車輛運行品質(zhì)軌邊動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)車載標定設備的研制

秦菊，陳剛，李甫永，暴學志，李旭偉

(1.中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京 100081;2.上海鐵路局車輛檢測所，上海 200070)

車輛運行品質(zhì)軌邊動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)車載標定設備的研制

秦菊1，陳剛2，李甫永1，暴學志1，李旭偉1

(1.中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京 100081;2.上海鐵路局車輛檢測所，上海 200070)

車輛運行品質(zhì)軌邊動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)(TPDS)通過監(jiān)測車輛運行過程中輪軌間的垂直力和橫向力來對車輛運行狀態(tài)進行評判。本文研制的車載標定設備用于標定TPDS測試的輪軌間垂直力。該設備加裝在紅外線檢測車上，檢測車經(jīng)過TPDS測試平臺時TPDS對檢測車輪軌間垂直力進行測量。通過對測量值和檢測車實際質(zhì)量進行分析得出TPDS垂直力的標定值，從而實現(xiàn)移動設備對固定設施的標定。車載標定設備應用于現(xiàn)場不僅快速、準確，而且便捷、經(jīng)濟。

TPDS 垂直力 橫向力 標定 測量

車輛運行品質(zhì)軌邊動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)是我國鐵路車輛運行安全防范與預警系統(tǒng)的重要裝備之一。該系統(tǒng)利用設在軌道上的高平順性框架式測試平臺、采用移動垂直力綜合檢測法［1－3］和橫向力連續(xù)測量方法，實時在線檢測車輛運行過程中輪軌間的動力學參數(shù)，從而實現(xiàn)對運行狀態(tài)不良車輛、車輪踏面損傷以及車輛裝載的超偏載狀態(tài)的識別、評判。系統(tǒng)功能的實現(xiàn)依賴于輪軌間垂直力與橫向力測試精度，目前TPDS系統(tǒng)對垂直力測試精度通過垂直力標定獲取，標定須經(jīng)車輛部門制定標定計劃、申請作業(yè)天窗，組織廠家、機務及總工室或計量分站人員參與，在60～90 min的天窗時間內(nèi)，機車牽引T6F或T7砝碼車以40 km/h和70 km/h兩個速度級正向、勻速通過TPDS測試平臺，TPDS數(shù)據(jù)處理軟件獲取對砝碼車的檢測數(shù)據(jù)，每個速度級有效數(shù)據(jù)不少于3個;標定列車每個速度級通過TPDS測試平臺時必須勻速通過，不得制動、加速。通過對不同速度級有效標定數(shù)據(jù)的分析處理得出TPDS在各速度級的測試精度。此種標定方式存在以下不足:①需要機車牽引T6F或T7砝碼車組成編組列車在鐵路作業(yè)天窗內(nèi)進行，影響鐵路正常運營;②編組列車經(jīng)過TPDS測試平臺速度受限，且只允許勻速通過;③涉及單位、部門過多，協(xié)調(diào)繁瑣，效率不高。為此，需要研制一種安裝在車輛上，在車輛運行過程中對TPDS測試的輪軌間垂直力進行動態(tài)標定的設備。

1 車載標定設備硬件和軟件系統(tǒng)設計

1.1 檢測原理

既有的標定方式是以砝碼車為測試體，砝碼車質(zhì)量作為標準值。砝碼車通過TPDS測試平臺時，將TPDS測試的輪軌間垂直力換算為砝碼車質(zhì)量值作為測試值。通過測試值和標準值的分析，得出TPDS垂直力標定值;車載標定設備選擇紅外線檢測車作為測試體，在檢測車上加裝TPDS車載標定設備，實現(xiàn)對檢測車自身質(zhì)量的自動檢測，并將檢測值作為標準值，將其與TPDS測試的檢測車質(zhì)量進行分析，實現(xiàn)移動設備對TPDS測試的輪軌間垂直力的檢測、標定。

