Силоизмерительный датчик
Изобретение относится к железнодорожному транспорту, в частности к методам и устройствам для измерения веса подвижного состава в эксплуатационных условиях без остановки подвижной единицы, а также в системах горочной автоматики. Силоизмерительный датчик содержит 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. 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. Активная часть чувствительного элемента содержит измеритель напряженности магнитного поля. В результате повышается точность измерений. 2 ил.
Заявляемая конструкция датчика относится к рельсовому транспорту, в частности к методам и устройствам для измерения силовой нагрузки от движущегося колеса на рельс.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Задачей настоящего изобретения является повышение точности измерений.
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.
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.
На фиг.1 показан общий вид силоизмерительного датчика, на фиг.2 - его поперечный разрез по оси крепления пассивной части чувствительного элемента к измерительному рельсу.
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.
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.
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.
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.
Силоизмерительный датчик, содержащий 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, отличающийся тем, что 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.
