高速不斷軌動(dòng)態(tài)軌道衡系統(tǒng)研制

田德柱，張大慶

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

目前，動(dòng)態(tài)軌道衡的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，它已經(jīng)不僅僅是一種計(jì)量器具，在鐵路貨物運(yùn)輸中也起著越來(lái)越重要的安全保障作用，直接關(guān)系到鐵路現(xiàn)代化管理、運(yùn)輸安全。鐵路運(yùn)輸速度的不斷提高，對(duì)動(dòng)態(tài)軌道衡的計(jì)量速度提出了更高的要求。為使動(dòng)態(tài)軌道衡的技術(shù)發(fā)展與鐵路安全生產(chǎn)更好的結(jié)合，使動(dòng)態(tài)軌道衡作為一種安全檢測(cè)設(shè)備更好地服務(wù)鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)，亟待研制一種高速動(dòng)態(tài)軌道衡系統(tǒng)。本文介紹的超長(zhǎng)臺(tái)面高速不斷軌動(dòng)態(tài)軌道衡系統(tǒng)是結(jié)合 TPDS(車(chē)輛運(yùn)行品質(zhì)軌邊動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備)和普通不斷軌軌道衡的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牧W(xué)分析及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)而研制成功的。

1 系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)

本高速不斷軌動(dòng)態(tài)軌道衡系統(tǒng)的主要技術(shù)特點(diǎn)是:

1)車(chē)輛重量測(cè)量是基于具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“移動(dòng)垂直力測(cè)量新方法”原理研制的。

2)采用高平順?shù)摻罨炷琳w道床測(cè)試平臺(tái)，在測(cè)試平臺(tái)上安裝梁式壓力傳感器，在鋼軌軌腰處安裝打孔剪力傳感器，組合成一個(gè)總長(zhǎng)度為7.6 m的輪軌垂直力連續(xù)綜合測(cè)量區(qū)，得到通過(guò)車(chē)輛各輪對(duì)在鋼軌上產(chǎn)生的連續(xù)的輪軌力。

3)系統(tǒng)集成鐵路車(chē)號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)AEI車(chē)號(hào)信息，輸出結(jié)果中集成車(chē)輛車(chē)號(hào)、自重、允許載重等車(chē)輛信息。

4)檢測(cè)信息可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳至車(chē)站、鐵路局、鐵道部信息管理服務(wù)器，由專(zhuān)用軟件完成統(tǒng)計(jì)分析、綜合評(píng)判、結(jié)果查詢(xún)、列車(chē)跟蹤和信息報(bào)警等工作。

2 系統(tǒng)技術(shù)關(guān)鍵及解決方案

目前，全國(guó)已安裝多種形式的動(dòng)態(tài)軌道衡，但還沒(méi)有一種能在較高行車(chē)速度條件下穩(wěn)定可靠、準(zhǔn)確地進(jìn)行計(jì)量的動(dòng)態(tài)軌道衡。

1)在設(shè)置測(cè)量區(qū)的普通軌道上，難以消除軌道維修規(guī)范允許存在的軌道高低、水平等不平順，這些不平順勢(shì)必引起被測(cè)車(chē)輛產(chǎn)生浮沉、點(diǎn)頭等振動(dòng)，使輪重、軸重、轉(zhuǎn)向架荷載本身都偏離靜載值而增減變化，產(chǎn)生“附加動(dòng)荷增量”。行車(chē)速度越高，引起的附加動(dòng)荷增量越大，“附加動(dòng)荷增量”造成的誤差也隨之增大。當(dāng)速度為20～80 km/h時(shí)，普通軌道上養(yǎng)護(hù)維修標(biāo)準(zhǔn)允許存在的軌道不平順引起的“附加動(dòng)荷載”可達(dá)靜輪載的5% ～40%，因此，即使測(cè)量傳感器和二次儀表等的誤差為零，也不可能測(cè)出準(zhǔn)確的靜輪重?cái)?shù)值。

2)設(shè)置測(cè)區(qū)的普通軌道難以構(gòu)成真正的支承平面，不可避免地存在維修規(guī)范允許的軌道扭曲，即使當(dāng)速度為零時(shí)，也會(huì)使轉(zhuǎn)向架的四個(gè)車(chē)輪不在同一個(gè)軌道平面內(nèi)而產(chǎn)生“輪重轉(zhuǎn)移”，造成測(cè)得的輪重較實(shí)際靜輪重有較大差異，并可達(dá)3% ～10%，使測(cè)量精度大幅度降低。

