動(dòng)態(tài)軌道衡稱重模型建立與分析

吳 昊,徐志玲

(1.中國(guó)計(jì)量學(xué)院 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院,浙江 杭州 310018; 2.中國(guó)計(jì)量學(xué)院 現(xiàn)代科技學(xué)院,浙江 杭州 310018)

動(dòng)態(tài)軌道衡稱重模型建立與分析

吳 昊1,徐志玲2

(1.中國(guó)計(jì)量學(xué)院 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院,浙江 杭州 310018; 2.中國(guó)計(jì)量學(xué)院 現(xiàn)代科技學(xué)院,浙江 杭州 310018)

利用ADAMS軟件建立動(dòng)態(tài)軌道衡稱重系統(tǒng)模型,并通過(guò)實(shí)際測(cè)量來(lái)驗(yàn)證其可靠性,使軟件仿真取代動(dòng)態(tài)稱重現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集,降低測(cè)量勞動(dòng)強(qiáng)度.首先根據(jù)實(shí)際的軌墊式軌道衡的稱重結(jié)構(gòu)原理建立模型,利用單一變量法改變質(zhì)量或者速度,進(jìn)行仿真稱重過(guò)程,從而得到在不同的負(fù)載、不同速度下的仿真稱重?cái)?shù)據(jù).然后再利用動(dòng)態(tài)軌道衡實(shí)測(cè)相應(yīng)數(shù)據(jù),與軟件仿真結(jié)果比較分析.結(jié)果表明,當(dāng)車輛速度在20 km/h以內(nèi),模型仿真結(jié)果與實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合,驗(yàn)證了動(dòng)態(tài)軌道衡稱重模型的可靠性,可用軟件仿真取代動(dòng)態(tài)稱重現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集工作,為動(dòng)態(tài)軌道稱重補(bǔ)償研究奠定理論基礎(chǔ).

軌道衡;ADAMS軟件;動(dòng)態(tài)稱重;軟件仿真

隨著我國(guó)鐵路運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展,貨運(yùn)量逐年增多,很多企業(yè)都安裝了動(dòng)態(tài)軌道衡稱重系統(tǒng),進(jìn)行車輛和貨物總重的動(dòng)態(tài)檢測(cè)[1-3].動(dòng)態(tài)稱重時(shí),車輪與稱重區(qū)的作用時(shí)間短,除了車輛裝載重量施加作用力外,還有很多干擾因素,車輛真實(shí)重量常常被淹沒(méi)在各種干擾力中,稱量準(zhǔn)確度得不到保證.當(dāng)車輛處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下,車輛振動(dòng)、重心轉(zhuǎn)移、車輛狀態(tài)、速度變化等都會(huì)影響稱量結(jié)果,而且車速越快影響越大[4-6].現(xiàn)有軌道衡廠家往往利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得各種狀態(tài)下的數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)分析后補(bǔ)償?shù)椒Q重軟件中,以達(dá)到測(cè)量準(zhǔn)確度要求.但由于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量工作量大,復(fù)現(xiàn)性差,急需有新的方法來(lái)替代.本文利用ADAMS軟件建模,仿真稱重過(guò)程,通過(guò)在不同重量、車速下得到的稱重結(jié)果與實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)比,驗(yàn)證仿真模型的可靠性[7],為仿真數(shù)據(jù)取代現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)提供可行性.

1 動(dòng)態(tài)軌道衡稱重實(shí)驗(yàn)與分析

1.1 動(dòng)態(tài)軌道稱重系統(tǒng)

動(dòng)態(tài)軌道稱重系統(tǒng)可以看做由軌道車輛、軌道、傳感器、地面所構(gòu)成的一個(gè)多自由度的振動(dòng)系統(tǒng)(圖1).軌道車輛通過(guò)軌道衡的行駛速度有一定的限制,即稱量速度.稱量速度是指軌道衡在獲得有效的稱重?cái)?shù)據(jù)所允許的軌道車輛的速度范圍.只有讓軌道車輛保持在稱量范圍內(nèi)平穩(wěn)通過(guò)稱重區(qū),才能得到準(zhǔn)確的計(jì)量數(shù)據(jù).但在不同線路和基礎(chǔ)要求上建立的軌道衡,在同一速度狀態(tài)下的稱重結(jié)果很可能是不同的,甚至有較大偏差[8].

圖1 錢江稱重動(dòng)態(tài)軌道衡系統(tǒng)Figure 1 Dynamic rail weighting system

本文先后搭建實(shí)驗(yàn)稱重系統(tǒng)和三維運(yùn)動(dòng)模型,在模型基礎(chǔ)上單一控制稱重過(guò)程的速度和載重參數(shù),比對(duì)兩者稱重?cái)?shù)據(jù),驗(yàn)證所建三維仿真模型的可靠性.具體流程圖如圖2.

