動(dòng)車(chē)組的輪重偏載狀態(tài)關(guān)系到鐵路現(xiàn)代化管理、運(yùn)輸安全的重要因素。多年來(lái)世界各國(guó)都在研制各種輪對(duì)負(fù)荷、車(chē)輛裝載和運(yùn)行狀態(tài)的檢測(cè)裝置，但迄今還沒(méi)有一種能方便快捷、準(zhǔn)確可靠地進(jìn)行輪重檢測(cè)。其根本原因是因?yàn)閯?dòng)態(tài)稱(chēng)量采用鋼軌剪力法測(cè)量原理，一般有效測(cè)量區(qū)只有300 mm～400 mm，只能檢測(cè)到瞬時(shí)的較實(shí)際靜載或大或小的動(dòng)載數(shù)據(jù)，重量檢測(cè)精度很低；靜態(tài)稱(chēng)量采用單輛車(chē)逐一稱(chēng)量，工作流程復(fù)雜，效率低下，都不能完全適應(yīng)國(guó)內(nèi)檢修的需求。

目前，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的列車(chē)稱(chēng)重設(shè)備多以軌道衡和超偏載儀為主，其原理是在軌枕之間組成剪力測(cè)試區(qū)，它主要應(yīng)用貨車(chē)的整車(chē)計(jì)量、整車(chē)偏載的測(cè)量和簡(jiǎn)單輪重的量化計(jì)量，由于動(dòng)車(chē)組結(jié)構(gòu)的不同和動(dòng)車(chē)組檢修作業(yè)方法的不同，它們的作業(yè)方式、性能指標(biāo)和測(cè)量精度，都無(wú)法滿足適應(yīng)動(dòng)車(chē)組檢修過(guò)程中對(duì)輪重檢測(cè)的實(shí)際需要。

動(dòng)車(chē)組檢修單位需要一種能準(zhǔn)確、快速地檢測(cè)單側(cè)輪對(duì)承受重量的檢測(cè)裝置，以方便、高效地進(jìn)行同軸左右輪對(duì)糾偏調(diào)整。為此，我們將JWLZ動(dòng)車(chē)組輪重檢測(cè)裝置列為專(zhuān)項(xiàng)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目進(jìn)行研制。

1 結(jié)構(gòu)

1.1 總體架構(gòu)

JWLZ動(dòng)車(chē)組輪重檢測(cè)裝置是一款滿足適應(yīng)動(dòng)車(chē)組檢修過(guò)程中對(duì)輪重進(jìn)行檢測(cè)的設(shè)備，分為檢測(cè)平臺(tái)和操作平臺(tái)，由機(jī)械承載部分、高精度傳感器總成、高速數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理判別軟件和標(biāo)定設(shè)備5大模塊及附屬結(jié)構(gòu)組成。根據(jù)測(cè)量方式不同，分為動(dòng)態(tài)輪重檢測(cè)裝置和靜態(tài)輪重檢測(cè)裝置，本文著重介紹動(dòng)態(tài)輪重檢測(cè)裝置?？傮w結(jié)構(gòu)如圖1，其中，接線盒以下部分除標(biāo)定設(shè)備屬于檢測(cè)平臺(tái)，以上部分屬于操作平臺(tái)。輪重檢測(cè)裝置的基礎(chǔ)稱(chēng)重平臺(tái)，采用鐵路軌道結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的短軌結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)。檢測(cè)時(shí)計(jì)算機(jī)采集所測(cè)轉(zhuǎn)向架4個(gè)車(chē)輪施加到兩側(cè)短軌式傳感器的壓力，分別測(cè)出每個(gè)車(chē)輪載荷、再根據(jù)采集到的波形和軌跡，利用相應(yīng)計(jì)算方法，計(jì)算出輪重、軸重、轉(zhuǎn)向架重、整車(chē)重、以及輪重差等數(shù)據(jù)。并將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到終端數(shù)據(jù)庫(kù)，輪重控制系統(tǒng)可對(duì)終端數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息進(jìn)行處理，完成階段統(tǒng)計(jì)、制表、打印、超限報(bào)警等功能，并可通過(guò)動(dòng)車(chē)基地信息化管理系統(tǒng)接口上傳數(shù)據(jù)。 車(chē)間維修人員可根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)車(chē)輛的偏載情況直接進(jìn)行糾偏調(diào)整。

