Устройство для измерения нагрузки колеса на рельс

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НАГРУЗКИ КОЛЕСА НА РЕЛЬС(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Автор Ярмолович Вячеслав Алексеевич(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Устройство для измерения нагрузки колеса на рельс, содержащее магнитомягкий каркас с высокой магнитной проницаемостью, например из пермаллоя, первый упругий элемент из сплошного металла, в котором выполнено сквозное отверстие, например рельс,источник постоянного магнитного поля, выполненный в виде двух постоянных магнитов из закритических материалов, установленных параллельно с зазором, магниточувствительный элемент, а также второй упругий элемент, выполненный расщепленным, например -образной формы, из немагнитного материала с коэффициентом упругой жесткости гораздо меньшим, чем у первого упругого элемента, и вставленный с усилием в сквозное отверстие первого упругого элемента, при этом на одной ветви второго упругого элемента закреплен указанный источник постоянного магнитного поля с градиентом индукции магнитного поля вдоль действия измеряемой силы, а на второй ветви закреплен магниточувствительный элемент так, что он находится в непосредственной близости от упомянутого источника магнитного поля, причем ветви второго упругого элемента выполнены с возможностью микроперемещений под действием приложенной силы, отличающееся тем,что в указанном источнике постоянного магнитного поля установлены два других постоянных магнита, идентично первым двум, длиной 0 каждый, намагниченных попарно 100722014.04.30 противоположно и расположенных симметрично в виде квадрупольной магнитной линзы,в которой расстояниямежду ближайшими магнитами выбираются из диапазона 0,200,50, где магнитная твердость 0,8 внутри указанный каркас выполнен содержащим многослойные чередующиеся тонкопленочные слои, в том числе нанослои,немагнитного материала с высокой электрической проводимостью и ферромагнитного материала с высокой магнитной проницаемостью соответственно, а магниточувствительный элемент выполнен в виде полупроводниковой структуры типа, обладающей -эффектом с -образной вольт-амперной характеристикой, аналоговым и частотно-импульсным выходными сигналами, которая расположена в узком зазоре упомянутой квадрупольной линзы из указанных магнитов со смещением вдоль действия измеряемой силы на расстояние, где величина магнитной индукции превышает величину в 30 мТл, а источник питающего напряжения указанного магниточувствительного элемента выполнен с функцией постоянной ЭДС, причем плюс питания подключен к -области.(56) 1. Патент 9780, МПК 61 9/00,01 19/02, 2007. 2. Новиков В.Ф., Бахарев М.С., Яценко Т.Я., Сысоев С.М. Применение трубчатых датчиков для измерения силы в аналоговом режиме или режиме памяти // Дефектоскопия.1. - 2002. - С. 44-48. 3. Патент 9332, МПК 01 1/12, 2007 (прототип). 4. Бараночников М.Л. Микромагнитоэлектроника. Т. 1. - М. ДМК Пресс, 2001. - 544 с. 5. А.с. СССР 1739402, МПК 01 29/06, 1992. 6. Апполонский С.М. Справочник по расчету электромагнитных экранов. - Л. Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1988. - С. 196. Заявляемая полезная модель относится к железнодорожному транспорту, в частности к устройствам для измерения весовой нагрузки колес подвижного состава на рельс в эксплуатационных условиях. Устройство может встраиваться в металлическую конструкцию и использоваться для измерения больших сил. Известны, в соответствии с 1, способ определения нагрузки колеса на рельс и устройство для его осуществления, содержащее измерительный рельс с установленным на рельсе чувствительным элементом и блок обработки сигналов, в котором чувствительный элемент выполнен из пассивной и активной частей с возможностью их относительного перемещения, пассивная часть прикреплена непосредственно к рельсу, а активная часть укреплена на жесткой балке, установленной на рельсе на двух шарнирных опорах, равноудаленных вдоль рельса от пассивной части чувствительного элемента. Недостатком данного устройства является низкая помехоустойчивость к динамическим ударам, вызываемым неровностями поверхности катания колес рельсового транспорта. Динамические ударные воздействия колеса по рельсу возбуждают колебания системы колесо - рельс, которые у устройства передаются на жесткую балку, вызывают ее вынужденные колебания, последние воспринимаются чувствительным элементом и затрудняют обработку информации для регистрации весовой нагрузки колеса на рельс. Устройство имеет низкую