D38型長大貨車在直線上運行的動態(tài)偏移量試驗研究

葛 鋒，魯寨軍，李 鵬

（1.中鐵特貨大件運輸有限責任公司 技術(shù)開發(fā)部，北京 100070；2.中南大學 交通運輸工程學院，湖南 長沙 410075）

工程技術(shù)與應(yīng)用

D38型長大貨車在直線上運行的動態(tài)偏移量試驗研究

葛 鋒1，魯寨軍2，李 鵬2

（1.中鐵特貨大件運輸有限責任公司 技術(shù)開發(fā)部，北京 100070；2.中南大學 交通運輸工程學院，湖南 長沙 410075）

對 D38型長大貨車的振動偏移量進行了實測試驗研究,結(jié)果表明：各速度級下的最大橫向偏移量在距軌面 1600mm高度以下時變化不大，隨著距軌面高度的繼續(xù)增加，最大橫向偏移量也線性增大；同一速度級下運行時，同一斷面不同高度處的最大垂向偏移量基本一致；最大偏移量與運行速度間不存在單增或單減的對應(yīng)關(guān)系，在 5 km/h~45 km/h 速度級，最大偏移量相差都不大；在直線上運行時的最大橫向偏移量和最大垂向偏移量分別為 198mm和 113mm，最大側(cè)滾角、搖頭角和點頭角分別為2.540°、0.311°和 0.309°。

動態(tài)偏移量；車輛運行姿態(tài)；在線檢測；長大貨車

由于鐵道車輛是一個具有彈簧懸掛裝置的多自由度系統(tǒng)，車體及其裝載的貨物相當于簧上質(zhì)量系統(tǒng)，在線路上運行時的輪軌相互作用和各種垂向、橫向力的作用下，會產(chǎn)生復雜的振動現(xiàn)象[1]。由于振動引起的車輛相對于軌道中心線和軌面的偏移，稱之為車輛動態(tài)偏移量。其中車輛系統(tǒng)的橫向振動偏移量將減小貨物與建筑限界的橫向距離，該距離是影響大件貨物運輸?shù)年P(guān)鍵因素之一[2]。因此，研究超限車橫向振動偏移量是合理確定其運行條件的基礎(chǔ)。國內(nèi)外對超限車橫向振動偏移量進行了一些理論和數(shù)值仿真分析。文獻[3]按靜態(tài)情況研究了最大限度的軌面不平順、一側(cè)旁承被壓死以及車體在該線路、風力、重力作用下在彈簧上的側(cè)滾這三個方面引起的側(cè)滾振動橫向偏移量。文獻[4]按極限狀態(tài)分析車輛結(jié)構(gòu)偏差量和曲線偏差量引起的橫向偏移量，得到貨車上心盤相對線路中心線的最大結(jié)構(gòu)偏差量在直線上為 77mm，曲線上為 79mm。文獻[5]、文獻[6]和文獻[7]分別對 N16 型、N17AK 型和 NX7Q 型平車的橫向振動偏移量進行了仿真分析，得到三種車型在不同運行條件下的最大橫向振動偏移量分別為 140mm、90mm、103.4mm。文獻[8]仿真分析得到：N17AK 型平車在 III級和 I級線路上運行時距軌面高度 5300mm 處的最大橫向偏移量分別為 143.3mm 和 94.5mm。文獻[9]對 DQ45 型鉗夾車通過小半徑曲線時鉗夾中心相對軌道中心線的橫向偏移量進行了仿真分析，得到：采用內(nèi)導向并向外側(cè)偏移 176mm 工況下通過半徑為 300m的曲線時，鉗形梁向內(nèi)側(cè)的最大橫向偏移量為 290mm。

中南大學于 2007 年研制成功鐵路車輛動態(tài)偏移量檢測系統(tǒng)，并對多種車型進行了實車測試實驗。文獻[10]～ 文獻[12]提出基于機器視覺的車輛動態(tài)偏移量檢測方案，介紹了檢測原理，分別建立了簡化的和精確的數(shù)學模型，并進行了相關(guān)實驗驗證；文獻[13]介紹了該動態(tài)偏移量監(jiān)測系統(tǒng)的圖像處理方法；文獻[14]介紹了基于軌道寬度的單目視覺車輛動態(tài)偏移量檢測方案，詳細研究了不同圖像處理方法對測試結(jié)果的影響。文獻 [15] 介紹了采用前述監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測得到Y(jié)W25G 型客車在大風環(huán)境下和非大風環(huán)境下的最大橫向振動偏移量分別為 141mm 和 86mm；文獻[16]監(jiān)測得到 P62K型空棚車在大風環(huán)境下分別和非大風環(huán)境下的最大橫向振動偏移量分別為 137mm和 83mm。

