CN110220621A - 一种用于铁道车辆超偏载检测的钢轨轨头式应力传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于铁道车辆超偏载检测的钢轨轨头式应力传感器，包括有两个矩形的基体和两个钢轨夹具；每个基体相对的竖直内侧面和竖直外侧面上均设置有两个盲孔，且两侧面的盲孔一一同轴相对设置，盲孔内均设置有电阻应变片，基体同轴的两盲孔所在部分为剪切梁结构；两个基体的两端部均通过对应的钢轨夹具固定连接，安装时，两个基体顶端与钢轨轨头的下颚之间均支撑连接有支撑螺栓。当车轮经过钢轨应力传感器所在的钢轨区段时，车轮作用于钢轨轨头上，钢轨轨头受力产生变形，钢轨轨头式应力传感器采集钢轨应力的变化量，然后对两边钢轨上车轮的受力情况进行分析，得出铁道车辆是否超载或偏载的结果，检测精度高，检测结果准确。

Description

一种用于铁道车辆超偏载检测的钢轨轨头式应力传感器
技术领域
本发明涉及压力检测领域，具体是一种用于铁道车辆超偏载检测的钢轨轨头式应力传感器。
背景技术
铁路多用于长距离的运输，因其速度快，价格便宜得到了快速的发展。当火车处于超载或偏载的状态下，极易造成交通事故，造成生命和财产的损失。但铁道上车辆的超载、偏载和总重的检测，目前还是采用停车检测的方式，检测方式麻烦且相对落后。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于铁道车辆超偏载检测的钢轨轨头式应力传感器，结构简单、安装方便，可实时采集钢轨应力的变化量，从而通过应力采集数据达到铁道车辆超偏载检测的目的。
本发明的技术方案为：
一种用于铁道车辆超偏载检测的钢轨轨头式应力传感器，包括有两个矩形的基体和两个钢轨夹具；每个基体相对的竖直内侧面和竖直外侧面上均设置有两个盲孔，且两侧面的盲孔一一同轴相对设置，盲孔内均设置有电阻应变片，基体同轴的两盲孔所在部分为剪切梁结构；每个钢轨夹具包括有转接梁、两个分别连接于转接梁两端的夹板，每个夹板均包括有竖直部和弯折部，弯折部的底端连接于竖直部的顶端且弯折部与竖直部之间的夹角为钝角，两个夹板弯折部的顶端相对设置，两个夹板竖直部的底端分别固定连接于转接梁的两端，其中一个基体的两端分别与一个钢轨夹具其中一个夹板的顶端和另一个钢轨夹具其中一个夹板的顶端固定连接，另一个基体的两端分别与一个钢轨夹具另一个夹板的顶端和另一个钢轨夹具另一个夹板的顶端固定连接，且两个基体顶端与钢轨轨头的下颚之间均支撑连接有支撑螺栓。
所述的基体的中部上且位于两组同轴的盲孔之间设置有螺栓连接槽，支撑螺栓的底部连接于螺栓连接槽内，支撑螺栓的顶端与钢轨轨头的下颚紧密接触。
所述的电阻应变片选用二片半桥型电阻应变片，一个二片半桥型电阻应变片中的二片电阻应变片分别安装于同轴的两个盲孔中，且二个二片半桥型电阻应变片连接组成工作电桥。
所述的钢轨夹具的两个夹板顶端上均开设有定位台阶，两个夹板的定位台阶其竖直面相对设置，所述的基体的两端部分别支撑于对应定位台阶的水平面上且基体两端部的竖直外侧面与定位台阶的竖直面紧密接触。
所述的基体的两端部其底部开设有矩形缺口，所述的基体两端部矩形缺口的部分分别支撑于对应定位台阶的水平面上且基体两端部的竖直外侧面与定位台阶的竖直面紧密接触。
本发明的优点：
本发明通过钢轨夹具将双剪切梁结构的基体安装于钢轨轨头的下方使得钢轨轨头支撑于基体上，实现钢轨应力检测，当车轮经过钢轨应力传感器所在的钢轨区段时，车轮作用于钢轨轨头上，钢轨轨头受力产生变形，钢轨轨头式应力传感器采集钢轨应力的变化量，然后对两边钢轨上车轮的受力情况进行分析，得出铁道车辆是否超载或偏载的结果，检测精度高，检测结果准确；本发明体积小、易于安装，且不改变铁路钢轨原有的结构，测量精度可到达0.3-0.5％，使用寿命可达到100万次左右。
附图说明
图1是本发明安装于钢轨上的主视图。
图2是本发明安装于钢轨上的侧视图。
图3是本发明基体的半剖视图。
图4是本发明二片半桥型电阻应变片的结构示意图。
图5是本发明工作电桥的结构示意图。
图6是载荷剪切梁的力学模型示意图。
图7是载荷柱式梁的力学模型示意图。
图8是本发明剪切梁部分的应变区位置及应力分布图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