помехоустойчивость к внешним электромагнитным полям. Вибрация жесткой балки снижает также эксплуатационную надежность размещенного на балке чувствительного элемента. Известен датчик силовых воздействий, функционирующий на пьезомагнитном эффекте 2, конструкция которого способна работать в диапазоне сил до 106 . Упругим чувствительным элементом является полый цилиндр или элемент, изготовленный из сплошного металла (стали 30 Х 13), в котором выполнено сквозное отверстие. Сталь предварительно 2 100722014.04.30 специальным устройством намагничивается и, таким образом, представляет распределенный источник постоянного магнитного поля. Для контроля за изменением индукции магнитного поля, вызванного силовым воздействием на упругий элемент, используется хотя бы один магниточувствительный элемент Холла. Датчик работает в аналоговом режиме на основе пьезомагнитного эффекта остаточной намагниченности магнетика (стали 30 Х 13). При этом остаточная индукция намагниченности уменьшается с ростом силы сжатия по закону, близкому к линейному, что и фиксируется элементом Холла. Хотя этот датчик и может использоваться для измерения больших силовых нагрузок,он имеет низкую точность измерения, вызванную плохой повторяемостью выходного сигнала от величины приложенной силы, вследствие наличия большого магнитного гистерезиса остаточной индукции. Как признают авторы 2, требуется многократная тренировка чувствительного элемента для обеспечения минимальной повторяемости результатов измерений. Кроме того, датчик сам вызывает высокий уровень наводимых магнитных помех, обусловленных магнитными полями рассеяния, вызванных незамкнутостью силовых линий магнитного поля полого цилиндра. Элемент Холла имеет малое изменение выходного сигнала с деформацией, функционирует в аналоговом режиме, следовательно, обладает крайне низкой помехоустойчивостью к внешним электромагнитным полям. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является датчик силы 3 (прототип), содержащий первый упругий элемент из сплошного металла, в котором выполнено сквозное отверстие, источник постоянного магнитного поля, магниточувствительный элемент Холла, а также второй упругий элемент, выполненный расщепленным, например -образной формы, из немагнитного материала с коэффициентом упругой жесткости гораздо меньшим, чем у первого упругого элемента, и вставленный с усилием в сквозное отверстие первого упругого элемента, при этом на одной ветви второго упругого элемента закреплен указанный источник постоянного магнитного поля с высоким градиентом индукции магнитного поля вдоль действия измеряемой силы, а на второй ветви закреплен магниточувствительный элемент Холла так, что он находится в непосредственной близости от источника магнитного поля, причем ветви второго упругого элемента выполнены с возможностью микроперемещений под действием приложенной силы. Источник магнитного поля выполнен из закритических материалов, например 5 или , в виде двух миниатюрных противоположно намагниченных частей, расположенных друг от друга на расстоянии, равном (0,75-1,25)0, где- магнитная твердость материала магнита, 0 - размер магнита вдоль его оси намагничивания причем элемент Холла расположен в зазоре между магнитами. Прототип работает следующим образом. При воздействии сжимающей силы на первый упругий чувствительный элемент, вследствие микродеформации сквозного отверстия,действие силы передается второму -образному упругому расщепленному элементу, ветви которого сближаются. Поскольку длина ветви -образного элемента значительно больше размера первого упругого элемента в его тонком сечении, то по правилу рычага происходит усиление величины микроперемещений первого упругого элемента, и торцы ветвей, где расположены источник магнитного поля и элемент Холла, перемещаются относительно друг друга (по правилу рычага) на значительно большее расстояние. Следует заметить, что перемещение элемента Холла вблизи указанного источника магнитного поля с высоким градиентом индукции магнитного поля позволяет получить однозначную зависимость выходного сигнала от величины приложенной силы, которая является в общем случае нелинейной, что, как правило, требует микропроцессорной обработки сигнала. Недостатком прототипа является недостаточно высокая чувствительность вследствие небольшой величины выходного сигнала с элемента Холла, требующего применения схемы усиления сигнала. Кроме того, функционирование в аналоговом режиме характеризуется низкой помехоустойчивостью к внешним электромагнитным помехам, особенно 