本文詳細研究和分析了 D38型長大貨車在直線上運行時的動態(tài)偏移量隨速度和距軌面高度變化的規(guī)律。

1 檢測方法

按照文獻[12]所述的基于機器視覺的測試方法：在被測車體非共線的三個點上分別安裝高速攝像機來檢測各測點相機到軌頂?shù)木嚯x，結(jié)合圖像處理定位軌頂和鋼軌中心，從而得到測點位置相對軌道的橫向和垂向偏移量，進一步分析得到車體的運行姿態(tài)及任意點的動態(tài)偏移量，如圖 1所示。

圖1 車輛動態(tài)偏移量檢測系統(tǒng)的測點布置及坐標系定義

設(shè)備布置和裝載后的試驗車輛如圖2所示，圖3為四個高速攝影拍攝的規(guī)定圖像（由于采用的單目模擬雙目立體視覺，因此每個攝像頭拍攝得到同一鋼軌的兩個圖像）。

圖2 裝載后的試驗車輛

圖3 拍攝的軌頂圖像

2 試驗條件

試驗車型 D38型長大貨車的標記載重 380t，自重230t。運送的貨物為哈爾濱電機廠生產(chǎn)的 60MW 火力發(fā)電機的定子，外形尺寸為 10350mm×4032mm× 4292mm，安裝托鉤后運輸尺寸為 11830mm×4032mm ×4875mm；定子、托鉤及其附件總重 328t，重心縱橫向與定子幾何中心重合；重車連掛長度 63648m，重車重心距軌面高 2394mm，貨物及車輛主體結(jié)構(gòu)縱橫對稱，裝車后為一級超重、超級超限。

試驗列車通過濱州、通讓、大鄭、沈山、京哈、豐沙、京包、包蘭、寶中等干支線，途經(jīng)哈爾濱、沈陽、北京、太原、呼和浩特、蘭州和西安鐵路局，行程3448km，最高運行速度 50km/h。

D38型長大貨車結(jié)構(gòu)和運輸?shù)呢浳铮òl(fā)電機定子）對稱，根據(jù)鉗夾的設(shè)備狀況，三個橫向動態(tài)偏移量傳感器分別置于鉗夾過渡圓弧下，橫向間距 1500mm，縱向間距 12620mm，如圖 4 所示。同時，為加大傳感器橫向偏移量的測試范圍，以檢測列車通過小曲線半徑時的橫向振動偏移量，相比其它車型的橫向振動偏移量測試設(shè)備，增加了運動補償與控制系統(tǒng)。將傳感器固定在運動補償與控制系統(tǒng)的導軌滑塊上，當測點的偏移量將要超出攝像機測試范圍時，控制系統(tǒng)自動發(fā)出指令，啟動動力驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動滑塊裝置連帶攝像機跟蹤軌道，并同步檢測滑塊裝置的橫移量實時反饋給計算機，將滑塊的橫移量與通過圖像處理獲得的橫移量疊加，得到測點相對軌道的橫向動態(tài)偏移量。

圖4 傳感器安裝位置

3 實驗結(jié)果分析

3.1 監(jiān)控點設(shè)置和速度分級

根據(jù)檢測需要確定如表 1所示的 14個高度（以軌面為基準）截面，縱中心線、一位側(cè)和二位側(cè)各自距縱中心線 2000mm 處的三個縱斷面，根據(jù)貨物尺寸確定貨物兩端和前后對稱面處的三個橫垂面，合計 126個監(jiān)控點。前后對稱的橫垂面上同一高度z處的三個監(jiān) 控 點 坐 標分 別為（0,2000,z）、（0,0,z）和（0,-2000,z），一位端橫垂面上同一高度z處的三個監(jiān)控點坐標分別 為（5175,2000,z）、（0,0,z）和（5175,-2000,z），二 位 端橫垂面上同一高度z處的三個監(jiān)控點坐標分別為（-5175,2000,z）、（0,0,z）和（-5175,-2000,z）。