见图1-图3，一种用于铁道车辆超偏载检测的钢轨轨头式应力传感器，包括有两个矩形的基体1和两个钢轨夹具；每个基体1相对的竖直内侧面和竖直外侧面上均设置有两个盲孔11，且两侧面的盲孔11一一同轴相对设置，盲孔11内均设置有电阻应变片，基体1同轴的两盲孔11所在部分为剪切梁结构；每个钢轨夹具包括有转接梁2、两个分别连接于转接梁2两端的夹板3，每个夹板3均包括有竖直部和弯折部，弯折部的底端连接于竖直部的顶端且弯折部与竖直部之间的夹角为钝角，两个夹板3弯折部的顶端相对设置，两个夹板3竖直部的底端分别固定连接于转接梁2的两端，其中一个基体1的两端分别与一个钢轨夹具其中一个夹板3的顶端和另一个钢轨夹具其中一个夹板3的顶端固定连接，另一个基体1的两端分别与一个钢轨夹具另一个夹板3的顶端和另一个钢轨夹具另一个夹板3的顶端固定连接，基体1的中部上且位于两组同轴的盲孔之间设置有螺栓连接槽4，支撑螺栓5的底部连接于螺栓连接槽4内，支撑螺栓5的顶端与钢轨6轨头的下颚紧密接触。
其中，钢轨夹具的两个夹板3顶端上均开设有定位台阶8，两个夹板3的定位台阶其竖直面相对设置，基体1的两端部其底部开设有矩形缺口7，基体1两端部矩形缺口7的部分分别支撑于对应定位台阶8的水平面上且基体1两端部的竖直外侧面与定位台阶8的竖直面紧密接触。
其中，电阻应变片选用二片半桥型电阻应变片(见图4)，一个二片半桥型电阻应变片中的二片电阻应变片分别安装于同轴的两个盲孔中，且二个二片半桥型电阻应变片连接组成工作电桥(见图5)。
见图1和图2，安装时，两个钢轨夹具夹设于钢轨6的轨腰和轨底上，两个钢轨夹具的连接梁2与钢轨6的底端紧贴接触，两个基体1的竖直内侧面紧贴钢轨6的轨腰，钢轨6的轨头通过支撑螺栓5支撑于两个基体1的上方。
见图4，本发明的基体原理类同于一般应变式传感器，但本发明采用了二个双应变片的电阻应变片，粘贴在受力板的两侧。见图5，本发明在工作时，应变片中R1如受正剪切力，那R2亦受负剪切力，而另一个双应变处事中的R3受正剪切力，R4受负剪切力，如图5组成工作电桥。
R为应变片阻抗，钢轨应力传感器的基体在受到外力作用的时候会产生形变，引起紧贴在钢轨应力传感器的基体内部壁上的应变片阻抗线性增加或减小。在有外部供电(3—12VDC)的情况下，输出的差分级mv信号也线性增加减小，传感器通过组桥、调零、配平灵敏度、温补等之后，输出的信号＝供电电压x灵敏度。比如稳压电源是10VDC，传感器灵敏度是1.5mv/V，传感器到满量程时输出的电压＝10x1.5＝15mv，如果需要0-5V(4-20mA等)标准模拟信号需要配信号转换器(变送器)。
基体力学原理：
本发明的钢轨应力传感器的基体是一个板式型梁并在梁两端适当位置加工了两个盲孔，整体测力结构为剪切梁，为弹性体的应力测量方式。钢轨应力传感器的基体受到外力压力时，其被测物理量都能够在物体上产生变形(应变)，当外力去除之后又可以恢复原来的形状和尺寸，即这种变形为弹性变形。弹性体是构成传感器的基体要素之一，它所具有的基体物理性质可用下列公式表示：
a、σ＝E×ε，是轴向应力应变虎克定律，即弹性体的弹性模量E决定了轴向应力σ和轴向应变ε间的线性关系。
b、ε1＝μ×ε，弹性体在上述轴向力作用下，除了产生轴向应变ε外，还伴随着横向应变ε1。两者之间的比值泊松比μ为党数。
c、τ＝G×γ，是纯剪切虎克定律。弹性体受到剪切力作用时，受剪切面上的剪应力τ与截面间产生的相对角应变γ呈线性关系，并取决于弹性材料的弹性剪切模量G。
上述；弹性材料的三个特性参数E、G和μ之间具有以下关系:
G＝E/(2×(1+μ))。
轨道钢轨应力传感器的基体受力分析：
①、本发明钢轨应力传感器的基体可简化成两端受力集中载荷剪切梁或柱式梁，力学模型示意图见图6和图7。剪切梁钢轨应力传感器的基体结构在受到压力时发生变形情况，受到的压力和传感器的变形最成正比。当钢轨应力传感器的基体受压力变形时，导致内部的应变片发生变化，输出相应的压力信号。
②、中间受力载荷作用的应力计算：
③、梁的剪应力及剪应变计算
剪切梁传感器的一般均在应变梁的拐点加二个盲孔(局部形成剪切梁)，其剪应力可用茹拉夫斯基公式进行计算：
局部剪切梁结构的应变区位置及应力分布如图8所示。
