Весы вагонные (железнодорожные)

Электронные весы вагонные (железнодорожные) представляют собой весоизмерительный комплекс, состоящий из грузоприемного устройства (платформы), включающей тензодатчики, соединительного короба, кабеля и электронного управляющего устройства, расположенного на рабочем месте оператора. 

Классифицируются весы вагонные (железнодорожные) по способу взвешивания: статическое/динамическое.

При выборе весов вагонных (железнодорожных) важно определить, какой из методов наиболее подходит к конкретных условиям работы и специфики производства Вашего предприятия, а именно: традиционное взвешивание в статике или взвешивание в динамике. На весах, имеющих грузоприемную платформу длиной от 4,5 до 6,5 м, железнодорожные вагоны взвешиваются в два приема, а суммарная масса вагона определяется как сумма результатов взвешивания передней и задней вагонных тележек. 

Многоплатформенная система позволяет производить как динамическое, так и статическое повагонное взвешивание. При применении таких весов ограничением является запрет на взвешивание жидких материалов, что оговорено действующими метрологическими стандартами. Многоплатформенные динамические весы, позволяющие проведение всех видов взвешивания, применяются на крупных предприятиях. Система управления и учета весов железнодорожных настолько совершенна, что при ее интеграции в локальную компьютерную сеть предприятия и соответствующем программном обеспечении оператор, используя удобное кресло руководителя, может комфортно управлять процессом взвешивания практически не вмешиваясь в ход его выполнения, и покидая свое кресло руководителя только в личных целях или при форс мажорных ситуациях. А при определенном программном обеспечении можно с успехом комбинировать быстрое взвешивание по тележкам вагонов со взвешиванием целых вагонов или же совмещать с наиболее надежным статическим взвешиванием. 

Вагонные весы - взвешивание в движении.
Учет грузов, перевозимых по железной дороге, имеет огромное значение как для организации движения и правильной эксплуатации подвижного состава, так и для коммерческих расчетов. Не меньшее значение учет перевозимых грузов на вагонных весах имеет для обеспечения качественного технологического процесса (например, при загрузке домен и мартенов) на подъездных путях промышленных предприятий и для внутризаводского транспорта. Такое же значение имеет взвешивание автомобильного транспорта.

Существующий порядок взвешивания транспорта устарел и давно перестал удовлетворять требованиям сеовременных систем по управлению производством и ТМЦ. Взвешивание состава происходит на вагонных весах статически, для чего состав необходимо расцепить и, подавая на вагонные весы один вагон за другим, взвешивать их с остановкой на весах. Потери, которые несет дорога и владельцы грузов вследствие простоев, исчисляются сотнями миллионов рублей (может и больше).

Ввиду резкого увеличения грузопотока, связанного с увеличением производства сырья и товаров, развитием железных дорог, проблема учета грузов, распознавания и регистрации вагонов стала первостепенной. Развитие промышленности выдвинуло в последнее время ряд новых задач, связанных с созданием автоматизированных систем учёта товарно-материальных запасов и управления производством.

Например, автоматизированная система управления карьерами в основе своей содержит автомобильные весы, информация с которых используется для организации процесса добычи и погрузки полезных ископаемых. Взвешивание статически непрерывного потока автомашин, идущих с интервалом приблизительно 50 м, практически невозможно. Естественно, что уже несколько десятков лет назад инженеры пришли к решению о необходимости совмещения процессов взвешивания и движения объектов.

При этом выявилась основная трудность обусловленная динамическим характером процесса взвешивания, заключающаяся в том, что аппаратура регистрирует динамическую составляющую нагрузки, вызванную неизбежно присутствующими источниками (неровностью пути, овальностью колес, выбоинами в рельсах и колесах, ветровой нагрузки и т. д.). Эта динамическая составляющая представляет собой низкочастотную периодическую помеху, диапазон которой 3—10 гц. Частотный диапазон этой помехи, по всей видимости, не зависят от конкретной конструкции вагонных весов, а зависит в основном от динамических свойств вагона. Тем не менее амплитуда такой помехи зависит от жесткости весоизмерительной системы.

