Как работают вагонные весы в движении: тензодатчики на шейке рельса, линии взвешивания и расчёт массы

Назначение и устройство вагонных весов

Масса в метрологии определяется через силу тяжести, и в любом случае её находят, измеряя нагрузку на грузоприёмное устройство весов [5]. Вагонные весы решают эту задачу для железнодорожного подвижного состава. Весы для взвешивания составов в движении без расцепки вагонов могут состоять из одной или нескольких грузоприёмных платформ с тензометрическими датчиками вертикальной составляющей силы [7]; у рельсовых весов отдельной платформы нет.

Назначение системы СЖДК в её описании сформулировано так: взвешивание и развеска в движении локомотивов и вагонов путём автоматического измерения колёсных и осевых нагрузок при проезде по рельсовому пути. Система определяет нагрузки на рельс, массу и центр масс единиц подвижного состава, регистрирует и идентифицирует их для весового и логистического контроля [1]. Области применения — предприятия с интенсивной перевалкой грузов, производство и ремонт локомотивов и вагонов, транспортные магистрали, товарные станции, порты, карьеры, таможенные терминалы [1].

В состав системы входят тензометрические рельсовые весы, компьютерный терминал, линии связи, системное и прикладное программное обеспечение [1]. Датчики устанавливают на стандартные рельсы действующего пути, уложенные на обычные шпалы [1], и функцию грузоприёмного устройства выполняет участок рельса между двумя шпалами — в публикации разработчиков 2015 года он назван измерительным рельсом [2]. Монтаж одной линии взвешивания занимает 4–8 ч и ведётся без длительной остановки движения [1]; требования к пути и порядок работ разобраны в статье «Нужен ли фундамент под вагонные весы».

Тензодатчики на шейке рельса: какую деформацию измеряют

Принцип действия рельсовых весов — тензометрическое преобразование деформаций рельса, возникающих под колёсной нагрузкой во время движения, в оцифрованный электрический сигнал, величина которого пропорциональна нагрузке [2]. Когда колесо находится между шпалами, рельс под ним изгибается, а в шейке возникают сдвиговые деформации. Полезный сигнал даёт сдвиг; продольные деформации растяжения-сжатия от изгиба, по формулировке авторов, этот сигнал искажают [2].

Поэтому датчики ставят на те участки шейки, где сдвиговые деформации максимальны при нахождении колеса между шпалами [2]. На схеме из публикации 2015 года это прямоугольная зона на половине пролёта между шпалами [2, рис. 2]:

• по высоте — от 0,35 H до 0,55 H, где H — высота рельса; внутри зоны проходит нейтральная линия изгиба на высоте 0,45 H;
• вдоль рельса — от 0,15 L до 0,25 L от шпалы, где L — длина участка рельса между шпалами; нагрузка на схеме приложена в середине участка, на 0,5 L.

По данным авторов, такое размещение даёт максимальный уровень сдвиговых деформаций и минимальный — продольных: продольные деформации от изгиба не превышают 4 %, а сдвиговые в пределах зоны изменяются не более чем на 5 % [2]. Правильность места наклейки проверяют после монтажа калибровкой испытательным устройством [2].

На каждом рельсе линии взвешивания — четыре тензорезисторных датчика деформации: две пары, установленные симметрично с обеих сторон шейки в промежутке между соседними шпалами; в описании системы на сайте компании они обозначены T1–T4 на одном рельсе и T5–T8 на другом [2; 4]. Группы датчиков на двух рельсах образуют линию взвешивания, перпендикулярную направлению движения [2]. Датчики на обеих нитях пути дают нагрузку каждого колеса — левого и правого; по описанию рельсового датчика СЖДК.ДТ, осевые нагрузки оцениваются при использовании двух датчиков на смежных рельсах [3].

Датчики закреплены на рельсе клеевым соединением [2], герметизированы и закрыты обрезиненными крышками из коррозионно-стойких материалов; установочный размер зоны контроля датчика СЖДК.ДТ — не более 0,35 м [3].