圖2 動(dòng)態(tài)稱重模型驗(yàn)證流程圖Figure 2 Flow chart of dynamic weighing model validation

1.2 動(dòng)態(tài)軌道衡稱重實(shí)驗(yàn)

稱重系統(tǒng)將軌道車輛軸重壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化成模擬電壓信號(hào),經(jīng)放大器放大之后,由采集卡高速采樣將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并傳輸給計(jì)算機(jī),由計(jì)算機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)、濾波、分析、運(yùn)算,最終得到軌道車輛過(guò)秤速度、各輪重以及總重.本實(shí)驗(yàn)選用T6D型檢衡車組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)(圖3),檢衡車組一般由重量約20 t、50 t、68 t、76 t、84 t的5輛檢衡車組成車組.本實(shí)驗(yàn)中5輛檢衡車的標(biāo)重分別為:82.800 t、75.383 t、69.560 t、48.998 t、21.364 t.每輛檢衡車用不同車速行駛過(guò)衡,得出稱重結(jié)果,以標(biāo)稱重量為82.800 t檢衡車為例,數(shù)據(jù)如表1.

圖3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Figure 3 Experiment site

編號(hào)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)/kg標(biāo)稱重量/kg速度/(km·h-1)相對(duì)誤差/%編號(hào)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)/kg標(biāo)稱重量/kg速度/(km·h-1)相對(duì)誤差/%1828468280010．6-0．055611827348280016．00．07972828348280010．1-0．041112827288280016．20．0870382805828009．2-0．006013827018280016．70．11964827978280011．20．003614826998280016．80．12205827928280011．70．009715826938280017．10．12926827858280012．30．018116826578280018．50．17277827838280012．90．020517826468280018．90．18608827678280013．80．039918826218280019．50．21629827488280014．60．062819826078280020．00．233110827458280015．30．066420825588280020．50．292321824718280025．00．3973

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由表1可見(jiàn),當(dāng)檢衡車速度在10 km/h以下時(shí),稱重誤差較小,表明振動(dòng)弱,對(duì)稱重結(jié)果影響不大.當(dāng)檢衡車速度在10～20 km/h范圍內(nèi)時(shí),最大的相對(duì)誤差不超過(guò)0.3%.而當(dāng)檢衡車的車速接近或者超過(guò)20 km/h時(shí),5輛檢衡車的稱重值的誤差都有不同程度的明顯增大,可能是共振所致,需加大對(duì)稱臺(tái)撓曲變形振動(dòng)的阻尼,也可能是由于車輛的形狀、軌道不平順等方面的影響,使檢衡車的重量不能均勻的分布,故產(chǎn)生一定的誤差[9].故本文速度為20 km/h以上所得數(shù)據(jù)不與參考.

2 基于ADAMS的動(dòng)態(tài)軌道衡稱重模型的建立與仿真

2.1 基于ADAMS稱重模型建立

軌道車輛采用一般檢衡車設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行建模,部分參數(shù)如表2.稱重傳感器彈性體[10]如圖4.

圖4 稱重傳感器彈性體結(jié)構(gòu)圖Figure 4 Weighing sensor elastomer structure

鋼軌軌型/(km·h-1)軌距車輪直徑/m車輪質(zhì)量/kg50標(biāo)準(zhǔn)軌矩約0．59約500

動(dòng)態(tài)軌道衡仿真模型由以下幾部分組成:簡(jiǎn)單車體,路面,軌道以及傳感器,如圖5.

圖5 軌道衡稱重示意圖Figure 5 Schematic diagram rail weighbridge weighing

在不影響仿真結(jié)果的前提下,對(duì)軌道車輛模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化,省略一些細(xì)節(jié)部件,有利于提高效率.實(shí)驗(yàn)?zāi)M的是軌道車輛經(jīng)過(guò)軌道衡的過(guò)程,所以在模型中并不需要建立制動(dòng)盤(pán)、軌道板、扣件等零部件.利用SolidWorks軟件[11]進(jìn)行建模,轉(zhuǎn)化為Parasolid文件,而后導(dǎo)入到ADAMS軟件中.模型設(shè)定軌道、傳感器與地面直接相連,簡(jiǎn)化動(dòng)態(tài)車輛減振模塊(圖6);在確保仿真準(zhǔn)確度的前提下,將車輛車身和路面設(shè)為剛體,使仿真運(yùn)行速度不受限制.用ADAMS/VIEW下的建模工具來(lái)建立模型中每個(gè)零部件之間的接觸關(guān)系,并設(shè)置合理的接觸參數(shù)后來(lái)模擬軌道車輛的稱重運(yùn)行過(guò)程,從而最終確立軌道車輛動(dòng)力學(xué)模型(圖7)[12].

