高速不斷軌動態(tài)軌道衡系統(tǒng)研制

田德柱，張大慶

(中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

目前，動態(tài)軌道衡的應用越來越廣泛，它已經(jīng)不僅僅是一種計量器具，在鐵路貨物運輸中也起著越來越重要的安全保障作用，直接關系到鐵路現(xiàn)代化管理、運輸安全。鐵路運輸速度的不斷提高，對動態(tài)軌道衡的計量速度提出了更高的要求。為使動態(tài)軌道衡的技術發(fā)展與鐵路安全生產(chǎn)更好的結合，使動態(tài)軌道衡作為一種安全檢測設備更好地服務鐵路運輸生產(chǎn)，亟待研制一種高速動態(tài)軌道衡系統(tǒng)。本文介紹的超長臺面高速不斷軌動態(tài)軌道衡系統(tǒng)是結合 TPDS(車輛運行品質軌邊動態(tài)監(jiān)測設備)和普通不斷軌軌道衡的優(yōu)點，經(jīng)過科學嚴謹?shù)牧W分析及現(xiàn)場試驗而研制成功的。

1 系統(tǒng)技術特點

本高速不斷軌動態(tài)軌道衡系統(tǒng)的主要技術特點是:

1)車輛重量測量是基于具有自主知識產(chǎn)權的“移動垂直力測量新方法”原理研制的。

2)采用高平順鋼筋混凝土整體道床測試平臺，在測試平臺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，組合成一個總長度為7.6 m的輪軌垂直力連續(xù)綜合測量區(qū)，得到通過車輛各輪對在鋼軌上產(chǎn)生的連續(xù)的輪軌力。

3)系統(tǒng)集成鐵路車號自動識別系統(tǒng)AEI車號信息，輸出結果中集成車輛車號、自重、允許載重等車輛信息。

4)檢測信息可通過網(wǎng)絡上傳至車站、鐵路局、鐵道部信息管理服務器，由專用軟件完成統(tǒng)計分析、綜合評判、結果查詢、列車跟蹤和信息報警等工作。

2 系統(tǒng)技術關鍵及解決方案

目前，全國已安裝多種形式的動態(tài)軌道衡，但還沒有一種能在較高行車速度條件下穩(wěn)定可靠、準確地進行計量的動態(tài)軌道衡。

1)在設置測量區(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，這些不平順勢必引起被測車輛產(chǎn)生浮沉、點頭等振動，使輪重、軸重、轉向架荷載本身都偏離靜載值而增減變化，產(chǎn)生“附加動荷增量”。行車速度越高，引起的附加動荷增量越大，“附加動荷增量”造成的誤差也隨之增大。當速度為20～80 km/h時，普通軌道上養(yǎng)護維修標準允許存在的軌道不平順引起的“附加動荷載”可達靜輪載的5% ～40%，因此，即使測量傳感器和二次儀表等的誤差為零，也不可能測出準確的靜輪重數(shù)值。

2)設置測區(qū)的普通軌道難以構成真正的支承平面，不可避免地存在維修規(guī)范允許的軌道扭曲，即使當速度為零時，也會使轉向架的四個車輪不在同一個軌道平面內(nèi)而產(chǎn)生“輪重轉移”，造成測得的輪重較實際靜輪重有較大差異，并可達3% ～10%，使測量精度大幅度降低。

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

大幅度加長連續(xù)測量區(qū)，用長測量區(qū)內(nèi)輪載波動變化曲線的平均值代替瞬時值，大幅度降低附加動荷載的影響，從而大大提高計量精度;用整體性和抗軌道衡扭曲能力更強、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構，進一步減小、控制測量區(qū)內(nèi)軌道扭曲、高低和水平不平順，盡可能消除造成動荷增量誤差的根源，提高測量區(qū)和測量區(qū)前后50～100 m范圍內(nèi)軌道的平順性;嚴格控制軌道不平順，減少車輛的振動，降低附加動荷增量。

