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此论文发表在全国最高《衡器技术》专业杂志
静态轨道衡机械部分设计及安装调试要点
 
孙毅 河南省计量科学研究院、赵丰年 河南航海电子衡器有限公司
周毅 南昌铁路局技术监督所
[摘要]本文浅谈机械电子轨道衡的特点,轨道衡机械部分受力分析、设计选材、安装调试过程中应有的顺序步骤及技术要求。
[关键词]机电特性比对、结构受力分析、计算选材、安装调试要求。
一、概述
静态轨道衡是铁路货物运输的主要在线检测大型设备,在冶金、制造、油化、矿山、仓储、铁路等企业普遍使用,其属非自动类衡器,准确度贸易结算用秤级(中准确度级),同等国际法制计量组织(OIML)国际建议R76-1。计量方式为双向整车静态一次称重,标准轨距1435mm。静态轨道衡是我国法定强制管理计量设备,只有依法取得有效的生产许可证、修理安装许可证,才能开展轨道衡的生产制造、修理及安装。了解机、电类轨道衡的特点、交流其生产设计经验、介绍安装调试要求,对使用轨道衡的用户和生产企业及检定部门都是有益无害的。
二、机械、电子轨道衡的特性比对
静态轨道衡按工作原理传力方式分电子轨道衡和机械轨道衡两类,前者是称重传感器利用惠斯通电路采集力信号,按力大小成比例转化为模拟或数字量,由仪表显示称重量值,操作键盘自动记录称重结果。其特点为计量准确、分辨率强、速度快、自动化程度高、可远程信号传输联网管理、操作维修安装方便,是近十多年来发展推广的称重设备,现占轨道衡总量的85%以上。机械轨道衡靠杠杆原理对称重质量进行多级叠加杠杆比传递质量信号,司磅员操作大小游铊使计量杠杆平衡,主付标尺的数值相加读取称重量值,手工记录称重结果。其相对电子衡有传力可靠性差、准确度影响因素多、结构复杂、制造耗能大、操作容易产生误差、称重速度慢、修理安装不方便且费用高等殊多缺点。两类衡的型号特性见表一。


表一静态轨道衡型号特性表
名称
型号规格
工作原理
取值方式
准确度
分度值kg
分辨率kg
静态电子轨道衡
GCS-100/150 13/14 1.435
电阻应变
仪表显示自动记录
20
1
静态机械轨道衡
GGT-100/150 13 1.435
杠杆
人员操作手写记录
20/50
2/5
表中/表示可选,如型号栏中100/150表示最大称重100t150t
三轨道衡受力分析结构及机械部分的设计选材
静态轨道衡是个较复杂的产品,不管是机械衡或电子衡其受称重车辆作用力形式是一致的——两称重轨直接承载。结构除承载秤体、传力件、显示器三部分外,附件有防爬架、防爬轨、过轨器、限位系统等缺一不可,在加铁路行车特殊要求就构成了轨道衡做计量设备的基本性和应满足行车安全的特殊性。安装位置、环境条件、称重装车工艺、配置自动化程度等都是设计者和用户选型时应一并考虑的问题。故轨道衡的技术要求是根据其称重形式、行车特点、用户要求而设置,应符合计量技术和铁路行业双层标准。现以14m长、标准轨距、最大称量150t静态电子轨道衡为例,以机械部分为主,电子部分为副,结合安装调试特性进行解析。
1、轨道衡的受力分析及结构
轨道衡的基本受力情况是称重车辆e见图一,通过车辆双转向架d的四轴八轮滚动方式对称重梁部分型钢H588(高效节约型材)b50称重轨a,基本水平上面(1/40两轨向内)进行垂直并同梁距1.505m称重梁中心承压。最大称量F150t的车辆考虑动态系数取1.3,秤体最大受力为195t150×1.3),由F1F2均等作用在两根称重梁上,再传递给c八只称重传感器。轨道衡受力特点是钢对钢作用加力传力,对称重梁而言受力两点固定不变。秤体在设计计算强度、刚度的同时应注意秤体的稳定性和防冲击等。


秤体结构见图二,两称重梁a间由纵梁、端梁f六根、交叉梁e三套钢性焊接成形,每段H588中间加有竖筋,三节H588梁间靠桥式梯形搭接连接成一体,方便运输安装不影响强度;50#称重轨统体无接头;主梁秤台两侧是焊接刚性件防爬架、防爬轨b各一套;过轨器c两套四件在称重轨和防爬轨中间,使车辆上下衡时平稳过渡,可减小冲击力;秤体的稳定性靠支撑主梁的八只传感器及限位系统d四横八纵共十二套限位,一端固定在H588主梁上,另一端固定在相对应的基础g上,其牵拉作用完成秤体定位。传感器有自复位功能、限位可调整定位主梁框架。限位最好用牵支环式左右旋结构,调整方便、维护更换容易,从多年实际应用看确实是最佳限位结构形式。防窜轨件、压轨件、传感器上下受力件、预埋件、紧固件等均按图纸要求制作加工。
 
