限元分 析中，是直接在a n s y s 中建模，建模的方式是自底向上建模，即定义关键点，然 后利用关键点定义较高级的实体图元( 如线、面和体) 。同时，自底向上构造的 有限元模型再在当前激活的坐标系内定义。本文中的钢轨计算模型是参考普通 6 0 k g m 的钢轨，然后在环境中设置了相应的参数：弹性模量e = 2 0 8 1 0 5 m p a ， 泊松比为o 3 ，截面网格单元选用p l a n e 4 2 ，体单元选用s o l i d 4 5 单元。做出的 钢轨的截面模型如图3 - 2 所示。 羹 s t i p ei 嘲 e l 眺e * 倦 图3 - 2 钢轨平面建模图3 - 3 钢轨平面的网格划分 下面就是对截面的网格划分，在有限元分析中关于网格的划分方法有两种， 它们分别是自由网格划分和映射网格划分。它们主要的内容以及遵循的规则如下 所述： 1 ) 自由网格划分：无单元形状限制，网格也不遵循任何模式，适合于复杂形状 的面和体网格划分。它对实体模型没有特殊要求，任何几何 模型，尽管不规则的，也可以进行网格划分。若划分面，则 自由网格可只有四边形组成或由三角形单元组成或两者的混 合；若划分体，则生成的网格一般只限定为四面体单元。 2 ) 映射网格划分：它必须要满足一定的准则。对面划分时，必须满足一下条件： 1 7 硕士学位论文 第三章超偏载检测钢轨传感器的设计与研究 该面必须是3 或4 条边；面的对边必须划分为相同数目的单 元；该面如有3 条边，则划分的单元必须为偶数且各边单元 数相等；网格划分必须设置为映射网格，结果得到全部四边 形或三角形单元的映射网格，依赖于当前单元类型和单元形 状的设置。 为了控制单元的精度进而采用映射网格划分，而且映射网格划分的网格有规 则。通过对线的划分得到了如图3 3 所示的面的网格图，在划分的时候疏的区域 大约每隔l o m m 有一个节点，密的区域大约是3 m m 有一个节点，网路划分的疏密不 规则，主要有两个方面的考虑：第一，我们要考虑节点的数目，节点数目过于庞 大时，不仅占用很大的空间而且在随后的计算中要分析很长的时间，甚至运行不 了。第二，在有限的资源下，要把主要分析的部分尽量细化，便于得到更精确的 数值。然后再通过面拉伸的方式得到了钢轨的实体有限元模型如图3 4 所示。 1 图3 - 4 钢轨的三维有限元模型 ，u u s 、s 图3 - 5 钢轨的三维有限元约束模型 硕十学位论文 第三章超偏载检测钢轨传感器的没计与研究 3 2 2 约束j 加载与结果分析 住这次计算机仿真t 卜i ，通过对钢轨下表面的间隔约束来模拟实际中轨枕对钢 轨的作用，当然这种约束还1 i 是很精确。具体的约束位胃如图： 一5 所示，作用存 铡轨上的载荷是模拟轮了的重量，m = 1 2 5 1 0 1l g 。钢轨接触力的计算采用矩形 平均分布荷载的方法业引。矩形接触而的尺寸按下式计算： 轮重p = 1 2 5 9 8 1 0 n = 1 2 2 5 x1 0 。