ВСТРОЕННАЯ СИСТЕМА ВЗВЕШИВАНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ТОВАРНЫХ ВАГОНОВ
RAILWAY FREIGHT CAR ON-BOARD WEIGHING SYSTEM

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к системам взвешивания железнодорожных вагонов, в частности к бортовым системам взвешивания железнодорожных вагонов.
Уровень техники
Желательно иметь возможность получения данных о весе груза в железнодорожном товарном вагоне или вагоне-цистерне. В частности, желательно иметь возможность получения данных о весе груза в железнодорожном товарном вагоне или вагоне-цистерне в реальном масштабе времени без необходимости загонять железнодорожный вагон в специально оборудованное место, например на весы.
Также желательно иметь возможность передачи сигнала о весе груза в железнодорожном товарном вагоне или вагоне-цистерне, воздействующего на надрессорную балку; при этом такой сигнал может быть сохранен.
Соответственно, цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить способ и устройство измерения веса груза в железнодорожном товарном вагоне или вагоне-цистерне и передачи сигнала о таком весе на приемник.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение охватывает несколько вариантов реализации системы измерения статической или динамической нагрузки, действующей на железнодорожный вагон. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения тензометрические датчики/датчики смещений расположены симметрично на надрессорных балках тележек, на которые опирается кузов железнодорожного вагона. Помимо веса кузова железнодорожного вагона, в этом варианте реализации заявленного изобретения может быть измерена боковая и продольная неравномерность нагрузки. Беспроводные датчики используются для считывания показаний и их последующей передачи. Показания пересылаются или на местный приемник, или на удаленный терминал.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 проиллюстрирована типовая трехэлементная тележка в сборе, включающая в себя надрессорную балку, рамные боковины тележки, колесные пары, рессорные комплекты и скользуны.
На Фиг. 2 представлен вариант осуществления настоящего изобретения с датчиками/преобразователями, симметрично смонтированными на надрессорной балке тележки железнодорожного вагона.
На Фиг. 3 проиллюстрирован фрагмент варианта осуществления настоящего изобретения по Фиг. 2 с преобразователем и считывающим элементом.
На Фиг. 4 представлен другой вариант осуществления настоящего изобретения с датчиками/преобразователями, симметрично смонтированными на рамной боковине тележки железнодорожного вагона.
На Фиг. 5 проиллюстрирован фрагмент варианта осуществления настоящего изобретения по Фиг. 4 с преобразователем и считывающим элементом.
На Фиг. 6 представлен вариант реализации упругого элемента преобразователя.
На Фиг. 7 представлена блок-схема потока данных, поступающих с датчиков-преобразователей на удаленный приемник.
Осуществление изобретения
На Фиг. 1 представлена стандартная трехэлементная тележка в сборе. Эта тележка включает в себя надрессорную балку 1, которая проходит между отверстиями двух расположенных по бокам рамных боковин 2а и 2b тележки. Надрессорная балка 1 своими концами опирается на рессорные комплекты 3а и 3b. Надрессорная балка 1 содержит центральную пластину 4 и расположенные по бокам скользуны 5а и 5b, на которые приходится вес кузова железнодорожного вагона. Колесные пары 6а и 6b в сборе расположены между рамными боковинами 2а и 2b тележки.
На Фиг. 2 представлен первый вариант осуществления настоящего изобретения, включающий в себя надрессорную балку 1 трехэлементной тележки и беспроводные тензометрические датчики/датчики смещений 7а-7с. Датчики 7а-7с смонтированы на надрессорной балке 1 в точках, выбранных по результатам аналитического/численного анализа напряжений. Кроме того, области, идентифицированные вычислительными методами, верифицируются с помощью экспериментальных методов исследования напряжений, которые могут включать в себя использование тензометрических датчиков и/или датчиков смешений. Кроме того, их местоположение выбирается так, чтобы горячая обработка методом сварки или иными аналогичными методами выполнялась исключительно в пределах зон теплового воздействия, как это определено Американской ассоциацией железных дорог (AAR). В предпочтительной конфигурации два датчика 7 установлены на наклонном поясе надрессорной балки 1, как это показано на Фиг. 1, хотя возможны и другие варианты их размещения.
