一種改進的鐵路超限貨物運輸模擬限界檢測方法

李鵬，陶敬倩，梁習鋒，周偉

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一種改進的鐵路超限貨物運輸模擬限界檢測方法

李鵬1，陶敬倩2，梁習鋒1，周偉1

(1. 中南大學交通運輸工程學院，軌道交通安全教育部重點實驗室，湖南長沙，410075；2. 中鐵特貨大件運輸有限責任公司，北京，100070)

針對傳統超限貨物檢查架模擬運輸不能實現異物侵入深度定量檢測的問題，提出基于活動支架轉動位移一階微分拐點定位的改進限界檢測方法。研究限界模擬檢查架設計及視頻監控方案，在檢查架活動支架轉動臂中增設用于測量限界侵入深度的拉繩位移傳感裝置，并推導限界侵入深度與拉繩位移增量之間的數學關系；建立活動支架與異物發生碰撞過程的動力學方程，并對碰撞過程中慣性效應引起的活動支架“過躍”現象進行解釋，給出位移一階微分拐點定位的限界侵入深度確定方法。通過標定試驗對該方法進行試驗驗證和誤差分析，并結合實車模擬運輸試驗對結果進行分析。研究結果表明：該方法克服了傳統單一視頻監控模式無法準確量化入侵深度的問題，能較準確地對超限貨物運輸模擬限界進行在線檢測，為超限貨物的高效和安全運輸提供限界數據和技術保障。

超限貨物運輸；檢查架；限界檢測；限界侵入深度

大型變壓器、發電機定子等超限貨物通過鐵路運輸時，由于貨物體積較大，裝車后運輸寬度往往超過了機車限界，有的甚至接近鐵路建筑限界。建筑限界會隨環境的變化而發生改變，如果不能及時、精確地掌握線路建筑限界，不但會給超限貨物運輸帶來不良影響，甚至會引發難以估計的安全事故[1]。因此，在鐵路運輸線路尤其是尚未運行過超限貨物列車的線路上，對超限貨車裝載貨物后的外形寬度進行鐵路沿線的建筑限界入侵檢測就顯得尤為重要[2?8]。目前，傳統超限貨物運輸模擬限界檢測主要利用檢查架進行在線監測。盧斌等[9?12]根據需要運輸的貨物尺寸制作檢查架，并安裝在D26B大型車上，在渝懷線(重慶—懷化)及滬昆線(上海—昆明)上進行實車實驗。在實驗過程中，檢測架后部車體上安裝視頻采集系統，分別采集檢查架上、中、下3部分視頻以便于回放，檢查架碰撞異物會發生轉動，在轉軸位置加裝限位裝置和自動報警裝置，一旦發生碰撞，就會自動報警，檢測到鋼軌爬行觀測樁、水泥樁等侵入限界的物體，并進行了整改。中南大學也利用類似原理在貴陽至桐梓、柳州至靖西等線路進行了限界檢測。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，而視頻記錄也僅僅是為了便于回放查看，只能定性地檢測是否侵入限界，并不能計算異物入侵深度，為此，本文作者在檢查架活動支架轉動臂部位增設了拉繩位移傳感裝置，建立基于活動支架轉動位移一階微分拐點定位的精準限界侵入深度計算模型，結合視頻監控和轉角位移突變點自動記錄，實現檢查架模擬運輸過程中異物入侵限界的在線智能檢測。

1 檢測架模擬運輸方案

檢查架模擬運輸系統包括檢查架結構、視頻監控系統和活動支架轉臂位移檢測系統3部分。

1.1 檢測架結構

檢測架的輪廓根據貨物裝后寬度來確定。為了方便安裝和調整，檢測架設計6塊獨立的活動支架，按上、中、下位置對稱分布在左右兩側，上、下2塊之間垂向留有一定間隙。檢測架結構示意圖和實物安裝圖見圖1。固定支架通過螺栓以及夾具緊固在落下孔車側承梁上；活動支架通過活頁與固定支架鉸接在一起。為方便現場安裝和調整，在水平位置上活頁留有15~20 mm的調整余量；在豎直方向上，在每個活動支架上開有4個螺絲孔，在安裝時與1個開有厚度為30 mm槽的鋼板通過螺栓進行聯接，通過調節螺紋孔與槽的位置調節高度，調整余量在25~30 mm之間。