3 100722014.04.30 квазистатическим магнитным полям. Известно, что сами рельсы намагничены и являются сильными источниками рассеяния квазистатических магнитных полей. Задачей, решаемой в настоящей полезной модели, является повышение надежности функционирования и помехоустойчивости к внешним электромагнитным полям. Устройство для измерения нагрузки колеса на рельс содержит магнитомягкий каркас с высокой магнитной проницаемостью, например из пермаллоя, первый упругий элемент из сплошного металла, в котором выполнено сквозное отверстие, например рельс, источник постоянного магнитного поля, выполненный в виде двух постоянных магнитов из закритических материалов, установленных параллельно с зазором, магниточувствительный элемент, а также второй упругий элемент, выполненный расщепленным, например -образной формы, из немагнитного материала с коэффициентом упругой жесткости гораздо меньшим, чем у первого упругого элемента, и вставленный с усилием в сквозное отверстие первого упругого элемента, при этом на одной ветви второго упругого элемента закреплен указанный источник постоянного магнитного поля с градиентом индукции магнитного поля вдоль действия измеряемой силы, а на второй ветви закреплен магниточувствительный элемент так, что он находится в непосредственной близости от упомянутого источника магнитного поля, причем ветви второго упругого элемента выполнены с возможностью микроперемещений под действием приложенной силы. Оно отличается тем, что в указанном источнике постоянного магнитного поля установлены два других постоянных магнита, идентично первым двум, длиной 0 каждый,намагниченных попарно противоположно и расположенных симметрично в виде квадрупольной магнитной линзы, в которой расстояниямежду ближайшими магнитами выбираются из диапазона 0,200,50, где магнитная твердость 0,8 внутри указанный каркас выполнен содержащим многослойные чередующиеся тонкопленочные слои, в том числе нанослои, немагнитного материала с высокой электрической проводимостью и ферромагнитного материала с высокой магнитной проницаемостью соответственно, а магниточувствительный элемент выполнен в виде полупроводниковой структуры типа, обладающей -эффектом с -образной вольт-амперной характеристикой, аналоговым и частотно-импульсным выходными сигналами, которая расположена в узком зазоре упомянутой квадрупольной линзы из указанных магнитов со смещением вдоль действия измеряемой силы на расстояние, где величина магнитной индукции превышает величину в 30 мТл, а источник питающего напряжения указанного магниточувствительного элемента выполнен с функцией постоянной ЭДС, причем плюс питания подключен к-области. Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружено аналога, характеризующегося признаками, тождественными всем признакам заявляемой полезной модели, а определение из перечня аналогов прототипа позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенных в формуле полезной модели. Следовательно, комплексный анализ изложенных отличительных признаков конструкции устройства показывает, что они являются существенными и находятся в прямой причинно-следственной связи с достигаемым техническим результатом. Из уровня техники не выявлено технических решений, отличительные признаки которых в совокупности обеспечивают решение поставленной задачи в заявляемой полезной модели. По мнению авторов, устройство содержит вышеприведенный ряд новых и отличительных элементов, позволяющих реализовать выполнение поставленной комплексной задачи, по сравнению с прототипом и выявленными аналогами. Следовательно, заявляемая полезная модель соответствует критерию новизна по действующему законодательству. Заявляемая полезная модель поясняется фиг. 1-5. На фиг. 1 изображена конструкция устройства в поперечном разрезе рельса. 4 100722014.04.30 На фиг. 2 приведено расположение магнитов в квадрупольной магнитной линзе относительно магниточувствительного элемента, обладающего -эффектом. На фиг. 3 - электрическая схема подключения магниточувствительного элемента. На фиг. 4 - зависимость индукции магнитного поляот перемещения магниточувствительного элемента в зазоре на расстояниерасчет для магнитов, изготовленных из закритических материаловс удельной магнитной энергией 20 в форме прямоугольных параллепипедов с размерами 55 мм и длиной 03,0 мм, которые намагничены попарно противоположно (квадрупольная магнитная линза) при различных значениях выбора зазора между ними А -0,5 мм, Б -1,0 мм, В -1,5 мм, Г 2,0 мм, Д -3,0 мм, Е -5,0 мм соответственно. На фиг. 