紅外線檢測車采用25K型車體及轉(zhuǎn)向架，結(jié)構示意如圖1。檢測車總重由車體自重、車上承載物質(zhì)量、轉(zhuǎn)向架構架質(zhì)量以及輪對總質(zhì)量組成，其中車上承載物質(zhì)量為變化量。根據(jù)檢測車結(jié)構特點及部件間相互作用力關系，在車體一系軸簧與轉(zhuǎn)向架構架之間加裝輪輻式傳感器、在車體軸箱與轉(zhuǎn)向架構架間的縱向減震器上端安裝墊片式傳感器。通過上述傳感器實現(xiàn)檢測車車體、車上承載物、轉(zhuǎn)向架構架質(zhì)量的自動按需測量。輪對質(zhì)量為一相對固定值，在未鏇修情況下質(zhì)量基本保持不變。當檢測車通過TPDS測試平臺時，車載標定設備測試出檢測車總質(zhì)量，同時地面TPDS對輪軌間垂直力進行測試。通過對比二者測試值，得出TPDS垂直力標定值。

1.2 硬件設計

車載標定設備硬件主要為測力單元和液壓控制系統(tǒng)，主要完成對檢測車自身質(zhì)量的動態(tài)測量。

1.2.1 測力單元

測力單元包括輪輻式傳感器和墊片式傳感器。輪輻式傳感器安裝在車體一系軸簧上端與轉(zhuǎn)向架構架連接處，由于其安裝位置的特殊性，要求將原來彈簧的長度縮短且剛度滿足行車要求。輪輻式傳感器和液壓油缸配合使用，如圖2所示。當設備不檢測時，輪輻式傳感器的外邊緣承受簧上質(zhì)量，傳感器不承受力的作用。檢測時，傳感器中部承受簧上質(zhì)量，有測力信號輸出。此種設計可延長傳感器使用壽命。

圖1 檢測車結(jié)構示意

圖2 輪輻式傳感器和液壓油缸的安裝

墊片式傳感器安裝在車體軸箱與轉(zhuǎn)向架構架間的縱向減震器上端，安裝位置如圖3所示。每只墊片式傳感器由4只外觀及性能完全一致的分傳感器組合而成，測試轉(zhuǎn)向架軸頭和車體之間的垂向約束力。

圖3 墊片式傳感器安裝位置

1.2.2 液壓控制系統(tǒng)

液壓控制系統(tǒng)通過控制液壓油缸的位置來改變輪輻式傳感器的受力狀態(tài)。工作原理:當動力單元1接收到計算機發(fā)出的啟動指令后啟動并為液壓控制系統(tǒng)提供動力，液壓油經(jīng)過液壓單向閥2進入比例溢流閥5，比例溢流閥可按照一定的比例對液壓油的流量進行控制，以保證8只液壓油缸緩慢地頂升，這時傳感器11會實時檢測各液壓油缸內(nèi)的壓力值，并將該壓力值信號輸入計算機12內(nèi)，當該壓力值達到一定的數(shù)值后，計算機發(fā)送指令到控制器13，并經(jīng)過接觸器14使得動力單元停止加壓，蓄能器9用于保證各液壓油缸內(nèi)的壓力恒定，試驗完成后計算機12、控制器13使動力單元停止，并使電磁換向閥7換向，液壓油缸以及蓄能器內(nèi)的油經(jīng)過疊加式節(jié)流閥6，使得各液壓油缸平穩(wěn)地卸載，傳感器檢測到各液壓油缸內(nèi)的壓力值為0后，計算機發(fā)送指令給電磁換向閥7，使之關閉。至此便完成了一次標定的全部工作。液壓控制系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

1.3 軟件設計

TPDS車載標定設備檢測軟件設計以Visual C++ 6.0集成開發(fā)環(huán)境為平臺，利用微軟提供的MFC建立應用程序。軟件通過NMEA－0183協(xié)議［4］完成計算機與GPS接收器之間的數(shù)據(jù)通訊，利用Modbus通訊協(xié)議［5－6］實現(xiàn)計算機與液壓控制系統(tǒng)主機(PLC)之間的數(shù)據(jù)交互，通過并口通訊協(xié)議完成計算機與數(shù)據(jù)采集卡Pci9114之間的接口通訊，實時獲取檢測車位置信息、液壓控制系統(tǒng)壓力信號、液壓報警信息、測力傳感器信號等，實現(xiàn)對液壓控制系統(tǒng)的操控，對傳感器采集的數(shù)據(jù)進行處理，并將檢測結(jié)果生成報文［13］。

