本文主要介紹了便攜式整車(chē)側高稱(chēng)重系統的設計、制作,并成功地應用于車(chē)輛廠(chǎng)整車(chē)側高稱(chēng)重試驗,達到了預期的效果,解決了機車(chē)整車(chē)稱(chēng)重試驗時(shí)由于側高需要解決的安全難題,在保證安全的前提下通過(guò)試驗臺完成機車(chē)重量、軸重和輪重在水平狀態(tài)下的試驗以及 100mm 、120mm、150mm 、180mm 高度差時(shí)側高試驗的技術(shù)難題,保證出廠(chǎng)質(zhì)量要求及線(xiàn)路上的安全運營(yíng)。
一、概述
隨著(zhù)機車(chē)車(chē)輛運行速度的提高,對機車(chē)車(chē)輛的動(dòng)力學(xué)性能、粘著(zhù)牽引性能,提出了越來(lái)越高的要求。軸重是機車(chē)的重要技術(shù)參數,機車(chē)各輪對重量分配是否均勻,直接影響到整臺機車(chē)黏著(zhù)牽引力的發(fā)揮和牽引運動(dòng)性能的優(yōu)劣。
機車(chē)整車(chē)側高稱(chēng)重試驗裝置稱(chēng)重系統是按照鐵路提速后運輸安全要求 100mm、120mm、150mm、 180mm 側高而專(zhuān)門(mén)設計的專(zhuān)用稱(chēng)重系統,是一個(gè)綜合的計量系統。該系統由各個(gè)稱(chēng)重單元、控制終端和控制計算機及管理軟件組成,可對機車(chē)車(chē)輛總裝完成后對出廠(chǎng)前的輪重、軸重和整車(chē)重量進(jìn)行檢測并自動(dòng)出具檢測報告,以確定其在靜態(tài)時(shí)的重量和重量分配,保證機車(chē)車(chē)輛的安全運營(yíng)。
二、客戶(hù)技術(shù)要求
寶雞南車(chē)時(shí)代工程機械有限公司為達到機動(dòng)車(chē)輛在運行至彎道時(shí),檢測每一輪子的承重變化量的要求,需在工程車(chē)輛上進(jìn)行側高稱(chēng)重試驗,要求在現有鋼軌上面安裝一套便攜式整車(chē)側高稱(chēng)重試驗臺。其要求如下:
(1) 試驗軌道為全埋式軌道,軌距為1370mm,稱(chēng)重鋼軌 60Kg/m;
(2) 整車(chē)最大稱(chēng)重載荷:100t;每一稱(chēng)重單元最大稱(chēng)量載荷:30t;
(3) 機車(chē)總重 84t,分配給每個(gè)輪子的重量即10.5t;機車(chē)頂部重量 8.3t;
(4) 轉向架軸距 2560mm; 轉向架中心距離17000mm;
(5) 設計制作的稱(chēng)重系統要滿(mǎn)足現場(chǎng)綜合精度:e=d=50Kg 的工藝要求。
(6) 設計電子秤,要求安裝位置能滿(mǎn)足工藝流程、工作狀態(tài)能適應現場(chǎng)工況,設計必須具有合理、可靠、安全性。
(7) 采用稱(chēng)重數據采集終端,安裝在現場(chǎng)控制柜,水平稱(chēng)重及 100mm、120mm、150mm、180mm側高稱(chēng)重。
(8) 基于 Windows 操作系統的管理軟件,具有良好的人機互動(dòng)界面,采用圖形顯示,專(zhuān)車(chē)過(guò)程清晰直觀(guān),操作簡(jiǎn)單;所有機車(chē)履歷記錄到數據庫中,同時(shí)軟件具有統計查詢(xún)制表功能;故障自動(dòng)診斷,當設備一旦出現故障,能自動(dòng)顯示故障情況;稱(chēng)重數據瀏覽功能,隨時(shí)可以補打計量單;
(9) 計量軌道在輪重稱(chēng)重范圍的最大重量作用下不允許有影響計量精度的變形;
(10) 符合中國 TB/T 2782-1997 《鐵道機車(chē)車(chē)輛稱(chēng)重臺技術(shù)條件》 標準。
