秦菊，陳剛，李甫永，暴學(xué)志，李旭偉

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京 100081;2.上海鐵路局車(chē)輛檢測(cè)所，上海 200070)

車(chē)輛運(yùn)行品質(zhì)軌邊動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)車(chē)載標(biāo)定設(shè)備的研制

秦菊1，陳剛2，李甫永1，暴學(xué)志1，李旭偉1

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京 100081;2.上海鐵路局車(chē)輛檢測(cè)所，上海 200070)

車(chē)輛運(yùn)行品質(zhì)軌邊動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(TPDS)通過(guò)監(jiān)測(cè)車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中輪軌間的垂直力和橫向力來(lái)對(duì)車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)判。本文研制的車(chē)載標(biāo)定設(shè)備用于標(biāo)定TPDS測(cè)試的輪軌間垂直力。該設(shè)備加裝在紅外線檢測(cè)車(chē)上，檢測(cè)車(chē)經(jīng)過(guò)TPDS測(cè)試平臺(tái)時(shí)TPDS對(duì)檢測(cè)車(chē)輪軌間垂直力進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)對(duì)測(cè)量值和檢測(cè)車(chē)實(shí)際質(zhì)量進(jìn)行分析得出TPDS垂直力的標(biāo)定值，從而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)設(shè)備對(duì)固定設(shè)施的標(biāo)定。車(chē)載標(biāo)定設(shè)備應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)不僅快速、準(zhǔn)確，而且便捷、經(jīng)濟(jì)。

TPDS 垂直力 橫向力 標(biāo)定 測(cè)量

車(chē)輛運(yùn)行品質(zhì)軌邊動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是我國(guó)鐵路車(chē)輛運(yùn)行安全防范與預(yù)警系統(tǒng)的重要裝備之一。該系統(tǒng)利用設(shè)在軌道上的高平順性框架式測(cè)試平臺(tái)、采用移動(dòng)垂直力綜合檢測(cè)法［1－3］和橫向力連續(xù)測(cè)量方法，實(shí)時(shí)在線檢測(cè)車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中輪軌間的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行狀態(tài)不良車(chē)輛、車(chē)輪踏面損傷以及車(chē)輛裝載的超偏載狀態(tài)的識(shí)別、評(píng)判。系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)依賴(lài)于輪軌間垂直力與橫向力測(cè)試精度，目前TPDS系統(tǒng)對(duì)垂直力測(cè)試精度通過(guò)垂直力標(biāo)定獲取，標(biāo)定須經(jīng)車(chē)輛部門(mén)制定標(biāo)定計(jì)劃、申請(qǐng)作業(yè)天窗，組織廠家、機(jī)務(wù)及總工室或計(jì)量分站人員參與，在60～90 min的天窗時(shí)間內(nèi)，機(jī)車(chē)牽引T6F或T7砝碼車(chē)以40 km/h和70 km/h兩個(gè)速度級(jí)正向、勻速通過(guò)TPDS測(cè)試平臺(tái)，TPDS數(shù)據(jù)處理軟件獲取對(duì)砝碼車(chē)的檢測(cè)數(shù)據(jù)，每個(gè)速度級(jí)有效數(shù)據(jù)不少于3個(gè);標(biāo)定列車(chē)每個(gè)速度級(jí)通過(guò)TPDS測(cè)試平臺(tái)時(shí)必須勻速通過(guò)，不得制動(dòng)、加速。通過(guò)對(duì)不同速度級(jí)有效標(biāo)定數(shù)據(jù)的分析處理得出TPDS在各速度級(jí)的測(cè)試精度。此種標(biāo)定方式存在以下不足:①需要機(jī)車(chē)牽引T6F或T7砝碼車(chē)組成編組列車(chē)在鐵路作業(yè)天窗內(nèi)進(jìn)行，影響鐵路正常運(yùn)營(yíng);②編組列車(chē)經(jīng)過(guò)TPDS測(cè)試平臺(tái)速度受限，且只允許勻速通過(guò);③涉及單位、部門(mén)過(guò)多，協(xié)調(diào)繁瑣，效率不高。為此，需要研制一種安裝在車(chē)輛上，在車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中對(duì)TPDS測(cè)試的輪軌間垂直力進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定的設(shè)備。

1 車(chē)載標(biāo)定設(shè)備硬件和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 檢測(cè)原理

