新型鐵路貨車超偏載檢測裝置的研制

門金勇，張大慶，柴雪松，郭建華，田德柱

（1.中國鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司 貨運(yùn)處，甘肅 蘭州 730000；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081）

1 概述

檢測鐵路貨車超載、偏載（左右）、偏重（前后）等裝載狀況是保障鐵路貨運(yùn)安全的重要內(nèi)容，采用裝載機(jī)車載稱重裝置[1]是從源頭控制裝載噸位的一種有效手段，但是其只能控制車輛裝載不超重，不能檢測和識別偏載、偏重問題。因此，鐵路貨車超偏載檢測裝置作為運(yùn)輸途中鐵路貨車超載、偏載、偏重狀況的重要安全檢測設(shè)備，可以有效遏制貨車超偏載現(xiàn)象，保障鐵路貨物運(yùn)輸安全。既有的超偏載檢測裝置定型于21世紀(jì)初，其型式試驗(yàn)、檢驗(yàn)規(guī)程等都對應(yīng)60 km/h以內(nèi)速度，當(dāng)速度超過后，其檢測數(shù)據(jù)不再作為安全評判依據(jù)，僅可以作為參考[2]。

隨著我國貨車速度、軸重的不斷提高，工務(wù)作業(yè)手段的變化以及鐵路運(yùn)輸密度的增加，基于60 km/h以內(nèi)速度設(shè)計(jì)的既有鐵路貨車超偏載檢測裝置（以下簡稱“既有裝置”）已經(jīng)不能滿足我國鐵路發(fā)展的要求，主要原因如下。

（1）軌枕間距不匹配導(dǎo)致既有裝置區(qū)域養(yǎng)護(hù)不足、檢測準(zhǔn)確性下降。既有裝置軌枕間距為760 mm，與鐵路線路1 667根/km的設(shè)置方式（軌距600 mm）不匹配，工務(wù)作業(yè)方式由人工搗固轉(zhuǎn)變?yōu)榇笮宛B(yǎng)護(hù)機(jī)械作業(yè)后，大型搗固機(jī)作業(yè)時(shí)容易忽略既有裝置區(qū)，使得檢測平臺(tái)區(qū)域的線路得不到有效維護(hù)，長期如此易導(dǎo)致軌道狀態(tài)質(zhì)量形成“洼地”，顯著降低了設(shè)備的檢測準(zhǔn)確率，容易引起誤漏報(bào)。因線路狀態(tài)不佳引起車輛側(cè)滾波形圖如圖1所示，其與車輛偏載波形規(guī)律類似，容易導(dǎo)致車輛偏載誤報(bào)。

圖1 因線路狀態(tài)不佳引起車輛側(cè)滾波形圖Fig.1 Wave shape of vehicle roll caused by poor line condition

（2）測區(qū)長度不足，不能滿足速度60 km/h以上檢測要求。既有裝置的測區(qū)長度為4.8 m，適用于60 km/h以內(nèi)的貨車超偏載檢測。在目前直通、快運(yùn)列車大量增加的情況下，不少測點(diǎn)的貨物列車檢測速度已超過60 km/h。有關(guān)試驗(yàn)和研究表明[3]，4.8 m測區(qū)的設(shè)備用于檢測速度大于60 km/h的貨物列車時(shí)，其檢測誤差明顯變大，檢測結(jié)果不可用。

（3）檢測平臺(tái)安裝及大修施工難度大，質(zhì)量難保證。既有裝置平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，檢測平臺(tái)由22根專用軌枕組成，其中每個(gè)軌枕的端部都由端板縱向連接而成，這對專用軌枕及配件的加工精度、現(xiàn)場施工質(zhì)量等要求較高，而且施工占用天窗（用于維修等工作的列車行車間隔時(shí)間段）較多。一旦某一環(huán)節(jié)質(zhì)量控制不佳，容易造成檢測平臺(tái)區(qū)域內(nèi)的線路幾何偏差過大，在目前天窗資源緊張的情況下，后期補(bǔ)修施工難度很大。

圖2 既有裝置平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Platform structure of existing device

（4）電磁干擾、線路變化等外界因素影響長期穩(wěn)定性[4]。線路電氣化改造、新型電力機(jī)車的使用，增加了對設(shè)備的電磁干擾，容易導(dǎo)致判車錯(cuò)誤等故障；線路在列車作用下，平順狀態(tài)會(huì)持續(xù)發(fā)生變化，會(huì)導(dǎo)致貨車超偏載的計(jì)算誤差變大，而這些因素都會(huì)影響最終檢測精度。

