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数字指示轨道衡偏载检定的探索
2019-11-07 11:32:28 来源:http://www.scalesh.com 作者:http://www.scalesh.com 【 】 浏览:0次 评论:0

1 概述

数字指示轨道衡是铁路专用的大型衡器,用于称量铁路货车质量。数字指示轨道衡的称量方式为静态称量,受线路和车辆状态等因素的影响很小,因而准确度等级较高。数字指示轨道衡广泛应用在铁路货运安全中的超偏载检测和大宗货物的贸易结算领域中。

偏载是轨道衡的一项计量性能指标,用于确认承载分布不均匀的载荷或载荷置于轨道衡不同位置时,轨道衡依然能保持称量的准确性。在检定偏载时,使用总重为24 t的砝码小车对轨道衡的始端、支撑点、相邻2对支撑点的中部和末端往返检定1次,检定期间不能运行自动置零或零点追踪功能。

在以下检定案例中,用于检定偏载的总重为24 t的砝码小车未能确认传感器出现故障,也未能确认故障传感器所在位置,改用总重为40 t的砝码小车才确定异常的传感器所在位置。针对此现象,探索增大偏载质量的设定。

2 偏载检定问题案例

2.1 检定过程

受检轨道衡为GCS-100型中准确度级数字指示轨道衡,分度值e=d=20 kg,长13 m,最大秤量100 t,由8个PHILIPS PR6201型30 t柱式称重传感器分4对支撑。检定依据JJG 781—2002《数字指示轨道衡》检定规程。标准器为T7型检衡车,总重83.1 t。

依照检定规程,在通用技术要求、零点、24 t偏载、18 t秤量点、40 t秤量点、40 t重复性检定中,该轨道衡的示指误差均符合要求。

在质量大于80 t的重复性检定中,检定的最大允许误差为±30 kg,示值误差分别为-1 084 kg,-860 kg,-1 226 kg。该轨道衡严重超差,检定结果不合格。

2.2 故障排查

因通用技术要求和零点测试正常,排除轨道衡存在机械卡阻故障。

因检定中24 t偏载测试正常,18 t和40 t称量测试正常,40 t重复性测试正常,排除传感器和仪表损坏故障。初步推测轨道衡承受较大质量后产生应力形变,衡体形变后存在部件摩擦卡阻现象。再次使用轨道衡对大于80 t质量称量,同时检查衡体情况,没有发现轨道衡出现卡阻,但示值误差仍然存在严重超差。

重新排查故障,经过多次大于80 t的重复性测试,示值没有趋于稳定,重复性差,重新推测为传感器损坏。

重新测试零点,并使用24 t砝码小车测试偏载,测试结果符合要求。将砝码小车质量增加至40 t,开始偏载测试。测试中发现,3/4号传感器示值明显偏低。经测量,3号传感器电压输出异常。随即更换传感器,经调试后,重新开展检定,结果符合要求。40 t偏载测试示意如图1所示。

图1 40 t偏载测试示意

图1 40 t偏载测试示意  下载原图

3 故障原因分析

3.1 检定流程

检定流程大致如下:(1)检查通用技术要求;(2)检衡车接电并测试检衡车吊运状态;(3)吊装砝码小车和砝码;(4)开展轨道衡零点检定;(5)检定24 t偏载;(6)开展18 t和40 t称量检定和鉴别力检定;(7)实行40 t重复性检定;(8)将砝码和砝码小车吊装回检衡车内,固定车内装置并断电;(9)开展整车称量检定、鉴别力检定;(10)实行整车重复性检定。

当某对传感器在承受大于24 t质量时线性出现问题,如图1中的3/4号传感器,依照检定规程检定时,如果使用40 t质量开展称量检定或重复性检定,有1项选在异常传感器所在位置,则在上述检定工作流程开展到第(6)或第(7)项时会发现异常,从而终止检定。在更换传感器并调试后,再次重新检定。但是,这次检定使用40 t质量开展称量检定或重复性检定时,所选位置远离3/4号异常传感器所在位置,导致在40 t称量检定和重复性检定时没有察觉异常,直至上述检定工作流程开展到最后的第(9)或第(10)项才发现异常,此时检定流程已接近结束,这表明检定流程存在微小漏洞。

