复合式无基坑不断轨动态轨道称重装置设计方案.doc

通钢集团吉林钢铁有限责任公司装备大型化技术改造项目储运处系统
150t轨道衡、600t轨道衡项目
150型轨道衡
复合式无基坑不断轨动态轨道称重装置

设计方案

1、 概述
通钢集团吉林钢铁有限责任公司装备大型化技术改造项目储运处系统，为满足大载荷150吨车辆称量的需要，以提高炼钢质量、完善称量配套的技术水平。在08年需新建两台150吨无基坑不断轨动态轨道衡。
选择一种什么样结构的轨道称重装置才能保证既可靠,又一劳永逸，还能使称量系统在雨、雪、冰冻、积水的气侯下正常工作；怎样避免有基坑断轨结构由于断轨产生的爬轨、串轨；怎样避免有基坑断轨结构特别是在大载荷（含冲击、震动、制动、起动、液体晃动）下，由于大梁或秤台的微弱撓度、晃动变化就会使传感器产生一个不确定的侧向分力；如何确保称量系统长期工作的稳定性、可靠性，这是每个使用单位和工程技术人员所最关心的焦点——传感器、大梁与秤体、秤台、基础道床结构和刚性的确定，这是本项目成功保证的关键。
2、 国内常用的轨道称量系统的结构、应用方案比较
2、1 说明
国内外轨道衡结构已经经历了从有基坑机械杠杆轨道称重装置 有基坑机电结合轨道称重装置有基坑电子轨道称重装置 浅基坑（箱型）电子轨道称重装置这四个发展阶段。近十年来杭州钱江称重技术有限公司在为铁道部研制基础上，发展起来的具有自主知识产权、专利技术——无基坑复合式不断轨电子轨道称重装置、无基坑不断轨钢轨塞入式（轴销）轨道称重装置、无基坑不断轨轨垫式轨道称重装置，已经受到国内越来越多的计量专家看好和青睐，并已成为新一代的轨道称重结构。
然而从铁道部运输局于2000年12月13日下达的[运营货管（2000）375号]文件《铁路货场用轨道衡技术条件》中明确规定：
1、轨道衡称重计量速度应达到35；
2、轨道衡通过速度不限；
3、为保证装置的稳定性，要进行混凝土基础处理；
由此可见，采用无基坑不断轨称量结构的轨道衡的春天已经来到！
2、2 有基坑（含浅基坑）轨道称量装置
这类有基坑轨道称量系统的结构，根据我们从国内各大中钢铁企业和其它相关企业及其许多焦化厂对在用的、含停用的有基坑电子轨道称量系统了解到的情况来看，有基坑断轨式轨道衡弊病较多。除了基建工作量大、系统总造价高，必须预先设计并预留计量系统的基坑外，还会由于这类轨道式称量系统属于有基坑结构方式，当在粉尘较大的场合应用时，其结构往往会使散落在地面的粉尘、渣屑被风吹和清扫现场过程中带入基坑，日积月累时间一长，造成坑内粉尘堆积，最终导致系统失准，该结构的维护量和维修费用都比较大。同时，基坑式轨道衡属于断轨结构，整个秤台四周属于悬空，车辆进出秤台的频繁起动，刹车和冲击，经常会使限位器失效，甚至出现爬轨现象，从而导致传力机构传力不正，给系统带来较大误差和安全行车隐患。
另外：这类基坑式轨道衡还存在着一个最大的弊病就是当季节变化的时候会发生零点变动的差异极大，这是有关计量管理和维护人员最头痛的问题，特别对于大中型企业有基坑衡器集中的单位而言，每当此时计量人员就像消防兵一样忙不过来，这是不言而喻的事实。
这类基坑式轨道衡已开始逐步趋向淘汰。诸如上海宝钢（32轮800t铁水鱼雷车）、鞍钢（32轮800t铁水秤）、本钢（32轮800t铁水鱼雷车）、新疆八钢（32轮800t铁水秤）、天钢（32轮800t铁水秤）、包钢（32轮600t铁水秤）、莱芜钢铁公司焦化厂（10轮300t煤车秤）、南京钢铁公司焦化厂（10轮300t煤车秤）、宁波建龙（10轮300t煤车秤）、包头钢铁公司焦化厂、攀枝化钢铁公司、太原煤气化总公司焦化厂、上海焦化股份公司、唐山钢铁公司焦化厂、南昌钢铁公司焦化厂、南京梅山焦化厂、鞍钢化工总厂、本钢一铁焦化厂、沈阳炼焦煤气厂等等单位相续将各自原来拥有的有基坑轨道衡结构新建或改造选型为由我们设计的无基坑复合式（钢轨塞入式）不断轨轨道称重装置，这就是最好的说明！