列車最高運行限速 50km/h，為研究各速度級下的動態(tài)偏移量，將其分為 10 檔，每檔對應(yīng)的速度范圍如表2所示。

表 1 距軌面高度（z坐標） 單位：mm

表 2 速度分級 單位：km/h

3.2 最大橫向振動偏移量隨監(jiān)控點高度變化的規(guī)律分析

由實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析可知，同一速度級下運行時，同一高度處一位側(cè)、縱中心線、二位側(cè)的最大橫向偏移量兩兩相差最大不超過 4 mm，說明車體向一位側(cè)側(cè)滾和橫移的幅度與向二位側(cè)側(cè)滾和橫移的幅度相差很小。列車以不同速度級運行的情況下，端部和中部各高度處的最大橫向振動偏移量分別如圖5和圖 6 所示。圖中數(shù)據(jù)均為統(tǒng)計值，同一速度、不同監(jiān)控點的最大值不一定是由同一時刻的偏移量得到，最大偏移量包括取正負方向絕對值最大的偏移量。

圖5 端部最大橫向偏移量

圖6 中部最大橫向偏移量

由圖 5 可見，總體來說，各速度級下的最大橫向偏移量在距軌面 1600mm 高度以下時變化不大，隨著距軌面高度的繼續(xù)增加，最大橫向偏移量也線性增大。距軌面高 1000mm 測點的最大橫向偏移量為99mm，距軌面高 5300mm 測點的最大橫向偏移量在169mm～198mm之間變化。

運行速度為 45km/h 速度級時，最大橫向偏移量隨距軌面高度增加而增大。因此，在這一速度級下運行時，主要是下心滾擺；運行速度為 50km/h 速度級時，其極小值在距軌面高 1600mm 處，之后最大偏移量基本上是隨距軌面高度增加而增大。因此，在這一速度級下運行時，主要是下心滾擺。

當距軌面距離以米為單位時，將距軌面高度1.0m～5.3m 處的最大橫向偏移量曲線擬合，得到如下擬合公式：

各速度級下擬合公式的系數(shù)和相關(guān)度如表3所示。

表3 最大橫向振動偏移量與距軌面高度的相關(guān)性分析

表中相關(guān)度最小為 0.9952，可以認為采用三次多項式表示 D38 型長大貨車在直線上運行時的橫向振動偏移量隨距軌面高度的變化是合理的，能滿足工程應(yīng)用的要求。

圖7 不同運行速度端部最大垂向偏移量隨高度變化的曲線

各速度下，直線上運行時定子端部和中部不同高度處垂向振動偏移量的最大值如圖7所示。由測試數(shù)據(jù)可知，同一速度級下運行時，同一高度處一位側(cè)、二位側(cè)的最大垂向偏移量兩兩相差最大不超過 16mm。由圖可見，同一速度級下，不同高度處的最大垂向振動偏移量相差不超過 3mm，一位側(cè)和二位側(cè)的垂向偏移量均大于縱向中心線上的垂向偏移量 50mm～70mm。通過分析可知，當側(cè)滾角為 2°時，距離側(cè)滾中心 2000mm 位置處的 點由側(cè)滾 引起的偏 移量為70mm。后續(xù)結(jié)果表明，各速度級下的最大側(cè)滾角在2.1°～2.5°之間變化，這說明車體及貨物的側(cè)滾中心在縱中心線上。

中部和端部橫向振動偏移量最大值隨速度變化的曲線如圖 8所示。由圖可以看出，中部和端部最大橫向振動偏移量隨速度變化的曲線形狀幾乎完全相同，只是相差一個由于搖頭引起的偏移量。端部和中部的最大橫向振動偏移量均出現(xiàn)在列車運行速度5km/h 時，分別為 198mm 和 192mm；端部和中部的最大垂向振動偏移量則均出現(xiàn)在列車運行速度 30km/h時，分別為 113mm 和 112mm。

圖8 端部和中部最大偏移量與運行速度關(guān)系曲線

圖9 姿態(tài)角隨速度變化的關(guān)系

圖9為姿態(tài)角隨速度變化的曲線。由圖可見，隨速度增加，側(cè)滾角的最大值基本上都在 2.1°～2.5°之間變化，其最大值為 2.54°；搖頭角和點頭角均在0.22°～0.31°之間變化，其最大值分別為 0.311°和0.309°。

4 結(jié)論

對 D38 型長大貨車的振動偏移量進行了實測試驗研究，得到了如下結(jié)論：

（1）總體來說，各速度級下的最大橫向偏移量在距軌面 1600mm 高度以下時變化不大，隨著距軌面高度的繼續(xù)增加，最大橫向偏移量也線性增大；

（2）同一速度級下運行時，同一斷面不同高度處的最大垂向偏移量基本一樣；

（3）在直線上運行時的最大橫向偏移量和最大垂向偏移量分別為 198mm 和 113mm，最大側(cè)滾角、搖頭角和點頭角分別為 2.54°、0.311°和 0.309°。

（4）最大偏移量與運行速度間不存在單增或單減的對應(yīng)關(guān)系，在 5km/h～45km/h 速度級，最大偏移量相差都不大。

[1]王福天.車輛系統(tǒng)動力學[M].北京：中國鐵道出版社,1994.

