不断轨动态轨道衡系统的开发与应用

９８　铁道建筑　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｎｏｖｅｍｂｅｒ，２００８　

文章编号：１００３—１９９５（２００８）１１－００９８—０４　

不断轨动态轨道衡系统的开发与应用　

尚丛林　

（中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京　１０００８１）　

摘要：不断轨动态轨道衡是近期发展起来的新型计量设备。介绍了不断轨动态轨道衡结构和原理，说明　

不断轨动态轨道衡在实际应用中存在的问题，提出了解决的方法，为不断轨动态轨道衡的应用提供参考。　

关键词：轨道衡称重轨　不断轨　

中图分类号：Ｕ２１６．９文献标识码：Ｂ　

２０世纪９０年代，在轨道衡称重领域出现了一种　

新型的动态轨道称重设备，这种新型的动态轨道称重　

设备省去了基坑、整体道床、甚至承重梁，称重轨和引　

轨的连接部分，称为不断轨动态轨道衡。　

１原理及特点　

１．１　原理　

由于不断轨动态轨道衡大部分没有稳固的基坑和　牢固的限位装置，为保证铁路的行车安全，称重和引轨　

不能截然断开，一般采用鱼尾板连接或现场焊接两种　

方式连接称重轨和引轨。称重区与钢轨连接处具有一　

定的距离，减小了轨缝引起车辆振动造成的称量误差。　

如果在两相邻轨枕和钢轨间各放置一个压式称重传感　

器，当荷载在钢轨上移动时，称重传感器的输出信号如　

图１所示。　

称重传感器的输出信号与传统动态轨道衡称重传　感器的输出信号相比，失去明显的上升沿和下降沿，称　

重软件无法利用称重传感器输出信号的上升沿和下降　

沿进行车辆判别。由于铁路货车轮对的特点，在称量　

收稿日期：２００８．０５．１Ｏ；修回日期：２００８．０８．２０　作者简介：尚丛林（１９４９一），男，河北文安人，工程师。　轨枕　压力传感器　

ｆ　ｖ厂——————、　Ｉ　／　＼　

图１称重传感器的输出信号　

区和邻区同时有荷载存在时，邻区的荷载也会影响称　

量区的称重结果。　

１．２剪切力测量技术　

根据材料力学的原理，当钢轨加载发生弯曲变形　

时，钢轨中性层以上的部分受到压力，中性层以下的部　

分受到拉力，在中性层上即不受拉又不受压，在中性层　

呈４５。的方向上所受到的剪切力最大。在钢轨中性层　

的位置上沿４５。方向粘贴应变片并组成桥路，构成剪力　

传感器。在两轨枕支撑钢轨的内端中性层位置各粘贴　

一组应变片，当荷载在钢轨上移动时，每一组应变片的　

输出信号及合成信号如图２。　

由图２可以看出，两剪力传感器的合成信号具有　

陡峭的上升沿和下降沿，在称量区外的钢轨即使受到　

了通过判断ＧＰＳ方向角来判定车辆运行的方向，但当　

两条线路并行且距离较近或交叉时，仍无法进行正确　

处理判断。　

３　结语　

经过一年多的使用，应用ＧＰＳ进行里程校正系统　

比较稳定，里程误差较小，可以满足轨道检查车的精度　

要求。　参　考　文　献　［１］铁道部基础设施检测中心．轨道检测技术及轨检车设备的　运用与维护［Ｒ］．北京：铁道部基础设施检测中心，２００７．　［２］周建郑．ＧＰＳ检测定位技术［Ｍ］．北京：化学工业出版社，　

２００４．　

（责任审编　王红）

　２００８年第１１期　不断轨动态轨道衡系统的开发与应用　

图２信号的输出与合成　

荷载的作用也不会影响两剪力传感器的合成信号，因　

此，可以说剪切力测量技术较为圆满地解决了上面提　

到的两个问题。　

１．３　Ｓｎｅｅｄ桥测量技术　

与剪切力测量技术相类似，Ｓｎｅｅｄ桥测量技术的提　

出也是为了解决上升沿和下降沿问题，并消除邻区载　

荷的影响，Ｓｎｅｅｄ桥测量技术是在两轨枕支撑钢轨的内　

端轨底各粘贴一组应变片，当荷载在钢轨上移动时，桥　

路的输出信号如图３。　

Ｉ　ｌｉ　

口口　Ｍ口口　轨枕　应变片　ｆ　ｖ　ｎ　ｌ　，　＼　Ｉ　／　、　１．　．．　．．．—．—————————————————　————．——　Ｊ　——————————－———————————————————　—　———－——一　三　

