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有限公司 貨運處，甘肅 蘭州 730000；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 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安全的重要內容，采用裝載機車載稱重裝置[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輸途中鐵路貨車超載、偏載、偏重狀況的重要安全檢測設備，可以有效遏制貨車超偏載現象，保障鐵路貨物運輸安全。既有的超偏載檢測裝置定型于21世紀初，其型式試驗、檢驗規程等都對應60 km/h以內速度，當速度超過后，其檢測數據不再作為安全評判依據，僅可以作為參考[2]。

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

（1）軌枕間距不匹配導致既有裝置區域養護不足、檢測準確性下降。既有裝置軌枕間距為760 mm，與鐵路線路1 667根/km的設置方式（軌距600 mm）不匹配，工務作業方式由人工搗固轉變為大型養護機械作業后，大型搗固機作業時容易忽略既有裝置區，使得檢測平臺區域的線路得不到有效維護，長期如此易導致軌道狀態質量形成“洼地”，顯著降低了設備的檢測準確率，容易引起誤漏報。因線路狀態不佳引起車輛側滾波形圖如圖1所示，其與車輛偏載波形規律類似，容易導致車輛偏載誤報。

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

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

（3）檢測平臺安裝及大修施工難度大，質量難保證。既有裝置平臺結構圖如圖2所示，檢測平臺由22根專用軌枕組成，其中每個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、現場施工質量等要求較高，而且施工占用天窗（用于維修等工作的列車行車間隔時間段）較多。一旦某一環節質量控制不佳，容易造成檢測平臺區域內的線路幾何偏差過大，在目前天窗資源緊張的情況下，后期補修施工難度很大。

圖2 既有裝置平臺結構圖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定性[4]。線路電氣化改造、新型電力機車的使用，增加了對設備的電磁干擾，容易導致判車錯誤等故障；線路在列車作用下，平順狀態會持續發生變化，會導致貨車超偏載的計算誤差變大，而這些因素都會影響最終檢測精度。

2 新型鐵路貨車超偏載檢測平臺方案

新型鐵路貨車超偏載檢測平臺的整體性、穩定性及線路的高平順性，是鐵路貨車超偏載檢測裝置實現檢測精度的基本保證。新型檢測平臺的設計需要滿足以下條件：①軌距調整為600 mm，安裝便捷，不影響大型養護維修機具作業；②滿足100 km/h速度以內車輛超偏載檢測精度要求。

2.1 超偏載測區的確定

根據貨車運行狀態仿真結果及測試數據[5]，我國主型貨車轉向架的蛇行失穩頻率在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，超偏載測區長度不應小于半波長長度5 m；考慮測試數據的冗余及枕間距600 mm的整數倍關系，新的檢測平臺測區長度宜取為6 m及以上。

為了實現按輪計量的要求，考慮單個轉向架及前后車相鄰車輪的影響區，單個測區長度取為1.2 m，即2個枕間距。因此，該檢測平臺由5個測區組成，共計20組壓力傳感器和12對剪力傳感器[6]。考慮算法和檢測數據的冗余時，進一步增加測區有利于保證設備的長期穩定性。

2.2 檢測平臺縱向鏈接方式

檢測平臺縱向采用鏈接端板會給施工質量帶來隱患，增加施工難度，因而取消鏈接端板。為了使檢測平臺保持縱向整體一致性，借鑒橋梁護輪軌方式，采用護輪軌來增加檢測平臺的垂向剛度和整體一致性。新型檢測平臺設計方案圖如圖3所示。

原方案中由于鏈接端板埋在道砟內，當調整軌枕高度、位置時，需要扒開道砟對端板螺栓進行松開、緊固等工作，作業完畢還需要恢復道砟，既擾動了線路，也增加了作業工作量；新方案中，當需要調整軌枕高度、位置時，直接松開、緊固護輪軌的扣件即可，大大優化了作業流程。由于護輪軌為工務部門成熟應用方案，因而方案可靠性也得到了保證。

