Весовое устройство
WEIGHING DEVICE

Предлагаемое изобретение относится к весоизмерительной технике и может быть использовано для взвешивания железнодорожных вагонов в процессе их движения.
Известны  вагонные весы (патент №2239800, заявка №2002135563, дата  приоритета 26.12.2002г., класс МПК G01G19/04). Известные весы содержат весовой терминал, соединенный с силовым модулем, образованными тензодатчиками типа «сдвоенная балка», установленном на  жестком основании в междурельсовом пространстве и через рымболты связанным с грузоприемной платформой. При этом грузоприемная платформа выполнена в виде балки, середина которой опирается на рымболты, а крайние опоры балки закреплены под рельсами железнодорожного пути.
Недостатком известного  технического  решения  является  то, что весы привязаны  к  грузоприемной платформе,  грузоприемная платформа выполнена в виде балки, середина которой опирается на гайки рымболтов, а крайние опоры балки закреплены под рельсами железнодорожного пути.  Такое  расположение вагонных  весов, упрощает их  конструкцию, но  не  приводит  к  повышению  точности  измерений.
1
2
Известны рельсовые весы для  взвешивания подвижных железнодорожных объектов в  движении (патент №155518, заявка №2015111957, дата  приоритета 01.04.2015г., дата  публикации 10.10.2015г., класс  МПК G01G9/00). Известные рельсовые весы для взвешивания железнодорожных объектов в движении, содержащие закрепленные на рельсе тензорезисторные датчики деформации, которые установлены с обеих сторон на шейке рельса группами и образуют на рельсовом пути линию взвешивания весов, ортогональную направлению движения подвижного состава, причем группы тензорезисторных датчиков деформации подключены к измерительному блоку, который осуществляет аналого-цифровое преобразование сигнала, регистрацию и обработку измеренных величин механических деформаций в зоне контакта колесо-рельс. Весы содержат, по крайней мере, две группы по две пары тензорезисторных датчиков деформации, установленных на двух рельсах в промежутке между соседними шпалами, с образованием параллельных линий взвешивания весов, причем расстояние между двумя ближайшими линиями взвешивания соответствует расстоянию между осями колес тележки вагона, а расстояние до следующих двух линий взвешивания равно расстоянию между тележками, расстояние h от основания рельса до места установки группы тензометрических датчиков деформации с обеих сторон рельса и расстояние l, l от каждой группы тензорезисторных датчиков деформации, установленных на рельсе парно, до продольного среднего сечения ближайшей шпалы соответствуют положению участков шейки рельса, на которых возникает максимальная величина сдвиговых деформаций рельса при нахождении колеса между шпалами.
Недостатком известных  весов  является  то,  что на  шейке одного  рельса  попарно располагаются два  датчика, что не  позволяет получить  последовательность импульсов, а  следовательно  снижается  вероятность  точности  оценки  полученных  сигналов.
Техническим  результатом предлагаемого  изобретения  является  снижение погрешности при  взвешивании вагонов.
Предлагается весовое устройство включающее два  упругих  элемента, выполненных  в  виде отрезков  рельсов со  встроенными  в  них  тензорезисторными датчиками, приборы весоизмерительные, программно-технический комплекс.
Отличием  является  то,  что тензорезисторные  датчики встраивают  попарно от одной до шестнадцати  пар, а по центру под монтаж рельсов укладку  шпал  производят  в порядке  три по  центру  на расстоянии  475  мм  от  оси   друг  от  друга  и  по  одной шпале   по  краям на  расстоянии 900 мм  от  оси крайних  шпал, между  упругими  элементами  установлена  стальная  рама, упругий  элемент изготовлен при  отношении  шеечной  части к диаметру  защитного  стакана  как  1 : 5, при диапазоне  значения  диаметра  стакана  от 15 мм до 45 мм, упругий  элемент соединен  с весоизмерительными  приборами кабельными   каналами, которые  состоят  из  двух  частей, в  месте  крепления к  упругому  элементу  резинотканевый  канал,  в  месте  крепления к  весоизмерительным  приборам стальной  канал.
Сущность  предлагаемого  изобретения  показана  на  фиг.1, фиг.2 ,фиг.3, фиг.4, где на  фиг.1 показана  общая  схема всего  участка взвешивания, на фиг.2 показана  схема весового  устройства, на  фиг.3  показан  общий  вид весового  устройства,  на  фиг.4 показан упругий  элемент.
Основными элементами весового  устройства являются специально подготовленные, оснащенные весоизмерительными  тензорезисторными датчиками деформации рельсы, общая  схема всего  участка взвешивания показана  на  фиг.1.
Упругие элементы  показаны 1 и выполнены  в  виде отрезков  рельсов со  встроенными  в  них  тензорезисторными датчиками. Общая  схема упругого  элемента (взвешивающего рельса) показана  на  фиг.2, где  схематично показаны  весоизмерительные тензорезисторные элементы (тензорезисторными датчиками).