 
 
 
 
2、轨道衡秤体主梁强度、刚度(挠度)计算及其它组件附件的选材
 2.1轨道衡秤体主梁强度、刚度计算及校核
2.1.1设已知条件GCS-150型静态电子轨道衡,称重轨长14m,标准轨距、主梁用H588型材和50#钢轨组成。H588材质Q235、截面尺寸588×300×12×20mm、截面积A2187.21cm2、惯性矩IH112827cm4、质心距29.4cm;50#钢轨高152mm、质心距7.1cm材质71Mn、抗拉强度Rn大于880MPa、截面积A165.8cm2、惯性矩I2037.0cm4;秤体八只传感器支撑受力、单节最大支点距离L4.4m;按碳结钢取弹性模量E201×10-9N/m2。单根主梁受力图三中C-D为车辆最小轴间距1700mm,整秤体框架取大受力Fmax195t(1950000N)。按简支梁受力分析单梁A、B两支点、CD两压点、四点均等受力,AB为向上力、CD为向下力,即P1=P2(向下)RA=RB(向上)、主梁上下力集合为零,P1、243750N(1500000×1.3/8)。主梁按塑性材料取允许应力系数1.5,允许应力[σ]156MPa(235/1.5)。
2.1.2主梁中性层X-X及部件到其的距离
设H588底面为基面Y1=65.9cm(58.8+7.1)、Y2=29.4cm、
X-X =  Ai×Yi/  Ai公式得
X-X=(65.8×65.9+187.21×29.4)/(65.8+187.21)=38.89(cm)≈38.9(cm)
50钢轨质心距到中性层X-X的距离a1=58.8+7.1-38.9=27(cm)
H588型材质心距到中性层X-X的距离a2=38.9-29.4=9.5(cm)
2.1.3主梁总惯性矩
由I=Ix+IxH=I+a12A1+IH+a22A2公式得
I=2037+272×65.8+112827+9.52×187.21=179727.9(cm4
I=1.797279×10-3(m4
2.1.4计算主梁弯曲应力、安全系数、校核强度
按图三简支梁受力方式进行,完全符合铁路车辆过衡时对主梁承压的实际情况。a=1.35m、[(4.4-1.7)/2]
最大弯距M=P1×a=243750×1.35=329062.5(Nm)
抗弯截面系数W=I/X-X=1.79279×10-3=4.6087146×10-3(m³)
主梁弯曲应力σ=M/W=329062.5 /4.608146×10-3/0.389 =71400060(Pa)≈71.4(MPa)
安全系数n=Q/σ=235/71.4=3.2913165≈3.2
主梁弯曲应力σ71.4MPa<允许应力〔σ〕156MPa,安全系数3.2高于结构件动态受力安全系数要求1.2—2.2,符合材料力学要求故主梁强度及安全性得到校核。
2.1.5计算主梁最大变形量、校核刚度
α2=(1.35/4.4)2=0.0941373
A—B支点距离L=4.4m    
主梁最大变形量由公式Y=P1 a L2(3-4α2)/24EI
Y=243750×1.35×4.42(3-4×0.0941373)/24×201×109×1.79279×10-3=0.0019325(m)
主梁刚度f=Y/L=0.0019325/4.4=1/2276.8434≈1/2276
主梁刚度f1/2276<1/1000的国标要求,故主梁刚度得到校核。
通过主梁的受力分析计算及校核,证明主梁设计合理,选材正确。轨道衡主梁结构还有主梁截面箱体式(全钢板焊接)、大工字钢加钢板式等,但从强度刚度性能、加工工艺、安装方便、节能环保综合考虑,选H588型钢做主梁有较优的性价比。目前我国也只有马鞍山钢铁有限公司和山东莱芜钢铁有限公司生产H588规格的H型钢,其产品供不应求。
2.2机械类型组件、附件的选材及性能简述
主梁外结构框架组件、附件也应认真选材,应围绕提高秤体框架件及设备整体的稳定可靠性、抗冲击性、计量受传力、安全行车等为目的进行。
两主梁H588长14m用纵梁端梁六根I360工字钢或[360槽钢、三套交叉梁共二十四处焊接成刚性框架主体。纵端梁、交叉梁用钢板厚14mm、角钢规格L120、材质Q235碳结钢,三节框架主体间搭接处用M24×80-10.8高强螺栓24套连接加固。主梁外侧十二套接触式牵支环限位,从四个方向同一水平面在起限位作用的同时又使主梁框架稳定性增强,限位用材优质碳素45#钢,无缝钢管外径76mm、壁厚8mm、两端焊有M30-8.8的左右旋调定位套件,单套抗拉力370260N,车辆行驶单方向抗拉力740520N(约74t),其限位结构是保证秤体框架稳定可靠、调整方便的首选。防爬架纵横梁用I300工字钢上面加14mm厚钢板焊接成刚性件,长度不小于4.5m。过轨器作用是使车辆平稳上下衡,可选71Mn钢轨或40Cr加工制成,上受力面为鱼背形,机械性能优于等于钢轨。
窜轨是轨道衡影响计量性能和行车安全的突击问题,设计时有多种措施防止其发生,如主梁上面加定为槽、上面加焊定位键坯、轨掌定位(轨、轨掌、主梁H588三合一)、轨撑定位、专用压轨紧固件加固定位等,这些方法应多项并用、数关齐下。窜轨主要原因是定轨压制力小和设计定轨件不当造成,与安装质量也有关系。其力学特征表现为称重车辆对衡轨的水平冲击力大于稳定状态的衡轨定位水平力,不然决不可能出现窜轨,一般衡轨定位水平力是车辆冲击力的2倍以上。河南航海电子衡器有限公司产品,称重轨设定轨槽,定轨牢固并增大了防窜轨摩擦力;定轨压板112套,单轨每米四套,压板螺栓规格M24×80-8.8压轨力增强;轨掌四对,定位螺栓24条,规格M24×80-8.8,危险截面八条螺栓承受水平冲击力,允许剪应力〔τ〕654720N(15.5×24×8×660/3)、约合65t,明显提高了防窜轨力量。防爬轨的配制优于称重轨,其受冲击力是称重轨的1/2,故防窜轨力优于称重轨,本配置经多年使用验证防窜轨效果良好。
以上压轨定位紧固件、轨撑、轨掌、压板套件、螺栓组件等均应选铁路专用件或标准件。其它非称重支撑结构,行走板厚度不小于5mm,支撑架柱护边等应坚固耐用,方便安装均可。
四、轨道衡安装调试程序要求
1、安装前准备工作及基础检查内容
轨道衡安装调试是一项依法管理技术性要求较高的工作,安装前要实地查看准备充分,包括现场条件、铁路行车安排、设备人员调配、安全及质量保证等。根据实际情况做出安装施工方案,制定合理计划,安装调试应专人责任、明确技术职能。做到磅房施工地水电路畅通。测量仪器、安装工具准备齐全,包括水准仪、框架水平仪、轨距尺、钢卷尺、万用表、电阻绝缘测试仪、力钜搬手等;千斤顶、整套搬手、整套电工工具、手锤、撬杠、仿传感器、锡焊枪等,为安装调试打好基础。