Вагонные весы, в которых весоизмерительная система строится на четырех силоизмерительных преобразователях, амплитуда помехи достигает 5—10% от постоянной составляющей, пропорциональной массе вагона, в то время как на вагонных весах, построенных на одном силоизмерительном преобразователе, амплитуда помехи достигает 10—20%.

Первые устройства для взвешивания на ходу представляли собой по существу статические вагонные весы, а для уменьшения динамической составляющей состав перемещался очень медленно. Была разработана специальная система сигнализации, которая помогала машинисту поддерживать скорость до 3 км/ч. Несмотря на это погрешность оставалась высокой (более 1%), а сам процесс взвешивания был сложным и длительным.

В дальнейшем, развитие систем для взвешивания в движении пошло по пути создания устройств со специальной обработкой результатов взвешивания с целью выделения постоянной составляющей (массы объекта) на фоне динамических помех.

Взвешивание в движении - это наиболее перспективное направление весоизмерения, охватывающее взвешивание транспортных устройств и ряд других важных объектов в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства.

Анализ процесса взвешивания на вагонных весах
Динамическое взвешивание на вагонных весах
Процесс динамического взвешивания на железнодорожном транспорте заключается в том, что масса грузовых вагонов определяется во время их перемещения по железнодорожным путям, уложенным на специальные грузоприёмные платформы, путём измерения силового воздействия на эти платформы. Время силового воздействия - чаще всего доли секунды. Вагонные весы такого типа - это автоматические устройства, которые за короткие промежутки взвешивания определяют значение постоянной составляющей силы, действующей на преобразователи весов, и регистрируют взвешивания, передавая его в управляющий компьютер или АСУТП.

Важной задачей в процессе взвешивания является определение типов вагонов для соответствующего суммирования массы осей каждого вагона при поосном взвешивании и определения правильности загрузки вагона, а также для распознавания локомотивов, которые не подлежат взвешиванию.

Определение типов вагонов и распознавание локомотивов, как правило, основываются на межосевых и межбазовых расстояниях подвижных средств. Реализация операций по распознаванию подвижного состава значительных трудностей не вызывает. Большие трудности возникают при создании так называемых путевых сигнализаторов, которые должны выдавать сигнал в момент прохождения оси вагона или реборды колеса над данным участком пути. Эти трудности возникают потому, что сигнализаторы, как правило, работают в исключительно тяжелых эксплуатационных и климатических условиях, в то время как требования к их надежности очень высокие.

При значительном разнообразии конструкций вагонных весов для каждых из них можно выделить основные узлы: одна или несколько грузоприемных платформ, по которым движется вагон при взвешивании. Эти платформы играют роль силопередающих устройств, с помощью которых вертикальные силы, действующие на платформы, передаются на преобразователи.

Грузоприемные платформы, как правило, содержат устройства для уменьшения влияния продольных сил на весовую платформ при прокатывании вагона:

переходные мостики, растягивающие струнки, ограничительные упоры;
один, или несколько силоизмерительных преобразователей для преобразования силы в соответствующий электрический сигнал;
путевые управляющие устройства, при помощи которых вторичный электронный прибор определяет тип проходящего по грузоприёмной платформе объекта и время начала, а иногда и окончания, процесса приема сигналов силоизмерительных преобразователей.
С помощью путевых устройств выдаются сигналы на светофор при превышении допустимой скорости во время взвешивания: вторичный электронный прибор, который управляет процессом взвешивания, ведет обработку измеряемого сигнала с преобразователя и выдает результат взвешивания на табло (для визуального отсчета), а также на компьютер.

С помощью компьютера результаты взвешиваний записываются и на их основе формируются необходимые отчёты. Длительное время разрабатываются способы по идентификации вагонов или автомобилей. Например фотометрический способ считывания со специальных пластин, различные радиомаяки, которые позволяют идентифицировать вагон или автомобиль, в т.ч. и характер груза.

При создании весов для взвешивания объектов в движении одной из главных задач, стоящих перед разработчиками, является выбор механического грузоприёмного устройства.

