Представляет НИИФИ
УДК 681.586'326:656.2
СИСТЕМА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАГРУЗКИ НА РЕЛЬСЫ ОТ КОЛЕС ТЯГОВОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
Е.А. Мокрое, С.А. Исаков, И.Н. Чебурахин, А.Л. Шамраков
Рассматривается система для определения нагрузки на рельсы от колес тягового подвижного состава, позволяющая повысить эффективность эксплуатации железнодорожного транспорта.
Отдельные электровозы сер. ВЛЮу, прибывшие после капитального ремонта, имеют значительные отклонения статических нагрузок по осям и колесам от средних значений, обусловленных Правилами капитального ремонта электровозов (в ряде случаев более чем в три раза), что приводит к интенсивному одностороннему износу бандажей, повреждению тяговых двигателей из-за буксования, ухудшению тяговых характеристик электровозов и повышенному расходу электроэнергии на тягу поездов, сокращению сроков службы колесных пар.
В НИИ физических измерений (г. Пенза) разработана система, позволяющая определять нагрузки на рельсы от колес тягового подвижного состава в стационарных условиях локомотивных депо. Система позволяет повысить эффективность эксплуатации железнодорожного транспорта путем повышения качества регулировки нагрузки колес тягового подвижного состава на рельсы.
Элементами системы являются датчики силы и нормирующий преобразователь с цифровой индикацией. В системе использован тензорезисторный метод преобразования неэлектрических величин в электрические, обладающий высокой линейностью преобразования, отличающийся простотой конструктивных решений, значительной надежностью в эксплуатации.
Задача автоматизации коррекции погрешностей тен-зометрических устройств возникает из-за сложности настройки начальных параметров функции преобразования датчиков. Трудоемкость настройки может достигать 60-70 % трудоемкости изготовления датчика. Зачастую настройка сопровождается итерационным процессом регулирования параметров. Иногда настройка датчика приводит к ухудшению отдельных его свойств: снижается чувствительность, возникает нелинейность функции преобразования и температурных характеристик.
Кроме того, индивидуальная настройка датчика не исключает настройку перед измерением начальных параметров функции преобразования измерительной системы, включающей датчик и нормирующий преобразователь. Зачастую эти регулировки производят вручную с помощью регулирующих цепей, расположенных в нормирующем преобразователе.
Процесс регулировки коэффициента преобразования тензометрического устройства описывается степенным рядом
/_ 1
К= А^В^ + К^В',
7 = 0
Ыи - 1/п
где /1 = д +д ; В =
здесь /ц) — исходный коэффициент преобразования устройства; К) — коэффициент преобразования устройства в /-м итерационном такте; Д<, — суммарное аддитивное смещение, приведенное к его входу; Ак — калибровочное воздействие по входу устройства; и 1/н — опорные начальный и номинальные уровни выходного сигнала устройства.
Из условий сходимости степенного ряда (|5| < 1) выводится область смещения Ас е ]—0,5ДК; —°о[, в которой итерационный процесс регулировки коэффициента преобразования устройства сходится к номинальному значению
Г -
лн----.
Погрешность коэффициента преобразования в /-м такте преобразования определяется остаточным членом ряда. Для устранения ограничения по уровню смещения (—0,5ДК) необходимо ввести грубое дополнительное постоянное смещение в измерительную цепь до регулируемого усилителя, которое выведет суммарное смещение Дс в область, соответствующую условию сходимости ряда.
Устройство с автоматической коррекцией погрешностей позволяет исключить отмеченные недостатки. Основные положения, принимаемые во внимание при проектировании средств автоматической коррекции в тензометрических устройствах, заключаются в следующем [1].
1. Регулирование должно проводиться на выходе измерительного устройства, чем обеспечивается минимальная погрешность коррекции.
2. Погрешности датчика корректируются путем изменения параметров функции преобразования нормирующего преобразователя.
3. Управляющее воздействие на корректирующий блок вырабатывается по результату сравнения преобразованного образцового входного калибровочного воздействия на датчик (в виде образцовой механической величины или калибровочного сопротивления) с опорными значениями начального и номинального выходных уровней.
40
Sensors & Systems • № 4.2001
Тензометрическое устройство, выполненное по методу прямого преобразования, представляет собой линейную измерительную цепь (ИЦ), состоящую из я звеньев, функция преобразования которой имеет следующий обобщенный вид [2]:
Y„ =
Ъая
q = О
- Кр(\+8Кр),
p = q+ 1
где Уп — выходной сигнал ИЦ: «() — измеряемый параметр; е|]. „] — множество аддитивных смещений звеньев ИЦ, приведенных к выходам; Кр — номинальный коэффициент преобразования р го звена; 8Кр — относительная мультипликативная погрешность звена.
Компенсировать мультипликативную и аддитивную составляющие систематической погрешности ИЦ можно регулированием коэффициента преобразования и аддитивного смещения одного из звеньев. При этом целесообразно проводить операции регулирования в выходном звене. Следовательно, для компенсации систематических погрешностей необходимо введение в структуру ИЦ выходного корректирующего звена.