Путь сигнала: контроллеры, адаптер и терминал

Сигнал обрабатывается на двух уровнях. Каждая линия взвешивания содержит два программируемых контроллера — по одному на рельс. Они установлены в изотермическом путевом ящике и подключены к адаптеру, который обеспечивает электропитание, управление и передачу предварительно обработанных данных на компьютерный терминал [4]. Группы датчиков подключены к контроллерам влагонепроницаемым кабелем [2]; длина кабельной линии электропитания и связи системы — до 1000 м [1].

Контроллер питает тензодатчики, преобразует их аналоговые сигналы в цифровые и выполняет математическую обработку — отдельно для каждого измерительного рельса [2]. Встроенные программы по сигналам двух пар датчиков на рельсе рассчитывают во время движения колёсные нагрузки одной оси в единицах массы, скорость колёс и расстояние между следующими друг за другом осями [2]. Предварительная обработка в контроллерах уменьшает объём вычислений на удалённом терминале [2].

Параметры канала приведены в публикации 2015 года: контроллеры питают датчики импульсами с несущей частотой более 4 МГц, передают обработанные данные со скоростью 115 кбит/с и опрашивают датчики с частотой до 10 000 обращений в секунду [2]. По данным авторов, такая схема уменьшает энергопотребление датчиков, обеспечивает гальваническую развязку и устойчивую связь с терминалом на значительном расстоянии [2].

Частота опроса важна потому, что колесо находится на измерительном участке недолго: это время тем меньше, чем выше скорость и чем короче измерительное устройство [2]. Для порядка величин: отрезок 0,35 м — наибольший установочный размер зоны контроля датчика [3] — колесо проходит при 10 км/ч примерно за 0,13 с, при 30 км/ч — примерно за 0,04 с. При динамическом взвешивании учитываются все точки — от начала подъёма нагрузки при въезде колеса в зону датчиков до полного спада при съезде; чем больше точек содержит осциллограмма, тем ниже погрешность рассчитанной по ней нагрузки [2].

Линии взвешивания: зачем колесо измеряют несколько раз

В состав системы СЖДК входят одна, две или четыре линии взвешивания [1]. При нескольких линиях расстояние между двумя ближайшими соответствует расстоянию между осями тележки вагона, а расстояние до следующих двух — расстоянию между тележками [2]. Каждое колесо проходит линии по очереди, и при четырёх линиях нагрузка от него измеряется последовательно на четырёх участках пути [2; 4]. Терминал объединяет массивы данных со всех линий и рассчитывает статистически достоверные значения колёсных и осевых нагрузок [1; 2].

Почему повторные измерения повышают точность, показывает модель погрешности из доклада главного метролога «Тензора» В. А. Вдовина на конференции «Весы-2015» [5]. Результат единичного измерения в ней — среднее значение плюс случайная и систематическая составляющие погрешности. При суммировании результатов систематическая погрешность складывается арифметически, а случайная — геометрически. Отсюда оценка случайной составляющей погрешности среднего из n измерений: ±σ/√n, где σ — среднеквадратическое отклонение единичных измерений [5]. Систематическую составляющую повторение не уменьшает: её устраняют при настройке весов, корректируя коэффициент преобразования [5].

Для СЖДК направление этой зависимости видно в пределах допускаемой погрешности определения массы вагонов в движении [1]:

• скорость от 0 до 10 км/ч: ±1,0 % — одна линия, ±0,5 % — две линии, ±0,3 % — четыре линии;
• скорость свыше 10 до 30 км/ч: ±2,0 % — одна линия, ±1,0 % — две линии, ±0,5 % — четыре линии.

Сами значения из формулы не вычисляются: описание системы приводит их со ссылкой на метрологические испытания на утверждение типа [1]. Тип средства измерений «Системы весового железнодорожного контроля СЖДК» внесён в Госреестр СИ под № 66305-16, изготовитель — ООО «НИПВФ «ТЕНЗОР-Р»», поверка — по методике МП 204-08-2016 [8]. Таблица пределов — в разделе «Точность» на странице СЖДК.

