洪玉輝,姜 成,熊 芯

(中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所,北京100081)

隨著我國經(jīng)濟的迅猛發(fā)展,大批國家重點工程的開工建設,大量的大型設備需要運輸,其中鐵路擔負著主要的運輸份額,一批長大專用貨車出現(xiàn)在鐵路線上。

鑒于大型設備的重要性和特殊性,在運輸過程中需要實時監(jiān)測車輛、設備的狀態(tài)。為提高鐵路貨運運行速度,保證行車安全,監(jiān)測、測試和研究貨運列車的各方面性能尤為重要。

1 長大鐵路貨車

長大貨車主要用來運輸長大、超重、超限貨物,這些貨物往往是國家重點工程項目的關鍵設備。和通用貨車相比,長大貨車由于其載重量大、載重貨物特殊等因素,其承載方式、轉向架形式、車體結構等方面具有自身的特點。長大貨車大致可分為凹底平車、落下孔車、鉗夾車、長大平車和雙聯(lián)平車等。到目前為止,我國大約有各種長大貨車400輛,運輸著國家重點工程中的大型重要設備,在國民經(jīng)濟建設中有著十分重要的地位和作用。

下面以DQ45型鉗夾式長大貨車為例,來說明長大貨車的主要特點。2009年11月完成該車出廠前的強度試驗和動力學性能試驗,該車在標準軌距鐵路上使用,可適應裝運電力等行業(yè)的短、粗、重、超限、超重、超大貨物,特別適于1 000 MW發(fā)電機定子等貨物的運輸。

該車具有如下主要特點:

(1)該車載重450 t、自重208 t,是目前中國鐵路載重噸位最大的鉗夾式貨車,具有載重大、自重輕、適用范圍廣的特點。

(2)該車采用3E軸和4E軸轉向架,共28根軸,每延米軌道載重10.05 t,重車最高運行速度60 km/h,過橋性能好、運營成本低、運輸效率高。

(3)該車設有內(nèi)、中、外3種導向裝置、液力起升裝置、側移裝置及液壓縱向連通旁承裝置,能夠順利通過多種既有線路線況,提高了運輸超限貨物能力和裝卸效率。

(4)空車不超限,具有回送速度高,空車最高運行速度100 km/h,對鐵路運輸影響小的特點。

(5)該車液壓系統(tǒng)采用集成化泵站、電磁比例控制,提高了液壓系統(tǒng)的工作可靠性。

2 長大貨車運輸監(jiān)測技術

在超限超重貨物運輸中,需要對載重量很大的長大貨車運輸進行均載檢測及全程技術監(jiān)測:

(1)長大貨車在出廠前通過了強度試驗和動力學性能試驗。為了確保運輸?shù)陌踩?在動力學試驗報告中,提出對該車要進行全程技術監(jiān)測或者是新車前幾次運輸必須進行全程技術監(jiān)測。

(2)長大貨車由于結構上的特點,在裝載貨物時,可能造成裝載不均勻,因此在裝載時,需要進行檢測,通過調(diào)整車輛狀態(tài)達到裝載的均勻性。

(3)在超重超限貨物運輸?shù)倪^程中,線路狀態(tài)可能與試驗中有所不同,為了確保運輸?shù)陌踩?需要進行全程技術監(jiān)測。

(4)在運輸過程中,可能有多輛超限超重車編在同一專列中,載重量都很大,沿途行經(jīng)的線路非常復雜,例如小半徑、大超高、S形曲線、復式交分或者交叉渡線等,為了確保運輸?shù)陌踩?隨時掌握各長大貨車的狀態(tài),需要進行全程技術監(jiān)測。

(5)長大貨車車輛在頻繁的使用過程中,某些技術參數(shù)和指標可能會出現(xiàn)逐漸下降的趨勢。為了解載重量很大的長大貨車的狀態(tài),需要對車輛進行跟蹤,積累運行數(shù)據(jù)。通過對積累數(shù)據(jù)的分析,為車輛今后使用、維護、保養(yǎng)及維修提供有效依據(jù),為長大貨車的設計開發(fā)提供參考。