三、整車(chē)側高稱(chēng)重試驗臺設計方案
軸重是機車(chē)的重要技術(shù)參數,機車(chē)各輪對重量分配是否均勻;列車(chē)在運行至彎道時(shí),機車(chē)各輪的受力是一個(gè)大的變量。在彎道處內外側鋼軌高低不一,從而使兩邊輪子上的受力也隨之變化。在此種情況下,會(huì )對機車(chē)增加不同程度的傾斜,這一傾斜是否會(huì )出現危險或者多大的危險,必須通過(guò)檢測每一輪子的承重變化量,即當兩邊輪子高低相差 100mm、120mm、150mm、180mm 時(shí),每一輪子的實(shí)際重量值、軸重以及重心位置等參數來(lái)判別,以確保機車(chē)運行和檢修的可靠性,因此,須設計一套稱(chēng)重試驗設備來(lái)滿(mǎn)足上述要求。
(一) 總體設計方案
(1) 整臺機車(chē)通常安裝 8 個(gè)車(chē)輪,并通過(guò)車(chē)軸及轉向架聯(lián)結。
(2) 稱(chēng)重檢測裝置主要檢測機車(chē)車(chē)輪對機車(chē)重量的均勻分配,因而需對每個(gè)車(chē)輪進(jìn)行稱(chēng)重。
(3) 每一個(gè)車(chē)輪設計一套稱(chēng)重單元,稱(chēng)重單元由稱(chēng)重傳感器三只、中繼接線(xiàn)盒一只和稱(chēng)重儀表一臺構成。
(4) 整臺機車(chē)稱(chēng)重檢測裝置由八套稱(chēng)重單元構成。
(5) 機車(chē)稱(chēng)重檢測裝置須設計傳感器固定厚鋼板,厚鋼板底下設置防撬裝置,并且軸重方向的兩個(gè)秤臺厚鋼板用三根狹長(cháng)的鋼板固定連接,形成一整體結構。
單個(gè)稱(chēng)重單元結構圖,如圖 1 所示。
(6) 因須分別以不同高度檢測機車(chē)傾斜時(shí)的車(chē)輪重量,我們設計不同高度的稱(chēng)重軌調節更換。
(二) 設計說(shuō)明
(1) 稱(chēng)重單元選用本單位生產(chǎn)的高精度雙剪切梁式稱(chēng)重傳感器。傳感器的安裝須與鐵路軌道垂直,防止撓性形變,影響稱(chēng)重精度。
(2) 稱(chēng)重傳感器底部直接安裝于厚鋼板上面,上部連接上承載板和稱(chēng)量軌全套機構,組成一套機構,以此實(shí)現稱(chēng)重。
(三) 制作安裝說(shuō)明
(1) 稱(chēng)重單元由三只雙剪切梁式高精度稱(chēng)重傳感器,一只接線(xiàn)盒和一臺稱(chēng)重儀表以及上承載板、下底板、稱(chēng)重軌構成。
三只傳感器通過(guò)安裝底板固定在厚鋼板上,傳感器上端與承載板聯(lián)結后,再與稱(chēng)重軌用螺栓緊固。
中繼接線(xiàn)盒固定在傳感器安裝底板上面,主線(xiàn)用航空插頭轉接。
稱(chēng)重儀表安裝在儀表柜中。
(2) 八塊厚鋼板須保持同一水平面,傳感器安裝底板的稱(chēng)重單元須保持水平。
(3) 稱(chēng)重單元的稱(chēng)重軌采用鋼軌截面厚鋼板加工制作,通過(guò)螺栓緊固于傳感器安裝板。進(jìn)行單邊升高檢測時(shí),只需更換不同高度的稱(chēng)量軌即可。
四、稱(chēng)重裝置工作原理
(1) 通過(guò)稱(chēng)重方式檢測機車(chē)車(chē)輪重量分配。
(2) 液壓裝置將機車(chē)抬高,下降時(shí)車(chē)輪正好置
放在稱(chēng)重檢測裝置上,其重量通過(guò)車(chē)輪分別加載于各稱(chēng)重單元上,稱(chēng)重單元的傳感器的重量信號傳遞于稱(chēng)重儀表并轉換成電子信號顯示并連接電腦進(jìn)行一系列數據處理及打印。
五、主要配置說(shuō)明
(一) 稱(chēng)重傳感器
(1) 型號:CZL-Q-10t