Каждый беспроводной датчик смещения/тензометрический датчик 7 содержит измерительный преобразователь смещений/тензометрический измерительный преобразователь 8 и беспроводной считывающий блок 9, как это показано на Фиг. 3. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения измерительные преобразователи смещений/тензометрические измерительные преобразователи 8 жестко закреплены на надрессорной балке 1 с помощью дуговой сварки плавящимся покрытым электродом (SMAW), хотя могут быть использованы и другие способы, в том числе с использованием клея, крепежа или иных деталей подобного рода. Использование сварных соединений обеспечивает прямую передачу смещения/напряжения с литой детали на измерительный преобразователь 8 и сводит к минимуму погрешности, обусловленные нелинейностью, гистерезисом и дрейфом нуля весов. Измерительные преобразователи 8 генерируют электрический выходной сигнал, пропорциональный смешению/напряжению на несущей поверхности надрессорной балки 1. Этот принцип применим ко всем прочим вариантам осуществления настоящего изобретения, и в данном случае приведен в качестве примера.
Беспроводной считывающий блок 9 напрямую связан с измерительным преобразователем 8 с основной функцией считывания и оцифровки выходного сигнала, поступающего с измерительного преобразователя 8. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения беспроводной считывающий блок 9 содержит микропроцессорный блок с сопряженными аналого-цифровыми преобразователями (АЦП) и схемой преобразования сигналов, источник питания и устройство для передачи данных в виде беспроводного передатчика/приемника. Беспроводной считывающий блок 9 может также содержать дополнительные считывающие элементы, в том числе инерционные датчики, датчики температуры или давления. Эти дополнительные датчики могут быть использованы в логике принятия решений о достоверности данных преобразователя 8. Например, сигналы измерительного преобразователя 8, полученные в условиях выхода рабочей температуры преобразователя за установленные пределы, могут отбрасываться с помощью  логической схемы, содержащейся в беспроводном считывающем блоке 9. Беспроводной считывающий блок 9 сообщается с диспетчером 15 местной связи, который описан ниже.
На Фиг. 4 и 5 представлен второй вариант осуществления настоящего изобретения, включающий в себя рамную боковину 6 трехэлементной тележки с расположенными по бокам беспроводными датчиками 7d-7е в сборе, каждый из которых состоит из измерительного преобразователя смещений/тензометрического измерительного преобразователя 8 и считывающего блока 9. Работа этого варианта реализации заявленного изобретения основана на тех же принципах, что и работа первого варианта осуществления настоящего изобретения по Фиг. 2. Основное отличие между ними заключается в месторасположении беспроводных датчиков 7. Оба указанных вариантов являются предпочтительными вариантами осуществления настоящего изобретения, однако месторасположение и число беспроводных датчиков 7 не ограничено вариантами, описанными в настоящем документе, и приведено здесь исключительно в качестве примера. В более общем смысле датчики 7 могут быть расположены в любом месте железнодорожного вагона, позволяющем фиксировать изменения в напряжении/смещении вследствие приложения нагрузки.
На Фиг. 6 показан общий вид конструкции измерительного преобразователя смещений/тензометрического измерительного преобразователя, который приведен исключительно в качестве примера. Измерительный преобразователь 8 включает в себя упругий элемент 10 (предпочтительно выполненный из нержавеющей стали), основное назначение которого состоит в передачи деформации/смещения с выступов 11а-11b на участок упругого элемента, где установлены тензометрические датчики 12а-12b. Во-вторых, конструкция упругого элемента 10 такова, что смещение/деформация, возникающая в выступах 11а-11b, механически усиливается в месте расположения тензометрических датчиков 12а-12b. В этом варианте осуществления настоящего изобретения упругий элемент 10 выполнен с возможностью выгибания при приложении сжимающего/смещающего усилия на выступы 11а-11b. В этом варианте используются четыре активных тензометрических датчика, расположенных по схеме измерительного моста Уитстона, хотя в других вариантах конфигурации может быть использовано большее количество активных тензометрических датчиков. Измерительный преобразователь 8 выдает электрический выходной сигнал, пропорциональный как приложенному входному напряжению, так и входным данным о деформации/смещении на выступах 11а-11b. Кроме того, измерительный преобразователь 8 содержит датчик 13 температуры, используемый для измерения температуры упругого элемента 10 в местах установки тензометрических датчиков 12а-12b. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения датчик 13 температуры представляет собой резистивный температурный датчик (RTD), хотя он может быть заменен другими датчиками аналогичного типа.