圖1 輪重檢測(cè)裝置總體框架圖

1.2 機(jī)械承載部分

輪重檢測(cè)裝置檢測(cè)平臺(tái)軌道結(jié)構(gòu)要求保持原軌道的強(qiáng)度和平整度，并且作為長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的檢測(cè)設(shè)備，需保持檢測(cè)平臺(tái)所在軌道結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，以保證測(cè)量數(shù)據(jù)可靠。因此，輪重檢測(cè)裝置在檢測(cè)平臺(tái)采用剛性軌道結(jié)構(gòu)。

為了安裝時(shí)不受限制，傳感器設(shè)計(jì)適合于各種剛性軌道結(jié)構(gòu)，但這并不意味著傳感器總成可以隨意安裝，需在原剛性軌道結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上做進(jìn)一步的設(shè)計(jì)，在軌道結(jié)構(gòu)按照傳感器總成格式設(shè)計(jì)完畢后，相對(duì)傳感器總成就是透明的。

剛性軌道結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度及平整度對(duì)列車(chē)重量偏移影響很大，且線路的平直誤差對(duì)列車(chē)前后車(chē)輛的重量轉(zhuǎn)移及輪重檢測(cè)精度造成極大的影響。輪重檢測(cè)裝置剛性軌道結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度不低于3節(jié)車(chē)長(zhǎng)度，考慮作業(yè)方便應(yīng)將其放置于維修庫(kù)門(mén)口，其軌面高度差及方向差應(yīng)在1 mm之內(nèi)，軌距符合技規(guī)。

剛性軌道結(jié)構(gòu)里應(yīng)預(yù)埋用來(lái)安裝傳感器總成的傳感器總成安裝平臺(tái)，加強(qiáng)鋼筋編織成一定強(qiáng)度的花梁，不但能方便傳感器的安裝和橫向及縱向調(diào)整，還能增強(qiáng)傳感器總成及軌道的縱向強(qiáng)度。

1.3 傳感器總成

在設(shè)計(jì)中把一定長(zhǎng)度的軌道用等長(zhǎng)度的傳感器代替。采用高精度的傳感器，用剪力測(cè)量的方法，測(cè)取輪對(duì)對(duì)鋼軌的垂向力，并采取全橋式的檢測(cè)電路和補(bǔ)償電路；采集完整連續(xù)電信號(hào)。

檢測(cè)平臺(tái)工作中檢測(cè)每個(gè)動(dòng)車(chē)轉(zhuǎn)向架4個(gè)車(chē)輪的輪重，使用了由4只專(zhuān)用動(dòng)態(tài)傳感器。通過(guò)傳感器的長(zhǎng)度和位置的設(shè)計(jì)，保證兼容目前鐵路內(nèi)使用的所有動(dòng)車(chē)轉(zhuǎn)向架。整列車(chē)動(dòng)態(tài)檢測(cè)平臺(tái)適合各種型號(hào)動(dòng)車(chē)組動(dòng)態(tài)稱(chēng)重，如圖2。

圖2 傳感器總成

1.4 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊包括信號(hào)放大電路、濾波電路、模數(shù)變換器及可編程接口電路，其將模擬信號(hào)放大并經(jīng)濾波器預(yù)處理，變成帶限信號(hào)，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號(hào)，最后由計(jì)算機(jī)完成信號(hào)處理。

數(shù)據(jù)采集模塊均采用4通道，根據(jù)檢測(cè)區(qū)傳感器總成的個(gè)數(shù)不同，分布的數(shù)目也不相同。輪重檢測(cè)裝置檢測(cè)區(qū)只有4個(gè)傳感器，數(shù)據(jù)采集模塊僅需一塊就能滿足應(yīng)用。