5 приведена зависимость частоты частотно-импульсного сигнала с магниточувствительного элемента от величины магнитной индукциии измеряемой силы . Устройство для измерения нагрузки колеса на рельс содержит первый воспринимающий силу упругий металлический элемент 1 (для железнодорожного транспорта - это рельс) со сквозным отверстием 2, источник постоянного магнитного поля, состоящий из двух пар магнитов 3, 3 длины 0 вдоль оси намагничивания соответственно, которые обеспечивают высокий градиент индукции магнитного поля(градиентнаправлен вдоль действия измеряемой силы ), магниточувствительный элемент 4, который размещен в зазоре пар магнитов 3, 3, второй упругий расщепленный элемент 5 с гораздо меньшим коэффициентом упругой жесткости, выполненный из немагнитного материала,например -образной формы (внешняя линия поверхности должна содержать небольшой наклон под углом 3-10, вставлен в отверстие 2 с усилием, которое регулируется гайкой 6,каркас 7 из магнитомягкого материала (предпочтительно пермаллоя) дополнительно выполняет роль ферромагнитного экрана, через резиновые герметизирующие прокладки 8 прижат к упругому элементу 1. Каркас многослойного экрана 7 может быть выполнен, например, из пермаллоя состава 79 - 21 , обладающего малыми значениями коэффициента магнитострикции и стабильными по температуре и времени магнитными характеристиками. На внутреннюю сторону каркаса 7 нанесено многослойное покрытие 9, состоящее из тонкопленочных немагнитных и магнитных чередующихся слоев, обладающих соответственно высокой электрической проводимостью и высокой магнитной проницаемостью. Число слоев должно быть не менее 20 и может ограничиваться только технологией нанесения. Чередующиеся слои легко изготавливаются известной технологией электролитического осаждения, например,и пермаллоя соответственно. Выбор материалов чередующихся слоев немагнитный - магнитный может быть и другим, но он ограничивается только требованием гальванической совместимости материалов и их адгезионной прочностью (сцеплением). Особенно перспективно осаждение большого числа нанотолщинных слоев (нанослоев),обеспечивающих значительно большие коэффициенты экранирования электромагнитного поля и практически не влияющих на массу экрана в целом. Магниты 3, 3 намагничены попарно противоположно, расположены симметрично и образуют квадрупольную магнитную линзу, в которой расстояниямежду ближайшими магнитами выбираются из диапазона 0,200,50, где магнитная твердость 10,8 магниточувствительный элемент 4 (на держателе) выполнен в виде полупроводниковой структуры типа, обладающей -эффектом с -образной вольт-амперной характеристикой, аналоговым и частотно-импульсным выходными сигналами, которая расположена в узком зазоре упомянутой квадрупольной линзы из магнитов 3, 3 со смещением вдоль действия измеряемой силына расстояние, где величина магнитной индукциипревышает величину в 30 мТл, а источник питающего напряжения указанного магниточувствительного элемента выполнен с функцией постоянной ЭДС, причем плюс питания подключен к -области. 5 100722014.04.30 Компьютерное моделирование распределения индукции магнитного поляс использованием широко известной программы 4.2 для квадрупольной магнитной линзы,изображенной на фиг. 2 по литературным характеристикам закритических материаловс удельной магнитной энергией 20 в форме прямоугольных параллепипедов,приведено на фиг. 4. Для магнитов, изготовленных из других закритических материалов,результаты моделирования имеют аналогичный характер, поэтому не приведены. Видно,что с уменьшениемрастет величина градиента магнитного поля , однако ухудшается линейность зависимостии сужается рабочая область перемещения магниточувствительного элемента. Поэтому оптимальным является диапазон 0,200,50. Устройство для измерения нагрузки колеса на рельс работает следующим образом. Устройство калибруется при отсутствии приложенной силык рельсу 1. Для этого миниатюрным винтом (или средствами крепления - не изображено) смещают магниточувствительный элемент 4, установленный на держателе, вдоль вертикали и фиксируют его в положении, при котором величина индукции магнитного поляв месте расположения магниточувствительного элемента 4 чуть превышает величину 30 мТл (для некоторых элементов 50 мТл), т.