JWLZ動車組輪重檢測裝置在動車檢修基地的應(yīng)用

動車組的輪重偏載狀態(tài)關(guān)系到鐵路現(xiàn)代化管理、運(yùn)輸安全的重要因素。多年來世界各國都在研制各種輪對負(fù)荷、車輛裝載和運(yùn)行狀態(tài)的檢測裝置，但迄今還沒有一種能方便快捷、準(zhǔn)確可靠地進(jìn)行輪重檢測。其根本原因是因?yàn)閯討B(tài)稱量采用鋼軌剪力法測量原理，一般有效測量區(qū)只有300 mm～400 mm，只能檢測到瞬時的較實(shí)際靜載或大或小的動載數(shù)據(jù)，重量檢測精度很低；靜態(tài)稱量采用單輛車逐一稱量，工作流程復(fù)雜，效率低下，都不能完全適應(yīng)國內(nèi)檢修的需求。

目前，國內(nèi)現(xiàn)有的列車稱重設(shè)備多以軌道衡和超偏載儀為主，其原理是在軌枕之間組成剪力測試區(qū)，它主要應(yīng)用貨車的整車計量、整車偏載的測量和簡單輪重的量化計量，由于動車組結(jié)構(gòu)的不同和動車組檢修作業(yè)方法的不同，它們的作業(yè)方式、性能指標(biāo)和測量精度，都無法滿足適應(yīng)動車組檢修過程中對輪重檢測的實(shí)際需要。

動車組檢修單位需要一種能準(zhǔn)確、快速地檢測單側(cè)輪對承受重量的檢測裝置，以方便、高效地進(jìn)行同軸左右輪對糾偏調(diào)整。為此，我們將JWLZ動車組輪重檢測裝置列為專項(xiàng)開發(fā)項(xiàng)目進(jìn)行研制。

1 結(jié)構(gòu)

1.1 總體架構(gòu)

JWLZ動車組輪重檢測裝置是一款滿足適應(yīng)動車組檢修過程中對輪重進(jìn)行檢測的設(shè)備，分為檢測平臺和操作平臺，由機(jī)械承載部分、高精度傳感器總成、高速數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理判別軟件和標(biāo)定設(shè)備5大模塊及附屬結(jié)構(gòu)組成。根據(jù)測量方式不同，分為動態(tài)輪重檢測裝置和靜態(tài)輪重檢測裝置，本文著重介紹動態(tài)輪重檢測裝置?？傮w結(jié)構(gòu)如圖1，其中，接線盒以下部分除標(biāo)定設(shè)備屬于檢測平臺，以上部分屬于操作平臺。輪重檢測裝置的基礎(chǔ)稱重平臺，采用鐵路軌道結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的短軌結(jié)構(gòu)型式設(shè)計。檢測時計算機(jī)采集所測轉(zhuǎn)向架4個車輪施加到兩側(cè)短軌式傳感器的壓力，分別測出每個車輪載荷、再根據(jù)采集到的波形和軌跡，利用相應(yīng)計算方法，計算出輪重、軸重、轉(zhuǎn)向架重、整車重、以及輪重差等數(shù)據(jù)。并將數(shù)據(jù)儲存到終端數(shù)據(jù)庫，輪重控制系統(tǒng)可對終端數(shù)據(jù)庫中的信息進(jìn)行處理，完成階段統(tǒng)計、制表、打印、超限報警等功能，并可通過動車基地信息化管理系統(tǒng)接口上傳數(shù)據(jù)。 車間維修人員可根據(jù)檢測數(shù)據(jù)，對車輛的偏載情況直接進(jìn)行糾偏調(diào)整。

圖1 輪重檢測裝置總體框架圖

1.2 機(jī)械承載部分

輪重檢測裝置檢測平臺軌道結(jié)構(gòu)要求保持原軌道的強(qiáng)度和平整度，并且作為長期穩(wěn)定工作的檢測設(shè)備，需保持檢測平臺所在軌道結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定性，以保證測量數(shù)據(jù)可靠。因此，輪重檢測裝置在檢測平臺采用剛性軌道結(jié)構(gòu)。

為了安裝時不受限制，傳感器設(shè)計適合于各種剛性軌道結(jié)構(gòu)，但這并不意味著傳感器總成可以隨意安裝，需在原剛性軌道結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上做進(jìn)一步的設(shè)計，在軌道結(jié)構(gòu)按照傳感器總成格式設(shè)計完畢后，相對傳感器總成就是透明的。