2 新型鐵路貨車超偏載檢測平臺(tái)方案

新型鐵路貨車超偏載檢測平臺(tái)的整體性、穩(wěn)定性及線路的高平順性，是鐵路貨車超偏載檢測裝置實(shí)現(xiàn)檢測精度的基本保證。新型檢測平臺(tái)的設(shè)計(jì)需要滿足以下條件：①軌距調(diào)整為600 mm，安裝便捷，不影響大型養(yǎng)護(hù)維修機(jī)具作業(yè)；②滿足100 km/h速度以內(nèi)車輛超偏載檢測精度要求。

2.1 超偏載測區(qū)的確定

根據(jù)貨車運(yùn)行狀態(tài)仿真結(jié)果及測試數(shù)據(jù)[5]，我國主型貨車轉(zhuǎn)向架的蛇行失穩(wěn)頻率在2.5 ～ 3.5 Hz左右，波長約為9 ～ 10 m，考慮100 km/h接近車輛的臨界速度，超偏載測區(qū)長度不應(yīng)小于半波長長度5 m；考慮測試數(shù)據(jù)的冗余及枕間距600 mm的整數(shù)倍關(guān)系，新的檢測平臺(tái)測區(qū)長度宜取為6 m及以上。

為了實(shí)現(xiàn)按輪計(jì)量的要求，考慮單個(gè)轉(zhuǎn)向架及前后車相鄰車輪的影響區(qū)，單個(gè)測區(qū)長度取為1.2 m，即2個(gè)枕間距。因此，該檢測平臺(tái)由5個(gè)測區(qū)組成，共計(jì)20組壓力傳感器和12對剪力傳感器[6]?？紤]算法和檢測數(shù)據(jù)的冗余時(shí)，進(jìn)一步增加測區(qū)有利于保證設(shè)備的長期穩(wěn)定性。

2.2 檢測平臺(tái)縱向鏈接方式

檢測平臺(tái)縱向采用鏈接端板會(huì)給施工質(zhì)量帶來隱患，增加施工難度，因而取消鏈接端板。為了使檢測平臺(tái)保持縱向整體一致性，借鑒橋梁護(hù)輪軌方式，采用護(hù)輪軌來增加檢測平臺(tái)的垂向剛度和整體一致性。新型檢測平臺(tái)設(shè)計(jì)方案圖如圖3所示。

原方案中由于鏈接端板埋在道砟內(nèi)，當(dāng)調(diào)整軌枕高度、位置時(shí)，需要扒開道砟對端板螺栓進(jìn)行松開、緊固等工作，作業(yè)完畢還需要恢復(fù)道砟，既擾動(dòng)了線路，也增加了作業(yè)工作量；新方案中，當(dāng)需要調(diào)整軌枕高度、位置時(shí)，直接松開、緊固護(hù)輪軌的扣件即可，大大優(yōu)化了作業(yè)流程。由于護(hù)輪軌為工務(wù)部門成熟應(yīng)用方案，因而方案可靠性也得到了保證。

如上所述，檢測平臺(tái)采用調(diào)整軌枕間距為600 mm、延長測區(qū)為6 m、取消了端部連接板這幾項(xiàng)改進(jìn)措施后，可以很好地適應(yīng)工務(wù)大機(jī)作業(yè)，也方便了日常維護(hù)工作。

2.3 檢測平臺(tái)關(guān)鍵部件改進(jìn)

根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，檢測平臺(tái)的整體框架結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，因而需要開發(fā)相應(yīng)的專用軌枕。另外，為了增強(qiáng)設(shè)備的長期使用穩(wěn)定性，對系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集設(shè)備硬件、監(jiān)測軟件以及判車模型等進(jìn)行了完善和升級。