既有的標(biāo)定方式是以砝碼車(chē)為測(cè)試體，砝碼車(chē)質(zhì)量作為標(biāo)準(zhǔn)值。砝碼車(chē)通過(guò)TPDS測(cè)試平臺(tái)時(shí)，將TPDS測(cè)試的輪軌間垂直力換算為砝碼車(chē)質(zhì)量值作為測(cè)試值。通過(guò)測(cè)試值和標(biāo)準(zhǔn)值的分析，得出TPDS垂直力標(biāo)定值;車(chē)載標(biāo)定設(shè)備選擇紅外線檢測(cè)車(chē)作為測(cè)試體，在檢測(cè)車(chē)上加裝TPDS車(chē)載標(biāo)定設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)車(chē)自身質(zhì)量的自動(dòng)檢測(cè)，并將檢測(cè)值作為標(biāo)準(zhǔn)值，將其與TPDS測(cè)試的檢測(cè)車(chē)質(zhì)量進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)設(shè)備對(duì)TPDS測(cè)試的輪軌間垂直力的檢測(cè)、標(biāo)定。

紅外線檢測(cè)車(chē)采用25K型車(chē)體及轉(zhuǎn)向架，結(jié)構(gòu)示意如圖1。檢測(cè)車(chē)總重由車(chē)體自重、車(chē)上承載物質(zhì)量、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架質(zhì)量以及輪對(duì)總質(zhì)量組成，其中車(chē)上承載物質(zhì)量為變化量。根據(jù)檢測(cè)車(chē)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及部件間相互作用力關(guān)系，在車(chē)體一系軸簧與轉(zhuǎn)向架構(gòu)架之間加裝輪輻式傳感器、在車(chē)體軸箱與轉(zhuǎn)向架構(gòu)架間的縱向減震器上端安裝墊片式傳感器。通過(guò)上述傳感器實(shí)現(xiàn)檢測(cè)車(chē)車(chē)體、車(chē)上承載物、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架質(zhì)量的自動(dòng)按需測(cè)量。輪對(duì)質(zhì)量為一相對(duì)固定值，在未鏇修情況下質(zhì)量基本保持不變。當(dāng)檢測(cè)車(chē)通過(guò)TPDS測(cè)試平臺(tái)時(shí)，車(chē)載標(biāo)定設(shè)備測(cè)試出檢測(cè)車(chē)總質(zhì)量，同時(shí)地面TPDS對(duì)輪軌間垂直力進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)對(duì)比二者測(cè)試值，得出TPDS垂直力標(biāo)定值。

1.2 硬件設(shè)計(jì)

車(chē)載標(biāo)定設(shè)備硬件主要為測(cè)力單元和液壓控制系統(tǒng)，主要完成對(duì)檢測(cè)車(chē)自身質(zhì)量的動(dòng)態(tài)測(cè)量。

1.2.1 測(cè)力單元

測(cè)力單元包括輪輻式傳感器和墊片式傳感器。輪輻式傳感器安裝在車(chē)體一系軸簧上端與轉(zhuǎn)向架構(gòu)架連接處，由于其安裝位置的特殊性，要求將原來(lái)彈簧的長(zhǎng)度縮短且剛度滿(mǎn)足行車(chē)要求。輪輻式傳感器和液壓油缸配合使用，如圖2所示。當(dāng)設(shè)備不檢測(cè)時(shí)，輪輻式傳感器的外邊緣承受簧上質(zhì)量，傳感器不承受力的作用。檢測(cè)時(shí)，傳感器中部承受簧上質(zhì)量，有測(cè)力信號(hào)輸出。此種設(shè)計(jì)可延長(zhǎng)傳感器使用壽命。

圖1 檢測(cè)車(chē)結(jié)構(gòu)示意

圖2 輪輻式傳感器和液壓油缸的安裝

墊片式傳感器安裝在車(chē)體軸箱與轉(zhuǎn)向架構(gòu)架間的縱向減震器上端，安裝位置如圖3所示。每只墊片式傳感器由4只外觀及性能完全一致的分傳感器組合而成，測(cè)試轉(zhuǎn)向架軸頭和車(chē)體之間的垂向約束力。

圖3 墊片式傳感器安裝位置

1.2.2 液壓控制系統(tǒng)