Функцию преобразования ИЦ с блоком коррекции в выходном звене можно представить выражением
Yn = Кп( 1 + 6 Кп)
Я_ 1
р=
гя _ 1 п _ 1
Кп( 1 + 6 Кп)
\-ц =. 1 р = q + 1 .
+ а„
где К„ — номинальный коэффициент блока коррекции; 6Кп — корректирующее относительное приращение коэффициента передачи блока коррекции; ап — корректирующее смещение блока коррекции.
Для компенсации мультипликативной и аддитивной погрешностей блок коррекции должен выработать отрицательную реакцию
8К„ -
П \
■ Е
ГЯ- 1
а„ = -К„(1 + 8 Кп)
Я_ 1
Lq = 1 р = q + 1 -
В состав системы для определения нагрузки на рельсы от колес тягового подвижного состава (система С076) входят датчики силы типа НТ 045 (12 или 8 шт.) и преобразователь ТЕНЗОР-11С с цифровой индикацией.
При разработке системы С076 решены следующие научно-технические задачи.
Разработан датчик силы НТ 045, при проектировании которого были решены вопросы, связанные с особенностями его сопряжения с объектом измерения. В датчик заложен тензометрический метод преобразования. При деформации чувствительного элемента функция преобразования определяется уравнением
dR R
= К
¡Ê
где Лн — начальное сопротивление тензорезистора; /н — начальная длина чувствительного элемента тензорезистора; Лк и /к — сопротивление и длина элемента в конце процесса нагружения; Кпр — коэффициент преобразования.
Использование сдвиговых деформаций позволило создать датчик силы с пределом измерения 17 т • с высотой 54 мм с хорошими точностными характеристиками.
Передача силы к датчику осуществляется в силовой цепи, состоящей из объекта измерения, опоры и соединительных элементов. Так как поверхности, с которыми контактирует датчик, формируются ковкой, они имеют значительные отклонения от правильной геометрической формы, что создает неравномерность прилегания силопередающих плоскостей. В этих случаях фактическая линия действия измеряемой силы не совпадает с осью. Отклонение от оси достигает 2°, что в два раза превышает допустимое по ГОСТ 23880^90. Для уменьшения этой погрешности разработана конструкция, обеспечивающая полную симметрию измерительной цепи.
Получению высоких технических характеристик датчика способствовало применение фольговых тензо-резисторов Ев 001, разработанных в НИИФИ и имеющих повышенную надежность и стабильность. При их изготовлении было использовано "ноу-хау", что позволило получить соединение полимидной пленки толщиной 20 мкм с фольгой из тензорезистивного сплава НМ23ХЮ толщиной 5 мкм.
Установка тензорезисторов Ев 001 на чувствительный элемент датчика осуществлялась клеем ТК 201 без термообработки, что позволило отказаться от сложных установочных приспособлений и значительно сократить продолжительность изготовления.
Исходя из условий эксплуатации, большое внимание уделено обеспечению пыле- и влагозащите. Для этого применены кольцевые уплотнители и мембраны, что позволило отказаться от сварки и, как следствие, улучшить метрологические характеристики датчика, т. к. исключило искажение полей напряжений, вызываемое сваркой. Дополнительное повышение влагостойкости обеспечивается герметизирующем покрытием тензорезисторов по патенту 1582597 "Способ получения герметизирующего покрытия".
В состав датчика силы НТ 045 введен калибровочный резистор, аттестованный на номинальный выходной уровень в условиях изготовителя, который обеспечивает проверку работоспособности системы и позволяет решить вопрос автоматической регулировки коэффициента преобразования системы в целом и взаимозаменяемости датчиков в условиях эксплуатации в пределах основной погрешности системы.
Преобразователь автоматически настраивается на индивидуальную функцию преобразования датчика по начальному и номинальному выходному сигналу, задаваемому калибровочным резистором (пат. 1670376 "Тензометрическое устройство с автоматическим регулированием коэффициента преобразования"). При этом перед измерением устраняются составляющие погрешности от временного и температурного дрейфов. В тензомет-рическом устройстве (см. рисунок) исключен итерационный характер процесса настройки начальных параметров функции преобразования. Цель достигается введением в схему устройства выборки и хранения УВХ, которое компенсирует смещение нуля на входе программируемого усилителя ПУ. Процесс регулировки начальных параметров тензометрического устройства происходит за один такт.
Датчики и Системы • № 4.2001
41
Тензометрическое устройство с коррекцией погрешностей с использованием УНХ:
Л — тензорезисторы; ДУ — дифференциальный усилитель; СМ — сумматор; БК — блок коррекции; БП — блок питания; БУ — блок управления; Г— генератор; БОУЦ— блок опорного уровня ЦАП; Кн — кнопка (остальные обозначения приведены в тексте)
реходит в режим измерения, при этом функция преобразования тензометрического устройства свободна от аддитивной и мультипликативной систематических погрешностей с
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.