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动态轨道衡电子称重仪及定量称重控制系统的设计1第1章绪论1.1动态电子轨道衡技术动态电子轨道衡是一种对运行中的列车进行自动称重的计量设备。其技术原理是称重台面将列车重量传递至传感器，传感器将重量转换为电压信号，在经过A/D系统将电压信号转换为数字信号，由计算机处理得到每节车重量、速度，从而实现对货物列车的自动称重，该设备主要应用于铁路运输部门，矿山、油田、港口等大型企业专用线，整套系统要求测量精度高，耐恶劣工作环境。目前，动态轨道衡称重系统由最初庞大的整体道床、复杂的称重台面机械结构演变成无基抗、无道床，简化台面的结构，而单元式称重传感器则简化为传感元件与铁轨一体化的称重轨传感器。整个系统大大节省了现场施工、安装时间,使得称重系统逐步向整体化、轻型化和结构简单化的方向发展。在测量精度方面，从六、七十年代准确度劣于1％的情况，发展到今天的精确度优于0．2级(0．5％)；从仪表PZ-8型和由分立器件组成的控制电路发展到如今采用微型计算机和工控机构成的新型硬件系统：从恒温式、低精度传感器发展到性能稳定、高速度高精度高可靠性的新型传感器等等。整个发展过程历经动态机械轨道衡、机电结合动态轨道衡、动态电子轨道衡一直到如今最新型的动态轨道衡，例如无称台轨道衡、不断轨(钢轨式)轨道衡等。但是这些新型轨道衡的造价高，经营成本高，普及率还比较低。相对来说，动态电子轨道衡的应用率比较高。它运用高速模数转换装置，高性能的传感器，使用功能强大、构思完善和算法精确的软件系统，使整个动态称量的精度能够很好的满足实际称量要求。1.2动态电子轨道衡在我国的应用与发展随着改革的深入和国民经济的飞速发展，各企业贸易结算和计量工作水平不断提高，轨道衡在大宗散装物料计量工作中所起的作用越来越大。尤其是要求快速计量的场合，动态电子轨道衡的种种优点及其所产生的经济效益受到越来越多的企业关注，动态电子轨道衡的发展也变得异常迅速。我国从80年代开始建设轨道衡计量标准器并建立了量值传递系统，再次基础上引进技术，自己研制、生产电子轨道衡，曾先后引进大量传感器和智能仪表，示范和改造原有的机械轨道衡，经济效益和社会效益非常显著。另一方面，我国科技工作者经过三十多年的努力，已基本解决了从道床到称体，从传感器到仪表，从力学模型的建立到数学模型的研究，使我国动态电子轨道衡称重技术有了巨大河南机电高等专科学校毕业设计论文2的发展。轨道衡技术对我国国民经济的发展中有着其特殊的作用。据轨道衡计量站1997年的调查统计，太钢、武钢、首钢、攀钢、鞍钢等五大钢厂安装使用动、静态电子轨道衡后，仅每年减少的煤炭和原材料亏吨损失就高达30-60万元。80年代中期，由于满洲里口岸站机械轨道衡陈旧失准而未更新，出口粮、豆等农产品年亏吨损失达百万元，而自1987年采取了以国产静态机电结合轨道衡更新原有的机械衡，引进1台美国进口的动态电子轨道衡后，该问题得到彻底解决，亏吨损失百万元的状况从此消失。动态电子轨道衡有着广阔的发展前景，它可以分别从硬件、软件及操作界面的友好性、造价成本等各方面不断完善与发展，使技术成分含量更高，操作更简易方便，稳定性、适应性更强，精度更高。1.3不断轨动态轨道衡不断轨动态轨道衡是动态轨道衡的一种。不断轨轨道衡称量测量区的轨道通过鱼尾板连接铁路轨道，没有独立的承重台，因此没有过车时导致的冲击振动机械磨损。计量方式以轮轴计量和转向架计量为主。微型计算机管理的电子式轨道衡具有功能完备、操作方便、效率高、可靠性高的特点。可安装在铁路正线上，称量时速度可以达到40(或60)km/h，不计量时允许列车以更高的运行速度通过。有的还可以测量铁路货车的超偏载。不断轨轨道衡适合各种轨道车辆快速称重，日过磅数超过500车，更是非它莫属1.4课题的选用动态电子轨道衡是对铁路车辆质量进行动态称量的计量器具,在铁路载重货车的计量称重方面得到广泛应用。