上式中:
剪力Q：
剪切截面对中轴的静矩Sy：
剪切截面对中轴的惯矩Jy：
则
45°方向的主应力和主应变计算，沿梁中线轴成45°方向压力的长度变化，正是纯剪切力状态下的主应力方向，其主应力与最大剪切力，主应变与最大剪应变的在下列关系：
传感器灵敏度计算：
式中：K――电阻应变片灵敏系数
钢轨应力传感器的基体技术参数：
量程：(30+30)t；
准确度:0.2％FS；
工作电压：12VDC；
输出信号：(0-10)mV；
工作温度：-20℃-70℃；
极限压力：≥(40+40)t；
输入阻抗：700±20Ω；
输出阻抗：700±5Ω；
绝缘电阻：≥5000MΩ；
非线性：±0.3％F·S；
滞后：±0.3％F·S；
重复性：±0.5％F·S。
一种铁道车辆超偏载检测方法，具体包括有以下步骤：
将两个钢轨应力传感器安装于两边钢轨上且两个钢轨应力传感器沿两边钢轨的中轴线对称。当车辆四个车轴八个车轮全部通过钢轨应力传感器时，钢轨应力传感器转换成一组检测信号，检测信号经过模拟信号处理器和A/D转换器转换成数字信号，然后传输到主机数据处理器单元，通过数据运算得到检测结果。车辆的偏重、偏载等检测结果通过通信***向货运室发送检测信息及报警信号。
数据运算处理方法：
1、偏重：偏重＝前转向架重量－后转向架重量
2、偏载：
偏载主要指横向偏载，即货物重心横向偏移量。
偏载＝(车辆自重÷货物重量+1)×746.5×整车偏载率＝[车辆自重÷(整车总重量－车辆自重)+1]×746.5×整车偏载率
其中，整车偏载率＝(左边4个车轮承重－右边4个车轮承重)÷整车总重量
3、超载：
超载＝货物重量－车辆标称重量＝(整车总重量－车辆自重)－车辆标称重量。
铁道车辆超偏载检测前，采用动态标定方式对整机进行现场检测数据标定。采用砝码车(检衡车)在装有本装置的轨道上来回运行，连续测量10次，根据测量结果的平均值，调整***的零点参数和传感器测量值与实际载荷间的比例参数。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种用于铁道车辆超偏载检测的钢轨轨头式应力传感器，其特征在于：包括有两个矩形的基体和两个钢轨夹具；每个基体相对的竖直内侧面和竖直外侧面上均设置有两个盲孔，且两侧面的盲孔一一同轴相对设置，盲孔内均设置有电阻应变片，基体同轴的两盲孔所在部分为剪切梁结构；每个钢轨夹具包括有转接梁、两个分别连接于转接梁两端的夹板，每个夹板均包括有竖直部和弯折部，弯折部的底端连接于竖直部的顶端且弯折部与竖直部之间的夹角为钝角，两个夹板弯折部的顶端相对设置，两个夹板竖直部的底端分别固定连接于转接梁的两端，其中一个基体的两端分别与一个钢轨夹具其中一个夹板的顶端和另一个钢轨夹具其中一个夹板的顶端固定连接，另一个基体的两端分别与一个钢轨夹具另一个夹板的顶端和另一个钢轨夹具另一个夹板的顶端固定连接，且两个基体顶端与钢轨轨头的下颚之间均支撑连接有支撑螺栓。
2.根据权利要求1所述的一种用于铁道车辆超偏载检测的钢轨轨头式应力传感器，其特征在于：所述的基体的中部上且位于两组同轴的盲孔之间设置有螺栓连接槽，支撑螺栓的底部连接于螺栓连接槽内，支撑螺栓的顶端与钢轨轨头的下颚紧密接触。
3.根据权利要求1所述的一种用于铁道车辆超偏载检测的钢轨轨头式应力传感器，其特征在于：所述的电阻应变片选用二片半桥型电阻应变片，一个二片半桥型电阻应变片中的二片电阻应变片分别安装于同轴的两个盲孔中，且二个二片半桥型电阻应变片连接组成工作电桥。
4.根据权利要求1所述的一种用于铁道车辆超偏载检测的钢轨轨头式应力传感器，其特征在于：所述的钢轨夹具的两个夹板顶端上均开设有定位台阶，两个夹板的定位台阶其竖直面相对设置，所述的基体的两端部分别支撑于对应定位台阶的水平面上且基体两端部的竖直外侧面与定位台阶的竖直面紧密接触。
5.根据权利要求4所述的一种用于铁道车辆超偏载检测的钢轨轨头式应力传感器，其特征在于：所述的基体的两端部其底部开设有矩形缺口，所述的基体两端部矩形缺口的部分分别支撑于对应定位台阶的水平面上且基体两端部的竖直外侧面与定位台阶的竖直面紧密接触。
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