Расчёт: от колёсной нагрузки до массы состава

Масса вагона в рельсовых весах — результат сложения, и каждый следующий уровень складывается из предыдущего. В публикации 2015 года правила подписаны на экранах терминала: осевая нагрузка равна сумме колёсных нагрузок, нагрузка на тележку — сумме осевых нагрузок, масса состава — сумме масс вагонов [2, рис. 5–6].

1. Колёсная нагрузка — нагрузка одного колеса на рельс; её рассчитывают контроллеры по сигналам двух пар датчиков рельса [2]. Диапазон измеряемых колёсных нагрузок СЖДК — 0,5–15 т на колесо [1].
2. Осевая нагрузка — сумма нагрузок левого и правого колёс одной оси [2].
3. Нагрузка на тележку — сумма осевых нагрузок осей тележки [2]. Терминал определяет массы тележек и межосевые расстояния [1].
4. Масса вагона — сумма нагрузок тележек; по тем же данным терминал определяет положение центра масс и распределение сил на колёсах [1]. Взвешиваются вагоны с 2, 4, 6 и 8 осями [1].
5. Масса состава — сумма масс вагонов [2]; число осей, число вагонов и масса состава не ограничены [1].

Пример из той же публикации — восьмиосный вагон массой 141,23 т. Нагрузка первой в списке оси, 17,12 т, складывается из колёсных нагрузок 9,75 т и 7,37 т; нагрузки двух четырёхосных тележек — 68,46 т и 72,77 т, их сумма — 141,23 т [2, рис. 5].

Из образов вагонов с обозначенными нагрузками и массами терминал формирует графический образ состава, результаты сохраняются в базе данных [2]. Как по такой записи читать распределение нагрузок по сторонам и тележкам, показано на разборе цистерны массой 75,96 т в статье «Перегруз и неравномерная загрузка вагона»; проверка развески по тем же данным — в статье «Поколёсная развеска локомотивов и вагонов в движении».

Методическая погрешность: что меняется, когда вагон движется

При статическом взвешивании нагрузку измеряют после стабилизации показаний, и преобладает инструментальная погрешность самих весов. Весы для взвешивания в движении воспринимают изменяющуюся нагрузку, и для них преобладает методическая погрешность, связанная с неопределённостью поведения объекта измерений [5]. На движущийся вагон, кроме силы тяжести, действуют и другие силы. При взвешивании по частям — по колёсам, осям, тележкам — на результат дополнительно влияют крутящие моменты, трение качения колёс, ускорения и торможения: они меняют распределение нагрузок между колёсами, осями и тележками [5]. Масса в этом случае — результат косвенных измерений [5].

Факторы методической погрешности в докладе В. А. Вдовина: кривизна зоны взвешивания, скорость в момент измерения, неравномерность скорости (ускорение — торможение), возмущающие воздействия неровностей дорожного покрытия [5]. К. Исаев уточняет механизм для неравномерного хода: разгон и торможение перераспределяют силы между осями, поскольку центр масс транспортного средства расположен выше уровня пути; для железной дороги он называет также качество стыков рельсов перед измерительным участком [6].

Два из этих факторов прямо видны в условиях СЖДК. Зона взвешивания — прямолинейный участок пути без уклонов [1]. Скорость — параметр таблицы пределов: при переходе через 10 км/ч предел для одной и двух линий удваивается, с ±1,0 до ±2,0 % и с ±0,5 до ±1,0 %, для четырёх линий растёт с ±0,3 до ±0,5 % [1]. Пределы заданы для скоростей до 30 км/ч; максимальная транзитная скорость — до 200 км/ч [1].

Общее свойство методической погрешности при взвешивании в движении — абсолютная погрешность пропорциональна массе транспортного средства; именно поэтому пределы погрешности таких весов нормируют в процентах [5]. В тоннах предел растёт вместе с массой: для вагона массой 141,23 т из примера выше ±0,3 % (четыре линии, 0–10 км/ч) — это ±0,42 т, а ±2,0 % (одна линия, свыше 10 до 30 км/ч) — ±2,82 т.