軟件功能包括參數(shù)設置、動態(tài)檢測、實時波形顯示、波形回放以及報文輸出。動態(tài)檢測界面如圖5所示，動態(tài)檢測過程中系統(tǒng)狀態(tài)與檢測車運行位置關系如圖6所示。圖中，T為檢測車到達前方TPDS探測站的設定時間;S為檢測車經(jīng)過TPDS探測站后仍然持續(xù)采集數(shù)據(jù)的距離;AB段采集測力傳感器零點值;BC段開啟液壓控制系統(tǒng)，液壓加載至液壓油缸頂升到設定高度;CD段采集測力傳感器輸出信號;DE段數(shù)據(jù)處理、傳輸;EF段關閉液壓控制系統(tǒng)，液壓卸荷，液壓油缸回位。

1—動力單元;2—液壓單向閥;3—壓力表開關;4—耐振壓力表; 5—比例溢流閥;6—疊加式節(jié)流閥;7—電磁換向閥;8—高壓球閥;9—蓄能器;10—液壓餅;11—傳感器;12—計算機;13—控制器;14—接觸器

圖5 動態(tài)檢測界面

圖6 系統(tǒng)狀態(tài)與檢測車運行位置關系

2 TPDS車載標定設備檢測數(shù)據(jù)分析

根據(jù)車載標定設備的檢測原理，車載標定設備測試結(jié)果為檢測車實時質(zhì)量，將該值和TPDS測試的檢測車質(zhì)量進行對比分析，即可得出TPDS垂直力測試精度。

2015年5 月下旬，在鐵科院東郊分院利用標準稱重設備對檢測車進行靜態(tài)稱重檢測，獲取檢測車當時狀態(tài)的真實質(zhì)量(因檢測車油、水、標定設備、人員等的差異，不同狀態(tài)該質(zhì)量存在偏差)，并以該質(zhì)量修正標定設備測試值。測試結(jié)果見表1。

由表1可見:在靜態(tài)稱重時，車載標定設備修正數(shù)據(jù)和標準稱重設備測試數(shù)據(jù)最大偏差為0.258% ，測試數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較好。為分析相同工況、不同速度級標定設備檢測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，在鐵科院東郊試驗環(huán)線(周長8.5 km，直線段700 m)檢測車進行了動態(tài)運行試驗。直線段檢測數(shù)據(jù)見表2。

表1 檢測車稱重數(shù)據(jù)

如果以33次測試數(shù)據(jù)平均值作為標準值，則不同速度級測試數(shù)據(jù)與標準值的偏差如圖7所示。可見:①測試數(shù)據(jù)與標準值的最大偏差為0.36% ;②標定設備測試結(jié)果與檢測車運行速度無關，不同速度下測試值具有較好的穩(wěn)定性。

2015年6 月初，根據(jù)上海鐵路局制定的THDS檢測計劃，利用紅外線檢測車對局管內(nèi)THDS檢測的同時，對沿途經(jīng)過的11套TPDS進行檢測標定。上海局TPDS檢測標定數(shù)據(jù)見表3。

表2 標定設備不同速度級測試數(shù)據(jù)

圖7 不同速度級測試數(shù)據(jù)與標準值的偏差

表3 上海局TPDS檢測標定數(shù)據(jù)

由表3可知，夾溝、三塔和三塔鎮(zhèn)三個測點TPDS測試質(zhì)量與標定設備測試質(zhì)量偏差超過3% ，經(jīng)各個測點設備狀態(tài)檢查及數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn):夾溝剪力傳感器損壞一只未更換;三塔和三塔鎮(zhèn)均為測試平臺附近線路狀態(tài)不良。

3 結(jié)論

車載標定設備對TPDS垂直力進行檢測標定只需將檢測車加掛在任意普速客車上即可，無需機車牽引砝碼車，不用申請作業(yè)天窗，運行速度不受限制。由于普速客車運行速度即為TPDS監(jiān)測的列車速度，所以標定數(shù)據(jù)更為真實。標定設備以檢測車作為測試對象，根據(jù)車體結(jié)構和質(zhì)量分布設計?，F(xiàn)場測試結(jié)果顯示:標定設備測試的檢測車質(zhì)量可以作為標準值使用; TPDS設備測試偏差值能反映垂直力測試精度。通過分析測試數(shù)據(jù)，可評估TPDS設備狀態(tài)，運用有效的方法提高垂直力測試精度，從而保證TPDS各項功能的正常應用。

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(責任審編 葛全紅)

U216.3

A

10.3969/j.issn.1003－1995.2015.10.34

1003－1995(2015)10－0156－04

2015－02－20;

2015－08－10

秦菊(1981—)，女，助理研究員。