一種改進(jìn)的鐵路超限貨物運(yùn)輸模擬限界檢測(cè)方法

李鵬，陶敬倩，梁習(xí)鋒，周偉

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一種改進(jìn)的鐵路超限貨物運(yùn)輸模擬限界檢測(cè)方法

李鵬1，陶敬倩2，梁習(xí)鋒1，周偉1

(1. 中南大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長沙，410075；2. 中鐵特貨大件運(yùn)輸有限責(zé)任公司，北京，100070)

針對(duì)傳統(tǒng)超限貨物檢查架模擬運(yùn)輸不能實(shí)現(xiàn)異物侵入深度定量檢測(cè)的問題，提出基于活動(dòng)支架轉(zhuǎn)動(dòng)位移一階微分拐點(diǎn)定位的改進(jìn)限界檢測(cè)方法。研究限界模擬檢查架設(shè)計(jì)及視頻監(jiān)控方案，在檢查架活動(dòng)支架轉(zhuǎn)動(dòng)臂中增設(shè)用于測(cè)量限界侵入深度的拉繩位移傳感裝置，并推導(dǎo)限界侵入深度與拉繩位移增量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系；建立活動(dòng)支架與異物發(fā)生碰撞過程的動(dòng)力學(xué)方程，并對(duì)碰撞過程中慣性效應(yīng)引起的活動(dòng)支架“過躍”現(xiàn)象進(jìn)行解釋，給出位移一階微分拐點(diǎn)定位的限界侵入深度確定方法。通過標(biāo)定試驗(yàn)對(duì)該方法進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證和誤差分析，并結(jié)合實(shí)車模擬運(yùn)輸試驗(yàn)對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明：該方法克服了傳統(tǒng)單一視頻監(jiān)控模式無法準(zhǔn)確量化入侵深度的問題，能較準(zhǔn)確地對(duì)超限貨物運(yùn)輸模擬限界進(jìn)行在線檢測(cè)，為超限貨物的高效和安全運(yùn)輸提供限界數(shù)據(jù)和技術(shù)保障。

超限貨物運(yùn)輸；檢查架；限界檢測(cè)；限界侵入深度

大型變壓器、發(fā)電機(jī)定子等超限貨物通過鐵路運(yùn)輸時(shí)，由于貨物體積較大，裝車后運(yùn)輸寬度往往超過了機(jī)車限界，有的甚至接近鐵路建筑限界。建筑限界會(huì)隨環(huán)境的變化而發(fā)生改變，如果不能及時(shí)、精確地掌握線路建筑限界，不但會(huì)給超限貨物運(yùn)輸帶來不良影響，甚至?xí)l(fā)難以估計(jì)的安全事故[1]。因此，在鐵路運(yùn)輸線路尤其是尚未運(yùn)行過超限貨物列車的線路上，對(duì)超限貨車裝載貨物后的外形寬度進(jìn)行鐵路沿線的建筑限界入侵檢測(cè)就顯得尤為重要[2?8]。目前，傳統(tǒng)超限貨物運(yùn)輸模擬限界檢測(cè)主要利用檢查架進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。盧斌等[9?12]根據(jù)需要運(yùn)輸?shù)呢浳锍叽缰谱鳈z查架，并安裝在D26B大型車上，在渝懷線(重慶—懷化)及滬昆線(上?！ッ?上進(jìn)行實(shí)車實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中，檢測(cè)架后部車體上安裝視頻采集系統(tǒng)，分別采集檢查架上、中、下3部分視頻以便于回放，檢查架碰撞異物會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)軸位置加裝限位裝置和自動(dòng)報(bào)警裝置，一旦發(fā)生碰撞，就會(huì)自動(dòng)報(bào)警，檢測(cè)到鋼軌爬行觀測(cè)樁、水泥樁等侵入限界的物體，并進(jìn)行了整改。中南大學(xué)也利用類似原理在貴陽至桐梓、柳州至靖西等線路進(jìn)行了限界檢測(cè)。由于這些方法是通過異物與檢查架是否碰撞作為限界判斷的依據(jù)，而視頻記錄也僅僅是為了便于回放查看，只能定性地檢測(cè)是否侵入限界，并不能計(jì)算異物入侵深度，為此，本文作者在檢查架活動(dòng)支架轉(zhuǎn)動(dòng)臂部位增設(shè)了拉繩位移傳感裝置，建立基于活動(dòng)支架轉(zhuǎn)動(dòng)位移一階微分拐點(diǎn)定位的精準(zhǔn)限界侵入深度計(jì)算模型，結(jié)合視頻監(jiān)控和轉(zhuǎn)角位移突變點(diǎn)自動(dòng)記錄，實(shí)現(xiàn)檢查架模擬運(yùn)輸過程中異物入侵限界的在線智能檢測(cè)。