1.5 數(shù)據(jù)處理判別軟件

數(shù)據(jù)處理判別軟件根據(jù)使用方式不同分為檢測(cè)程序和結(jié)果查詢程序，前者在采集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù)的時(shí)候應(yīng)用，后者則是查詢數(shù)據(jù)、打印數(shù)據(jù)和錄入信息時(shí)使用。這樣將應(yīng)用程序分層設(shè)計(jì)，好處是不會(huì)因?yàn)閿?shù)據(jù)庫(kù)等后臺(tái)程序故障影響前臺(tái)檢測(cè)程序的運(yùn)行，檢測(cè)時(shí)也不影響數(shù)據(jù)查詢，軟件模塊化設(shè)計(jì)使后期維護(hù)方便，并且使檢測(cè)程序界面簡(jiǎn)潔。

1.6 標(biāo)定設(shè)備

為了讓輪重檢測(cè)裝置長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠地工作，需要每隔一定時(shí)間（一般周期為一年）對(duì)輪重裝置進(jìn)行一次標(biāo)定。因?yàn)楸粰z測(cè)的是輪對(duì)重量，一個(gè)點(diǎn)狀或線狀工裝很難構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，無(wú)法直接用砝碼進(jìn)行校驗(yàn)，所以我們研制了專(zhuān)用校準(zhǔn)裝置，用于對(duì)輪重檢測(cè)裝置進(jìn)行校準(zhǔn)。采用踏面有突起的車(chē)輪及萬(wàn)能轉(zhuǎn)向軸的專(zhuān)用標(biāo)定車(chē)，其左右前后各車(chē)輪重量分配始終保持穩(wěn)定。

1.7 附屬結(jié)構(gòu)

輪重檢測(cè)裝置在沿線路方向測(cè)量平臺(tái)以外，接近測(cè)量傳感器4個(gè)方向的鋼軌內(nèi)側(cè)安裝護(hù)輪軌，用來(lái)糾正所測(cè)車(chē)輛左右位移，減少兩側(cè)傳感器總成上輪對(duì)的重量轉(zhuǎn)移。

1.8 檢測(cè)方式

檢測(cè)時(shí)，動(dòng)車(chē)組在不解編的情況下，緩緩地（5km/h以下）通過(guò)檢測(cè)區(qū)。傳感器總成感應(yīng)出壓力，將信號(hào)傳輸?shù)酵ǖ览?，供?shù)據(jù)采集模塊采集及后續(xù)處理。盡管輪對(duì)踏面與鋼軌上表面的接觸面在不停變化而引起測(cè)量點(diǎn)值不同，因有足夠長(zhǎng)的測(cè)量區(qū)，用濾波算法采集數(shù)據(jù)，高精度的傳感器和高速數(shù)據(jù)采集卡，如此方便快捷地稱(chēng)量輪重，檢測(cè)精度優(yōu)于3‰（用標(biāo)定砝碼車(chē)，在北京動(dòng)車(chē)段兩臺(tái)輪重檢測(cè)裝置上檢測(cè)到最大誤差僅為1.83‰）。

檢測(cè)速度不能大于5 km/h，在采樣頻率一定的情況下（采樣頻率已達(dá)到2 kHz，若再提高采樣頻率，會(huì)增加很大成本），速度過(guò)快會(huì)引起采樣點(diǎn)數(shù)太少，會(huì)使測(cè)量精度降低，還有可能使系統(tǒng)根本就無(wú)法進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)速度則可根據(jù)文獻(xiàn)[3] 相關(guān)規(guī)定，限制在35 km/h以下，為了更好地保護(hù)傳感器，我們一般要求通過(guò)速度不大于30 km/h。

2 關(guān)鍵技術(shù)

JWLZ動(dòng)車(chē)組輪重檢測(cè)裝置是檢測(cè)動(dòng)車(chē)組輪對(duì)載重分配是否合理的檢測(cè)設(shè)備。在研制中除了研究自身的基礎(chǔ)承載、傳感器精度、數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理問(wèn)題外，還要對(duì)被測(cè)車(chē)輛受力與前后車(chē)輛關(guān)聯(lián)性，減少所測(cè)車(chē)輛和前后車(chē)輛的重量轉(zhuǎn)移、車(chē)輛輪對(duì)重量轉(zhuǎn)移等問(wèn)題進(jìn)行研究。另外，對(duì)傳感器的標(biāo)定、全系統(tǒng)的標(biāo)定問(wèn)題，及各種型號(hào)的動(dòng)車(chē)組兼容使用、可以運(yùn)用到各種軌道的問(wèn)題進(jìn)行研究。