В настоящем документе описан предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения, проиллюстрированный на Фиг. 6, хотя могут быть использованы и иные измерительные преобразователи при условии, что они выдают выходной электрический сигнал, пропорциональный деформации/смещению несущей поверхности. В качестве примеров таких преобразователей можно назвать дифференциальные трансформаторы с линейно-изменяющимся выходным сигналом (LVDT), струнные датчики (VWT) и тензочувствительные измерительные преобразователи с волоконной решеткой Брэгга. Описанные принципы работы применимы к любому преобразователю указанных типов.
На Фиг. 7 показан предпочтительный вариант реализации элементов согласно настоящему изобретению, а также проиллюстрировано их взаимодействие. В этом варианте осуществления настоящего изобретения два беспроводных датчика смещений/тензометрических датчика 7 установлены на наклонном поясе надрессорной балки 1, как это показано на Фиг. 2. Выходной сигнал с расположенных по бокам надрессорной балки 1 измерительных преобразователей 8 предварительно формируется и оцифровывается беспроводным считывающим блоком 9. Предварительное формирование сигнала предусматривает: усиление исходного сигнала, полученного с измерительного преобразователя 8; фильтрацию сигнала с целью устранения шумов; и усреднение наборов отдельных точек данных для сведения к минимуму погрешностей при съеме данных. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) преобразует предварительно сформированный сигнал в цифровую форму с разрешением, по меньшей мере, 1/5 точности системы. После этого оцифрованный выходной сигнал передается беспроводным способом 14 диспетчеру 15 местной связи, который в предпочтительном варианте должен быть расположен на кузове железнодорожного вагона. Диспетчер 15 суммирует сигналы, полученные с каждой пары датчиков 7, и выполняет их калибровку по каждой тележке, используя закрытые параметры, сохраненные в памяти диспетчера 15. Откалиброванные выходные сигналы с каждой тележки суммируются и передаются беспроводным способом 16 или на местный цифровой индикатор 17 веса, или дистанционно на специальный компьютер или рабочую станцию 18. Беспроводная передача 16 из диспетчера 15 на удаленный приемник 17-18 может быть осуществлена различными способами, которые в подробностях описаны ниже. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения данные передаются беспроводным способом 16 через Bluetooth на специализированный цифровой индикатор 17 веса.
Как было отмечено выше, в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения используются закрытые параметры калибровки в диспетчере 15 связи для преобразования цифровых данных датчиков в показания веса. В настоящем изобретении датчики 7 смонтированы в конструктивно подходящих для этого местах железнодорожного вагона, теоретически и экспериментально доказавших свою эффективность в плане реагирования на прикладываемую нагрузку с высокой степенью повторяемости. Однако общепризнанно, что соотношение между приложенной нагрузкой и деформацией/смещением может быть объективно разным, что гарантирует уникальность калибровки каждого компонента. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения это обуславливает необходимость отдельной калибровки каждой из тележек в сборе. Калибровка отдельной тележки в сборе может осуществляться с помощью специальной гидравлической нагружающей рамы, используемой для приложения нагрузки на центральную пластину 4 и скользуны 5а-5b надрессорной балки 1, когда сама тележка опирается на рельсы колесными парами 6а-6b. Предпочтительный способ предполагает внедрение принятых в отрасли методик калибровки, таких как ASTM Е74 - «Общепринятая методика калибровки силоизмерительных приборов для верификации индикаторов силы испытательных машин». В этом предпочтительном способе используется, по меньшей мере, пять точек калибровки в порядке возрастания и в порядке понижения с повторением, по меньшей мере, три раза. Использование такой методики калибровки обеспечивает максимальную степень точности показаний веса для данной тележки в сборе. Калибруя тележки перед сборкой железнодорожного вагона, система тем самым измеряет вес кузова железнодорожного вагона по сравнению с брутто вагона (GRL). Альтернативные способы, в том числе калибровка в условиях эксплуатации с одной или двумя точками калибровки, характеризуются намного меньшей статистической значимостью. Однако упрощенная калибровка в полевых условиях может быть использована в тех случаях, когда не требуется высокая степень точности. При коммерческом применении системы взвешивания, например, при приемке-передаче, может потребоваться оценка согласно национальной программе оценки средств измерений (NTEP), которая требует проведения верификационных испытаний как в лабораторных, так и в полевых условиях.