[2]中華人民共和國鐵道部.鐵路超限貨物運輸規(guī)則[M].北京：中國鐵道出版社，2005.

[3]鞠殿銘，韓梅，郭維鴻.超限車側(cè)滾振動偏移量的確定方法及影響因素分析[J].鐵道學報,1996,18(6):63-68.

[4]王艷玲.提速后超限貨物運輸組織若干問題的研究[D].北京：北京交通大學，2006.

[5]鞠殿銘，王久梗，郭維鴻.超限車橫向振動最大偏移量計算的方法[J].北方交通大學學報,1999,23(3):48-52.

[6]李紅艷,韓梅,陳治亞等.超限貨物列車與鄰線普通貨物列車會車條件[J].中國鐵道科學,2009,30(5)：100-103.

[7]汪小霞.基于超限貨物運輸安全的 NX70 型平車橫向振動偏移量仿真研究[D].北京:北京交通大學，2012.

[8]韓梅.鐵路超限貨物運輸理論及其應(yīng)用研究[D].北京：北京交通大學，2006.

[9]谷薇.長大貨車通過限界及動力學性能的數(shù)值仿真[D].大連：大連鐵道學院，2003.

[10]韓伯領(lǐng),陳治亞,魯寨軍. 鐵路車輛動態(tài)偏移量的在線檢測[J].中南大學學報（自然科學版），2008,39(4):787-792.

[11]Lu Zhaijun,Tian Hongqi,Liu Yinglong.Measuring Technology of Rail Vehicle’s Offset Caused by Vibration[C].Proceeding-3rd International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation,ICMTMA 2011,v2,p 529-533,2011.

[12]魯寨軍.車輛動態(tài)偏移量測試技術(shù)研究及應(yīng)用[D].長沙：中南大學，2010.

[13]Lu Zhaijun,Tian Hongqi,Liu Yinglong,etc.Correlation matching algorithm based on dynamic gray threshold for catadioptric stereo vision[C].Proceedings 2009 IEEE International Conference on Intelligent Computing and Intelligent Systems,2009.

[14]鄭小波.基于機器視覺的機車車輛動態(tài)偏移量檢測研究及實現(xiàn)[D].長沙：中南大學，2008.

[15]魯寨軍,田紅旗.大風環(huán)境下 YW25G 型客車橫向振動偏移量研究[J].鐵道科學與工程學報.2011,8(3):57-61.

[16]李紅艷,陳治亞,趙鋼,魯寨軍.大風環(huán)境下 P62K 型空棚車橫向振動偏移量試驗研究 [J]. 鐵道科學與工程學報.2011,8(6): 98-104.

xperimental study on the offset generated by the vibration of the heavy and long freight type D38 vehicle running on straight line

GE Feng1,LUZhai-jun2,LI Peng2
(1.School ofTransportation and Logistics,Southwest JiaotongUniversity,Chengdu,Sichuan,610031; 2.School ofTraffic and Transportation Engineering,Central South University,Changsha,Hunan,410075)

The research through actual test on the offset generated by the vibration of the heavy and long freight type D38 vehicle shows as follows:maximum lateral offset changes little belowthe height 1600mm of the track surface under each speed level. With the height from the track surface increasing continuingly,the maximum lateral offset also increase linearly.When running at the same speed level,the maximum offset of the same section in different vertical height substantially the same.There is no single increase or single decrease relationship between the maximum offset and running speed,while the maximum offset difference is not large at the speed level of 5 km/h～45 km/h.When running on a straight line,the maximum lateral offset and maximum vertical offset are 198 mmand 113 mmrespectively,as well as the maximumroll angle,yawangle and nod angle are 2.54°,0.311°and 0.309°.

the offset generated bythe vibration;vehicle attitude;on-line detection;heavyand longfreight

U270.1

A

1671-5004（2017）03-0005-05

2017-05-08

新世紀優(yōu)秀人才支持計劃項目（項目編號：NCET-13-0592）

葛鋒（1969-），男，遼寧岫巖人，高級工程師,研究方向：鐵路大件貨物運輸；魯寨軍（1975-），男，湖南醴陵人，中南大學交通運輸工程學院副教授、博士，研究方向：車輛結(jié)構(gòu)強度與動力學；李鵬（1985-），男，河北洛陽人，中南大學交通運輸工程學院博士研究生，研究方向：車輛結(jié)構(gòu)強度與動力學。