（1）獨(dú)立測(cè)量區(qū)：要精準(zhǔn)地測(cè)量輪重，最合理的方法是檢測(cè)時(shí)每個(gè)輪對(duì)都有獨(dú)立的測(cè)量區(qū)。（2）短軌式傳感器總成：把傳感器總成設(shè)計(jì)成一個(gè)短軌結(jié)構(gòu)，其頂部結(jié)構(gòu)與鋼軌完全一致，列車(chē)可以安全通過(guò)，同時(shí)短軌傳感器可以在有效地長(zhǎng)度內(nèi)準(zhǔn)確測(cè)得輪載信號(hào)。輪重在傳感器總成全長(zhǎng)的范圍內(nèi)部都能測(cè)到。傳感器總成是直接安裝，不需要任何限位機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便，也避免由限位裝置產(chǎn)生的誤差。（3）輪重檢測(cè)裝置標(biāo)定：專(zhuān)用砝碼標(biāo)定車(chē)對(duì)輪重檢測(cè)裝置進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定。（4）數(shù)據(jù)濾波算法：采用小波變換方法濾波，剔除異常點(diǎn)值，得到各輪重的最優(yōu)估計(jì)值。（5）檢測(cè)平臺(tái)公鐵兩用：根據(jù)需要可以把檢測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)成公鐵平交軌道，汽車(chē)可在檢測(cè)平臺(tái)上面通行，而不會(huì)破壞傳感器總成等檢測(cè)設(shè)備。

3 應(yīng)用

該設(shè)備已經(jīng)成功應(yīng)用于北京、武漢、上海、廣州動(dòng)車(chē)檢修基地到目前系統(tǒng)已穩(wěn)定運(yùn)行。

在北京動(dòng)車(chē)客車(chē)段，設(shè)備通過(guò)各種型號(hào)及不同編組的動(dòng)車(chē)組實(shí)驗(yàn)，并經(jīng)鐵道部質(zhì)檢中心檢驗(yàn)合格后，已完成十多列CRH2型8編組動(dòng)車(chē)組檢修。

4 功能擴(kuò)展

為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，現(xiàn)場(chǎng)可無(wú)人職守，可使輪重檢測(cè)裝置功能擴(kuò)展并增加一個(gè)總控制臺(tái)。專(zhuān)用傳感器信號(hào)處理與原有一樣，可增加高程監(jiān)測(cè)。如果基礎(chǔ)好，經(jīng)過(guò)測(cè)試得知軌道下沉很小，就不設(shè)高程監(jiān)測(cè)。另外設(shè)4個(gè)軸就位信號(hào)，這是為了適應(yīng)不同的定距，軸距車(chē)輛的車(chē)輪而設(shè)，當(dāng)4個(gè)軸全部就位時(shí)才能稱(chēng)重。現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人職守時(shí)，可加設(shè)4個(gè)攝像頭對(duì)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)視。總控/顯示臺(tái)中有8個(gè)輪重、8個(gè)輪的相對(duì)高程和4個(gè)軸的就位顯示。另外，還向現(xiàn)場(chǎng)發(fā)出各種指令，如燈信號(hào)、鈴信號(hào)和對(duì)講。

5 結(jié)束語(yǔ)

該設(shè)備不僅適用于動(dòng)車(chē)組，同時(shí)可應(yīng)用于大功率機(jī)車(chē)以及地鐵工程。

實(shí)際應(yīng)用證明，該設(shè)備成功地實(shí)現(xiàn)了動(dòng)車(chē)組輪重檢測(cè)功能，達(dá)到了測(cè)量的精度，促進(jìn)了動(dòng)車(chē)組檢修工作的系統(tǒng)化，提升了檢修基地的管理水平。并且對(duì)其它類(lèi)似設(shè)備有一定的參考價(jià)值。

[1] 中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵路線路維修規(guī)則[S] . 北京：中國(guó)鐵道出版社，2001.

[2] 中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵路技術(shù)管理規(guī)程[S] . 北京：中國(guó)鐵道出版社，2006.