2、3 浅基坑或短轨式及长轨贴片式称量装置
宝钢一期工程时从日本新日铁引进的铁水液面计就是属于浅基坑（特殊枕木、箱型）的结构方式，此项技术在“测力”原理上存在“力不隔离”的先天不足，因此在实际应用上存在“误差”大的问题。引起测量误差的最主要原因：是由于鱼雷罐车的力不能100%的转递到压力传感器上，而是有部分分散到特殊枕木的边框支架上。这种力的分散也不是一个常数，而是与鱼雷罐车的仃止位置有关，也就是说没有一个称量的坪区。鱼雷罐车的仃止位置的偏差只能在50内变化，即使这样的偏差也要产生多达数十吨的偏差！而且其结构和制造原理与有基坑的结构几乎相似，也存在着无法解决排水、冰冻的、防止粉尘的毛病。
中日合资的首昌大和曾在2000年对上海宝钢的浅基坑（特殊枕木、箱型）的结构方式进行了有基坑结构再改造以设想在原有的基础上提高精度等级，最终也无回天之力而告结束。
然而国内外曾经流行过一段时间的短轨贴片式传感器（总长约为0.5m左右），由于有效称量区域仅为一个点，加上传感器的称量点中间的钢轨表面有个弧度，不仅很难让有轴距偏差的车轮停准，还会带来车辆起步时的车轮打滑，一旦车辆轴套磨损，轴距偏差或停车不准则会给称量带来严重的失准；特别是在大载荷下短轨式由于钢轨扣件少，极易造成短轨式传感器的串轨，扣件及扣件基础松动而影响称量稳定性、可靠性和安全性——唐山钢铁公司焦化厂、鞍钢、武汉钢铁公司等单位废除了这类称量系统，以及包钢在2003年应用在混铁车称量装置项目中的失败正是说明了这点。同时它也满足不了不同车型的静态称重。
另一类是中外合资或是国产的所谓整轨（长轨）贴片式称重轨结构，称量轨总长约在4～5m左右，由于这类称重轨传感器的温度、弹性模量、灵敏度补偿等受加工工艺、制造设备、检测设备平台长度等等条件的制约，无法对称重轨进行出厂前的严格检测，加上该类传感器防潮、密封、以及在今后应用中一旦出现有一个应变片的焊点脱落，很难在现场进行维修，重新更换一条钢轨式传感器需花费价值5～6万元，而且这类称重轨又只能定制，没有通用的更换备件。这无疑将给今后使用中备件价格的增高，以及日常维护费用的增加带来不利的因素。铁道部有关科研院所、莱钢、鞍钢、山西焦化等单位废除该类结构，在研制开发、新建与改造项目中直接选用我们设计的结构；以及中外合资企业——北京亚美测控公司停止生产钢轨贴片式传感器而选择我们公司的钢轨塞入式传感器作为他们的配套产品，这又是一个很好的实例！
同时这类传感器无法满足现场被水长期浸泡，无法抵抗受有害气体的侵蚀等种种弊病而被原各用户单位所逐步淘汰，道理就在上述所阐述的内容中。
2、4 无基坑不断轨钢轨塞入式（轴销）轨道称量装置
有我们杭州钱江称重技术有限公司所研制的无基坑不断轨钢轨塞入式轨道称量系统，它是采用自主研制钢轨塞入式（轴销）测力传感器而生产的静、动态轨道称量系统。其特点为无基坑、不断轨、可实现在线施工、安装。目前已广泛用于铁路系统的轨道称量系统和超偏载检测装置，同样已大量应用于国内许多大中型钢铁、冶金、焦化的特种轨道式称量系统，其计量精度在车速为5～45时≤1左右，静态称量系统精度≤0.5～0.2。这种称重装置的有效称量区域为300—400（在快速通行下，一般取100—300），比有台面的基坑式称量区要短，因此主要适用于动态转向架计量和车型一致的车辆进行静态整车的称量；当采用整车计量时，必须要求车型统一。