移動垂直力綜合檢測新方法的特點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區(qū)長度(如圖1)。其基本原理是:在兩剪力傳感器之間設置若干個軌下垂直壓力傳感器，組成一個綜合測量區(qū)，兩種傳感器采集的數(shù)據(jù)通過計算機合成處理，從而得到測量區(qū)內(nèi)的垂直力之和，由于有較長的連續(xù)測量區(qū)，便能測得一段較長時間內(nèi)車輪垂直力增減變化過程數(shù)據(jù)的平均值，而不是波動過程的某個瞬時值。這不僅提高了檢測精度，還大大提高了檢測裝置適用的速度范圍，同時，這一新方法還徹底打破了普通動態(tài)軌道衡檢測功能單一性，使得同時測量車輛超載、偏載、平均軸重、通過總重成為可能。

圖1 移動垂直力綜合檢測方法

3 系統(tǒng)組成及技術性能指標

3.1 系統(tǒng)組成

如圖2所示，高速不斷軌動態(tài)軌道衡系統(tǒng)主要由以下部分組成:軌道測試平臺1套，由10根專用混凝土軌枕(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、接線箱與接線盒、信號電纜等。二次儀表系統(tǒng)，包括機柜、傳感器調理單元、計算機、不間斷電源、隔離電源、數(shù)據(jù)遠傳單元等。車號自動識別系統(tǒng)，包括開關磁鋼、計軸/測速磁鋼、天線、電纜等。信息傳輸通道，采用光纜傳輸。數(shù)據(jù)管理服務器及監(jiān)控終端。

圖2 高速不斷軌動態(tài)軌道衡系統(tǒng)組成

3.2 軌道測試平臺

為了實現(xiàn)高速不斷軌動態(tài)軌道衡的功能，要求測量區(qū)軌道結構能大大提高軌道的平順性(即軌道長期保持高平順性)，才能確保計量數(shù)據(jù)準確、設備穩(wěn)定可靠。為此，本系統(tǒng)采用鋼筋混凝土整體道床測試平臺，連續(xù)測量區(qū)與兩側各35 m范圍內(nèi)軌枕固化在鋼筋混凝土之中，形成一個平順的整體道床。該結構的整體性和抗扭曲性能都大大提高，當測量區(qū)內(nèi)某一軌枕出現(xiàn)吊板時，相鄰的軌枕通過整體混凝土結構承擔了吊板軌枕的荷載，使吊板引起的線路不平順減小到最低水平。這樣的整體結構可以保證測量區(qū)內(nèi)軌道的高平順性和長期穩(wěn)定性，從而可以保證檢測系統(tǒng)的可靠性。從試驗效果看，采用這一軌道測試平臺可保證在速度為40 km/h條件下稱重計量精度滿足動態(tài)軌道衡檢定規(guī)程的精度要求。

軌道衡測試平臺的主要技術指標如下:測試平臺具有足夠的強度、剛度和良好的穩(wěn)定性;測試平臺設計荷載為每節(jié)車輛1 000 kN，最大每節(jié)車輛2 000 kN;鋼筋混凝土整體道床在制作過程中嚴格按照配筋圖綁扎鋼筋，按照設計要求進行混凝土澆注，預留排水設施，確保整個系統(tǒng)長期使用的穩(wěn)定性;鋼軌和測試平臺之間需要安裝絕緣防護裝置，既滿足現(xiàn)有軌道電路線路的使用要求，還對傳感器防止雷擊損害起到一定的保護作用。

3.3 梁式壓力傳感器

新的檢測方法需要在有效測量區(qū)內(nèi)安裝若干個同時測量輪軌作用垂向力荷載的傳感器，且傳感器還必須是一個軌道部件來保證對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實現(xiàn)測力和保持軌道的幾何形位。

普通動態(tài)軌道衡設備采用的常規(guī)垂直力柱式傳感器由于高度較大，上下承力座均可搖動，在水平方向沒有約束，顯然不利于保持軌道的穩(wěn)定，在結構尺寸和保持軌距、軌道方向等方面都不能滿足線路養(yǎng)護維修的要求，因此本高速不斷軌動態(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，從而實現(xiàn)了對鋼軌小翻、上浮及軌距擴大的控制，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使高速不斷軌動態(tài)軌道衡系統(tǒng)能夠安裝在行車密度高、運行速度快的鐵路正線，并能長期保持結構的穩(wěn)定性和行車安全。