Предлагаемое весовое  устройство состоит  из грузоприемного  устройства, которое включает тезнзорезистроные  датчики ( от одной  до шестнадцати  пар), упругие  элементы, выполненные  в  виде отрезков рельсов. Упругий  элемент 1 показан  на  фиг.2. Тензорезисторные датчики   работают  по  принципу сжатия  и  растяжения,  преобразуют механическую энергию деформации,  в  электрический  сигнал. Принцип  действия этих  датчиков  заключается  в  том, что при  прохождении вагонов  образуется  последовательность импульсов, которые  в  совокупности  образуют  сигнал, который подается  на программное  устройство  для  считывания. Графически импульсы плавно  возрастают  до  определенного  момента,  а  затем  снижаются. Программное  устройство содержит алгоритм  обработки  поступающих  сигналов. При этом на  погрешность создаваемого сигнала    влияет  расстояние,  на котором  расположены  тензорезисторные  датчики. При этом  расстояние L (фиг.2)  между  крайними тензорезисторными  датчиками не  может  быть более 2530 мм.
Экспериментальным  путем определено  оптимальное расстояние  для  укладки  шпал. Для  распределения  нагрузки отрезки  рельсов  укладывают  на  шпалы. Т.е.  нагрузка  от  идущих  вагонов  распределяется  на  большую  площадь. На  участке  взвешивания  расположение  шпал (от осей) фиксируется  на  расстоянии 900-475-475-900, что  предопределяет и  определенное  соотношение расстояния  между тензорезисторными  датчиками. При проходе  вагонов с примыкающего железнодорожного  пути на  участке 900мм  происходит  максимальный  изгиб участка  рельса, фиксируемый тензорезисторными  датчиками, далее  на  участке 475мм изгибающий  момент  снижается, далее  на  участке 900мм  увеличивается. Сигнал  имеет линейную  зависимость, изменение  которой считывается программным  устройством.  Пары  тензорезисторных  датчиков показывают  разность деформации  на  участке 900мм и на  участке 475 мм. Сигнал  образует  определенный  расчетный  код (график)  и  передаются  на  программное  устройство  для  считывания, где выстраивается  линейная  зависимость  сигнала от  упругой  деформации. Признаки  являются  существенными  и  находятся  в  причинно-следственной  связи  с  заявленным  техническим  результатом.
При этом  экспериментально  определено, что если  расстояние  более  900-475-475-900  на  участке  взвешивания то в  большинстве  случаев  происходит  деформация  рельсов превышающая допустимые значения. Если  расстояние  менее  900-475-475-900 то  происходит  искажение сигнала (не  получена  необходимая  разность деформации) и  увеличивается  погрешность  взвешивания,  нарушается  оптимальное расстояние  между тензорезисторными  датчиками. Признак  является  существенным, влияющим  на  точность  измерения.
Весовое  устройство  в  целом, упругий  элемент 1 (в  который  встроены  датчики)  работает  на  изгиб. При движении  подвижного  состава по рельсам   статические  и  динамические нагрузки создают  напряжения  и  деформации в упругом элементе.
Упругие  элементы  1 зафиксированы  стальной рамой 2 (кондуктором). Рама 2 (кондуктор)  обеспечивает правильную установку и  надежную  фиксацию  шпал, исключает их  смешение  во  время  взвешивания,  а  значит и искажение результатов  взвешивания.
На  упругом  элементе  установлен защитный  стакан 3. Элемент  крепления  показан 5. Для  оптимальной  работы упругого  элемента 1  на  сжатие – растяжение важную роль  играет размер  шеечной  части  упругого  элемента (шейка  рельса). Именно  к шеечной  части 4 рельсов  крепятся  тензорезисторные  датчики. Оптимальное  соотношение  шеечной  части (4) h  к  диаметру  защитного  стакана D  определена  расчетным,  а  затем  экспериментальным  путем  как 1 к 5 при диапазоне  значения  диаметра  стакана от 15 мм  до 45 мм. Показано  на  фиг.4. Увеличение значения D (выше 45 мм) нарушает заявленное  соотношение и, как  показали экспериментальные  исследования, приводит к  нелинейности работы  упругого  элемента. Уменьшение значения (менее  15 мм) D в  заявленном  соотношении снижает  чувствительность упругого  элемента,  получается  на  выходе  слабый  сигнал. Соотношение 1 к 5 шеечной  части к диаметру  защитного  стакана является  оптимальным. Признак  является  существенным  и  находится  в  причинно-следственной  связи  с  заявленным  техническим  результатом.
В шейке 4 рельса при помощи механической обработки сформированы концентраторы напряжений, на поверхности которых размещены тензорезисторы соединенные в электрическую измерительную схему (мост Уитсона). Форма, размеры и положение  концентраторов напряжений определены расчетом методами математического моделирования. Концентраторы напряжений позволяют получить равномерное поле деформация пропорциональное приложенной на рельс нагрузке от колеса подвижного состава. Определенные расчетом оптимальные форма, размеры и положение концентраторов напряжений позволили значительно улучшить нелинейность и погрешность измерительной части весового рельса. На  чертеже шайбы  показаны  6, 7, 8.
Упругий  элемент  соединен  с  весоизмерительными  приборами кабельными   каналами (не  показано), которые  состоят  из  двух  частей, в  месте  крепления к  упругому  элементу  резинотканевый  канал,  в  месте  крепления к  весоизмерительным  приборам расположен стальной  канал. Резинотканевый  канал  закрепляется при помощи крепежных  хомутов  и штуцеров. Канал выполняет  защитную  функцию для  соединений упругого  элемента  и  весоизмерительных  приборов, исключая  повреждение  кабелей и  вследствие этого  искажение  полученных  результатов.
Все  признаки  формулы  заявленного  технического  решения  являются  существенными  и  находятся  в  причинно-следственной  связи  с  заявленным  техническим  результатом.
Промышленная  применимость  подтверждена  экспериментально при испытании  опытно-конструкторского  образца.