如上所述，檢測平臺采用調整軌枕間距為600 mm、延長測區為6 m、取消了端部連接板這幾項改進措施后，可以很好地適應工務大機作業，也方便了日常維護工作。

2.3 檢測平臺關鍵部件改進

根據設計目標，檢測平臺的整體框架結構發生了變化，因而需要開發相應的專用軌枕。另外，為了增強設備的長期使用穩定性，對系統中的數據采集設備硬件、監測軟件以及判車模型等進行了完善和升級。

圖3 新型檢測平臺設計方案圖Fig.3 Design plan of new detection platform

2.3.1 專用軌枕

新型檢測平臺專用軌枕定義為AG型和BG型，設計要求如下。

（1）滿足既有線通用Ⅲ型混凝土橋枕強度要求，實驗包括強度和扣件組裝。

（2）滿足既有線大機作業要求，外形尺寸應不超過既有線路軌枕尺寸范圍及大機機械設備的作業要求。

（3）滿足測試平臺的組裝要求，分別為傳感器安裝和檢測平臺整體組裝。

在專用軌枕設計中，通過在枕中位置的上表面設置預埋件來安裝護軌，護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《預應力混凝土枕靜載抗裂試驗方法》和TB/T 1878—2002《預應力混凝土枕疲勞試驗》的試驗方法進行專用軌枕疲勞強度及扣件組裝疲勞強度實驗[7-8]中，檢驗結果合格，均滿足設計要求。AG、BG型專用軌枕軌下靜載及疲勞性能試驗圖如圖5所示。

2.3.2 數據采集儀

為了消除電磁干擾影響，數據采集儀采用每路傳感器信號單獨采集的方式，并且采用抗干擾磁環、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。

數據采集儀為32通道采集儀，數據采集儀面板前面除電源開關外，設置了+12 V、±15 V電源指示燈和32路通道的零點調節電位器，便于零點調節；采集儀背面有220 V電源插座、9針D型插頭，每個插座輸入4路傳感器信號，下方為一個37針D型插座，連接37針數據電纜。

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圖Fig.5 Test chart for static load and fatigue performance of special sleeper rail

2.3.3 監測軟件

根據新的超偏載測區構成，重新設計監測軟件，共由5個模塊組成，分別為動態稱重（包含診斷功能）、實時波形、波形回放、參數設置和打印模塊，監測軟件構成結構圖如圖6所示。

圖6 監測軟件構成結構圖Fig.6 Structure block of software

（1）動態稱重模塊利用Windows消息處理機制、VC++多線程技術，完成傳感器AD碼值采集、滑動濾波、零點顯示和跟蹤、計算軸距、判車分車、日志記錄、計算車速、車重、偏載、偏重、接收車號文件、OBL文件上傳、設備狀態上傳、存儲波形和故障診斷等功能。

動態稱重模塊中軟件核心改進分為以下2部分。①動態智能判車算法。計算出軸距后，根據車輛軸距表，采用最大似然估計方法對列車進行車輛判別，在多軸車的判別上具有顯出優勢，正確率高，允許車速變化范圍大，動態智能判車算法示意圖如圖7所示。②線路變化自適應算法。列車動態稱重中[9]，會受到列車振動、線路狀態等因素的影響。在列車通過后，根據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，當線路狀態急劇變化或嚴重狀態不良時，模型算法會失效。

（2）實時波形模塊可以顯示各路信號實時波形。可以用來檢查有無干擾，點擊數據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態稱重模塊存儲的每列車的32只傳感器輸出波形，可用于調整各個測量單元剪力與壓力傳感器的配合參數。對分析設備狀態、車輛的運行狀態以及線路狀態都具有重要作用。還可以單獨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際意義。

（4）參數設置模塊可設置一些常用的參數，如重量修正系數、上下行方向、測量單元長度、采樣頻率、數據存儲和傳輸的路徑等。

圖7 動態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的應用

3.1 檢測平臺的實施

通過對運輸組織、貨車超偏載監測監控需求、線路狀態及貨物列車運行速度等條件進行綜合分析，選擇中國鐵路蘭州局集團有限公司蘭新線（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。