剛性軌道結(jié)構(gòu)的長度及平整度對列車重量偏移影響很大，且線路的平直誤差對列車前后車輛的重量轉(zhuǎn)移及輪重檢測精度造成極大的影響。輪重檢測裝置剛性軌道結(jié)構(gòu)長度不低于3節(jié)車長度，考慮作業(yè)方便應(yīng)將其放置于維修庫門口，其軌面高度差及方向差應(yīng)在1 mm之內(nèi)，軌距符合技規(guī)。

剛性軌道結(jié)構(gòu)里應(yīng)預(yù)埋用來安裝傳感器總成的傳感器總成安裝平臺，加強(qiáng)鋼筋編織成一定強(qiáng)度的花梁，不但能方便傳感器的安裝和橫向及縱向調(diào)整，還能增強(qiáng)傳感器總成及軌道的縱向強(qiáng)度。

1.3 傳感器總成

在設(shè)計中把一定長度的軌道用等長度的傳感器代替。采用高精度的傳感器，用剪力測量的方法，測取輪對對鋼軌的垂向力，并采取全橋式的檢測電路和補(bǔ)償電路；采集完整連續(xù)電信號。

檢測平臺工作中檢測每個動車轉(zhuǎn)向架4個車輪的輪重，使用了由4只專用動態(tài)傳感器。通過傳感器的長度和位置的設(shè)計，保證兼容目前鐵路內(nèi)使用的所有動車轉(zhuǎn)向架。整列車動態(tài)檢測平臺適合各種型號動車組動態(tài)稱重，如圖2。

圖2 傳感器總成

1.4 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊包括信號放大電路、濾波電路、模數(shù)變換器及可編程接口電路，其將模擬信號放大并經(jīng)濾波器預(yù)處理，變成帶限信號，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號，最后由計算機(jī)完成信號處理。

數(shù)據(jù)采集模塊均采用4通道，根據(jù)檢測區(qū)傳感器總成的個數(shù)不同，分布的數(shù)目也不相同。輪重檢測裝置檢測區(qū)只有4個傳感器，數(shù)據(jù)采集模塊僅需一塊就能滿足應(yīng)用。

1.5 數(shù)據(jù)處理判別軟件

數(shù)據(jù)處理判別軟件根據(jù)使用方式不同分為檢測程序和結(jié)果查詢程序，前者在采集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù)的時候應(yīng)用，后者則是查詢數(shù)據(jù)、打印數(shù)據(jù)和錄入信息時使用。這樣將應(yīng)用程序分層設(shè)計，好處是不會因?yàn)閿?shù)據(jù)庫等后臺程序故障影響前臺檢測程序的運(yùn)行，檢測時也不影響數(shù)據(jù)查詢，軟件模塊化設(shè)計使后期維護(hù)方便，并且使檢測程序界面簡潔。

1.6 標(biāo)定設(shè)備

為了讓輪重檢測裝置長期穩(wěn)定可靠地工作，需要每隔一定時間（一般周期為一年）對輪重裝置進(jìn)行一次標(biāo)定。因?yàn)楸粰z測的是輪對重量，一個點(diǎn)狀或線狀工裝很難構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，無法直接用砝碼進(jìn)行校驗(yàn)，所以我們研制了專用校準(zhǔn)裝置，用于對輪重檢測裝置進(jìn)行校準(zhǔn)。采用踏面有突起的車輪及萬能轉(zhuǎn)向軸的專用標(biāo)定車，其左右前后各車輪重量分配始終保持穩(wěn)定。

1.7 附屬結(jié)構(gòu)

輪重檢測裝置在沿線路方向測量平臺以外，接近測量傳感器4個方向的鋼軌內(nèi)側(cè)安裝護(hù)輪軌，用來糾正所測車輛左右位移，減少兩側(cè)傳感器總成上輪對的重量轉(zhuǎn)移。

1.8 檢測方式

檢測時，動車組在不解編的情況下，緩緩地（5km/h以下）通過檢測區(qū)。傳感器總成感應(yīng)出壓力，將信號傳輸?shù)酵ǖ览铮?shù)據(jù)采集模塊采集及后續(xù)處理。盡管輪對踏面與鋼軌上表面的接觸面在不停變化而引起測量點(diǎn)值不同，因有足夠長的測量區(qū)，用濾波算法采集數(shù)據(jù)，高精度的傳感器和高速數(shù)據(jù)采集卡，如此方便快捷地稱量輪重，檢測精度優(yōu)于3‰（用標(biāo)定砝碼車，在北京動車段兩臺輪重檢測裝置上檢測到最大誤差僅為1.83‰）。