Пределы в описании СЖДК заданы для массы вагона; отдельных пределов для колёсных и осевых нагрузок описание от 27.09.2026 не приводит [1]. Для наливных грузов к перечисленным факторам добавляется переливание жидкости в цистерне — этот случай разобран в статье «Взвешивание ж/д цистерн в движении».

Подберём конфигурацию СЖДК под ваш вагонопоток

Укажите в опросном листе типы вагонов, скорость прохода составов и требуемую погрешность — подберём число линий взвешивания: от одной (±1,0 % при 0–10 км/ч) до четырёх (±0,3 % при 0–10 км/ч).

Рассчитать стоимость Схема системы СЖДК

Читайте также

• Нужен ли фундамент под вагонные весыТребования к участку пути и монтаж датчиков на действующий рельс, 4–8 ч на линию
• Перегруз и неравномерная загрузка вагонаЧто показывают осевые нагрузки и центр масс при взвешивании в движении
• Поколёсная развеска локомотивов и вагонов в движенииПроверка распределения нагрузок по колёсам после ремонта и замены колёсных пар
• Взвешивание ж/д цистерн в движенииПереливание жидкого груза, число линий взвешивания и запись о проходе цистерны

Источники

1. Рельсовые весы СЖДК: описание системы. ООО НИПВФ «Тензор», документ PDF, 27.09.2026, 3 с. — назначение и функции, состав системы, расчёт нагрузок, масс и центра масс, пределы допускаемой погрешности, диапазоны, условия монтажа, фото оборудования.
2. Агеев А. И., Стахов В. А. (НИПВФ «Тензор»), Назаров В. Н., Рачковский А. Е. (ВНИИМС). Магистральные рельсовые весы для взвешивания железнодорожных объектов в движении. Статья, 2015, PDF: https://tenzor-rostov.ru/publish/ageev_etc_vesy-2015.pdf (дата обращения 01.10.2026) — размещение датчиков (рис. 1–2), контроллеры и параметры канала, обработка осциллограммы, расчёт нагрузок и масс (рис. 5–6).
3. СЖДК.ДТ — датчик тензометрический рельсовый. База знаний ООО НИПВФ «Тензор»: https://tenzor-rostov.ru/szhdk-magistralnaya-sistema-vesovogo-zheleznodorozhnogo-kontrolya-vesy-relsovye/szhdk-dt-datchik-tenzometricheskij-relsovyj (дата обращения 01.10.2026).
4. СЖДК — магистральная система весового железнодорожного контроля (весы рельсовые). База знаний ООО НИПВФ «Тензор»: https://tenzor-rostov.ru/szhdk-magistralnaya-sistema-vesovogo-zheleznodorozhnogo-kontrolya-vesy-relsovye (дата обращения 01.10.2026).
5. Вдовин В. А. (главный метролог НИПВФ «Тензор»). Особенности нормирования и проверки метрологических характеристик приборов для взвешивания транспортных средств в движении // Приборы. 2016. № 1 (187). С. 19–27 (X Всероссийская научно-практическая конференция «Весы-2015»), PDF: https://tenzor-rostov.ru/publish/vdovin_vesy-2015.pdf (дата обращения 02.10.2026).
6. Исаев К. Особенности метрологического обеспечения взвешивания транспортных средств в движении. Статья, PDF, дата публикации не указана: https://tenzor-rostov.ru/publish/Isaev1.pdf (дата обращения 01.10.2026).
7. Исаев К. Универсальный алгоритм идентификации и взвешивания железнодорожных составов в движении. Статья, PDF, дата публикации не указана: https://tenzor-rostov.ru/publish/Isaev.pdf (дата обращения 01.10.2026).
8. Свидетельство об утверждении типа средств измерений RU.C.28.004.A № 64795, рег. № 66305-16, «Системы весового железнодорожного контроля СЖДК», изготовитель ООО «НИПВФ «ТЕНЗОР-Р»»; продлено приказом Росстандарта от 13.12.2021 № 2823; методика поверки МП 204-08-2016, интервал между поверками 1 год. Сканы: https://tenzor-rostov.ru/svidetelstva-litsenzii-i-patenty-tenzora.