圖3 新型檢測平臺(tái)設(shè)計(jì)方案圖Fig.3 Design plan of new detection platform

2.3.1 專用軌枕

新型檢測平臺(tái)專用軌枕定義為AG型和BG型，設(shè)計(jì)要求如下。

（1）滿足既有線通用Ⅲ型混凝土橋枕強(qiáng)度要求，實(shí)驗(yàn)包括強(qiáng)度和扣件組裝。

（2）滿足既有線大機(jī)作業(yè)要求，外形尺寸應(yīng)不超過既有線路軌枕尺寸范圍及大機(jī)機(jī)械設(shè)備的作業(yè)要求。

（3）滿足測試平臺(tái)的組裝要求，分別為傳感器安裝和檢測平臺(tái)整體組裝。

在專用軌枕設(shè)計(jì)中，通過在枕中位置的上表面設(shè)置預(yù)埋件來安裝護(hù)軌，護(hù)軌安裝后與基本軌軌頭凈間距為500 mm。AG、BG型專用軌枕不同斷面布置圖如圖4所示。

在專用軌枕按照TB/T1879—2002《預(yù)應(yīng)力混凝土枕靜載抗裂試驗(yàn)方法》和TB/T 1878—2002《預(yù)應(yīng)力混凝土枕疲勞試驗(yàn)》的試驗(yàn)方法進(jìn)行專用軌枕疲勞強(qiáng)度及扣件組裝疲勞強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)[7-8]中，檢驗(yàn)結(jié)果合格，均滿足設(shè)計(jì)要求。AG、BG型專用軌枕軌下靜載及疲勞性能試驗(yàn)圖如圖5所示。

2.3.2 數(shù)據(jù)采集儀

為了消除電磁干擾影響，數(shù)據(jù)采集儀采用每路傳感器信號單獨(dú)采集的方式，并且采用抗干擾磁環(huán)、電磁屏蔽膠、電源整流電路、改善接地措施等消除來自于電源和信號的電磁干擾。

數(shù)據(jù)采集儀為32通道采集儀，數(shù)據(jù)采集儀面板前面除電源開關(guān)外，設(shè)置了+12 V、±15 V電源指示燈和32路通道的零點(diǎn)調(diào)節(jié)電位器，便于零點(diǎn)調(diào)節(jié)；采集儀背面有220 V電源插座、9針D型插頭，每個(gè)插座輸入4路傳感器信號，下方為一個(gè)37針D型插座，連接37針數(shù)據(jù)電纜。

圖4 AG、BG型專用軌枕不同斷面布置圖Fig.4 Layout of different section of AG and BG sleeper

圖5 AG、BG型專用軌枕軌下靜載及疲勞性能試驗(yàn)圖Fig.5 Test chart for static load and fatigue performance of special sleeper rail

2.3.3 監(jiān)測軟件

根據(jù)新的超偏載測區(qū)構(gòu)成，重新設(shè)計(jì)監(jiān)測軟件，共由5個(gè)模塊組成，分別為動(dòng)態(tài)稱重（包含診斷功能）、實(shí)時(shí)波形、波形回放、參數(shù)設(shè)置和打印模塊，監(jiān)測軟件構(gòu)成結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 監(jiān)測軟件構(gòu)成結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure block of software

（1）動(dòng)態(tài)稱重模塊利用Windows消息處理機(jī)制、VC++多線程技術(shù)，完成傳感器AD碼值采集、滑動(dòng)濾波、零點(diǎn)顯示和跟蹤、計(jì)算軸距、判車分車、日志記錄、計(jì)算車速、車重、偏載、偏重、接收車號文件、OBL文件上傳、設(shè)備狀態(tài)上傳、存儲(chǔ)波形和故障診斷等功能。

動(dòng)態(tài)稱重模塊中軟件核心改進(jìn)分為以下2部分。①動(dòng)態(tài)智能判車算法。計(jì)算出軸距后，根據(jù)車輛軸距表，采用最大似然估計(jì)方法對列車進(jìn)行車輛判別，在多軸車的判別上具有顯出優(yōu)勢，正確率高，允許車速變化范圍大，動(dòng)態(tài)智能判車算法示意圖如圖7所示。②線路變化自適應(yīng)算法。列車動(dòng)態(tài)稱重中[9]，會(huì)受到列車振動(dòng)、線路狀態(tài)等因素的影響。在列車通過后，根據(jù)建立的車輛線路耦合作用模型，分離出線路變化對車輛偏載的影響因子，并從最終結(jié)果中予以減除，從而消除線路變化對車輛超偏載檢測精度的影響。需要說明的是，當(dāng)線路狀態(tài)急劇變化或嚴(yán)重狀態(tài)不良時(shí)，模型算法會(huì)失效。