Существуют два типа таких устройств:

рычажные устройства, у которых нагрузка через суммирующие рычаги воспринимается одним силоизмерителем;
безрычажные устройства, у которых грузоприёмная платформа расположена на четырёх и более силоизмерителях.
Основными преимуществами рычажных весоизмерительных устройств являются их надёжность, стабильность и возможность относительно простой регулировки по специальной методике, общепринятой для рычажных весов. Однако наличие в конструкции рычажных весов крупногабаритных громоздких рычагов требует специальной технологии их изготовления, что может быть осуществлено только на специализированных заводах, имеющих необходимое оборудование, с достаточно высоким уровнем производства. Поэтому мелкосерийное производство таких устройств на малых предприятиях технологически невозможно и экономически невыгодно. Кроме того, требуются большие расходы на изготовление специального фундамента.

В этом отношении безрычажные весоизмерительные устройства обладают существенными преимуществами, так как достаточно просты в конструктивном исполнении, могут быть изготовлены в мастерских либо на опытных производствах непосредственно у заказчика и требуют гораздо меньшего фундамента.

В настоящее время разработки вагонных весов, предназначенных для взвешивания движущихся объектов, ведутся с использованием в качестве силоизмерителей как тензорезисторных, так и вибрационно-частотных преобразователей.

Последние находят все большее применение, так как имеют целый ряд преимуществ (например, отсутствие потерь информации, т. е. возможность дистанционной передачи без дополнительных погрешностей, простота линий связи, большая помехоустойчивость и, что очень важно, простота обработки выходных сигналов).

В случае применения в вагонных весах рычажного грузоприемного устройства предпочтение в выборе типа преобразователя с учетом перечисленных преимуществ может быть отдано вибрационно-частотному. Объём вторичной аппаратуры при этом, несмотря на необходимость введения блока, осуществляющего линеаризацию характеристики преобразователя, не превышает объём аппаратуры, работающей в комплекте с тензорезисторными преобразователями, т.к. последняя должна иметь аналого-цифровой преобразователь. Динамическая погрешность нелинейного усреднения, имеющаяся при измерении нагрузки с помощью вибрационно-частотных датчиков, незначительна и ею можно принебречь.

При использовании в весах безрычажного грузоприёмного устройства отмеченное выше преимущество сводится к минимуму, так как наличие четырёх вибрационно-частотных преобразователей требует автономной линеаризации по четырём каналам для получения линейных идентичных характеристик с последующим их суммированием, в результате чего увеличивается объем аппаратуры и значительно усложняется процесс наладки прибора. В весах же с тензорезисторными силоизмерителями этот вопрос решается гораздо проще, путем последовательного либо параллельного соединения силоизмерительных преобразователей.

Одно время проводились работы по применению в весоизмерительных системах магнитоупругих преобразователей, однако эти преобразователи значительно уступают по точности тензорезисторным и вибрацианно-частотным. Силопередающие устройства и преобразователи устанавливаются в приямке бетонного фундамента вагонных весов. Рельсы подходных путей на некотором расстоянии от вагонных весов также укладывают на бетонное основание для уменьшения вертикальных колебаний подвижного состава. Вторичный электронный блок вместе с компьютером размещают в специальном помещении.

Основное требование, предъявляемое к автоматическим весоизмерительным устройствам, заключается в обеспечении точности взвешивания, удовлетворяющей установленным нормам. В настоящее время существуют четыре нормы точности взвешивания 0,1; 0,2; 0,5 и 1% от массы перевозимого груза.

При взвешивании расцепленных вагонов на рычажных вагонных весах нормы точности 0,5 и 1 % выполняются сравнительно легко. Норма точности 0,1 в настоящее время не может быть удовлетворена и на рычажных вагонных весах класса 0,1, так как при взвешивании на таких весах необходимо учитывать массу тары, которая составляет примерно 25% от массы брутто!

При взвешивании в движении к погрешности самого автоматического весоизмерительного устройства добавляются погрешности, вызванные способом взвешивания, влиянием автосцепки, ускорением, динамикой системы вагон — весы, которые значительно влияют на окончательный результат взвешивания.