传统的动态轨道衡有基坑、整体道床、称重台面、使用压式称重传感器,称重台面钢轨与引线钢轨断开。该动态轨电子道衡的缺点是:车辆通过断口时,断口受到冲击、振动,使计量精度受到影响,传感器寿命也大大缩短,同时列车运行速度也受到限制(一般限速25km/h)。近年来,不断轨动态称量技术的应用,在一定程度上解决了传统动态轨道衡的以上弊端。这种新型的动态轨道衡省去了基坑、整体道床,称重轨和引轨的联接部分远离称量区,既安装方便,又提高了计量精度。根据以上特点本课题采用动态电子轨道衡进行动态称重，用不断轨称重技术进行定量称重。动态轨道衡电子称重仪及定量称重控制系统的设计3第2章称重系统硬件的设计与实现2.1概述2.1.1电子衡器的分类与称量原理1按测试系统分类1）静态型电子衡器的最初结构设想是因为传感器的出现而产生的。最早的电子衡器就是静态型，这种电子衡器也是现在使用范围最广的类型。静态电子衡器是被称量物体稳定的放置于电子衡器上进行测量的。因为被测量物体处于稳定状态，所以传感器的输出值为真值。因此，静态电子衡器的数学运算模型为代数方程。2)动态型动态电子衡器是在静态电子衡器的基础之上发展起来的一种新型电子衡器。它可直接测量运动物体的质量。动态电子衡器所利用的基本原理是动态测试技术。动态测试技术是一门新兴的边缘性前沿学科。它与许多学科，如测试技术、误差理论、概率统计、随机过程理论、信号处理、时间序列分析、系统辨识等等，相互联系，相互渗透。动态电子衡器所测量的量是随时间变化的变量。因此，它的数学运算模型为微分方程和差分方程。2按称量方式分类1)接触式测量接触式测量主要是通过传感器直接与被测量的运动物体直接接触而获得动态信号，并对此动态信号进行处理来获取真实的质量信息，此种测量方式可测量单件集中质量物体和连续分散运动质量物体，它的主要优点是测量精精度高。2)非接触式测量非接触式测量则主要是利用核辐射传感器来获取运动物体的动态信号，并加以分析以得到真实的质量信息，它的主要优点是测量时传感器与被测量运动物体无直接接触，因此扩大了电子衡器的应用范围，此种测量方式只可用于测量连续分散质量物体。2.1.2系统的要求及技术指标由于本课题的研究对象为主要用于列车称重的动态电子衡器，所以要求:1)传感器的抗冲击、抗过载、抗偏载能力好，且输出稳定，输出信号电平高。2)系统的信号采集单元要稳定、可靠、停机维护时间短、周期长。河南机电高等专科学校毕业设计论文43)系统的信号处理单元要稳定、可靠、便于维护，且机柜内必须能够防止灰尘进入，且机柜的设计必须符合正C529防尘标准，保护等级最低为IP21。4)系统采用开放式的系统协议，可通过网络实现远程控制和多用户数据共享。不影响生产，可实现多台衡器、多系统联合工作。各系统之间联接采用RS-232C接口。2.2动态轨道衡组成及称重原理动态轨道衡是称量运动中铁路货车重量的一种轨道衡，也叫做自动轨道衡。这种轨道衡的称重台面(秤台)有足够的工作长度，以保证列车经过时有足够的时间进行有效的采样，在称重台面上，设置了不影响称量准确度的水平约束限位器在台面与引轨衔接处还装有过渡器，以使列车能平稳地进入和退出台面。这种轨道衡按其称量方式，可分为轴称量轨道衡、转向架称量轨道衡以及整车称量轨道衡三种，图2-1所示一节4轴货车，它在轴称量中称4次，在转向架称量中称2次，然后自动相加、指示或打印出整节货车的重量;而在整车计量中只称一次，相比之下其准确度最高，常用于称量液态罐车和较贵重的固态物料。动态轨道衡称量方式如图2-1所示图2-1动态轨道衡称量方式动态电子轨道衡是由称重台面、称重传感器、称重通道、计算机及接口以及软件等部分组成，其中称重台面、称重传感器、称重通道、计算机及接口是轨道衡的硬件组成。动态轨道衡硬件组成如图2-2所示:轨道衡的称重台面上铺有铁路钢轨(即称量轨)与铁路线相通，包括称重梁、称重杠杆以及若干横梁，其作用是用来承受被称量车辆及所承载货物的重量;台面还装有横向限位系统、纵向限位系统、锁定和调整构件、抗扭装置和引线轨、计动态轨道衡电子称重仪及定量称重控制系统的设计5量轨、铁垫板、锚固花梁等附件系统，这些附件起到固定秤体，减少火车震动撞击对称量的影响，同时将承受到的重力均衡的传递到各个传感器上的作用。