（2）實(shí)時(shí)波形模塊可以顯示各路信號實(shí)時(shí)波形?？梢杂脕頇z查有無干擾，點(diǎn)擊數(shù)據(jù)存盤按鈕可以保存波形，用波形回放功能檢查干擾是來自哪個(gè)通道。通過傳感器模擬器連接采集儀可以查看采集儀各路通道放大濾波是否正常。

（3）波形回放模塊用于顯示動(dòng)態(tài)稱重模塊存儲(chǔ)的每列車的32只傳感器輸出波形，可用于調(diào)整各個(gè)測量單元剪力與壓力傳感器的配合參數(shù)。對分析設(shè)備狀態(tài)、車輛的運(yùn)行狀態(tài)以及線路狀態(tài)都具有重要作用。還可以單獨(dú)分析某測量單元的剪力、壓力傳感器及其合成波形，對于故障診斷非常有實(shí)際意義。

（4）參數(shù)設(shè)置模塊可設(shè)置一些常用的參數(shù)，如重量修正系數(shù)、上下行方向、測量單元長度、采樣頻率、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸?shù)穆窂降取?/p>

圖7 動(dòng)態(tài)智能判車算法示意圖Fig.7 Schematic diagram of dynamic intelligent vehicle routing algorithm

3 新型鐵路貨車超偏載檢測平臺(tái)的應(yīng)用

3.1 檢測平臺(tái)的實(shí)施

通過對運(yùn)輸組織、貨車超偏載監(jiān)測監(jiān)控需求、線路狀態(tài)及貨物列車運(yùn)行速度等條件進(jìn)行綜合分析，選擇中國鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司蘭新線（蘭州—烏魯木齊）上行線K44+300 m處作為新型鐵路超偏載檢測裝置的安裝地點(diǎn)。

采用新方案的檢測平臺(tái)安裝僅需2個(gè)天窗（2.5 h）完成，相比既有裝置時(shí)間可縮短一半，達(dá)到預(yù)期目的。搗固后的軌道平臺(tái)的整體性、區(qū)域內(nèi)線路的穩(wěn)定性均實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求，效果良好。新型檢測平臺(tái)安裝后室內(nèi)外實(shí)景圖如圖8所示。

圖8 新型檢測平臺(tái)安裝后室內(nèi)外實(shí)景圖Fig.8 picture of new device

3.2 測試數(shù)據(jù)分析

3.2.1 新型超偏載裝置的檢定及使用

新型超偏載裝置最大允許誤差如表1所示。

表1 新型超偏載裝置最大允許誤差Tab.1 Maximum allowable error of new type of overload device

國家軌道衡計(jì)量站于2016年12月29日凌晨1 : 00—2 : 50對新型鐵路超偏載檢測裝置進(jìn)行了檢定。檢衡車列由5輛車組成，車型均為T6DK，車號和標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量分別為 8066302 （81 190 kg）、88066301 （45 350 kg）、8066303 （77 580 kg）、8066304 （69 910 kg）和 8066300（21 400 kg），其中空車（車號8066300）不予考核。車號為8066303 （77 580 kg）的檢衡車進(jìn)行了設(shè)偏，上行方向偏重差理論計(jì)算值為2 982 kg，后轉(zhuǎn)向架偏載率理論計(jì)算值為9.7%，檢定合格。

蘭新線上行周家莊新型鐵路貨車超偏載檢測裝置自2017年1月1日正式投入運(yùn)用以來，滿足現(xiàn)行超偏載檢測裝置的檢定及運(yùn)用規(guī)定，同時(shí)在不限速情況下，實(shí)現(xiàn)了蘭新線上行及蘭州北編組站貨車直徑線上達(dá)速貨車進(jìn)行超偏載檢測監(jiān)控的目的，近2年使用表明其檢測性能可靠。

3.2.2 不同測區(qū)長度誤差分析

分別按3個(gè)測區(qū)、4個(gè)測區(qū)及5個(gè)測區(qū)的測試方案提取了上述檢衡車測試數(shù)據(jù)，進(jìn)行不同測區(qū)長度條件下車輛總重測量誤差的分析，測區(qū)長度依次為3.6 m、4.8 m和6.0 m。不同測區(qū)長度下車輛總重測量誤差對比如圖9所示，連續(xù)5測區(qū)（6.0 m）條件的車輛總重測量誤差優(yōu)于其他測區(qū)長度。