液壓控制系統(tǒng)通過(guò)控制液壓油缸的位置來(lái)改變輪輻式傳感器的受力狀態(tài)。工作原理:當(dāng)動(dòng)力單元1接收到計(jì)算機(jī)發(fā)出的啟動(dòng)指令后啟動(dòng)并為液壓控制系統(tǒng)提供動(dòng)力，液壓油經(jīng)過(guò)液壓?jiǎn)蜗蜷y2進(jìn)入比例溢流閥5，比例溢流閥可按照一定的比例對(duì)液壓油的流量進(jìn)行控制，以保證8只液壓油缸緩慢地頂升，這時(shí)傳感器11會(huì)實(shí)時(shí)檢測(cè)各液壓油缸內(nèi)的壓力值，并將該壓力值信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)12內(nèi)，當(dāng)該壓力值達(dá)到一定的數(shù)值后，計(jì)算機(jī)發(fā)送指令到控制器13，并經(jīng)過(guò)接觸器14使得動(dòng)力單元停止加壓，蓄能器9用于保證各液壓油缸內(nèi)的壓力恒定，試驗(yàn)完成后計(jì)算機(jī)12、控制器13使動(dòng)力單元停止，并使電磁換向閥7換向，液壓油缸以及蓄能器內(nèi)的油經(jīng)過(guò)疊加式節(jié)流閥6，使得各液壓油缸平穩(wěn)地卸載，傳感器檢測(cè)到各液壓油缸內(nèi)的壓力值為0后，計(jì)算機(jī)發(fā)送指令給電磁換向閥7，使之關(guān)閉。至此便完成了一次標(biāo)定的全部工作。液壓控制系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

1.3 軟件設(shè)計(jì)

TPDS車(chē)載標(biāo)定設(shè)備檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)以Visual C++ 6.0集成開(kāi)發(fā)環(huán)境為平臺(tái)，利用微軟提供的MFC建立應(yīng)用程序。軟件通過(guò)NMEA－0183協(xié)議［4］完成計(jì)算機(jī)與GPS接收器之間的數(shù)據(jù)通訊，利用Modbus通訊協(xié)議［5－6］實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與液壓控制系統(tǒng)主機(jī)(PLC)之間的數(shù)據(jù)交互，通過(guò)并口通訊協(xié)議完成計(jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)采集卡Pci9114之間的接口通訊，實(shí)時(shí)獲取檢測(cè)車(chē)位置信息、液壓控制系統(tǒng)壓力信號(hào)、液壓報(bào)警信息、測(cè)力傳感器信號(hào)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓控制系統(tǒng)的操控，對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將檢測(cè)結(jié)果生成報(bào)文［13］。

軟件功能包括參數(shù)設(shè)置、動(dòng)態(tài)檢測(cè)、實(shí)時(shí)波形顯示、波形回放以及報(bào)文輸出。動(dòng)態(tài)檢測(cè)界面如圖5所示，動(dòng)態(tài)檢測(cè)過(guò)程中系統(tǒng)狀態(tài)與檢測(cè)車(chē)運(yùn)行位置關(guān)系如圖6所示。圖中，T為檢測(cè)車(chē)到達(dá)前方TPDS探測(cè)站的設(shè)定時(shí)間;S為檢測(cè)車(chē)經(jīng)過(guò)TPDS探測(cè)站后仍然持續(xù)采集數(shù)據(jù)的距離;AB段采集測(cè)力傳感器零點(diǎn)值;BC段開(kāi)啟液壓控制系統(tǒng)，液壓加載至液壓油缸頂升到設(shè)定高度;CD段采集測(cè)力傳感器輸出信號(hào);DE段數(shù)據(jù)處理、傳輸;EF段關(guān)閉液壓控制系統(tǒng)，液壓卸荷，液壓油缸回位。

1—?jiǎng)恿卧?2—液壓?jiǎn)蜗蜷y;3—壓力表開(kāi)關(guān);4—耐振壓力表; 5—比例溢流閥;6—疊加式節(jié)流閥;7—電磁換向閥;8—高壓球閥;9—蓄能器;10—液壓餅;11—傳感器;12—計(jì)算機(jī);13—控制器;14—接觸器

圖5 動(dòng)態(tài)檢測(cè)界面

圖6 系統(tǒng)狀態(tài)與檢測(cè)車(chē)運(yùn)行位置關(guān)系

2 TPDS車(chē)載標(biāo)定設(shè)備檢測(cè)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)車(chē)載標(biāo)定設(shè)備的檢測(cè)原理，車(chē)載標(biāo)定設(shè)備測(cè)試結(jié)果為檢測(cè)車(chē)實(shí)時(shí)質(zhì)量，將該值和TPDS測(cè)試的檢測(cè)車(chē)質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比分析，即可得出TPDS垂直力測(cè)試精度。