為了滿(mǎn)足計(jì)量精度和速度的要求，克服目前普通動(dòng)態(tài)軌道衡的缺點(diǎn)，高速不斷軌動(dòng)態(tài)軌道衡系統(tǒng)采用了在較高速度條件下提高計(jì)量精度的技術(shù)措施，并采用“移動(dòng)垂直力綜合檢測(cè)新方法”。

大幅度加長(zhǎng)連續(xù)測(cè)量區(qū)，用長(zhǎng)測(cè)量區(qū)內(nèi)輪載波動(dòng)變化曲線(xiàn)的平均值代替瞬時(shí)值，大幅度降低附加動(dòng)荷載的影響，從而大大提高計(jì)量精度;用整體性和抗軌道衡扭曲能力更強(qiáng)、平順性和穩(wěn)定性更好的鋼筋混凝土整體道床取代普通軌道結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步減小、控制測(cè)量區(qū)內(nèi)軌道扭曲、高低和水平不平順，盡可能消除造成動(dòng)荷增量誤差的根源，提高測(cè)量區(qū)和測(cè)量區(qū)前后50～100 m范圍內(nèi)軌道的平順性;嚴(yán)格控制軌道不平順，減少車(chē)輛的振動(dòng)，降低附加動(dòng)荷增量。

移動(dòng)垂直力綜合檢測(cè)新方法的特點(diǎn)是在不增大軌枕間距、不惡化軌道衡平順性的條件下即可大幅度增加有效檢測(cè)區(qū)長(zhǎng)度(如圖1)。其基本原理是:在兩剪力傳感器之間設(shè)置若干個(gè)軌下垂直壓力傳感器，組成一個(gè)綜合測(cè)量區(qū)，兩種傳感器采集的數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算機(jī)合成處理，從而得到測(cè)量區(qū)內(nèi)的垂直力之和，由于有較長(zhǎng)的連續(xù)測(cè)量區(qū)，便能測(cè)得一段較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)車(chē)輪垂直力增減變化過(guò)程數(shù)據(jù)的平均值，而不是波動(dòng)過(guò)程的某個(gè)瞬時(shí)值。這不僅提高了檢測(cè)精度，還大大提高了檢測(cè)裝置適用的速度范圍，同時(shí)，這一新方法還徹底打破了普通動(dòng)態(tài)軌道衡檢測(cè)功能單一性，使得同時(shí)測(cè)量車(chē)輛超載、偏載、平均軸重、通過(guò)總重成為可能。

圖1 移動(dòng)垂直力綜合檢測(cè)方法

3 系統(tǒng)組成及技術(shù)性能指標(biāo)

3.1 系統(tǒng)組成

如圖2所示，高速不斷軌動(dòng)態(tài)軌道衡系統(tǒng)主要由以下部分組成:軌道測(cè)試平臺(tái)1套，由10根專(zhuān)用混凝土軌枕(軌枕間距760 mm)組成。傳感器1套，包括20只壓力傳感器、12只剪力傳感器、接線(xiàn)箱與接線(xiàn)盒、信號(hào)電纜等。二次儀表系統(tǒng)，包括機(jī)柜、傳感器調(diào)理單元、計(jì)算機(jī)、不間斷電源、隔離電源、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳單元等。車(chē)號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，包括開(kāi)關(guān)磁鋼、計(jì)軸/測(cè)速磁鋼、天線(xiàn)、電纜等。信息傳輸通道，采用光纜傳輸。數(shù)據(jù)管理服務(wù)器及監(jiān)控終端。

圖2 高速不斷軌動(dòng)態(tài)軌道衡系統(tǒng)組成

3.2 軌道測(cè)試平臺(tái)

為了實(shí)現(xiàn)高速不斷軌動(dòng)態(tài)軌道衡的功能，要求測(cè)量區(qū)軌道結(jié)構(gòu)能大大提高軌道的平順性(即軌道長(zhǎng)期保持高平順性)，才能確保計(jì)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、設(shè)備穩(wěn)定可靠。為此，本系統(tǒng)采用鋼筋混凝土整體道床測(cè)試平臺(tái)，連續(xù)測(cè)量區(qū)與兩側(cè)各35 m范圍內(nèi)軌枕固化在鋼筋混凝土之中，形成一個(gè)平順的整體道床。該結(jié)構(gòu)的整體性和抗扭曲性能都大大提高，當(dāng)測(cè)量區(qū)內(nèi)某一軌枕出現(xiàn)吊板時(shí)，相鄰的軌枕通過(guò)整體混凝土結(jié)構(gòu)承擔(dān)了吊板軌枕的荷載，使吊板引起的線(xiàn)路不平順減小到最低水平。這樣的整體結(jié)構(gòu)可以保證測(cè)量區(qū)內(nèi)軌道的高平順性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，從而可以保證檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性。從試驗(yàn)效果看，采用這一軌道測(cè)試平臺(tái)可保證在速度為40 km/h條件下稱(chēng)重計(jì)量精度滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)軌道衡檢定規(guī)程的精度要求。