Наиболее общая форма обработки данных измерительных преобразователей описана в привязке к Фиг. 7. Обычно считается, что описанные способы используются в статическом или квазистатическом режиме, в каждом из которых влиянием инерции железнодорожного вагона можно пренебречь. В предпочтительном варианте при взвешивании железнодорожного вагона требуется его отцепить от состава, а само взвешивание проводить на горизонтальном участке пути, когда вагон находится в полностью неподвижном состоянии в соответствии с требованиями справочника AAR Scales Handbook. Однако бывают случаи, когда показания веса могут потребоваться в момент движения вагона по негоризонтальному участку пути. В таких случаях степень подвижности вагона или условия негоризонтальности могут быть оценены с помощью вышеупомянутых инерционных датчиков, входящих в состав беспроводного считывающего блока 9, или аналогичных датчиков диспетчера 15 связи. Затем включается логическая схема для принятия решения в отношении точности данных датчика, исходя из результатов инерциальных измерений. Например, инерционный датчик может быть использован для выявления уклона рельсового пути в 5% с последующей блокировкой вывода показаний датчика, обусловленной тем фактом, что они были признаны неточными для данных условий. В альтернативном варианте алгоритмы коррекции могли бы быть использованы для коррекции показаний веса на основании степени отклонения от горизонтали или движения. Оба примера обеспечивают надежное решение взвешивания, которое относительно нечувствительно к окружающим условиям.
Так как статические условия обычно определяются относительно движения железнодорожного вагона, то предпочтение обычно отдается статическим условиям окружающей среды. Однако общепризнано, что измерительные преобразователи на базе тензометрических датчиков демонстрируют определенное смещение нулевого выхода в случае изменения температуры. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения детектор 13 температуры в измерительном преобразователе 8 опрашивается по каждому показанию измерительного преобразователя для применения алгоритмов коррекции в беспроводном считывающем блоке 9. В наипростейшей форме алгоритмы коррекции используют линейное соотношение первого порядка между выходом измерительного преобразователя 8 и температурой, хотя в некоторых случаях может потребоваться аппроксимация более высокого порядка. Аналогичные подходы могут быть использованы для внесения поправки на рельеф или корректирующих поправок на теплоотдачу измерительных преобразователей различных типов, описанных выше. Максимальная степень коррекции достигается калибровкой всей тележки в сборе (вместе с датчиками) в термокамере или в аналогичной установке. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения поправка на температуру обеспечивает требуемую точность системы (скажем, 1% полной шкалы) в диапазоне от -10 до +40°C в соответствии с требованиями публикации 14 NCWM (Национальной конференция по мерам и весам) и документа Handbook 44 NIST (Национального института по стандартам и технологиям).
Измерение веса с использованием систем измерения массы вагона, как в движении, так и в статике было описано в предыдущих параграфах. Дополнительно можно отметить, что во время эксплуатации вагона переходные силы, возникающие в месте контакта колес с рельсами, передаются от колесных пар 6а-6b на рамные боковины 2а-2b через рессорные комплекты 3а-3b, а также на надрессорную балку 1. Оба варианта осуществления настоящего изобретения Фиг. 2 и 3 включают в себя датчики смещений/тензометрические датчики 7, установленные на рамных боковинах 2а-2b и/или на надрессорной балке 1. Соответственно, каждый из вариантов реализации заявленного изобретения обладает определенной возможностью непрямого измерения сил, действующих в месте соприкосновения колеса с рельсом. Например, колесо с дефектом поверхности на ободе в виде лысок может передавать периодически действующие переходные силы на тележку в сборе, которые могут быть измерены указанными датчиками 7. Такие датчики сопоставимы с датчиками динамической нагрузки на колеса (WILD), но при этом они обладают дополнительным преимуществом, которое заключается в том, что указанные датчики могут быть встроены в железнодорожный вагон. Кроме того, с помощью датчиков 7 могут быть измерены силы, возникающие в тележке в сборе вследствие изгибания, неустойчивости или иных условий подобного рода.