圖6 軌道車輛動(dòng)力學(xué)模型Figure 6 Railway vehicle dynamics model

圖7 Adams稱重物理模型Figure 7 ADAMS physical model

2.2 仿真結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)仿真過(guò)程與實(shí)際稱重參數(shù)一致,利用軟件的參數(shù)可變的特點(diǎn),增大阻尼,減小了振動(dòng)對(duì)稱重結(jié)果的影響.調(diào)整軌道車輛模型載重,用5種不同載重的檢衡車分別是82.800 t、75.383 t、69.560 t、48.998 t、21.364 t,進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn).在相同的載重條件下,調(diào)整車輛速度,以獲得不同的稱重?cái)?shù)據(jù).以標(biāo)稱重量為82.800 t為例,仿真數(shù)據(jù)如表3.

表3 82.800 t檢衡車仿真數(shù)據(jù)

注:g=9.806 65 N/kg

由表3可以看出,隨著車輛負(fù)載的減小,檢衡車所產(chǎn)生的誤差逐漸變大.分析與車輛過(guò)稱時(shí),車輛振動(dòng)對(duì)傳感器產(chǎn)生的慣性力影響有關(guān).而在同一負(fù)載下,隨著速度的增加,導(dǎo)致稱重的誤差明顯增大.如果要提高準(zhǔn)確度,可加大軌道衡的阻尼、減小振幅、適當(dāng)?shù)靥岣吖舱耦l率,有利于減小車輛共振對(duì)稱重結(jié)果的影響[9].

3 仿真與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的綜合分析

對(duì)仿真數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,驗(yàn)證模型的可靠性,以82.800 t檢衡車為例,如圖8.

從圖8可以明顯看到,當(dāng)車輛速度超過(guò)20 km/h后,仿真數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)都離標(biāo)稱值越來(lái)越遠(yuǎn),斜率明顯增加,誤差變化速度越來(lái)越大.當(dāng)車輛速度在20 km/h以下時(shí),離標(biāo)稱值較為接近,誤差較小.所以當(dāng)速度在20 km/h以下時(shí),實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)最為接近.實(shí)測(cè)和仿真數(shù)據(jù)如表4.

圖8 標(biāo)稱值為82.800 t下的實(shí)測(cè)與仿真數(shù)值對(duì)比Figure 8 Comparison of the real-simulation data under the nominal value of 82.800 t

表4 82.8 t檢衡車實(shí)測(cè)和仿真數(shù)據(jù)對(duì)照表

從表4可以看出,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果最大偏差不超過(guò)0.05%,進(jìn)一步證實(shí):車輛動(dòng)態(tài)稱重模型仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)量得到的稱重?cái)?shù)據(jù)接近,驗(yàn)證了ADAMS動(dòng)態(tài)軌道衡稱重系統(tǒng)模型的可靠性.

4 結(jié) 語(yǔ)

從動(dòng)態(tài)軌道稱重系統(tǒng)出發(fā),通過(guò)ADAMS軟件建立軌道車輛動(dòng)態(tài)稱重仿真模型,通過(guò)大量仿真數(shù)據(jù)與實(shí)際稱重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,得出結(jié)論:當(dāng)軌道車輛速度在20 km/h以內(nèi),模型仿真結(jié)果與實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合,驗(yàn)證了ADAMS動(dòng)態(tài)軌道衡稱重系統(tǒng)模型的可靠性,從而為仿真數(shù)據(jù)取代現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)提供了可行性,節(jié)省了時(shí)間及資源,為今后的研究奠定理論上的基礎(chǔ).當(dāng)然,溫度變化以及車輛聯(lián)掛進(jìn)行稱重時(shí),車輛重力轉(zhuǎn)移等因素所引起的計(jì)量誤差將是今后的研究的方向.

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Establishment of a rail vehicle weigh-in-motion model

WU Hao, XU Zhiling

(1. College of Metrology and Measurement Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China;2. College of Modern Science and Technology, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

A model of rail vehicle weigh-in-motion was established by using the ADAMS software based on the actual structure of the rail pad weighing principle. The reliability of the model was confirmed with practical measurement. Experimental results show that the simulation data agres well with the actual experiment data within the speed of 20 km/h. It sugguests that the model is able to get the simulation data in different speeds and weight to replace the weighing field data acquisition of dynamic weighing.

rail weightier; ADAMS software; weigh-in-motion; software simulation

1004-1540(2015)03-0274-06

10.3969/j.issn.1004-1540.2015.03.005

2015-04-02 《中國(guó)計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào)》網(wǎng)址：zgjl.cbpt.cnki.net

吳 昊(1989- ),男,浙江省余杭人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)檐囕v動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)、檢測(cè)技術(shù).E-mail:879782767@qq.com 通訊聯(lián)系人：徐志玲,女,副教授.E-mail:xuzhiling@cjlu.edu.cn

TP311.5

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