分別按3個(gè)測區(qū)、4個(gè)測區(qū)及5個(gè)測區(qū)的測試方案提取了上述檢衡車在68.3 km/h運(yùn)行速度條件下偏載、偏重誤差的測試數(shù)據(jù)，并進(jìn)行了不同測區(qū)長度下偏載、偏重誤差的分析，測區(qū)長度依次為3.6 m、4.8 m和6.0 m。不同測區(qū)長度條件下偏載、偏重誤差對比如圖10所示，5測區(qū)（6.0 m）的偏載、偏重誤差測量結(jié)果明顯優(yōu)于其他。

圖9 不同測區(qū)長度下車輛總重測量誤差對比Fig.9 Comparison of vehicle gross weight measurement errors under different length of suruey area

3.2.3 不同速度條件下檢測性能分析

為了有效評判新型檢測平臺(tái)在不同速度條件下的檢測性能，通過跟蹤近一年的過車數(shù)據(jù)，對新型鐵路貨車超偏載檢測裝置的檢測性能進(jìn)行分析。對比樣本選用既可以低速通過蘭州北站北環(huán)上行或上行線路既有超偏載，又可以高速通過新型超偏載裝置的貨運(yùn)車輛，并且以蘭州北站北環(huán)上行或上行線路既有超偏載的檢測數(shù)據(jù)作為參考真值，樣本共計(jì)72列，3 236 輛[10]。

在每個(gè)速度段范圍內(nèi)，分別計(jì)算新型檢測平臺(tái)相對于參考真值測量的重量誤差平均值、重量誤差率平均值、重心偏移誤差平均值和偏重誤差平均值，不同速度條件下檢測誤差對比結(jié)果如表2所示。

圖10 不同測區(qū)長度條件下偏載、偏重誤差對比Fig.10 Comparison of partial load and biased error under different length of survey area

由表2可知項(xiàng)目新型超偏載裝置的車輛在30 ～ 100 km/h速度級的檢測誤差平均值，均明顯優(yōu)于表1所述目標(biāo)值。

設(shè)備安裝完畢至今已進(jìn)行過3次大機(jī)作業(yè)，均作業(yè)順利。通過上述分析可知，基于新型檢測平臺(tái)的超偏載檢測裝置的總體性能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，可應(yīng)用于100 km/h速度段內(nèi)的貨車超偏載檢測。

3.2.4 新型檢測平臺(tái)的特點(diǎn)

針對既有超偏載檢測裝置存在的不足，新型檢測平臺(tái)對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、監(jiān)測軟件進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，結(jié)合新型鐵路貨車超偏載裝置近2年在現(xiàn)場的試用情況，分析其具有以下特點(diǎn)。

（1）創(chuàng)新性采用專用軌枕結(jié)合護(hù)輪軌方式，在保證檢測功能的同時(shí)，方便了設(shè)備安裝和維護(hù)。

（2）可適應(yīng)速度100 km/h以內(nèi)的超偏載檢測要求，檢測精度滿足預(yù)期目標(biāo)值。

（3）完全可適應(yīng)大型養(yǎng)路機(jī)具作業(yè)，長期穩(wěn)定性良好。

表2 不同速度條件下檢測誤差對比結(jié)果Tab.2 Comparison of detection error under different speed conditions

4 結(jié)束語

超偏載檢測裝置在保障鐵路貨運(yùn)安全方面一直發(fā)揮著重要作用，但在貨車達(dá)速、工務(wù)維護(hù)作業(yè)大機(jī)化等新形勢下，既有超偏載裝置已不能滿足現(xiàn)場要求。通過延長測區(qū)、優(yōu)化檢測平臺(tái)、改進(jìn)數(shù)據(jù)采集設(shè)備，以及提出智能判車算法等措施研制了新型超偏載檢測裝置?，F(xiàn)場應(yīng)用表明，新型超偏載檢測裝置可適應(yīng)100 km/h以內(nèi)貨車超偏載檢測要求，且便于養(yǎng)護(hù)維修，長期穩(wěn)定性良好。對于我國正在不斷快速發(fā)展鐵路貨運(yùn)市場，預(yù)期新型超偏載檢測裝置將在保障鐵路貨運(yùn)安全方面發(fā)揮不可替代的積極作用。