基础检查应根据生产厂基础图要求进行,建造用钢筋、水泥等材料均应有合格证并达到图纸要求;基础混凝土强度、外观应整体性无缺陷;几何尺寸检查选轨底平面为零基准面,依次测量传感器承重垛、限位系统、过轨器、防爬架、支承柱处等的水平标高尺寸、预留部位、预埋件等应全部符合技术要求,若不合格无条件整修并达到技术要求。检测时要划出各部件的中心线、标高线、位置线,方便安装使用。
2、轨道衡安装顺序
电子轨道衡安装应遵循先机械部分后电子部分,先基坑内部件在两端部件,先承重件后非承重件,先刚性件在紧固件后柔性件,最终综合调整受力作用、相关尺寸位置、计量性能。具体步骤如下:
a、将最重的三节称重梁主体依次放入基坑加紧固件连成一体,放置在八只仿传感器做临时支撑的位置,调整好专用稳定支撑。
b、主梁上下部件的安装包括传感器上下承重件,称重轨及定位轨掌、压板等定位连接件。
c、限位系统,水平接触式四横八纵十二套牵支环初调。
d、非称重件,支撑柱、架梁、走板、防尖板等的配装。
e、基坑两端防爬架定位、防爬轨、过轨器的初调。
f、依称重轨下底面为基准,调整各部件间隙,电焊作业、混凝土二次灌浆,使各部件固定在设计的可调范围内。
g、电子部件传感器、接线盒、信号线、防雷跨线、仪表等的安装。
h、整机综合调整:机械部件连接固定、轨距、水平、间隙、受力、紧固件、非称重件等;电子部分传感器受力、调整接线盒定位、防雷、接走线、防温加盖密封、仪表接电源等;计量特性仪表参数、安全垛调到工作状态,车辆通过试验。
i、防护处理:秤体防蚀、基坑排水、行车限速等一步到位。
3、安装调试的技术要求:
轨道衡基础应符合生产厂家的基础图技术要求,基坑内应有防水、排水、安全保险设置、高寒地区要采用防冻或通暖风设计,基础施工点地耐力应在15t/m2以上,基础包括两端不小于4.5 m的防爬架段要求一次整体浇灌成形(不含技术要求二次灌浆处),不得有影响强度质量的缺陷。基坑深一般1.8m,基坑长14030mm+10-0、对角线差5mm,放置传感器承重垛混凝土强度要求C30以上,其它部分C25,基础壁厚300 mm以上,防雷地网和基础同步施工并在传感器位置留防雷专用接线柱,地网接地电阻值小于4Ω。基坑到磅房的距离一般不超过15m,磅房面积应不小于15m2并保证仪表正常工作的环境条件,温度-10℃—+40℃,相对湿度85%以下,室内电源配置满足检定、维修要求,仪表单独电源电压AC220V-15—10%,频率50Hz±2%,检定用三相AC380V/20A,称重台两端直线应大于25 m并设限速30km/h标志,线路坡度小于2/1000。
机械部分安装技术要求,称重轨、防爬轨轨距1435mm-1+3,两轨轨面横向水平差小于2mm,承重梁H588、防爬架I360中心线距离1505mm+-2,称重轨、防爬轨均为整轨,不可有接缝,轨两端不得采用火焰切割。称重柜架对角线差值5mm,称重轨端头对角线差值2 mm。称重轨底面与H588梁上面、H588梁下面与传感器上受传力项板上面及三段框架梁接头处,均应无间隙,全部面对面接触。称重轨防爬轨中间必须设过轨器,三者间横向(行车方向)间隙5—15mm,纵向间隙1—5mm,轨错牙小于2mm,防爬轨上面应和称重轨上面水平,称重轨最多低1mm,新秤给传感器受力留有1mm下降空间。过轨器过轨块长度100—300mm,工作面形如鱼背,最高点应超出防爬轨顶面3mm,过轨器应设置防盗装置,无特种工具不得卸下。限位系统应在称重梁高1/2以上水平安装,并要求十二套限位水平一致,平面差小于3mm,单套水平两端差2mm以内。限位调整十二套同时考虑,完成调整应锁紧定位螺帽,在螺纹部分涂防锈油。定位件、连接件、紧固件的安装应量值化操作,规范统一,如主梁框架连接用M24×80-10.8螺栓要求预紧力1100Nm,50#轨压轨板用M24×80-8.8螺栓预紧力796Nm,称重轨、防爬轨应保证在使用过程中无窜轨和错牙现象,其它非称重件的安装应符合铁路行业技术规范。
电子部件选配:称重传感器可选柱式或桥式,准确度C3级,防护等级IP68(潜水型)、单只量程40t或50t;显示仪表XK3190DS1(上海耀华数字)准确度等级Ⅲ级或以上;接线盒选配有TVS防浪涌元件、不锈钢外壳。
电子部分安装要求,传感器要对号安装(生产厂对应编号1—8号)上传力板下基板厚度不小于20mm,下基板有水平高低调整功能,各基板的水平控制在2mm内,应尽量在同一水平面上,靠调整结构和加垫钢板完成,垫板面积300×300mm,厚度1—10mm不等,受力调整要求载荷力垂直作用水平面力轴重合传感器受力理想力轴,偏差小于1mm。理论上讲位置相同传感器的受力大小应接近,中间四只一致,两端四只一致,且中间受力是两端受力的2倍,例如秤体12t重,中间四只每只承载2t,两端每只承载1t,八只传感器受力集合(Σ)等于12t。数字传感器可查内码值判断受力情况,模拟传感器也可用7位1/2万用表测量输出值变化量帮助判断,但不通电时无法判别。用的最多的是手旋传感器传受力件查检受力情况,此方法安装时用行之有效,虽原始但实用,结论是旋转力大受力大,旋转力小受力小。根据传感器受力大小来调整基板的水平高低和受传力的同轴度,应八只统一考虑相互兼顾。经多遍反复细心调整合格后,传感器受传力面涂防锈油保护,确认基板下十分坚实无间隙,即可将基板、传感器牢固定位。传感器信号线中间应是整根,若有接头应用环氧树脂密封防湿,提高各线间绝缘阻值,信号线应固定在专用走线管内,通向磅旁的导线管直径应大于30mm。接线盒放置在磅房内,传感器应按生产厂的出厂编号位置,对应接线盒的接线柱对号入座,接线方式一般采用螺钉式压接,接线盒将信号平衡后通过一条总线传给仪表。数字仪表集合各传感器称重码显示称重值;模拟仪表径放大、滤波、A/D转换后显示称重值。注意事项如下:
a传感器信号线端头各线裸部挂锡焊牢无散头。接线时要压紧螺钉,不得虚压或压偏。
b接线盒的九个封密锁头应锁紧,上封盖各螺钉要均力压紧,仪表接线盒应放置在干燥无振动、无腐蚀性气液体处。
c通过仪表的总信号线9芯插头应焊接牢固,和仪表插接后上紧两防松动螺钉。
d接线盒外壳、传感器屏蔽线应分别接地。
e传感器防雷跨线用铜质截面不小于10mm2的胶护线制成一端接秤体,一端接防雷网预留柱。
F室内电源、仪表安全接地,接地电阻值小于4Ω。
安装完成后仪表通电预热30min,重量大于最大秤量50%以上的车辆,以小于30km/h的速度双向十次碾压,检查衡的机械部分受力稳定性、电子部分显示及零位复位情况,若正常可进行计量性能调试。
静态电子轨道衡的计量性能调试遵循表二进行,各项目均应达到技术要求。
 