图３　Ｓｎｅｅｄ桥测量荷载移动时桥路输出信号　

１．４不断轨动态轨道衡的优点　

由于不断轨动态轨道衡省去了基坑和两端的整体　

道床，大大降低了价格昂贵的土建费用，轨下结构的改　

变明显缩短了动态轨道衡施工和安装需要封闭线路的　

时间，为一些需要安装动态轨道衡又不能长期封闭线　

路的用户提供了选择的机会。此外，称重轨和引轨的　

轨缝远离称量区也减小了车辆振动。大量的测试结果　

表明，与传统动态轨道衡相比，不断轨动态轨道衡传感　

器输出信号波形中车辆振动的成分显著减小，这对提　

高动态轨道衡的称重准确度是十分有利的。　

２测量方法分类　

根据测量原理的不同，不断轨动态轨道衡可以分　为轨底贴片Ｓｎｅｅｄ桥测量、轨腰剪切力测量和轨底压　

力与轨腰剪切力复合测量三种主要方式。　

２．１　Ｓｎｅｅｄ桥测量　

Ｓｎｅｅｄ桥的测量原理是基于在钢轨的上部加载后　

轨底产生拉伸变形，因此，应变片必须粘贴在轨底。如　

图３所示，应变片１与应变片２之间，应变片３与应变　

片４之间存在一定的间隔，当荷载通过这两个区间时，　

输出波形为一条向上的斜线和一条向下的斜线。若以　

时间作为横坐标，斜线斜率与荷载通过该区间的速度　

成正比。因此，当车辆以低速通过称量轨时，将无法得　

到相对陡峭的上升沿和下降沿。目前使用的Ｓｎｅｅｄ桥　

称重轨还存在支点距过长和称量区过短的问题，称量　

速度范围将受到限制。由于支点距过长，钢轨的变形　

较大，作为分次称量的轴称量和转向架称量动态轨道　

衡，重量转移的影响造成衡器的非线性误差较大，必须　

予以考虑。此外，过长的支距超出了铁路工务部门的　

要求，对行车安全构成威胁。　

２．２轨腰剪切力测量　

轨腰剪切力测量技术的研究与应用在国内起步较　

早，目前已有圆锥型剪力传感器产品。根据图２的波　

形可以看出，称量轨输出波形中的上升沿和下降沿基　

本不受车辆速度的影响。但是，轨腰剪切力测量同样　

存在称量区过短的问题。为达到测量剪力的目的，通　

常采用以下几种方式。　

１）在称重轨中性层的相应位置加工锥形孔，然后　

装入成品圆锥型剪力传感器，采用这种方式的优点是　

传感器的各种补偿可以在生产工厂内进行，有利于控　

制产品质量，在传感器出现故障时易于更换单只传感　

器，而无需更换整根称重轨。锥形孔的加工质量和安　

装角度以及预紧力的控制都将直接影响称重轨的性能　

指标。　

２）与圆锥形剪力传感器类似，将应变片粘贴在一　

块薄钢片上，固化后在现场用点焊的方式焊接在称重　

轨的相应位置。粘贴应变片的薄钢片不具备测试和补　

偿的条件，只能靠工艺保证相关的技术指标。称重轨　

的性能指标还将受到焊接工艺的影响。　

３）直接在称重轨的相应位置粘贴应变片。由于铁　

路工务部门对钢轨的最短长度有一定的要求，采用这　

种方法制造的承重轨在进行固化、测试和补偿等工作　

时具有一定的难度。一些不具备条件的生产单位往往　

简化了必要的工艺流程，造成不少称重轨的质量低劣，　

无法通过检定。　

２．３复合方式　

为克服前两种测量方式中称量区过短的缺点，国　

内还出现了几种将剪力传感器和压力传感器复合使用　１Ｏ０　铁道建筑　Ｎｏｖｅｍｂｅｒ．２００８　

的不断轨动态轨道衡中。在采用复合方式的不断轨动　

态轨道衡中，剪力传感器的主要作用是得到陡峭的上　

升沿和下降沿，压力传感器则担负着主要的称重任务，　

起到了延长称量区的作用。采用复合方式不断轨动态　

轨道衡的称量区长度明显增加，已接近传统动态轨道　

衡称量区的长度。由于压力传感器的性能指标容易得　

到保证，剪力传感器的输出信号在复合信号中所占比　

重较小，所以采用复合方式的不断轨动态轨道衡的稳　