(6)長大貨車在途經(jīng)地方鐵路和專用線時,由于修建和維護等級的原因,線路狀況一般比國鐵正線差,因此也是監(jiān)測的重點。

對不同種類、不同型號的長大貨車,監(jiān)測方案是不同的。在制定監(jiān)測方案時主要遵循以下幾個方面考慮:

(1)監(jiān)測車輛不偏載、貨物不傾斜,例如鉗夾車的掛貨鉤、落下孔車肩座應力監(jiān)測。

(2)車輛關鍵部位應力監(jiān)測,保證車輛關鍵部位受力在許用應力范圍內(nèi),例如車輛的等分撐桿、斜桿及桿座處腹板應力的監(jiān)測。

(3)車輛運行的平穩(wěn)性,尤其是在通過小半徑、大超高、S形曲線、復式交分或者交叉渡線等線路線況時的平穩(wěn)性,例如車輛小底架心盤處橫向、垂向加速度及彈簧動撓度的監(jiān)測。

近十幾年來,通過對 D38,DQ35,D45,D32,D26B和DK36等長大貨車的運輸進行全程技術監(jiān)測,積累了大量的有效數(shù)據(jù),為長大貨車車輛的安全使用提供了依據(jù)。通過對這些數(shù)據(jù)的分析,隨時修訂某些長大貨車的使用條件。

先進的測試設備和功能強大的軟件,組成了性能卓越的長大貨車裝車均載檢測、靜強度檢測等技術狀態(tài)檢測系統(tǒng)和運輸技術監(jiān)測系統(tǒng)。

2.1 硬件方面

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般由一套信號采集儀、兩臺計算機、電源等組成。一臺計算機控制采集儀進行數(shù)據(jù)采集,并進行陀螺、速度信號的采集與顯示,一臺計算機用于數(shù)據(jù)實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)集中處理。

2.1.1 VXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)介紹

VXI動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要完成高速動態(tài)數(shù)據(jù)采集,該系統(tǒng)具有很好的采樣穩(wěn)定性和很強的抗干擾能力,能夠對采樣數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測與處理,單通道最高采樣頻率可達100 kHz。主要由主機箱、IEEE-1394總線零槽控制器、E1413C和E1332A模塊組成。通過連接傳感器、采集儀、計算機,組成完整的監(jiān)測系統(tǒng),該系統(tǒng)具有多方式、高速度的數(shù)據(jù)采集及傳輸,超大容量的數(shù)據(jù)存儲,高速度的數(shù)據(jù)與信息處理功能。

在超限超重貨物運輸中,需要監(jiān)測車體關鍵部位的動應力、車體小底架心盤加速度、彈簧動撓度、承載結構的動應力,確認這些參數(shù)是否超過安全限度,隨時提供數(shù)據(jù)和建議,確保長大貨車運輸安全。因此,在專列編組后,通過連接測試線將測試點與試驗車上的VXI動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計算機連接,完成監(jiān)測系統(tǒng)的組建。由于長大貨車較長,最遠的測試點到達試驗車有100多米,一般一輛長大貨車運輸監(jiān)測點有20～30個?？梢?要完成監(jiān)測系統(tǒng)的組建、調(diào)試還是有相當工作量的,況且每道工序都必須認真、仔細、安全、可靠,決不能在運輸途中出現(xiàn)問題。

隨著國家重點工程的增多,也給長大貨物的運輸帶來了機遇。例如發(fā)電廠和輸變電站的建設,需要運輸多臺發(fā)電機定子或變壓器。如果一趟專列能夠運輸幾臺,既經(jīng)濟,又快捷!但是如何保證運輸?shù)陌踩?監(jiān)測工作如何來做,前面提到一臺長大貨車的最遠測試點距試驗車有100多米,如果是二臺長大貨車在試驗車同側編組的話,最遠測試點距試驗車就有200多米,況且一臺VXI動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀的通道是有限的。這既是個機遇,也是一個課題。

2.1.2 IMC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)介紹

具有網(wǎng)絡連接特點的IMC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)正好能夠解決上述問題。

IMC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特點是多方式、高速度的數(shù)據(jù)采集及傳輸;單通道最高采樣頻率可達100 kHz;多臺儀器可同時在一個任務中使用,測試通道可不受限制;通過局域網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸,每臺儀器的位置可不受限制;多臺儀器可進行時鐘同步,保證數(shù)據(jù)采集同步。