2015年5 月下旬，在鐵科院東郊分院利用標(biāo)準(zhǔn)稱(chēng)重設(shè)備對(duì)檢測(cè)車(chē)進(jìn)行靜態(tài)稱(chēng)重檢測(cè)，獲取檢測(cè)車(chē)當(dāng)時(shí)狀態(tài)的真實(shí)質(zhì)量(因檢測(cè)車(chē)油、水、標(biāo)定設(shè)備、人員等的差異，不同狀態(tài)該質(zhì)量存在偏差)，并以該質(zhì)量修正標(biāo)定設(shè)備測(cè)試值。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可見(jiàn):在靜態(tài)稱(chēng)重時(shí)，車(chē)載標(biāo)定設(shè)備修正數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)稱(chēng)重設(shè)備測(cè)試數(shù)據(jù)最大偏差為0.258% ，測(cè)試數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較好。為分析相同工況、不同速度級(jí)標(biāo)定設(shè)備檢測(cè)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，在鐵科院東郊試驗(yàn)環(huán)線(周長(zhǎng)8.5 km，直線段700 m)檢測(cè)車(chē)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)運(yùn)行試驗(yàn)。直線段檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表1 檢測(cè)車(chē)稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)

如果以33次測(cè)試數(shù)據(jù)平均值作為標(biāo)準(zhǔn)值，則不同速度級(jí)測(cè)試數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值的偏差如圖7所示?？梢?jiàn):①測(cè)試數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值的最大偏差為0.36% ;②標(biāo)定設(shè)備測(cè)試結(jié)果與檢測(cè)車(chē)運(yùn)行速度無(wú)關(guān)，不同速度下測(cè)試值具有較好的穩(wěn)定性。

2015年6 月初，根據(jù)上海鐵路局制定的THDS檢測(cè)計(jì)劃，利用紅外線檢測(cè)車(chē)對(duì)局管內(nèi)THDS檢測(cè)的同時(shí)，對(duì)沿途經(jīng)過(guò)的11套TPDS進(jìn)行檢測(cè)標(biāo)定。上海局TPDS檢測(cè)標(biāo)定數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表2 標(biāo)定設(shè)備不同速度級(jí)測(cè)試數(shù)據(jù)

圖7 不同速度級(jí)測(cè)試數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值的偏差

表3 上海局TPDS檢測(cè)標(biāo)定數(shù)據(jù)

由表3可知，夾溝、三塔和三塔鎮(zhèn)三個(gè)測(cè)點(diǎn)TPDS測(cè)試質(zhì)量與標(biāo)定設(shè)備測(cè)試質(zhì)量偏差超過(guò)3% ，經(jīng)各個(gè)測(cè)點(diǎn)設(shè)備狀態(tài)檢查及數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn):夾溝剪力傳感器損壞一只未更換;三塔和三塔鎮(zhèn)均為測(cè)試平臺(tái)附近線路狀態(tài)不良。

3 結(jié)論

車(chē)載標(biāo)定設(shè)備對(duì)TPDS垂直力進(jìn)行檢測(cè)標(biāo)定只需將檢測(cè)車(chē)加掛在任意普速客車(chē)上即可，無(wú)需機(jī)車(chē)牽引砝碼車(chē)，不用申請(qǐng)作業(yè)天窗，運(yùn)行速度不受限制。由于普速客車(chē)運(yùn)行速度即為T(mén)PDS監(jiān)測(cè)的列車(chē)速度，所以標(biāo)定數(shù)據(jù)更為真實(shí)。標(biāo)定設(shè)備以檢測(cè)車(chē)作為測(cè)試對(duì)象，根據(jù)車(chē)體結(jié)構(gòu)和質(zhì)量分布設(shè)計(jì)?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果顯示:標(biāo)定設(shè)備測(cè)試的檢測(cè)車(chē)質(zhì)量可以作為標(biāo)準(zhǔn)值使用; TPDS設(shè)備測(cè)試偏差值能反映垂直力測(cè)試精度。通過(guò)分析測(cè)試數(shù)據(jù)，可評(píng)估TPDS設(shè)備狀態(tài)，運(yùn)用有效的方法提高垂直力測(cè)試精度，從而保證TPDS各項(xiàng)功能的正常應(yīng)用。

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(責(zé)任審編 葛全紅)

U216.3

A

10.3969/j.issn.1003－1995.2015.10.34

1003－1995(2015)10－0156－04

2015－02－20;

2015－08－10

秦菊(1981—)，女，助理研究員。