图2-2动态轨道衡的硬件构成示意图在理想状态下，传感器的输出信号只是由重力作用产生的，那么在没有车辆通过称重台面时，称重台面输出的重量值应该只是称重台面自身的重量，称重台面的输出值对时间的函数应该是一个恒定的值。当车轮压上称重台面的一刹那，称重台面的输出值会出现一个跳跃。跳跃的输出表示车厢的第一根轴重，随着间的推移，车厢的第二根轴也移至称重台面上称重，称重台面的输出值会产生另一个跳跃，这个跳跃和第一个跳跃的幅值之和代表了这个转向架的重量。在第一根轴走下称重台面之前，称重台面输出应保持不变，随着两根轴相继离开称重台面称重，称重台面的输出会出现两次方向相反的跳跃，如图2-3所示:输出幅度最大的部分(即为转向架的两根轴都在称重台面上时的输出)代表了整个转向架的重量。两个转向架分别计算重量，然后相加，就可以得出整车的重量(W总)为:W总=W前+W后(2-1)在计算车厢过衡速度时，动态电子轨道衡的称重台面长度是一个已知确定的量，根据系统的采样频率和整节车厢通过称重台面时的采样总数可以计算出该节车厢通过动态电子轨道衡时所用的时间，由此就可以计算出每节车厢的过衡速度:车厢过衡速度=系统采样频率整节车厢过衡采样总数称重台面长度（2-2）动态电子轨道衡称量的主要技术指标是称重精度和称重时允许列车通过的河南机电高等专科学校毕业设计论文6速度，这主要取决于过渡轨和秤台的水平度、传感器的灵敏度、供桥电源的稳定度、A/D转换器的精度、速度和动态称量算法的优劣等。为了保证动态电子轨道衡对测量速度和精度的要求，必须从硬件和软件两个方面着手解决问题，消除误差干扰，准确无误的计算出重量和速度。图2-3称重原理示意图2.3称重台面与称重传感器称重台面的作用是将车辆的重量值传递给称重传感器。机械称重台面为钢结构、浅基坑，主要包括框架、秤梁、高度调整系统、横向限位系统、纵向限位系统、过渡器、防雨盖板等部分。由于称重传感器安装在称重台面下，所以称重台面上的轨道与接轨之间的缝隙要保持平行且符合规定尺寸，轴向8～12mm，径向3mm左右，不能太大，更不能太小，缝隙间不能有石块等杂物，否则影响称重结果。台面轴向限位拉杆与台面间的平行度、螺丝的松紧都决定着各个传感器的受力是否均匀，传感器受力不均对称重的准确度有影响。称重台面必须有足够的机械强度，以便能够承受列车频繁通过的冲击震动。称重台面应该有合适的工作长度，以保证被称量列车通过台面时有足够的时间进行有效地采样，并且可以使系统正常工作。称重台面的结构必须有很高的稳定性，保证在列车通过时下沉量小于2mm，水平位移小于0.2mm。称重台面的自振频率还必须远离车辆最高振动频率，以免发生共振。称重台面主梁选择H型钢(优质低合金钢SS400--SS490)。它与普通工字钢相比，断面高度与腿宽的比值较小，断面形状和尺寸合理，抗弯、抗压、抗扭等力学性能好，而且传感器连接部位安装宽度大于普通工字钢的宽度，提高了传感器的受力线，增强了秤体的稳定性。图2-4是称重台面简图，其中1动态轨道衡电子称重仪及定量称重控制系统的设计7是防爬轨，2是称量轨，3是称重台面，4是主梁，5是称重传感器。安装动态电子轨道衡时，要求称重台面两端必须各有25--50m的一段由钢筋混凝土组成的整体道床。线路要求平直，水平坡度小于0.2％，整体道床刚性要好，保证车辆经过这段线路后，原有的振动和摆动得到足够的衰减，而且不再产生新的振动。称重传感器是轨道衡最关键的部件，它的精度是由弹性体变形系数、几何尺寸、电阻应变片的数量和连接方式以及传感器安装的垂直度来决定的。称重传感器种类较多，有电阻应变式、电容式、压磁式、谐振式等。轨道衡电子称中最常用的是电阻应变式传感器。图2-4称重台面简图如果电阻应变片和弹性体损坏和断裂，则会导致称量数字不变化、过大或者为零。如果电阻应变片和弹性体粘贴不牢固或者弹性体发生变形，则会导致称