2、4、1 －－61型钢轨塞入(轴销)式轮重传感器简介
2、4、1、1 结构与原理
该系列的各种量程的传感器外型呈圆锥形，需和各类不同的标准钢轨配合使用（见图1）。使用时将传感器按规定的装配工艺要求装入轨腰孔内并锁紧，当钢轨受到剪力作用时，装在轨腰处的传感器便产生一个与剪力成正比的输出信号（见图1）。

图1

2、4、1、2 技术参数
线性误差：≤0.1～0.05；重复性误差：≤0.1～0.05；
滞后误差：≤0.1～0.05；绝缘电阻≥500MΩ；
输出灵敏度S＝1.0～2.0／V可选；
零点温度影响：≤0.05／10℃；
使用环境温度：－40℃～＋70℃和－10℃～＋130℃可选。
2、4、1、3 应用情况
在国外，八十年代末九十年代初，日本将这类传感器应用于铁路和冶金企业的应力试验及铁路货物载重的安全检测。九十年代后期，德国也进行了类似产品的生产并应用于铁路系统。但这些国外产品外形结构的不合理，因此决定了国外产品性能明显差于我们公司生产的性能指标，从国际联网检索报告中可以得到证明。
国外同类传感器采用的是圆柱型，在其圆周的表面，采用的是滚花方式，实为面接触结构，除测量精度低（为1）外，一旦装入钢轨后，就无法再实现重装——为一次性使用产品。
受命于铁道部的研制要求，我们的研制开发始于八十年代末，应用于九十年代初，与国外研制时期几乎同步。课题来源于铁道部，其结构新颖独特。经国际联网检索，属于填补国内空白，达到国际先进水平，比国外1％的精度要高出3-4个等级。首批应用于上海铁路南站的产品，到目前为止还在正常使用，完全达到铁道部并超过当时设计开发要求：即达到抗冲击、振动寿命100万次的13倍以上，加之安装在铁路正线上，受日晒雨淋，污水浸泡仍安然无恙。
该传感器在国内工业领域的首次应用是九二年，沈阳炼焦煤气厂的轨道式焦炉装煤车电子称重装置，时至现在已连续应用了十余年无故障。
由于我们的产品已被广泛应用于铁路、冶金、化工等行业，并以其性能良好、可靠性高，维护保养时不会像国外同类产品那样：因拆卸1～2次而导致报废、使用寿命短等的诸多优点而受到国内越来越多的计量专家看好和青睐。
上海宝钢800吨铁水液面计（系统工作在130℃高温下，连续昼夜工作近四年来，系统稳定性、准确性、可靠性完好如初）、本钢、鞍钢、唐钢、太钢、包钢、上海焦化、南京梅山钢厂、南昌钢厂、山西焦化集团等等工程的圆满竣工，加上目前国内许多专业轨道衡专业研究单位：如沈阳铁科所、哈尔滨铁科所、柳州铁科所、路通、华衡等等单位，放弃购买国外产品转而购买我们公司的产品便是一个很好的例证。
2、5 无基坑不断轨轨垫式轨道称量装置
我们研制的轨垫式称重装置是将轨垫式称重传感器根据称重测力不同的应用要求与应用专场合而直接安装在各类不同类型钢枕垫、混凝土地樑预埋钢制垫板、钢制框架平台上，再将整条钢轨按常规方法固定在传感器上而形成的一种新颖称量结构——无基坑不断轨轨垫式称重装置，主要是为解决诸如U43、U50、U60、U65、U75重型钢轨以及80、100、120型等特种起重机钢轨实现无基坑不断轨的称量。该系统要求在轨道的适当位置将若干根枕木换成刚性框架平台（或换成钢枕、各类型钢、钢制预埋件等），并在钢制工字钢上垫入特殊设计的轨垫式称重传感器若干台,来形成一个称重信号感应区，特别适应各类超重超长的特种单节轨道式车辆的称重。由于这种系统在称重区与非称重区之间有一过渡区，适宜单节车辆脱钩静态称量。当多节连续称量时，因相邻车箱的车轮（邻轮）影响，对称量区会产生一个外力影响或引起称重信号丢失、重叠，这将影响到系统的称重精度。
2、5、1 －－51－2型轨垫式传感器简介