采用新方案的檢測平臺安裝僅需2個天窗（2.5 h）完成，相比既有裝置時間可縮短一半，達到預期目的。搗固后的軌道平臺的整體性、區域內線路的穩定性均實現了設計要求，效果良好。新型檢測平臺安裝后室內外實景圖如圖8所示。

圖8 新型檢測平臺安裝后室內外實景圖Fig.8 picture of new device

3.2 測試數據分析

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行了檢定。檢衡車列由5輛車組成，車型均為T6DK，車號和標準質量分別為 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）的檢衡車進行了設偏，上行方向偏重差理論計算值為2 982 kg，后轉向架偏載率理論計算值為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日正式投入運用以來，滿足現行超偏載檢測裝置的檢定及運用規定，同時在不限速情況下，實現了蘭新線上行及蘭州北編組站貨車直徑線上達速貨車進行超偏載檢測監控的目的，近2年使用表明其檢測性能可靠。

3.2.2 不同測區長度誤差分析

分別按3個測區、4個測區及5個測區的測試方案提取了上述檢衡車測試數據，進行不同測區長度條件下車輛總重測量誤差的分析，測區長度依次為3.6 m、4.8 m和6.0 m。不同測區長度下車輛總重測量誤差對比如圖9所示，連續5測區（6.0 m）條件的車輛總重測量誤差優于其他測區長度。

分別按3個測區、4個測區及5個測區的測試方案提取了上述檢衡車在68.3 km/h運行速度條件下偏載、偏重誤差的測試數據，并進行了不同測區長度下偏載、偏重誤差的分析，測區長度依次為3.6 m、4.8 m和6.0 m。不同測區長度條件下偏載、偏重誤差對比如圖10所示，5測區（6.0 m）的偏載、偏重誤差測量結果明顯優于其他。

圖9 不同測區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在不同速度條件下的檢測性能，通過跟蹤近一年的過車數據，對新型鐵路貨車超偏載檢測裝置的檢測性能進行分析。對比樣本選用既可以低速通過蘭州北站北環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車輛，并且以蘭州北站北環上行或上行線路既有超偏載的檢測數據作為參考真值，樣本共計72列，3 236 輛[10]。

在每個速度段范圍內，分別計算新型檢測平臺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果如表2所示。

圖10 不同測區長度條件下偏載、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，均明顯優于表1所述目標值。

設備安裝完畢至今已進行過3次大機作業，均作業順利。通過上述分析可知，基于新型檢測平臺的超偏載檢測裝置的總體性能達到預期目標，可應用于100 km/h速度段內的貨車超偏載檢測。

3.2.4 新型檢測平臺的特點

針對既有超偏載檢測裝置存在的不足，新型檢測平臺對數據采集系統、監測軟件進行優化改進，結合新型鐵路貨車超偏載裝置近2年在現場的試用情況，分析其具有以下特點。

（1）創新性采用專用軌枕結合護輪軌方式，在保證檢測功能的同時，方便了設備安裝和維護。

（2）可適應速度100 km/h以內的超偏載檢測要求，檢測精度滿足預期目標值。

（3）完全可適應大型養路機具作業，長期穩定性良好。

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

4 結束語

超偏載檢測裝置在保障鐵路貨運安全方面一直發揮著重要作用，但在貨車達速、工務維護作業大機化等新形勢下，既有超偏載裝置已不能滿足現場要求。通過延長測區、優化檢測平臺、改進數據采集設備，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。現場應用表明，新型超偏載檢測裝置可適應100 km/h以內貨車超偏載檢測要求，且便于養護維修，長期穩定性良好。對于我國正在不斷快速發展鐵路貨運市場，預期新型超偏載檢測裝置將在保障鐵路貨運安全方面發揮不可替代的積極作用。