Анализ этих погрешностей показывает, что норма точности взвешивания 0,1 % может быть обеспечена только для суммарной массы состава из 10—20 вагонов, норма точности 0,5% — практически для любой суммарной массы состава, а также для расцепленных вагонов, движущихся по инерции, норма точности 1% — для массы груза в каждом вагоне в составе поезда.

Способы взвешивания на вагонных весах.
Важным вопросом при взвешивании в движении являются способы взвешивания — повагонный, потележечный и поосный.

Тот или иной способ взвешивания на вагонных весах выбирается в зависимости от максимально возможной скорости движения состава во время взвешивания, исходя из необходимой точности взвешивания, а также из условия капитальных затрат на установку весоизмерительных систем. Наиболее перспективными являются потележечный и поосный способы.

При вагонном взвешивании длина платформы вагонных весов такова, что вагон помещается на ней полностью и происходит взвешивание вагона целиком.

Потележечное взвешивание железнодорожных вагонов производится в два приема. Сначала взвешивается первая тележка и её масса запоминается измерительным устройством затем взвешивается вторая тележка, после чего измерительное устройство производит суммирование результатов, эта сумма принимается равной массе вагона. Масса вагона выводится на табло и запоминается в компьютере.

Поосное взвешивание вагонов в движении основано на том, что взвешивается каждая ось вагона и после суммирования массы всех осей результат выводится на табло и передается в компьютер.

Анализ различных способов взвешивания на вагонных весах
Рассмотрим преимущества и недостатки различных способов взвешивания.

Повагонный метод теоретически обладает наилучшей точностью взвешивания по сравнению с другими, так как при движении вагона на весовой платформе вагонных весов и подъездном пути может происходить перераспределение массы на тележках и осях вагона. В результате такого перераспределения массы могут возникать погрешности.

Недостаток повагонного принципа взвешивания заключается в сравнительно большой платформе вагонных весов, которая позволяет взвешивать вагоны только одного типа. Вагоны других типов, если их габариты значительно отличаются, практически не могут быть взвешены повагонным методом в движении в сцепленном состоянии. При взвешивании в расцепленном состоянии на горке длина платформы определяется габаритами большого вагона.

В этом отношении от повагонного взвешивания выгодно отличается потележечное, которое может обеспечить взвешивание большинства вагонов. Однако и при этом методе длина весовой платформы достигает значительных размеров (до 7—8 м). Платформа для поосного взвешивания значительно меньше, поэтому, учитывая, что минимальное расстояние между осями вагонов различных типов практически одинаково, она позволит взвешивать весь парк вагонов.

Кроме того, диапазон изменения нагрузок в этом случае очень мал, так как нагрузка на каждую ось мало зависит от типа вагона. В груженом вагоне она равна примерно 20 т., т.е. преобразователь работает при загруженном по норме вагоне в конце диапазона, что повышает точность измерения.

При потележечном взвешивании нагрузка изменяется от 40 т. (при четырёхосном вагоне) до 80 т. (при восьмиосном вагоне), а при вагонном соответственно от 80 до 160 т.

Однако, при поосном взвешивании вероятность перераспределения нагрузки по осям выше, чем при потележечном взвешивании. Влияние этого фактора может быть значительно ослаблено путём выбора жёсткости пути и более тщательной укладки подъездного пути. Таким образом, поосное взвешивание требует меньших материальных затрат на установку весов, позволяет расширить парк взвешиваемых вагонов выгодно отличается от потележечного при условии решения вопроса о перераспределении нагрузки между осями.

Методы обработки информации
При создании автоматических весоизмерительных систем для взвешивания в движении железнодорожных вагонов в составе поезда необходимо, чтобы аппаратура могла обеспечивать высокую точность взвешивания в статике и подавлять низкочастотные колебания в измеряемом сигнале при взвешивании в динамике.

При взвешивании состава, движущегося со скоростью 10 — 15 км/ч, время, отведенное для обработки измеряемого сигнала, менее 0,8—0,4 сек. Как уже отмечалось, при движении тележки по грузоприемнои платформе в измеряемом сигнале присутствуют значительные колебания, амллитуда которых составляет 10—20% от измеряемого сигнала. В результате обработки осциллограмм было определено, что частота этих колебаний (в дальнейшем будем называть ее частотой помехи) лежит в диапазоне от 3,5 гц для восьмиосных вагонов до 7 гц для четырехосных вагонов (пустых) и не зависит от скорости движения вагона. Исходя из указанных параметров помехи, для обеспечения точности измерения сигнала 0,1—0,2% за ограниченное время (меньше секунды) регистрирующая аппаратура должна обеспечить фильтрацию постоянной составляющей с подавлением помех в 100—200 раз.