軌道衡測(cè)試平臺(tái)的主要技術(shù)指標(biāo)如下:測(cè)試平臺(tái)具有足夠的強(qiáng)度、剛度和良好的穩(wěn)定性;測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)荷載為每節(jié)車(chē)輛1 000 kN，最大每節(jié)車(chē)輛2 000 kN;鋼筋混凝土整體道床在制作過(guò)程中嚴(yán)格按照配筋圖綁扎鋼筋，按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行混凝土澆注，預(yù)留排水設(shè)施，確保整個(gè)系統(tǒng)長(zhǎng)期使用的穩(wěn)定性;鋼軌和測(cè)試平臺(tái)之間需要安裝絕緣防護(hù)裝置，既滿(mǎn)足現(xiàn)有軌道電路線(xiàn)路的使用要求，還對(duì)傳感器防止雷擊損害起到一定的保護(hù)作用。

3.3 梁式壓力傳感器

新的檢測(cè)方法需要在有效測(cè)量區(qū)內(nèi)安裝若干個(gè)同時(shí)測(cè)量輪軌作用垂向力荷載的傳感器，且傳感器還必須是一個(gè)軌道部件來(lái)保證對(duì)鋼軌幾何形位的控制和約束。本系統(tǒng)采用了新型梁式壓力傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)力和保持軌道的幾何形位。

普通動(dòng)態(tài)軌道衡設(shè)備采用的常規(guī)垂直力柱式傳感器由于高度較大，上下承力座均可搖動(dòng)，在水平方向沒(méi)有約束，顯然不利于保持軌道的穩(wěn)定，在結(jié)構(gòu)尺寸和保持軌距、軌道方向等方面都不能滿(mǎn)足線(xiàn)路養(yǎng)護(hù)維修的要求，因此本高速不斷軌動(dòng)態(tài)軌道衡系統(tǒng)采用新型梁式壓力傳感器。

如圖3所示，新型梁式壓力傳感器是一種上部不與鋼軌緊固、下部與軌枕緊固、上下都有約束的新型傳感器，它可測(cè)量輪軌相互作用的垂向荷載，且具有鋼軌的扣壓力。梁式壓力傳感器在保持軌道衡幾何形位方面與普通軌道部件的作用相同，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋼軌小翻、上浮及軌距擴(kuò)大的控制，不用安裝軌距拉桿和限位裝置，梁式壓力傳感器本身就是極好的限位裝置。新型梁式壓力傳感器的這些特點(diǎn)使高速不斷軌動(dòng)態(tài)軌道衡系統(tǒng)能夠安裝在行車(chē)密度高、運(yùn)行速度快的鐵路正線(xiàn)，并能長(zhǎng)期保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和行車(chē)安全。

圖3 梁式壓力傳感器

試驗(yàn)證明，梁式壓力傳感器具有精密的對(duì)稱(chēng)性高精度(誤差 ＜0.03%)，能夠承受劇烈的沖擊振動(dòng)，在野外日曬、雨淋、溫度大幅度變化的條件下，穩(wěn)定可靠，能長(zhǎng)期保持完好。長(zhǎng)期應(yīng)用實(shí)踐表明，這種傳感器完全能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)和使用要求，既實(shí)現(xiàn)了測(cè)力的準(zhǔn)確性又保證了軌道的高平順性和系統(tǒng)的可靠性。梁式壓力傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)如下:精度為0.05%，輸出阻抗≥700 Ω，安全過(guò)載為 300%，使用溫度 -20℃ ～50℃，靈敏度為2 mV/V，具有防電磁干擾和防雷擊性能。

3.4 二次儀表系統(tǒng)

高速不斷軌動(dòng)態(tài)軌道衡的二次儀表系統(tǒng)主要由32路數(shù)據(jù)采集儀、模數(shù)轉(zhuǎn)換部分、計(jì)算機(jī)及稱(chēng)重軟件組成。壓力傳感器和剪力傳感器將車(chē)輛重量轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，電壓信號(hào)傳送到數(shù)據(jù)采集儀，數(shù)據(jù)采集儀一方面向傳感器供電，另一方面將傳感器輸出的微弱電壓信號(hào)放大、濾波，然后由模數(shù)轉(zhuǎn)換部分對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，由稱(chēng)重軟件完成數(shù)字濾波、分析、機(jī)車(chē)車(chē)輛判別、重量和速度計(jì)算等工作。數(shù)據(jù)采集儀采用美國(guó)AD公司的AD620和AD712集成芯片完成微小信號(hào)的調(diào)理工作，通過(guò)電阻、電容與AD712組成有源低通濾波器，濾除高頻干擾。實(shí)踐證明，該元器件溫漂低、線(xiàn)性好、連續(xù)工作的可靠性高，濾波效果優(yōu)良。模數(shù)轉(zhuǎn)換部分采用美國(guó)進(jìn)口的32通道高速16位A/D專(zhuān)用模塊，與計(jì)算機(jī)并行打印口連接，具有高速、穩(wěn)定可靠和使用方便的優(yōu)點(diǎn)。