1 檢測(cè)架模擬運(yùn)輸方案

檢查架模擬運(yùn)輸系統(tǒng)包括檢查架結(jié)構(gòu)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)和活動(dòng)支架轉(zhuǎn)臂位移檢測(cè)系統(tǒng)3部分。

1.1 檢測(cè)架結(jié)構(gòu)

檢測(cè)架的輪廓根據(jù)貨物裝后寬度來確定。為了方便安裝和調(diào)整，檢測(cè)架設(shè)計(jì)6塊獨(dú)立的活動(dòng)支架，按上、中、下位置對(duì)稱分布在左右兩側(cè)，上、下2塊之間垂向留有一定間隙。檢測(cè)架結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)物安裝圖見圖1。固定支架通過螺栓以及夾具緊固在落下孔車側(cè)承梁上；活動(dòng)支架通過活頁與固定支架鉸接在一起。為方便現(xiàn)場(chǎng)安裝和調(diào)整，在水平位置上活頁留有15~20 mm的調(diào)整余量；在豎直方向上，在每個(gè)活動(dòng)支架上開有4個(gè)螺絲孔，在安裝時(shí)與1個(gè)開有厚度為30 mm槽的鋼板通過螺栓進(jìn)行聯(lián)接，通過調(diào)節(jié)螺紋孔與槽的位置調(diào)節(jié)高度，調(diào)整余量在25~30 mm之間。

活動(dòng)支架與道旁設(shè)施發(fā)生剮蹭時(shí)，可沿逆車輛前進(jìn)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，在運(yùn)行前方活動(dòng)支架與側(cè)承梁之間用橡皮筋連接，保證活動(dòng)支架能迅速復(fù)位，同時(shí)在運(yùn)行后方活動(dòng)支架與側(cè)承梁之間安裝限位繩，防止活動(dòng)支架拉入死角，保證活動(dòng)支架不會(huì)在橡皮筋拉力下向車輛前進(jìn)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖2所示。

(a) 檢查架結(jié)構(gòu)示意圖；(b) 檢查架安裝實(shí)物圖

圖2 活動(dòng)支架的安裝方式

1.2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)見圖3。在落下孔車側(cè)承梁上沿、下沿位置共計(jì)安裝3臺(tái)高清攝像機(jī)，以檢查架活動(dòng)支架作為監(jiān)控對(duì)象，在運(yùn)行途中對(duì)動(dòng)態(tài)視頻進(jìn)行全程采集。監(jiān)控相機(jī)與主機(jī)之間通過TCI/IP方式連接。為適應(yīng)隧道內(nèi)及夜間視頻取光要求，配套的照明系統(tǒng)由4臺(tái)博朗DG800高照度攝像燈組成。

同時(shí)，在牽引機(jī)車司機(jī)室內(nèi)設(shè)置1臺(tái)攝像機(jī)，對(duì)機(jī)車非操控端LKJ屏進(jìn)行視頻監(jiān)控。LKJ數(shù)據(jù)系統(tǒng)時(shí)間與監(jiān)控相機(jī)、拉繩位移計(jì)采集系統(tǒng)的時(shí)間嚴(yán)格同步。當(dāng)檢查架與道旁設(shè)施發(fā)生剮蹭時(shí)，系統(tǒng)可根據(jù)拉繩位移的突變特性尋找剮蹭時(shí)刻，結(jié)合LKJ數(shù)據(jù)系統(tǒng)記錄發(fā)生剮蹭里程點(diǎn)。

(a) 視頻監(jiān)控安裝位置；(b) 視頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1.3 活動(dòng)支架轉(zhuǎn)臂位移檢測(cè)系統(tǒng)