Такое ослабление помех может быть достигнуто применением определенных методов обработки измеряемого сигнала.

В настоящее время существуют следующие основные методы обработки сигнала:

применение низкочастотных фильтров;
простое интегрирование;
двукратное интегрирование;
скользящее усреднение;
интегрирование с весовой функцией.
Методы измерения постоянной составляющей с помощью фильтров основаны на том, что на входе регистрирующего устройства ставится фильтр низких частот, пропускающий постоянную составляющую сигнала и ослабляющий периодическую составляющую.

При использовании метода простого интегрирования (а также и во всех последующих методах интегрирования) на основании экспериментальных данных динамическая составляющая имеет синусоидальный вид.

Учитывая, что простое интегрирование не обеспечивает достаточную точность измерения, был предложен метод двукратного интегрирования. Сущность этого метода состоит в том, что окончательный результат измерения равен сумме двух интегралов, время интегрирования которых равно полутора периодам средней частоты диапазона динамических помех, а начало работы одного из них сдвинуто по отношению к другому на половину периода средней частоты помехи. Метод двукратного интегрирования дает относительно слабое подавление помех, особенно при большом диапазоне помехи, потому что сдвиг времени между интеграторами выбран жестко и является оптимальным только для определённых значений.

Более эффективным методом подавления помех является метод скользящего усреднения. Сущность его состоит в следующем, - общее время наблюдения за измеряемым сигналом будет примерно в 2 раза больше. Применение метода скользящего усреднения дает возможность уменьшить погрешность до 0,45% в диапазоне от 2 до 5 при 10%-ной амплитуде помехи. Таким образом, получается выигрыш по сравнению с простым интегрированием (в этом диапазоне) примерно в 3 раза, причем не требуется предварительно определять частоту помехи.

Тем не менее, недостаточная степень ослабления помех ограничивает возможности использования метода скользящего усреднения для построения аппаратуры.

Метод скользящего интегрирования принципиально не отличается от метода двойного интегрирования, так как обработка сигнала этими методами может быть интерпретирована как интегрирование с некоторыми весовыми функциями. Отметим, что весовые функции, соответствующие этим методам, не являются оптимальными и не обеспечивают необходимой точности. Это соображение естественным образом приводит к методу интегрирования с весовой функцией общего вида, который является обобщением методов, изложенных выше.

Метод интегрирования с весовой функцией является обобщенным методом изложенных выше, если обработку измеряемого сигнала проводить с весовой функцией, которую без ограничения общности можно представить тригонометрическим полиномом. Погрешность в определении может быть уменьшена за счет множителя, т.е. путем выбора коэффициентов и номеров гармоник весовой функции. Однако сделать ее малой величиной можно не в любом диапазоне помех. Таким образом, выбрав коэффициент, можно уменьшить погрешность. При интегрировании с весовой функцией в диапазоне от 2 до 5 (наиболее вероятный диапазон изменения частоты помехи) погрешность значительно меньше, чем при простом интегрировании. Эта погрешность может быть уменьшена еще больше соответствующим выбором коэффициента. При введении других гармоник весовой функции возможно еще большее ослабление помех. Например, если выбрать первую и седьмую гармонику, то погрешность в диапазоне от 2 до 5 не будет превышать 0,035%. При выборе гармоник весовой функции необходимо учитывать соотношение, которое накладывает ограничение на коэффициент, если эта гармоника весовой функции лежит в диапазоне изменения частоты помехи. Практически ослабление помехи этими гармониками будет очень малым и применять их нецелесообразно.

Таким образом, для получения высокой точности определения необходимо реализовать в регистрирующем приборе интегрирование с весовой функцией. Этот способ обработки сигнала является наиболее перспективным.