活動支架與道旁設施發生剮蹭時，可沿逆車輛前進方向轉動，在運行前方活動支架與側承梁之間用橡皮筋連接，保證活動支架能迅速復位，同時在運行后方活動支架與側承梁之間安裝限位繩，防止活動支架拉入死角，保證活動支架不會在橡皮筋拉力下向車輛前進方向轉動，如圖2所示。

(a) 檢查架結構示意圖；(b) 檢查架安裝實物圖

圖2 活動支架的安裝方式

1.2 視頻監控系統

視頻監測系統見圖3。在落下孔車側承梁上沿、下沿位置共計安裝3臺高清攝像機，以檢查架活動支架作為監控對象，在運行途中對動態視頻進行全程采集。監控相機與主機之間通過TCI/IP方式連接。為適應隧道內及夜間視頻取光要求，配套的照明系統由4臺博朗DG800高照度攝像燈組成。

同時，在牽引機車司機室內設置1臺攝像機，對機車非操控端LKJ屏進行視頻監控。LKJ數據系統時間與監控相機、拉繩位移計采集系統的時間嚴格同步。當檢查架與道旁設施發生剮蹭時，系統可根據拉繩位移的突變特性尋找剮蹭時刻，結合LKJ數據系統記錄發生剮蹭里程點。

(a) 視頻監控安裝位置；(b) 視頻數據采集系統

1.3 活動支架轉臂位移檢測系統

在檢查架固定支架上安裝拉繩位移計，位移計設置預拉伸，以實現活動支架轉動過程中拉繩長度的連續變化。網口數據采集程序將位移信號存儲至本地PC 機，如圖4所示。

圖4 拉繩式位移計安裝方式

2 限界侵入深度精準計算模型

2.1 侵入深度計算

基于拉繩位移的侵入深度計算原理如圖5所示。設位移計安裝位置與自然狀態下活動支架沿車長方向的距離為，活動支架沿車寬方向投影長度為，位移計拉繩初始長度為。當活動支架與異物發生碰撞時，活動支架轉動直至異物與活動支架脫離，此時位移計拉繩長度為′。

圖5 拉繩位移侵入深度計算基本原理

定義碰撞過程中活動支架的轉動角度為，位移計拉繩長度增至′，根據三角形余弦定理得

可得

(2)

侵入限界的深度為

即

(4)

由式(4)可知，拉繩位移計的動態拉繩長度′是計算入侵深度的關鍵參數。

2.2 一階微分拐點定位

將檢查架活動支架與障礙物的碰撞過程分解為3個階段，如圖6所示。

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

2) 障礙物“推移”活動支架階段。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為起點對活動支架進行“推移”，直至相互作用點移動至支架邊緣，開始分離。

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

(a) 階段1(接觸)；(b) 階段2(推移)；(c) 階段3(過躍)

將活動支架碰撞過程模擬為阻尼、有驅動的動力學過程[13?14]，如圖7所示。圖7中：為活動支架；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、碰撞接觸力和活動支架轉角加速度為變量建立動力學方程為

·()=()·F?()·L·sin() (5)

式中：為活動支架相對轉軸的動量矩；為支架轉動角度；為支架轉動角加速度；為橡皮筋拉力與活動支架的夾角。

圖7 活動支架與障礙物碰撞動力學模型

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

將式(1)兩邊對求導得

由于′/(cos)為正變量，d/d與d′/d變化規律一致，即活動支架的轉動角速度與拉繩位移變化速度同為正值或負值，因此，轉動角速度出現拐點的同時，拉繩位移變化速度出現拐點。