在檢查架固定支架上安裝拉繩位移計(jì)，位移計(jì)設(shè)置預(yù)拉伸，以實(shí)現(xiàn)活動(dòng)支架轉(zhuǎn)動(dòng)過程中拉繩長度的連續(xù)變化。網(wǎng)口數(shù)據(jù)采集程序?qū)⑽灰菩盘?hào)存儲(chǔ)至本地PC 機(jī)，如圖4所示。

圖4 拉繩式位移計(jì)安裝方式

2 限界侵入深度精準(zhǔn)計(jì)算模型

2.1 侵入深度計(jì)算

基于拉繩位移的侵入深度計(jì)算原理如圖5所示。設(shè)位移計(jì)安裝位置與自然狀態(tài)下活動(dòng)支架沿車長方向的距離為，活動(dòng)支架沿車寬方向投影長度為，位移計(jì)拉繩初始長度為。當(dāng)活動(dòng)支架與異物發(fā)生碰撞時(shí)，活動(dòng)支架轉(zhuǎn)動(dòng)直至異物與活動(dòng)支架脫離，此時(shí)位移計(jì)拉繩長度為′。

圖5 拉繩位移侵入深度計(jì)算基本原理

定義碰撞過程中活動(dòng)支架的轉(zhuǎn)動(dòng)角度為，位移計(jì)拉繩長度增至′，根據(jù)三角形余弦定理得

可得

(2)

侵入限界的深度為

即

(4)

由式(4)可知，拉繩位移計(jì)的動(dòng)態(tài)拉繩長度′是計(jì)算入侵深度的關(guān)鍵參數(shù)。

2.2 一階微分拐點(diǎn)定位

將檢查架活動(dòng)支架與障礙物的碰撞過程分解為3個(gè)階段，如圖6所示。

1) 障礙物與活動(dòng)支架的接觸初始階段。障礙物與活動(dòng)支架接觸瞬間，相互接觸作用力使活動(dòng)支架沿運(yùn)行反方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

2) 障礙物“推移”活動(dòng)支架階段。由于障礙物沿車寬方向侵入檢查架外形深度，在接觸力作用下，障礙物以侵入深度處作用點(diǎn)為起點(diǎn)對(duì)活動(dòng)支架進(jìn)行“推移”，直至相互作用點(diǎn)移動(dòng)至支架邊緣，開始分離。

3) 活動(dòng)支架“過躍”階段。在碰撞“推移”最后階段，活動(dòng)支架與障礙物分離瞬間，由于慣性效應(yīng)，活動(dòng)支架仍沿原轉(zhuǎn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)，直至橡筋繩將活動(dòng)。

(a) 階段1(接觸)；(b) 階段2(推移)；(c) 階段3(過躍)

將活動(dòng)支架碰撞過程模擬為阻尼、有驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)過程[13?14]，如圖7所示。圖7中：為活動(dòng)支架；為橡皮筋拉力；R為鋼絲繩拉力；為碰撞過程中支架與障礙物接觸力。在碰撞過程中，在碰撞接觸力作用下，鋼絲繩作用力R消失，以橡皮筋拉力、碰撞接觸力和活動(dòng)支架轉(zhuǎn)角加速度為變量建立動(dòng)力學(xué)方程為

·()=()·F?()·L·sin() (5)

式中：為活動(dòng)支架相對(duì)轉(zhuǎn)軸的動(dòng)量矩；為支架轉(zhuǎn)動(dòng)角度；為支架轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度；為橡皮筋拉力與活動(dòng)支架的夾角。

圖7 活動(dòng)支架與障礙物碰撞動(dòng)力學(xué)模型

在碰撞過程中，由于侵入物體固定不動(dòng)，活動(dòng)支架可以繞固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，碰撞力作用在活動(dòng)支架時(shí)間內(nèi)，()·F?()·L·sin()＞0，可知·()＞0，即活動(dòng)支架的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度逐漸增大；當(dāng)活動(dòng)支架脫離障礙物后，()=0，在橡皮繩的拉力作用下·()＜0。雖然在慣性作用下，支架的轉(zhuǎn)動(dòng)方向沒有發(fā)生變化，但拐點(diǎn)出現(xiàn)后支架的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度逐漸減小，由此可知活動(dòng)支架角速度在脫離障礙物瞬間達(dá)到最大。