檢測速度不能大于5 km/h，在采樣頻率一定的情況下（采樣頻率已達(dá)到2 kHz，若再提高采樣頻率，會增加很大成本），速度過快會引起采樣點(diǎn)數(shù)太少，會使測量精度降低，還有可能使系統(tǒng)根本就無法進(jìn)行測量。通過速度則可根據(jù)文獻(xiàn)[3] 相關(guān)規(guī)定，限制在35 km/h以下，為了更好地保護(hù)傳感器，我們一般要求通過速度不大于30 km/h。

2 關(guān)鍵技術(shù)

JWLZ動車組輪重檢測裝置是檢測動車組輪對載重分配是否合理的檢測設(shè)備。在研制中除了研究自身的基礎(chǔ)承載、傳感器精度、數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理問題外，還要對被測車輛受力與前后車輛關(guān)聯(lián)性，減少所測車輛和前后車輛的重量轉(zhuǎn)移、車輛輪對重量轉(zhuǎn)移等問題進(jìn)行研究。另外，對傳感器的標(biāo)定、全系統(tǒng)的標(biāo)定問題，及各種型號的動車組兼容使用、可以運(yùn)用到各種軌道的問題進(jìn)行研究。

（1）獨(dú)立測量區(qū)：要精準(zhǔn)地測量輪重，最合理的方法是檢測時每個輪對都有獨(dú)立的測量區(qū)。（2）短軌式傳感器總成：把傳感器總成設(shè)計成一個短軌結(jié)構(gòu)，其頂部結(jié)構(gòu)與鋼軌完全一致，列車可以安全通過，同時短軌傳感器可以在有效地長度內(nèi)準(zhǔn)確測得輪載信號。輪重在傳感器總成全長的范圍內(nèi)部都能測到。傳感器總成是直接安裝，不需要任何限位機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便，也避免由限位裝置產(chǎn)生的誤差。（3）輪重檢測裝置標(biāo)定：專用砝碼標(biāo)定車對輪重檢測裝置進(jìn)行動態(tài)標(biāo)定。（4）數(shù)據(jù)濾波算法：采用小波變換方法濾波，剔除異常點(diǎn)值，得到各輪重的最優(yōu)估計值。（5）檢測平臺公鐵兩用：根據(jù)需要可以把檢測平臺設(shè)計成公鐵平交軌道，汽車可在檢測平臺上面通行，而不會破壞傳感器總成等檢測設(shè)備。

3 應(yīng)用

該設(shè)備已經(jīng)成功應(yīng)用于北京、武漢、上海、廣州動車檢修基地到目前系統(tǒng)已穩(wěn)定運(yùn)行。

在北京動車客車段，設(shè)備通過各種型號及不同編組的動車組實(shí)驗(yàn)，并經(jīng)鐵道部質(zhì)檢中心檢驗(yàn)合格后，已完成十多列CRH2型8編組動車組檢修。

4 功能擴(kuò)展

為了實(shí)現(xiàn)自動化，現(xiàn)場可無人職守，可使輪重檢測裝置功能擴(kuò)展并增加一個總控制臺。專用傳感器信號處理與原有一樣，可增加高程監(jiān)測。如果基礎(chǔ)好，經(jīng)過測試得知軌道下沉很小，就不設(shè)高程監(jiān)測。另外設(shè)4個軸就位信號，這是為了適應(yīng)不同的定距，軸距車輛的車輪而設(shè)，當(dāng)4個軸全部就位時才能稱重?，F(xiàn)場無人職守時，可加設(shè)4個攝像頭對測試現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)視。總控/顯示臺中有8個輪重、8個輪的相對高程和4個軸的就位顯示。另外，還向現(xiàn)場發(fā)出各種指令，如燈信號、鈴信號和對講。

5 結(jié)束語

該設(shè)備不僅適用于動車組，同時可應(yīng)用于大功率機(jī)車以及地鐵工程。

實(shí)際應(yīng)用證明，該設(shè)備成功地實(shí)現(xiàn)了動車組輪重檢測功能，達(dá)到了測量的精度，促進(jìn)了動車組檢修工作的系統(tǒng)化，提升了檢修基地的管理水平。并且對其它類似設(shè)備有一定的參考價值。

[1] 中華人民共和國鐵道部.鐵路線路維修規(guī)則[S] . 北京：中國鐵道出版社，2001.

[2] 中華人民共和國鐵道部.鐵路技術(shù)管理規(guī)程[S] . 北京：中國鐵道出版社，2006.