如果优化偏载检定的质量设定,可在检定流程开展至第(5)项时发现异常,从而可及时中止检定,避免后续大量无谓工作。

3.2 称重传感器的非线性

称重传感器的工作原理是敏感元件受应力产生形变,变换元件将应力形变转换为其他可测量的量,再由测量元件测量并输出信号。

称重传感器的敏感元件是合金钢的圆柱弹性体。在弹性体上粘贴有4片电阻应变片,用作变换元件。当弹性体受到压力发生纵向和横向应力形变时,电阻应变片形状将随之变化,电阻应变片自身电阻由电桥平衡时的R变为形变后的R+ΔR。电阻应变片示意如图2所示。

图2 电阻应变片示意

图2 电阻应变片示意  下载原图

作为测量元件的惠斯通电桥可以测得电阻变化量ΔR。根据公式(1)可得应变片形变ε,根据公式(2)可得载荷F。

式(1)和(2)中,ki为应变灵敏度;E为弹性模量;S为截面积。惠斯通电桥如图3所示。

图3 惠斯通电桥

图3 惠斯通电桥  下载原图

柱式称重传感器具有性能波动小、弹性元件刚度大、抗振、抗冲击、抗偏心载荷和横向载荷的优点;缺点是固有线性差,弹性元件本身抗偏心载荷、横向载荷能力差,对电阻应变片的粘贴截面和位置要求较高[1]

故障传感器承重超过一定重量后,传感器的非线性明显,分析其原因如下。

(1)电桥电路的非线性。为了增加传感器的灵敏度,传感器基本都会在电桥电路的输出端并联电阻,电桥的相对输出与应变之间是非线性关系,当应变片形变ε足够小时,才呈现线性关系[2]。当传感器故障,应变片形变ε达到一定程度,电桥电路的非线性开始体现。

(2)截面积变化引起的非线性。弹性元件受到压力时,截面积增大。受泊松比影响,纵向和横向应变相差较大,使两者都呈现出非线性。

(3)电阻应变片的非线性。弹性元件变形时产生的应变值与电阻的相对变化量在一定的应变范围内才保持线性关系。当电阻应变片承受较大应变量时,其非线性会体现出来[3]

3号传感器发生故障后,在承重达到较大值时,就难以保证良好的线性。所以,在做常规偏载检定时,3/4号传感器承受部分轨道衡自重和24 t载重,承重尚未接近这个较大的值,此时的线性是符合要求的,偏载检定时没有发现异常。当承受部分轨道衡自重和40 t载重时,承重接近或超过这个较大的值,故障传感器的多个非线性因素累加,导致输入与输出之间的非线性,示值偏离标准值较多,从而确定了故障传感器所在位置。

4 对策及其效果

JJG 781—2002的5.4.2条对偏载检定规定如下:在每对支承点上,使用T6F检衡车内砝码小车时约为24 t,同一载荷在不同位置的示值,其误差应不大于该秤量的最大允许误差。这一条规定实际是从过去机械轨道衡检定规程延续而来的。机械轨道衡各个受力点都是刀口结构,为了防止刀口的损坏,是不允许机车上衡的,在检定时所使用的载荷相对小一些[4]。然而,目前的桥式30 t称重传感器极限承载45 t,承载能力大大增强,可尝试调整偏载检定所需质量。

4.1 偏载检定所需质量

在OIML R76-1《非自动衡器》中规定了偏载的计量要求和偏载试验的方法。

(1)对于承载器的支撑点数N≤4的衡器,将相当于最大秤量与相应最大添加皮重效果之和的1/3载荷,施加于约等于承载器1/4面积的区域,依次加载试验。

(2)对于承载器的支撑点数N>4的衡器,将相当于最大秤量与相应最大添加皮重值之和的1/(N-1)载荷,施加于约等于承载器1/N面积的区域,依次加载试验。

(3)对用于称量滚动载荷的衡器,将不大于最大秤量与最大添加皮重量之和的0.8倍载荷,在承载器的起始端、中间和末端区域,依次加载试验。如果可以双向使用,则以相反方向对这些位置重复施加滚动载荷,它相当于可能称量的最大最集中的滚动载荷。