將式(1)兩邊對(duì)求導(dǎo)得

由于′/(cos)為正變量，d/d與d′/d變化規(guī)律一致，即活動(dòng)支架的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度與拉繩位移變化速度同為正值或負(fù)值，因此，轉(zhuǎn)動(dòng)角速度出現(xiàn)拐點(diǎn)的同時(shí)，拉繩位移變化速度出現(xiàn)拐點(diǎn)。

對(duì)活動(dòng)支架拉繩位移進(jìn)行一階數(shù)值微分，得到拉繩伸縮速度曲線，選取拉繩位移突變區(qū)的一階微分速度進(jìn)行分析，對(duì)一階微分速度曲線的最大值拐點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別和定位，對(duì)應(yīng)到該拐點(diǎn)時(shí)刻的拉繩位移′INVASION，代入式(4)即可計(jì)算得出侵入深度。

3 試驗(yàn)分析

3.1 驗(yàn)證試驗(yàn)

檢查架模擬運(yùn)輸采用DK36A型落下孔車作為運(yùn)輸車，該車型的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 DK36A型落下孔車主要技術(shù)參數(shù)

按照運(yùn)輸貨物的實(shí)際尺寸要求，設(shè)計(jì)檢查架活動(dòng)支架并進(jìn)行安裝。

實(shí)車試驗(yàn)前，需要對(duì)本文方法進(jìn)行驗(yàn)證。以帶長度刻度的鋼板分別以侵入檢測(cè)架限界20，30，40和50 mm進(jìn)行碰撞，檢查架靜止，撞擊鋼板速度選擇為13.9 m/s(與實(shí)車試驗(yàn)運(yùn)行速度50.0 km/h相同)，拉繩位移計(jì)活動(dòng)端固定在活動(dòng)支架上，在驗(yàn)證試驗(yàn)過程中對(duì)拉繩位移進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)采集。

對(duì)侵入檢測(cè)架限界20 mm工況下的結(jié)果進(jìn)行處理，得到拉繩位移曲線及一階速度曲線，見圖8。

(a) 位移；(b) 速度

由圖8可知：活動(dòng)支架與鋼板發(fā)生碰撞并脫離后，在慣性作用、橡皮筋與鋼絲繩的拉力作用下來回?cái)[動(dòng)。由于鋼絲繩剛度較大，這在很大程度地限制了活動(dòng)支架逆碰撞方向的運(yùn)動(dòng)，而橡皮筋較松軟，活動(dòng)支架沿碰撞方向位移較大，這也是拉繩位移的正半軸極值要比負(fù)半軸極數(shù)大的主要原因。位移的拐點(diǎn)最大值出現(xiàn)在360 ms，為107.8 mm，該時(shí)刻對(duì)應(yīng)一階速度曲線的速度為0，即活動(dòng)支架在碰撞力作用下轉(zhuǎn)角達(dá)到最大；一階速度曲線的拐點(diǎn)出現(xiàn)在260 ms，由本文方法分析可知，該時(shí)刻為侵入物(鋼板)與活動(dòng)支架分離瞬間，對(duì)應(yīng)的位移為55.5 mm。

侵入深度計(jì)算的參數(shù)初始值，和分別為220，280和356 mm。

′=411.5 mm，代入式(4)可以計(jì)算到=17.8 mm。

同理，標(biāo)定鋼板侵入深度分別為30，40和50 mm的計(jì)算結(jié)果，如表2所示。

可見，按照位移一階微分拐點(diǎn)計(jì)算的結(jié)果與實(shí)際入侵深度的相對(duì)誤差均在5.0%以內(nèi)。

表2 不同標(biāo)準(zhǔn)侵入深度的計(jì)算結(jié)果比較

3.2 實(shí)車試驗(yàn)

2015年4月在湖南永州至廣西靖西間進(jìn)行檢查架模擬運(yùn)輸。按照南寧鐵路局的鐵路運(yùn)輸調(diào)度命令，對(duì)運(yùn)輸全程檢查架活動(dòng)支架進(jìn)行視頻監(jiān)控。

對(duì)監(jiān)控結(jié)果和采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在湘桂線K302+100 m里程點(diǎn)位置，檢測(cè)架與信號(hào)牌發(fā)生了刮蹭，該過程的拉繩位移、一階速度曲線如圖9所示。

(a) 位移；(b) 速度

由圖9可以得出：拉繩位移的一階微分速度拐點(diǎn)出現(xiàn)在485 ms，對(duì)應(yīng)的拉繩長度為41.1 mm，計(jì)算得侵入深度=8.9 mm。