2、5、1、1结构与原理
该传感器采用超薄型的轨垫式结构，当外力通过钢轨作用到各传感器上，形成多支点的受力称重轨，传感器便产生一个与外力成正比的输出信号。可根据实际需要，方便地增减轨垫式传感器的数量，就可实现延长扩大或减少有效称量区。
2、5、1、2技术参数
线性误差：≤0.1～0.05；重复性误差：≤0.1～0.05；
滞后误差: ≤0.1～0.05；输出灵敏度:1.0～2.0可选；

使用环境温度：－40℃～＋70℃；或－10℃～＋130℃；
零点温度影响：≤0.0510℃；
2、5、1、3 应用情况
我们公司研制生产的称量系统（含传感器），自九十年代中期开始，就应用于铁道部柳州铁路科学技术等研究院所，以及应用于本钢100吨动静态轨道称量系统、太钢150吨（4轮）混铁车称量系统、山西焦化集团300吨（8轮）无基坑复合式煤塔车称重装置、鞍钢化工总厂的车载式称重装置以及许多大型起重设备等系统，这些称量系统的成功，为国内越来越多的无基坑不断轨（含特种起重机钢轨）轨道称量系统的需求者和衡器制造商带来了福音，同时为起重机钢轨能制造成无基坑不断轨轨道衡开创了了历史先河（见图2）。
2、6 专利产品—无基坑复合式不断轨轨道称重装置
我们公司的无基坑复合式不断轨轨道称重装置是采用自主研制的钢轨塞入式（轴销）测力传感器和为其专门设计的轨垫式传感器及钢结构框架复合而成的又一自有专利—·5无基坑复合式不断轨轨道称重装置。
复合式轨道称重装置是将无基坑不断轨钢轨塞入（轴销）式称重装置与无基坑不断轨钢轨轨垫式称重装置相结合，取长补短后形成的一种新颖称重装置。该系统不仅具有钢轨塞入式轨道称重装置和轨垫式称重装置所具有的安全可靠、施工简单、无基坑、不断轨的特点，而且将两类不同结构的传感器结合在一起后所形成的一个“全浮式”称重区，使称重区的信号不再丢失，使有效称量区做到按需拓展。不仅满足各类重轨，还能满足起重机钢轨的应用条件，因而在计量性能方面能与传统的有基坑轨道衡相媲美。同时在对于大载荷情况下的稳定性、准确性、使用寿命等方面还比有基坑称量系统都要高出一筹。
我们生产的复合式不断轨结构自成功应用于南芬、歪头山选矿厂以来，其理论与实践的技术水平不断得到提高、完善，并先后完成了鞍钢新1#高炉（16轮400t铁水车）、本钢（32轮800t铁水鱼雷车）、莱芜钢铁公司焦化厂（10轮300t煤车秤）、太钢（8轮200t铁水秤）、南京钢铁公司焦化厂（10轮300t煤车秤）、宁波建龙（10轮300t煤车秤）等项目，特别可喜的是：04年初铁道部将我们该项传感器产品与技术先后应用于南京长江大桥、武汉长江大桥、九江大桥、芜湖长江等大桥的货物列车高速（时速100）测量的成功！
设计结论：
通过对上述多种类型的称重装置分析与我们的实践经验，可以看出：无基坑复合式不断轨轨道称重装置具有称重精度高、可缩短有基坑结构的建设周期，降低项目总造价。便于在线进行施工、无基坑、不断轨、安全可靠等优点，并具扎实、有效的防水、防冰冻措施，完全适合应用于150t重载车辆的称重计量，并能一劳永逸，基本免维护。为此我们决定通钢集团吉林钢铁有限责任公司150t轨道衡——采用无基坑复合式不断轨动态整车称量方式的结构。
3、 复合式称重装置的技术方案及可行性分析
3、1 复合式称重装置的原理
复合式称重装置由－－61型钢轨塞入(轴销)式传感器和－－51－2型钢轨轨垫式传感器、标准钢轨（含起重机钢轨）、砼基础（地樑）预埋钢板（或工字钢大樑、钢结构框架——用以加固道床路基刚性，避免交链式钢垫结构或钢垫护轨式道床基础，一旦当车轮经过时，传感器因受钢垫和路基下沉量不同的影响，不能确保传感器在同一面上受力）、防雷组合、平衡桥、计算机等构成。