定性得到改善，称量速度和称量准确度有所提高。复　

合方式的不断轨动态轨道衡目前有以下三种方式，三　

种方式都采用箱型钢枕或钢结构框架，并采用纵向连　

接板将钢枕连接起来，起到保证支点距稳定和加强整　

体性的作用。　

１）多支点柱式传感器方式　

如图４所示，在钢枕的下底板上安装柱式压力传　

感器，传感器的上端穿出钢枕的上面板，钢枕通过特制　

的轨底垫铁作用在传感器上，每根钢枕内安装两只传　

感器分别支撑两根钢轨，若用八只柱式压力传感器和　

四只剪力传感器构成称量系统，枕距为８００　ｒａｉｎ时，可　

以得到３．６　ｍ的称量区。由于在称量区内钢轨不能采　

用常规的扣件，必须采用特殊的技术措施对钢轨进行　

限位，并保持正常的轨距。　

剪力传感器　钢轨　剪力传感器　

图４多支点柱式　

２）多支点桥式传感器方式　

在钢枕内安装传感器和采用特殊技术措施对钢轨　限位具有一定的难度，采用特制的桥式传感器可以较　

好地解决此问题，特制的桥式传感器安装在钢枕上平　

面上，利用扣件将钢轨通过特制的轨底垫铁固定在桥　

式传感器上，这样可以省去复杂的限位装置，结构简单　

紧凑安装方便。图５为采用八只桥压力传感器和四只　

剪力传感器的承重系统。该方式采用特殊制造的桥式　

传感器，在不具备批量生产的情况下传感器造价较高。　

剪力传感器　钢轨　剪力传感器　

钢粱ｌ　钢梁２　压力传感器　纵向连接板　

图５多支点桥式　

３）四支点柱式传感器方式　

采用四支点柱式传感器方式的不断轨动态轨道衡　如图６，该方式需采用两根独立的承重梁，承重轨安装　

在承重梁上，利用承重梁增加了支点距，所以只使用四　

只柱式传感器。该系统采用四只剪力传感器和四只柱　

式传感器，柱式传感器仍然安装在钢枕内，承重梁需要　

进行横向与纵向限位。　

剪力传感器　钢轨　剪力　感器　！　—，．，．　．．．一———，—，．．．．．１．　————　．．．．．　．．．．．。　————　．．　．．．一——～　

钢枕　承重粱　压力传感器　纵向连接板　钢结构框架　

图６四支点柱式　

３不断轨动态轨道衡的轨道结构　

在采用上述不同方式构成的不断轨动态轨道衡　

中，存在着形式各异的线路结构。　

３．１钢轨及连接　

１）普通轨。不论采用Ｓｎｅｅｄ桥还是采用剪力测量　

方式，为了减少加工量和降低造价，大部分产品都采用　

各国的标准钢轨作为传感器的弹性体。由于标准钢轨　

的外形尺寸和材质以及铁路货车的轴重决定了轨枕的　

枕距，称量区的长度会受到一定的限制。　

２）异型轨。为克服称量区短的缺点，少数产品采　

用了专门生产的异型钢轨。异型钢轨加大了钢轨的截　

面，在规定范围内可以加大支点距，称量区长度可以增　

加到１　ｍ，该长度可以满足轴称量动态轨道衡的要求。　

但是异型轨的制造费用相当可观。　

３）钢轨的连接。铁路工务部门要求钢轨的最短长　

度应＞４．５　Ｉｎ，当采用＞４．５　ｍ的承重轨时，可以采用鱼　

尾板进行连接。否则，应采用焊接的方式。　３．２轨下结构　

１）混凝土轨枕。早期的不断轨动态轨道衡承重轨　

直接铺设在混凝土轨枕上，钢轨轨底通过橡胶垫板大　

面积与混凝土轨枕接触，当荷载在称量区的不同位置　

时，支点距实际上会发生变化。轨枕与钢轨通过扣件　

紧固在一起，同时也确定了轨枕间的距离。经过一定　

时间的使用后，钢轨会发生爬行，枕距也会发生变化，　

从而影响到传感器的输出，最终造成不断轨动态轨道　

衡称量失准。　

２）特制钢枕。为解决使用混凝土轨枕出现的上述　

问题，用钢板制成的箱型钢枕开始应用于不断轨动态　

轨衡上。钢枕的优点在于加工灵活，可以利用箱型结　

构的内部空间安装传感器，并且便于使用纵向连接板　

将轨枕连接起来，保证了枕距和称重轨支点距的稳定。