(2) 結構形式:雙剪切梁式傳感器
(3) 額定負載:10t
(4) 最大安全過(guò)載:150%F·S
(5) 精度:OIML C3
(6) 密封等級:IP67
(7) 工作電壓:10~12V
(8) 工作溫度:-20~+60℃如圖 2 所示。
(二) 稱(chēng)重儀表 (型號:CHB)
CHB 力值顯示控制儀,速度快、精度高。它
擁有的許多特殊性能很適合力值顯示及控制應用。
此外,它擁有的峰值、谷值檢測及保持功能,正負信號雙極性處理能力很適合與拉壓傳感器、扭矩傳感器等配接,用于試驗機控制設備。
技術(shù)指標 Specification,如表 1 所示。
特點(diǎn):
(1) CHB 是一款力值、測力顯示儀表,顯示方式:紅色 LED 單顯 5 位;
(2) 輸入信號:±25mV 信號,正負信號雙極性處理能力;
(3) 帶最大負載 150mA,可最多帶 4 只稱(chēng)重傳感器;
(4) 自動(dòng)零位跟蹤;
(5) 具有總值、凈值、峰值、谷值顯示,可隨時(shí)切換;
(6) 2 路比較輸出,可選 6 種報警方式;
(7) 峰值谷值使用 2 個(gè)比較值作為門(mén)限值。當
實(shí)時(shí)重量超過(guò)峰值門(mén)限值時(shí)進(jìn)行峰值比較。當實(shí)時(shí)重量低于谷值門(mén)限值時(shí)進(jìn)行谷值比較;
(8) 面板按鍵測量清零,有重量去皮功能和零位自動(dòng)跟蹤功能、判穩功能、開(kāi)機自動(dòng)清零功能等;
(9) 指示燈定義:12 個(gè)指示燈,報警 1、報警2、穩定、零點(diǎn)、總值、凈值、峰值、谷值 、t、kg、g、kN;
(10) 變送輸出:將測量、變換后的顯示值以標準電流、電壓輸出供其他設備使用。
(三) 管理軟件本軟件基于基于 Windows 操作系統的管理軟
件,具有良好的人機互動(dòng)界面,采用圖形顯示,專(zhuān)車(chē)過(guò)程清晰直觀(guān),操作簡(jiǎn)單;所有機車(chē)履歷記錄到數據庫中,同時(shí)軟件具有統計查詢(xún)制表功能;故障自動(dòng)診斷,當設備一旦出現故障,能自動(dòng)顯示故障情況;軟件功能齊備,界面友好,操作方便,中英文切換。如圖 3 所示。
軟件功能介紹
(1) 用戶(hù)設置功能:用戶(hù)自定義報表格式
(2) 系統設置及用戶(hù)權限設置等功能
系統分三級操作權限,系統管理員、管理員及操作員。每個(gè)功能的權限靈活分配,可由系統管理員自行分配管理員及操作員的使用權限。數據管理界面中只能由管理員權限完成對車(chē)型參數和參數標準的修改、增加及刪除;可以設置管理員和操作員的權限,非管理員權限不得對計算機系統做數據庫和設置修改,但可以進(jìn)行數據查詢(xún)。
(3) 數據庫設置功能:數據庫設置、數據上傳設置、數據庫備份、數據初始化和日志管理功能等。數據可通過(guò)局域網(wǎng)進(jìn)行數據傳輸,方便企業(yè)管理人員查詢(xún)、匯總;可以設定將數據保存在本機或網(wǎng)絡(luò )的計算機上,并能自動(dòng)完成數據備份,未安裝設備管理軟件的其它計算機可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )聯(lián)接實(shí)現稱(chēng)重數據庫的數據查詢(xún)和打印,但測量數據不能進(jìn)行修改。
(4) 數據維護功能:進(jìn)行基礎數據庫的添加、修改、刪除等維護和數據導入。
(5) 查詢(xún)打印功能:提供報表查詢(xún)打印、機車(chē)履歷查詢(xún)打印等功能。
(6) 手工補單功能:滿(mǎn)足在特殊情況下的手工輸入稱(chēng)重記錄的功能。