数字指示轨道衡最大称量为100 t,最大添加皮重为30 t,有8个传感器,分4对排列,每对传感器相距为4 m~4.5 m。砝码小车轴距为1 m,相比C70货车的转向架心盘距更集中承载。

如果按照第(1)条,每对传感器视为1个支撑点,则偏载所需质量为(100+30)t/3≈43.3 t。目前,砝码小车满载总重只能达到40 t。

如果按照第(2)条,则单个传感器偏载所需质量为(100+30)t/7≈18.6 t。因砝码小车只能测试成对的传感器,则需使用2倍的质量施加到2个传感器连线两侧的2倍区域内,即使用37.2 t质量对每对传感器开展测试,取整后建议使用38 t质量。

如果按照第(3)条,所需的测试质量为不大于0.8×(100+30)t,即不大于104 t的整车质量,一般使用检衡车本身检定。

如果参考实际使用情况,国内普遍使用的C70货车满载总重约94 t,为4轴车辆,满载时每轴承重约23.5 t。如果货车停靠在轨道衡中间位置,轨道衡4对传感器均匀受力,每对承重23.5 t;如果货车停靠在轨道衡的一侧,则轨道衡的4对传感器受力不再均匀,整车偏置上衡,如图4所示。

图4 整车偏置上衡

图4 整车偏置上衡  下载原图

国内数字称量轨道衡长度为12 m~13 m。2号轮对压在3/4号传感器正上方,因1/2号与3/4号传感器相距4 000 mm~4 500 mm,转向架轴距为1 800 mm,1号轮对偏离1/2号和3/4号传感器中心线约200 mm~450 mm,靠近3/4号传感器。相比其他车辆停放位置,此时3/4号传感器承受重量应为最大,大于1.5倍的C70货车轴重,即大于34 t。

4.2 比较

OIML R76-1中偏载的第(1)、(2)条建议内容很接近。从现行检定设备的使用限制看,两者质量相差仅为2 t。

从理论上看,第(2)条更加严谨。第(2)条严格遵循支撑点数量对衡器的影响,更符合OIML R76-1中偏载的建议要求。

从检定的实际操作上看,第(1)条更加便捷。因数字指示轨道衡检定中的称量检定、鉴别力检定、重复性检定中都包含40 t这个质量点,设置偏载检定质量为40 t。偏载检定结束后可进行上述40 t称量、鉴别力、重复性检定,无需更改砝码小车配重。

至于第(3)条,不建议使用整车替代砝码小车。因为40 t秤量点需要做的检定项目很多,也更容易测试出故障传感器所在位置,建议可以配合规程使用整车测试偏载。

参考轨道衡的实际使用情况,满载C70货车在特定情况下,每对传感器的承重至少大于34 t,已经大于规程规定的24 t,证明OIML R76-1中第(1)、(2)条建议的质量符合实际需求,可以参考偏载相关规定第(1)、(2)条的建议选择偏载质量。

4.3 效果测试

将砝码小车质量分别加载至总重为38 t,40 t,对GCS-100型数字指示轨道衡的偏载开展实测检定。分别对传感器开展偏载调试,均调至示值误差为±2 kg以内的理想状态。在测试零点符合要求后,分别使用38 t和40 t质量对7个测试点位开展偏载测试,着重观察每对传感器之间的中间点。经测试,示值误差均在±12 kg以内,7个点的偏载误差均小于±20 kg。2组质量所得测试结果相差均在±2 kg以内,表明使用38 t和40 t点测试时基本没有差别。

综合多种因素,建议偏载检定质量设置为40 t。

5 结语

在使用40 t质量检定偏载的试验中,设备正常状态下的测量结果同使用24 t质量时并没有发现较大差异,侧面验证了检定规程中开展40 t称量检定和40 t重复性检定时,对砝码小车停放位置并没有要求的设定;但在设备异常状态下的测量结果同使用24 t质量时差异较大,可以及时明确反映出故障所在。综合考虑,建议偏载检定所需质量设置为40 t。增加偏载检定的质量,有利于在初期的偏载检定中,发现传感器的非线性故障,避免继续开展称量检定、重复性检定和鉴别力检定所导致的人力物力浪费。

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