對活動支架拉繩位移進行一階數值微分，得到拉繩伸縮速度曲線，選取拉繩位移突變區的一階微分速度進行分析，對一階微分速度曲線的最大值拐點進行識別和定位，對應到該拐點時刻的拉繩位移′INVASION，代入式(4)即可計算得出侵入深度。

3 試驗分析

3.1 驗證試驗

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

表1 DK36A型落下孔車主要技術參數

按照運輸貨物的實際尺寸要求，設計檢查架活動支架并進行安裝。

實車試驗前，需要對本文方法進行驗證。以帶長度刻度的鋼板分別以侵入檢測架限界20，30，40和50 mm進行碰撞，檢查架靜止，撞擊鋼板速度選擇為13.9 m/s(與實車試驗運行速度50.0 km/h相同)，拉繩位移計活動端固定在活動支架上，在驗證試驗過程中對拉繩位移進行實時動態采集。

對侵入檢測架限界20 mm工況下的結果進行處理，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：活動支架與鋼板發生碰撞并脫離后，在慣性作用、橡皮筋與鋼絲繩的拉力作用下來回擺動。由于鋼絲繩剛度較大，這在很大程度地限制了活動支架逆碰撞方向的運動，而橡皮筋較松軟，活動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半軸極數大的主要原因。位移的拐點最大值出現在360 ms，為107.8 mm，該時刻對應一階速度曲線的速度為0，即活動支架在碰撞力作用下轉角達到最大；一階速度曲線的拐點出現在260 ms，由本文方法分析可知，該時刻為侵入物(鋼板)與活動支架分離瞬間，對應的位移為55.5 mm。

侵入深度計算的參數初始值，和分別為220，280和356 mm。

′=411.5 mm，代入式(4)可以計算到=17.8 mm。

同理，標定鋼板侵入深度分別為30，40和50 mm的計算結果，如表2所示。

可見，按照位移一階微分拐點計算的結果與實際入侵深度的相對誤差均在5.0%以內。

表2 不同標準侵入深度的計算結果比較

3.2 實車試驗

2015年4月在湖南永州至廣西靖西間進行檢查架模擬運輸。按照南寧鐵路局的鐵路運輸調度命令，對運輸全程檢查架活動支架進行視頻監控。

對監控結果和采集數據進行分析發現，在湘桂線K302+100 m里程點位置，檢測架與信號牌發生了刮蹭，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出現在485 ms，對應的拉繩長度為41.1 mm，計算得侵入深度=8.9 mm。

在線路整改過程中，為保證足夠的安全裕量，在侵入深度基礎上增加3 mm，將信號標志牌沿遠離軌道中心線方向平移12 mm。在隨后的實際貨物運輸過程中，運輸專列通過同一位置，沒有發生貨物與信號標志牌刮蹭的現象。可見，該限界檢測方法可有效保障超限貨物的安全運輸，具有一定的工程應用價值。

4 結論

1) 在活動支架轉動臂結構中增設了用于測量限界侵入深度的拉繩位移傳感裝置，建立了活動支架與異物發生碰撞過程的動力學方程，確定了位移一階微分拐點定位的侵入深度計算方法。

2) 通過逐級標定對本文提出的檢測方法進行實驗驗證和誤差分析，本方法所得限界侵入深度與實際限界侵入深度的相對誤差保持在5.0%以內，能夠滿足檢測精度要求。

3) 經后期實際貨物的專列運輸驗證，該方法克服了傳統單一視頻監控模式無法準確量化入侵深度的問題，為鐵路限界的整改提供了依據，可以有效保障鐵路超限貨物的運輸安全。

4) 本文測試方法在檢查架碰撞樹枝等柔性材料時，由于柔性材料會變形甚至損壞，結果將會出現較大誤差，因此，需開展非接觸式的利用光學測距，以進行限界檢測。

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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

高速鐵路基礎研究聯合基金重點資助項目(U1134205)；中南大學教師研究基金資助項目(2013JSJJ013)；中國鐵路總公司科技研究開發計劃課題(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)

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