 
表二   轨道衡标志外观检查计量性能调试项目技术要求表
项目
名称
检查调试内容
技术要求
标志
检查
名称、型号规格
生产厂家、商标、准确度
最大秤量、最小秤量、分度值
生产许可证编号、计量器具生产许可证标志
静态电子轨道衡、GCS15014m
河南航海电子衡器有限公司、
Max150tMin400kge20kg
豫制00000014
外观
检查
秤体结构牢固性
安装位置
计量视野
磅房面积
安装质量、相互作用间隙
焊件、铸件、锻件、油漆等质量
行车限速标志
两传感器中间加40t挠度(刚度)小于1/1000
秤体两端25m平直通道,线路坡度小于2/1000
视野可观察到称重车辆整体
15m2
合格
质量无缺陷
标志限速牌≤30km/h
空秤
试验
置零准确度
空秤变动性
置零键操作
标速80%Max车辆双向过衡三次
置零误差≤±0.25e ≤±5kg
各零点误差≤±0.5e≤±10kg
偏载
试验
七段示值误差
40t七段往返五次
各段示值误差≤±1e≤±20kg
称重
试验
往返三次称重准确度
     20e400kg
500e10t
2000e40t
84t
文本框: 示 值 误 差≤±0.5e、≤±10kg
≤±0.5e、≤±10kg
≤±1.0e、≤±20kg
≤±1.5e、≤±30kg
鉴别力
仪表显示灵敏度
 