IMC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是德國IMC集成測控公司德國集成測控有限公司(Integrated Measurement&Control)生產(chǎn)制造的智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),其中CRONOS SL系列可在嚴苛環(huán)境條件下測量,如極端高低溫、水花潑濺、強烈振動等,具備相應防護等級的測量設備,此種情況最常發(fā)生在長時間現(xiàn)場測試或者車載、機載、艦載等移動載具測試。IMC CRONOS SL正是這樣一款堅固結實的測試系統(tǒng),符合溫度、振動、環(huán)境指標最為苛刻的美軍標MIL STD810F。CRONOS SL可以在常規(guī)測量設備無法工作的惡劣環(huán)境下出色地完成長時間測試和監(jiān)控工作。

例如,靈寶換流站變壓器第3次鐵路運輸,就使用了IMC動態(tài)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)及配套設備,專列編組如圖1所示。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由4套IMC信號采集儀、3臺計算機、電源等組成一個局域網(wǎng),通過局域網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸,如圖2所示。一臺計算機控制IMC進行數(shù)據(jù)采集、存儲,并進行速度信號的采集與顯示,兩臺計算機用于數(shù)據(jù)實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)集中處理。該系統(tǒng)具有很好的采樣穩(wěn)定性和很強的抗干擾能力,能夠對采樣數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測與處理。

本次運輸是第1次4臺聯(lián)運、同側編組,最遠端儀器距試驗車約有400 m,測點多達60多個,距離遠、數(shù)據(jù)量大。4臺(套)IMC信號采集儀分別安放于4輛D型落下孔車之上,使測點與儀器之間的測試連接線最短,信號衰減小。4臺(套)IMC信號采集儀之間采用網(wǎng)線連接,靠近試驗車最近的一臺與計算機連接,組成一個局域網(wǎng)絡,電源線隨網(wǎng)絡線一同布下。這樣做不僅大大減少工作量,而且大大提高了測試系統(tǒng)的可靠性。

再如哈爾濱到鎮(zhèn)雄、興義發(fā)電機定子第2次鐵路運輸,采用D38型和DQ35型鉗夾車聯(lián)運的方式。在聯(lián)運期間采用光纖電纜,將兩車監(jiān)測系統(tǒng)局域網(wǎng)組成一個監(jiān)測系統(tǒng)局域網(wǎng),在一個試驗車上完成聯(lián)運監(jiān)測工作。聯(lián)運結束后,拆除光纖電纜,恢復各自的監(jiān)測系統(tǒng)。

這樣做,還有一個好處,專列編組前就可以分別組建各長大貨車的監(jiān)測系統(tǒng),待專列編組后再連接組建一個完整的專列監(jiān)測系統(tǒng),大大縮短了專列開行前的準備時間。

圖1 靈寶換流站變壓器第3次鐵路運輸專列編組示意圖

圖2 IMC數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)組成原理圖

2.2 軟件方面

技術狀態(tài)檢測系統(tǒng)和運輸技術監(jiān)測系統(tǒng)中所應用的軟件是由中國鐵道科學研究院機車車輛研究所開發(fā)的DASO機車車輛動力學分析軟件,經(jīng)近十幾年的不斷完善,實用性很強,數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計功能全面。

打開軟件,選擇車型:貨車,出現(xiàn)貨車示意圖,就可以在貨車的相應位置添加相應的測試點,例如應力測試點、振動加速度測試點、陀螺儀等,方便直觀。然后,連接好測試系統(tǒng),打開參數(shù)定義表,設定測點參數(shù),軟件就可進入數(shù)據(jù)采集、計算、分析、統(tǒng)計,進行實時監(jiān)測。

一般采用兩臺計算機完成監(jiān)測任務,一臺進行數(shù)據(jù)采集,并實時顯示各個通道信號波形、數(shù)據(jù)最大值、速度、里程、線路線況等;另一臺進行計算,并實時顯示各個通道信號當前值、歷史最大值,實時分析統(tǒng)計:選擇不同通道進行信號波形對比,分析運行狀態(tài);按線路、線況(直道、道岔、曲線)進行統(tǒng)計,并根據(jù)速度、里程繪制散點圖,查看、分析數(shù)據(jù)分布,利用各種信息綜合分析車輛的運行狀態(tài)。