当车轮沿着钢轨在称重区移动时，－－61型钢轨塞入(轴销)式传感器上测出的信号为W1，－－51－2型轨垫式传感器上测到的信号为W2。由于称重区内无其它旁路影响，因而使称重轨形成一个“全浮式”称重结构，经技术处理和两类信号波形互补后合成的叠加重量W＝W1＋W2。（见图3）

3、2 无基坑复合式不断轨轨道称重装置设计的技术参数和指标及功能
3、2、1 技术参数和指标
最大称量范围：0t～200t；
计量方式：动态计量；
“秤台”长度：15000
计量最大车速：≤25km/h；
系统计量精度为≦±0.3；
最小显示分度值：10kg；
过载能力为150%；
传感器使用环境温度-40℃～+70℃；
二次仪表使用环境温度-10℃～+40℃；
防水等级： 68标准 ；
具有现场防雷、抗干扰功能；
具有自动零点跟踪和去皮功能；
具有断电数据存贮功能、数据查询功能；
采用鞍钢产U60型钢轨25m或12.5每根整轨；
打印内容齐全：毛重、皮重、净重、日期、序号、累计、司磅员等。
基础要求：
选择直线度较好的区域、线路坡度≤0.2%，除15000称量区以外的两端还需有各10000长度的砼道床。在碎石道床与砼道床接壤的两端各5000区域内，水泥枕木间距适当排密，枕木底部与枕木底部之间的间距约50～80为宜，砼道床的两侧增设排水沟和荫井，排水沟需有一定的坡度。
3、2、2 系统的防雷装置：
考虑系统的长期稳定性及可靠性，本系统专门设置了防雷组合装置，即当钢轨两端压差达80V时该装置自动对地放电，避免了系统在野外遭雷击时损坏传感器。该装置已广泛应用于我们公司的所有计量系统中，并起到了切实可行的保护作用，深受用户好评。
3、2、3防水浸泡、防冰冻措施
除对传感器采用国际68防水标准生产以外，对容易造成进水和冰冻而影响称量的区域进行防水、防冰冻的专门技术处理，采用专用双组份化学材料灌充，确保系统在恶劣环境下正常工作——鞍钢、本钢、太钢、包钢、宝钢等等单位成功应用就是最好的事实。
为了用户在日后使用和维护过程中的校准、调试、复核，我们还专门配有现场小车静态标定检验装置，从而解决了用户往往需采用大量砝码去进行调校及检修的劳累。
3、3重载铁路路基的加固
为提高称重区在受重载下的平整性、稳定性，采用混凝土预埋钢板路基结构，予以加强路基的刚性，避免安装于钢枕上方的传感器在受到不同载荷下的弹钢琴现象；避免钢垫下方碎石道床受重载后石碴的碎裂和日晒雨淋、雨雪侵蚀后石碴的分化——钢垫路基下沉，陷入维护加大；避免钢垫结构系统不稳定，在受力后钢垫与传感器上表面的斜角随机变化——称量失准；避免传感器受倾斜角度不等、受下沉量的不等——传感器超载、偏载最终导致传感器使用寿命大大的下降。为了确保系统长期稳定，一劳永逸，计量性能可靠，这在上海宝钢（16轮800t铁水鱼雷罐车）、鞍钢（32轮800t铁水车）、本钢（32轮800t铁水鱼雷车）、包钢（32轮800t铁水鱼雷车）、天钢（32轮800t铁水鱼雷车）、新疆八钢（32轮800t铁水鱼雷车）、莱芜钢铁公司焦化厂（10轮300t煤车秤）、鞍钢化工总厂（10轮300t煤车秤）、太钢（8轮200t铁水秤）、南京钢铁公司焦化厂（10轮300t煤车秤）、宁波建龙（10轮300t煤车秤）等项目山西焦化集团的300t煤塔车（8轮）、太钢的150t（4轮车）混铁车等等单位所采用的刚结构基础应用当中已得到了证实。
3、4 无基坑复合式不断轨轨道称重装置的设计布置示意图（见附图）

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