400kg
40t
84t
0.1e 2kg各点示值刚升闪变显示
 
400kg/420kg
40000kg/40020kg
84000kg/84020kg
轻缓加1.4e
28kg显示
示值必须为
440kg
40040kg
84040kg
重复性
三次及以上测量结果一致性
单向上衡
40t多次显示差值≤20kg
84t多次显示差值≤30kg
表二中误差取值严格按标准或规程要求方法进行。社会公用计量标准是 T6F T7 检衡车。
 
 
五、结束语
轨道衡设计与材料力学、机械设计、计量检测、电子自动化、铁路运输、建筑学等多学科专业有关。静态电子轨道是具有计量检测功能又要承担铁路行车安全责任的双栖设备,其机械部件强度、刚度性能要求较高,各附件基础、磅房、防爬架、限位、过轨器等,在国标中也都有严格量值指标,多项指标靠现场安装调试工作最终达到要求,可说安装调试是轨道衡经检定正常投入使用前的最后一道重要工艺。本文谈的是多年工作经验,供同行商榷。愿有性能更好、质量更优、价格更合理的静态电子轨道衡投放市场。
 
参考文献〔1GB/T155612008《静态电子轨道衡》
2〕苏世怀 高效节约型建筑用钢热轧H型钢 冶金出版社2009.3
3〕金祚康、季瑞玉等 轨道衡 中国计量出版社1992
4〕机械设计手册 第五版 化学工业出版社2009.1
5JJG7812002《数字指示轨道衡》检定规程
作者
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