е. устанавливают такую величину, при которой магниточувствительный элемент 4 переходит в режим генерации частотно-импульсного сигнала (при меньшей величине индукции магнитного поля сигнал аналоговый) 4. Это явление управляемой скачковой проводимости (-эффект) возникает в структурах с -образной вольт-амперной характеристикой и заключается в том, что при определенных значениях питающего напряжения и внешнего магнитного поля проводимость полупроводниковой структуры (в прямом направлении) и, соответственно, амплитуда протекающего через нее тока меняются скачком со временем переходного процесса 1-5 мкс 5. Изменение проводимости,подобно структурам с -образной вольт-амперной характеристикой, сопровождается возникновением шнура тока, но с иными физическими свойствами, основным из которых является постоянство плотности тока в шнуре при изменении напряжения на структуре. Основной особенностью магниточувствительного элемента 4 является способность не только воспринимать внешнее магнитное поле, но и производить его преобразование на молекулярном уровне в объеме кристалла без дополнительных электронных схем. На фиг. 5 изображена типичная зависимость частотывыходного сигнала от индукции магнитного поля в зазоре при приложении внешней силык 1 (градуировочная линия). При этом зависимостьлинейная, т.е., где- чувствительность к измеряемой силе , поскольку квадрупольная магнитная линза характеризуется постоянством градиента индукции магнитного поля или линейной зависимостью компонентыот величины смещения по оси . По величинеоднозначно определяется сила . Использование в предложенной конструкции устройства магниточувствительного элемента 4 и многослойного экрана обеспечивает повышение надежности функционирования и помехоустойчивости к внешним электромагнитным полям. Этот вывод следует из того, что в литературных источниках известно, например, что многослойный пленочный экран, состоящий всего лишь из 10-20 тонкопленочных слоев по 0,1 мкм, обеспечивает коэффициент экранирования постоянного магнитного поля напряженностью 1000 А/м не менее 8-10 коэффициент экранирования электромагнитного поля в диапазоне частот 100-100000 Гц не менее 30-40. Чередующиеся слои обладают разными волновыми сопротивлениями, что приводит к многократному отражению напряженности помехонесущих магнитных полей и интенсивному поглощению энергии поля в их поперечном сечении. В экране устройства используются немагнитные слои с высокой электрической проводимостью, что обеспечивает высокую эффективность экранирования электромагнитных полей с увеличением их частоты, когда возрастает роль вихревых токов и происходит вытеснение магнитных силовых 6 100722014.04.30 линий к поверхностному слою, и экран превращается в электромагнитный 6. Использование нанослоев многослойных покрытий обеспечивает возможность многократного увеличения экранирования электромагнитных полей практически без наращивания массы экрана, что является кардинальным решением по обеспечению помехоустойчивости за счет электромагнитного экранирования, или сверхэффектом. Применение в конструкции устройства многослойного экрана, содержащего чередующиеся ферромагнитный и немагнитный слои, обладающие соответственно высокой магнитной проницаемостью и высокой электрической проводимостью, обеспечивает решение поставленной задачи по значительному повышению помехоустойчивости за счет пассивного подавления внешних источников в широком диапазоне помехонесущих частот, включая и постоянные магнитные поля. В предложенном устройстве вследствие применения магниточувствительного элемента с -эффектом генерируется помехозащищенный частотно-импульсный выходной сигнал высокой амплитуды (до 50 от напряжения питания) без применения электронных схем преобразования, а использованная конструкция магнитной квадрупольной линзы позволяет создать в квазизамкнутом объеме (зазоре) высокоградиентное магнитное поле, на несколько порядков превышающее уровни электромагнитных помех. Таким образом, предложенное техническое решение обеспечивает решение поставленной комплексной задачи по повышению надежности функционирования и помехоустойчивости к внешним электромагнитным полям. Заявляемая полезная модель относится к железнодорожному транспорту, в частности к устройствам для измерения весовой нагрузки колес подвижного состава на рельс в эксплуатационных условиях. Устройство так же может встраиваться в металлическую конструкцию и использоваться для измерения больших сил до 106 . Исходя из вышеизложенного, для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в приведенной формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов,поэтому заявляемое устройство соответствует требованию промышленная применимость по действующему законодательству. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 8