Как было указано выше, беспроводные считывающие блоки 9 передают и принимают данные с помощью диспетчера 15 связи, установленного рядом на кузове железнодорожного вагона. Такое короткое расстояние позволяет использовать маломощные радиопередатчики, соответствующие требованиям стандартов, таких как IEEE802.15.4, для работы в полосе 2,4 ГГц, не требующей лицензии. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения считывающие блоки 9 способны работать в качестве беспроводных маршрутизаторов, обменивающихся данными со всеми остальными считывающими блоками 9, обеспечивая резервный канал связи с диспетчером 15. Диспетчер 15 также осуществляет мониторинг сети и непрерывно оптимизирует ее, динамически изменяя маршруты передачи данных и выполняя регулировку, когда считывающий блок 9 находится на приеме, осуществляет передачу или находится в режиме ожидания. Кроме того, предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения обеспечивает полную безопасность данных по всему маршруту их передачи за счет использования 128-разрядного шифрования по алгоритму AES или иного аналогичного способа, соответствующего современному уровню развития техники. Могут быть использованы слаботочные беспроводные сети подобного типа; при этом передача данных не ограничена способами, описанными в настоящем документе.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения диспетчер 15 связи содержит: вычислительный элемент, такой как микроконтроллер; запоминающее устройство; автономный источник питания; и сенсоры. В качестве сенсоров могут быть использованы датчики окружающей температуры и барометрического давления, датчики приближения или инерционные датчики. Кроме того, в диспетчере 15 реализовано несколько способов связи, в том числе вышеупомянутая связь по беспроводной сенсорной сети, сотовая связь (по протоколам GSM/GPRS), спутниковая связь, локальная связь через Bluetooth или Wi-Fi. Диспетчер 15 может также включать в себя беспроводной считывающий блок 9 для создания сети диспетчеров 15 по всему составу. С помощью дополнительного диспетчера 15, установленного на локомотиве, можно осуществлять мониторинг данных со всех вышеупомянутых сенсоров. Для обмена данными по всему составу могут быть использованы различные способы.
Диспетчер 15 может также содержать средства определения местоположения, такие как система глобального позиционирования (GPS). Система позиционирования может быть использована для определения скорости движения железнодорожного вагона и его местоположения. И данные о скорости, и данные о местоположении могут быть использованы в алгоритмах для регулировки частоты съема данных беспроводным считывающим блоком 9 или блокировки вывода всех данных вместе. Например, вес железнодорожного вагона может не представлять какого-либо интереса, если этот вагон стоит в депо, и поэтому информация о его местоположении могла бы быть использована для блокировки съема данных и вывода показаний веса, экономя тем самым энергию как диспетчера 15 связи, так и беспроводных считывающих блоков 9. В альтернативном варианте показания веса могут быть нужны каждую минуту, если железнодорожный вагон находится под загрузкой, поэтому необходимо, чтобы диспетчер 15 мог регулировать частоту съема данных блоком 9, исходя из комбинации параметров и данных, вводимых пользователем. В предпочтительном варианте реализации заявленного изобретения конечный пользователь может регулировать частоту съема данных с местного цифрового индикатора 17 веса по своему усмотрению, хотя в других условиях окружающей среды могут потребоваться другие автономные способы.
Выше было отмечено, что беспроводные датчики смещений/тензометрические датчики 7 могут быть использованы для измерения динамических сил, действующих в месте соприкосновения колеса с рельсом. При их объединении с вышеупомянутым инерционным датчиком в диспетчере 15 или беспроводном считывающем блоке 9 может быть достигнут более высокий уровень уверенности в отношении зафиксированного состояния тележки в сборе. Например, с помощью датчиков 7 могут быть выявлены периодически действующие боковые силы в надрессорной балке 1, а соответствующий отклик с кузова вагона, измеренный инерционным датчиком, может быть использован для подтверждения события. Соотношение между входными сигналами с колеса/оси и откликом с кузова вагона может быть легко определено как вычислительными методами, так и эмпирически. Эта информация может быть использована для создания передаточных функций в диспетчере 15 или беспроводном считывающем блоке 9 для точного прогнозирования входных данных.