在線路整改過程中，為保證足夠的安全裕量，在侵入深度基礎(chǔ)上增加3 mm，將信號(hào)標(biāo)志牌沿遠(yuǎn)離軌道中心線方向平移12 mm。在隨后的實(shí)際貨物運(yùn)輸過程中，運(yùn)輸專列通過同一位置，沒有發(fā)生貨物與信號(hào)標(biāo)志牌刮蹭的現(xiàn)象?？梢?，該限界檢測(cè)方法可有效保障超限貨物的安全運(yùn)輸，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)論

1) 在活動(dòng)支架轉(zhuǎn)動(dòng)臂結(jié)構(gòu)中增設(shè)了用于測(cè)量限界侵入深度的拉繩位移傳感裝置，建立了活動(dòng)支架與異物發(fā)生碰撞過程的動(dòng)力學(xué)方程，確定了位移一階微分拐點(diǎn)定位的侵入深度計(jì)算方法。

2) 通過逐級(jí)標(biāo)定對(duì)本文提出的檢測(cè)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和誤差分析，本方法所得限界侵入深度與實(shí)際限界侵入深度的相對(duì)誤差保持在5.0%以內(nèi)，能夠滿足檢測(cè)精度要求。

3) 經(jīng)后期實(shí)際貨物的專列運(yùn)輸驗(yàn)證，該方法克服了傳統(tǒng)單一視頻監(jiān)控模式無法準(zhǔn)確量化入侵深度的問題，為鐵路限界的整改提供了依據(jù)，可以有效保障鐵路超限貨物的運(yùn)輸安全。

4) 本文測(cè)試方法在檢查架碰撞樹枝等柔性材料時(shí)，由于柔性材料會(huì)變形甚至損壞，結(jié)果將會(huì)出現(xiàn)較大誤差，因此，需開展非接觸式的利用光學(xué)測(cè)距，以進(jìn)行限界檢測(cè)。

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(編輯 陳燦華)

An improved detection method for railway clearance in transportation of out-of-gauge freight

LI Peng1, TAO Jingqian2, LIANG Xifeng1, ZHOU Wei1

(1. Key Laboratory of Traffic Safety on Track of Ministry of Education,School of Traffic & Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;2. China Railway Special Transportation of Large Cargo Services Co. Ltd., Beijing 100070, China)

The traditional examining rack tests are always used to detect the railway clearance before the out-of-gauge freight transportation, however, this method cannot decide the intrusion-depth of the foreign matter quantitatively. To solve this problem, an improved method based on the inflection point’s localization through the first partial derivative of the pivoted frame’s displacement was proposed. The design projects of the examining rack and video monitoring system were presented. Rope displacement sensors for measuring the intrusion-depth were added on the rotating arm of the pivoted frame, and the mathematical relationship between the intrusion-depth and rope displacement increment was deduced. Then, a kinetic equation between the pivoted frame and foreign matter was established, and the over-rotation phenomenon due to the inertia effect was shown in the process of the collision, which determined the method for the intrusion-depth based on the inflection point’s localization. Finally, an experimental calibration was carried out and the error was analyzed. Meanwhile, the full-scale tests were conducted to validate the theory. The results show that this method overcomes the problem that the intrusion-depth of the foreign matter can’t be quantitatively detected by the video monitor system. It can detect the gauge precisely by the simulative transportation of out-of-gauge freight, which can provide data and technical supports for the efficient and safe transportation of out-of-gauge freight.

transportation of out-of-gauge freight; examining rack; gauges detection; invading depth of gauges

10.11817/j.issn.1672?7207.2017.02.036

U271.91

A

1672?7207(2017)02?0547?06

2016?06?10；

2016?08?18

高速鐵路基礎(chǔ)研究聯(lián)合基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(U1134205)；中南大學(xué)教師研究基金資助項(xiàng)目(2013JSJJ013)；中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃課題(2015J007-O)(Project(U1134205) supported by Joint Fund of High-speed Railway Fundamental Research; Project(2013JSJJ013) supported by Teachers Research Fund of Central South University; Project (2015J007-O) supported by the Technological Research and Development Program of China Railway Corporation)

梁習(xí)鋒，教授，從事軌道交通安全研究；E-mail：gszxlxf@163.com