通過局域網(wǎng),可以實現(xiàn)多臺計算機的計算、分析、統(tǒng)計,實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享,隨時提供長大貨車的運行狀態(tài),及時處理異常狀況,確保長大貨車的安全運行。

2.3 裝車均載檢測

長大貨車由于結構上的特點,在裝載貨物時,可能造成裝載不均勻,因此在裝載時,需要進行檢測,通過調(diào)整車輛狀態(tài)達到裝載的均勻性。目前,長大貨車中的D38、DQ35在裝載 600 MW 發(fā)電機定子時,進行均載檢測。DQ45型長大貨車近期裝載運輸1 000 MW發(fā)電機定子時也進行了裝車均載檢測。

由于長大貨車采用鉗夾式方法運輸,貨物裝上后,4個鉗形梁和掛貨鉤受力是否均勻,對運輸安全有很大影響。所以每次裝車完畢,均由監(jiān)測單位對裝車情況進行檢測,以保證4個鉗形梁、掛貨鉤受力均勻。

在鉗型梁和掛貨鉤相同部位測量應力的方法進行分析判斷,鉗型梁測點布置在靠近耳孔的下蓋板處,掛貨鉤的測點布置在耳孔板R300 mm圓弧根部附近。

依據(jù)“鉗夾式貨車運輸發(fā)電機定子裝車均載檢測暫行辦法”中關于裝車均載合格的判定要求,判斷鉗夾式貨車裝車均載檢測結果是否合格:每位鉗型梁的應力與平均應力的相對差值 δi,當每個掛貨鉤的應力與平均應力的相對差值 δj,當 δj=兩項都滿足判斷為均載合格。合格后,還需重復檢測2次,以復核裝車均載狀態(tài)是否穩(wěn)定,若有變化需要重新調(diào)整檢測。

先進可靠的技術檢測、全程實時的技術監(jiān)測系統(tǒng)能夠將長大貨車的運行狀態(tài)直接、真實、可靠、實時地反映出來,確保運輸?shù)陌踩?/p>

3 長大貨車運輸監(jiān)測技術的發(fā)展趨勢

隨著科學技術的不斷進步,計算機和網(wǎng)絡技術的發(fā)展,長大貨車監(jiān)測技術趨于網(wǎng)絡化、遠程化和綜合化。由于運輸安全涉及多方面的因素,車輛型號多樣化,運行條件的變化,監(jiān)測方案也要相應調(diào)整,既要保證貨物運輸?shù)陌踩?又要經(jīng)濟適用。

3.1 專列運輸

隨著新型長大貨車的研制使用,運輸形式也隨之發(fā)生變化,超限、超重貨物運輸專列編組多種多樣,由單輛長大貨車編組,向多輛同型號長大貨車編組、多輛不同型號長大貨車混編發(fā)展。因此,運輸技術監(jiān)測方案、監(jiān)測系統(tǒng)、監(jiān)測技術都需要進一步提升,要求監(jiān)測人員的素質(zhì)高、責任心強、技術全面、經(jīng)驗豐富、能夠很好處理運輸監(jiān)測中出現(xiàn)的各種問題,為全程運輸確實起到保駕護航的作用。

3.2 隨車監(jiān)測儀器

用于非專列運輸、有人職守的D型車輛上,選擇反映運行狀態(tài)的關鍵參數(shù),并設定門限值,分級報警。根據(jù)報警級別,及時檢查車輛狀態(tài),或采取相應的措施,確保運輸安全。

無人職守的D型車輛的監(jiān)測數(shù)據(jù),可采用無線傳輸?shù)姆绞?發(fā)送到相關部門。

3.3 無線傳輸技術

無線傳輸設備和技術,此設備一部分(發(fā)射部分)安放在試驗車上,加入到監(jiān)測系統(tǒng)局蜮網(wǎng)中,還有一部分(接收部分)安放在辦公室內(nèi)。足不出戶,就可了解到運輸專列所在位置,運行速度,隨時查看監(jiān)測系統(tǒng)所采集到的數(shù)據(jù),還可對該數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

隨著科學技術的發(fā)展,未來的監(jiān)測技術會越來越先進、可靠。

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