二次儀表系統(tǒng)的主要性能:信號(hào)放大、調(diào)整、調(diào)零采用進(jìn)口大規(guī)模集成電路，抗干擾能力強(qiáng);抗電磁輻射及其他干擾能力強(qiáng)，具有防塵、防污染、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定可靠的優(yōu)良性能;進(jìn)口16位高速、高精度快速穩(wěn)定的A/D器件，分辨誤差達(dá)1 kg;采用數(shù)字接口電路，抗干擾能力強(qiáng);計(jì)算機(jī)采用工業(yè)控制機(jī)，穩(wěn)定性強(qiáng)。

高速不斷軌動(dòng)態(tài)軌道衡系統(tǒng)的稱(chēng)重軟件采用VC++6.0編程。工作平臺(tái)為 Windows2000 Professional，軟件運(yùn)行速度快、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可完成動(dòng)態(tài)稱(chēng)重、靜態(tài)檢定、實(shí)時(shí)波形采集、波形回放、計(jì)量車(chē)速及車(chē)號(hào)信息集成等工作。

4 檢定數(shù)據(jù)分析

2008年9月，國(guó)家軌道衡計(jì)量站對(duì)本高速不斷軌動(dòng)態(tài)軌道衡系統(tǒng)進(jìn)行了檢定，其動(dòng)態(tài)檢定方法如下:

1)以總質(zhì)量約 20，50，68，76，84 t的 5 輛檢衡車(chē)，按以下兩種序列編成車(chē)組:①機(jī)車(chē)+84 t+50 t+76 t+68 t+20 t;②機(jī)車(chē) +68 t+76 t+50 t+84 t+20 t。

2)各車(chē)組以允許的計(jì)量速度往返檢定10次，檢衡車(chē)(標(biāo)準(zhǔn)車(chē))總的動(dòng)檢數(shù)據(jù)不得少于100個(gè)。

檢定速度為 8.8～35.1 km/h，檢定依據(jù)為JJG234-90《動(dòng)態(tài)稱(chēng)重軌道衡》，計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。動(dòng)態(tài)檢定數(shù)據(jù)分析如表2所示。檢定結(jié)論為合格。

表1 檢衡車(chē)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)

表2 動(dòng)態(tài)檢定數(shù)據(jù)分析 kg

5 結(jié)語(yǔ)

高速不斷軌動(dòng)態(tài)軌道衡系統(tǒng)于2008年9月安裝在大秦鐵路遷安北站4道 DK557+200處，至今已正常運(yùn)行一年多的時(shí)間。圖4為車(chē)輛以35.1 km/h的速度通過(guò)5個(gè)連續(xù)測(cè)量區(qū)時(shí)的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)波形，從實(shí)時(shí)檢測(cè)波形可以看出，車(chē)輛以較高速度通過(guò)測(cè)量區(qū)時(shí)的振動(dòng)幅度很小，保證了計(jì)量的準(zhǔn)確度。

圖4 動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)波形

本系統(tǒng)運(yùn)行的一年多時(shí)間里，設(shè)備總故障時(shí)間不超過(guò)24 h，車(chē)號(hào)匹配率達(dá)99%、數(shù)據(jù)上傳率達(dá)100%。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)踐證明，本系統(tǒng)穩(wěn)定性可靠，為確保大秦線(xiàn)運(yùn)輸安全起到了一定的保障作用。

［1］國(guó)家軌道衡計(jì)量站.JJG 234—1990 動(dòng)態(tài)稱(chēng)重軌道衡國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程［S］.北京:中國(guó)計(jì)量出版社，1990.

［2］金祚康，季瑞玉，陳志.質(zhì)量計(jì)量從書(shū)—軌道衡［M］.北京:中國(guó)計(jì)量出版社，1990.

［3］尚叢林.不斷軌動(dòng)態(tài)軌道衡系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用［J］.鐵道建筑，2008(11):98-101.

［4］PETZOLD C.Windows程序設(shè)計(jì)［M］.北京:北京大學(xué)出版社，2004.