圖3 梁式壓力傳感器

試驗證明，梁式壓力傳感器具有精密的對稱性高精度(誤差 ＜0.03%)，能夠承受劇烈的沖擊振動，在野外日曬、雨淋、溫度大幅度變化的條件下，穩(wěn)定可靠，能長期保持完好。長期應用實踐表明，這種傳感器完全能夠滿足設計和使用要求，既實現(xiàn)了測力的準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指標如下:精度為0.05%，輸出阻抗≥700 Ω，安全過載為 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)轉換部分、計算機及稱重軟件組成。壓力傳感器和剪力傳感器將車輛重量轉換為電壓信號，電壓信號傳送到數(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放大、濾波，然后由模數(shù)轉換部分對電壓信號進行A/D轉換，轉換后的數(shù)字信號輸入計算機，由稱重軟件完成數(shù)字濾波、分析、機車車輛判別、重量和速度計算等工作。數(shù)據(jù)采集儀采用美國AD公司的AD620和AD712集成芯片完成微小信號的調理工作，通過電阻、電容與AD712組成有源低通濾波器，濾除高頻干擾。實踐證明，該元器件溫漂低、線性好、連續(xù)工作的可靠性高，濾波效果優(yōu)良。模數(shù)轉換部分采用美國進口的32通道高速16位A/D專用模塊，與計算機并行打印口連接，具有高速、穩(wěn)定可靠和使用方便的優(yōu)點。

二次儀表系統(tǒng)的主要性能:信號放大、調整、調零采用進口大規(guī)模集成電路，抗干擾能力強;抗電磁輻射及其他干擾能力強，具有防塵、防污染、結構簡單，穩(wěn)定可靠的優(yōu)良性能;進口16位高速、高精度快速穩(wěn)定的A/D器件，分辨誤差達1 kg;采用數(shù)字接口電路，抗干擾能力強;計算機采用工業(yè)控制機，穩(wěn)定性強。

高速不斷軌動態(tài)軌道衡系統(tǒng)的稱重軟件采用VC++6.0編程。工作平臺為 Windows2000 Professional，軟件運行速度快、實時性強，可完成動態(tài)稱重、靜態(tài)檢定、實時波形采集、波形回放、計量車速及車號信息集成等工作。

4 檢定數(shù)據(jù)分析

2008年9月，國家軌道衡計量站對本高速不斷軌動態(tài)軌道衡系統(tǒng)進行了檢定，其動態(tài)檢定方法如下:

1)以總質量約 20，50，68，76，84 t的 5 輛檢衡車，按以下兩種序列編成車組:①機車+84 t+50 t+76 t+68 t+20 t;②機車 +68 t+76 t+50 t+84 t+20 t。

2)各車組以允許的計量速度往返檢定10次，檢衡車(標準車)總的動檢數(shù)據(jù)不得少于100個。

檢定速度為 8.8～35.1 km/h，檢定依據(jù)為JJG234-90《動態(tài)稱重軌道衡》，計量標準如表1所示。動態(tài)檢定數(shù)據(jù)分析如表2所示。檢定結論為合格。

表1 檢衡車計量標準

表2 動態(tài)檢定數(shù)據(jù)分析 kg

5 結語

高速不斷軌動態(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，至今已正常運行一年多的時間。圖4為車輛以35.1 km/h的速度通過5個連續(xù)測量區(qū)時的動態(tài)實時檢測波形，從實時檢測波形可以看出，車輛以較高速度通過測量區(qū)時的振動幅度很小，保證了計量的準確度。

圖4 動態(tài)實時檢測波形

本系統(tǒng)運行的一年多時間里，設備總故障時間不超過24 h，車號匹配率達99%、數(shù)據(jù)上傳率達100%?，F(xiàn)場應用實踐證明，本系統(tǒng)穩(wěn)定性可靠，為確保大秦線運輸安全起到了一定的保障作用。

［1］國家軌道衡計量站.JJG 234—1990 動態(tài)稱重軌道衡國家計量檢定規(guī)程［S］.北京:中國計量出版社，1990.

［2］金祚康，季瑞玉，陳志.質量計量從書—軌道衡［M］.北京:中國計量出版社，1990.

［3］尚叢林.不斷軌動態(tài)軌道衡系統(tǒng)的開發(fā)與應用［J］.鐵道建筑，2008(11):98-101.

［4］PETZOLD C.Windows程序設計［M］.北京:北京大學出版社，2004.