(7) 軟件具有黑匣子功能,即系統日志功能,對所有進(jìn)入系統、退出系統、修改信息的時(shí)間、人員、電腦名稱(chēng)都有詳細的記錄,而且只有系統管理員可以查看,更加保證了數據的安全。
(8) 系統界面:車(chē)型選擇界面、稱(chēng)重操作界面、結果顯示界面、數據管理界面、稱(chēng)重記錄查詢(xún)界面。結果顯示界面顯示一張完整的稱(chēng)重記錄表單,表單上的數據分為兩類(lèi),一類(lèi)為計算機自動(dòng)添加項,應包括:當前操作日期時(shí)間、機車(chē)車(chē)輛車(chē)型、機車(chē)車(chē)輛車(chē)號、輪重、軸重、輪重偏差、軸重偏差、左側重量、右側重量、兩側差、總重量、稱(chēng)重結果 (自動(dòng)判斷合格或不合格,不合格項用紅色區分顯示,也可以語(yǔ)音提示) 等;另一類(lèi)為在確認合格并打印后,手動(dòng)填寫(xiě)的項目,應包括:操作員、檢查員等填寫(xiě)欄。
六、“便攜式整車(chē)側高稱(chēng)重試驗臺”的實(shí)踐經(jīng)驗
由于機車(chē)行駛到彎道處,軌道內外側鋼軌高低不一,從而使兩邊輪子上的受力也隨之變化,怎樣避免稱(chēng)重試驗臺特別是在側高 180mm 情況下,由于鋼軌下面厚板大梁 (秤臺) 的微弱撓度、晃動(dòng)變化會(huì )使傳感器產(chǎn)生一個(gè)不確定的側向分力,需要達到系統精度要求,并且要保證機車(chē)側高180mm 時(shí)側翻安全問(wèn)題,這是本試驗臺的技術(shù)關(guān)鍵,如何確保稱(chēng)量系統長(cháng)期工作的穩定性、可靠性,這是每個(gè)使用單位和工程技術(shù)人員所最關(guān)心的焦點(diǎn)—傳感器、大梁、秤臺、基礎道床結構和剛性的確定,這是本項目成功保證的關(guān)鍵。我們針對客戶(hù)的需求成功地研制開(kāi)發(fā)了 100t 便攜式整車(chē)側高稱(chēng)重系統,較好地解決了一系列技術(shù)難題,大大提高了機車(chē)運行和檢修的可靠性。通過(guò)便攜式設計,更換不同高度的墊高塊,無(wú)其它測量裝置,僅僅通過(guò)墊高塊下面的調整墊片調整高度,即可確保所有的車(chē)輪正確感受重量;可靠性高、成本低,使得裝置的造價(jià)大大降低;同時(shí)采用傳感器底板一體化設計,無(wú)需日常維護,加之系統構件減少因而可靠性高。
總體前期設計示圖如圖 4 所示。
改進(jìn)后的設計:
由于是便攜式稱(chēng)重臺,我們在前期設計雖然已通過(guò)優(yōu)化設計,但在設計現場(chǎng)試驗時(shí)還是存在比較笨重,試驗不方便,特別是 180mm 時(shí)整個(gè)系統包括秤臺和傳感器產(chǎn)生了明顯的變形量,將導致安全隱患以及數據的準確性,因此我們進(jìn)行了改進(jìn)設計,我們在連接 2 個(gè)稱(chēng)重單元時(shí)去掉了原設計的 3 根加強筋,直接整體箱體的設計結構,使兩個(gè)稱(chēng)重單元相當于一個(gè)整體結構,大大提高了強度,減小變形,提高了稱(chēng)量精度,并且增加了滾輪裝置,真正實(shí)現的其便攜性和高效率,如圖 5、圖 6 所示。
七、使用效果
該稱(chēng)量系統自從 2014 年 3 月安裝后,經(jīng)過(guò)一年的使用和觀(guān)察,現場(chǎng)使用一切正常,系統的使用精度完全達到客戶(hù)試驗和設計要求,使用至今系統穩定可靠。2014 年 12 月份,我們又將便攜式稱(chēng)重試驗臺成功的應用于昆明中鐵大型養路機械集團有限公司,通過(guò)實(shí)踐,整車(chē)側高稱(chēng)重系統的設計、制作和應用取得了完美的成功,整個(gè)系統精度符合使用要求,達到了設計預期,得到了現場(chǎng)的認可,取得良好的使用效果。