張瑞國

摘要：為了減少鐵路貨車超載和欠載現(xiàn)象，更好提升鐵路貨運(yùn)效益與駕駛安全性，并解決現(xiàn)有車輛稱重技術(shù)稱重地點(diǎn)受限問題，本論文對(duì)鐵路貨車車載電子稱重技術(shù)進(jìn)行研究。提出了基于紅外測(cè)距傳感器車載電子稱重系統(tǒng)方案。該系統(tǒng)主要包括三個(gè)模塊：數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)傳輸顯示模塊。實(shí)測(cè)結(jié)果表明本論文設(shè)計(jì)的基于紅外傳感器鐵路貨車車載電子稱重系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量鐵路貨車載重量并作出預(yù)警提示。

關(guān)鍵詞：鐵路貨車;車載電子稱重;紅外測(cè)距傳感器

0 ?引言

鐵路貨車超載會(huì)影響車輛部件的性能，并對(duì)鐵軌造成損壞，從而產(chǎn)生嚴(yán)重的安全事故。同時(shí)，欠載也會(huì)增加貨物的運(yùn)輸成本。讓每列鐵路貨車在不超載情況下裝載更多的貨物，減少欠載與超載情況，有利于提高機(jī)車行駛的安全性，同時(shí)還能降低貨運(yùn)成本和提高收益。因此，車輛稱重對(duì)鐵路貨車運(yùn)營有著重要意義。

車輛稱重技術(shù)主要分為機(jī)械式稱重技術(shù)和機(jī)電式稱重技術(shù)兩大類。而機(jī)械式稱重技術(shù)主要原理是通過杠桿傳動(dòng)裝置把被測(cè)車輛的質(zhì)量和已知的質(zhì)量進(jìn)行比較，從而知曉被測(cè)機(jī)車車輛的重量。對(duì)于機(jī)電式稱重技術(shù)，其主要分為有基坑機(jī)電式車輛動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)和無基坑機(jī)電式車輛動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)?，F(xiàn)代的無基坑機(jī)電式車輛動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)主要是以軌道稱重傳感器為核心，構(gòu)成無基坑無稱臺(tái)車輛稱重系統(tǒng)，其主要缺點(diǎn)是待測(cè)量車輛貨物稱重時(shí)，必須把車輛運(yùn)行到安裝了軌道稱重傳感器的指定位置，受測(cè)量地點(diǎn)限制。為了解決測(cè)量地點(diǎn)受限問題，達(dá)到實(shí)時(shí)稱重，本文提出了基于紅外測(cè)距傳感器的鐵路貨車車載電子稱重技術(shù)。

1 ?系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

本系統(tǒng)針對(duì)轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架的貨車車輛，設(shè)計(jì)了車載電子稱重系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)如下功能：

①當(dāng)車輛超載時(shí)，顯示車重和超載量，開啟超載警報(bào);

②當(dāng)車輛欠載時(shí)，顯示車重和欠載量;

③顯示車輛兩個(gè)轉(zhuǎn)向架上的四組彈簧受力情況，若超過其最大承受力，開啟警報(bào)。

1.2 轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架的彈簧減振裝置

轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架的組成部分由軸箱、輪對(duì)、搖枕、側(cè)架、彈簧減振裝置和基礎(chǔ)制動(dòng)裝置六部分組成。每節(jié)車輛有兩個(gè)轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架，每個(gè)轉(zhuǎn)向架左右兩側(cè)各有一個(gè)搖枕彈簧組，每個(gè)搖枕彈簧組由9組彈簧組成，具體如圖1所示。

在空載情況下，一節(jié)車輛的自重是20t，兩個(gè)轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架平均承重10t;在滿載情況下，兩個(gè)轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架平均承重50t。由于搖枕外圓彈簧1、搖枕外圓彈簧2、搖枕內(nèi)圓彈簧、減振外圓彈簧和減振內(nèi)圓彈簧這五種彈簧的自由高不相等，導(dǎo)致它們?cè)诓灰粯拥氖芰η闆r下各自被壓縮的距離也不一樣，因此計(jì)算時(shí)采用分段方法計(jì)算，得到了表1所示的參數(shù)。

1.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

綜合分析轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架各組成部分的作用，得到了以下設(shè)計(jì)思路：當(dāng)車輛靜止時(shí)，轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架的彈簧減振裝置所受到的壓力就是車輛重力和貨物重力之和。此時(shí)計(jì)算出彈簧減振裝置所受的壓力，就得到了車輛重力和貨物重力之和，加之車輛的重量是固定的且已知，則貨物的重力就等于彈簧減震裝置的受力減去車輛重力，得如下計(jì)算公式：

整個(gè)稱重系統(tǒng)將測(cè)試彈簧受力轉(zhuǎn)變?yōu)闇y(cè)試其壓縮長(zhǎng)度，又因每個(gè)彈簧自由高是固定的，因此只需測(cè)量出其受力穩(wěn)定后的長(zhǎng)度，即可由其自由高減去壓縮后的長(zhǎng)度，得到其被壓縮的長(zhǎng)度量。最后根據(jù)公式（5）計(jì)算出車輛貨物的載重量。

2 ?系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文以STC89C52C單片機(jī)為主控制器，結(jié)合TLC2543模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片和紅外測(cè)距傳感器GP2Y0A41SK0F搭建了鐵路貨車車載電子稱重系統(tǒng)電路。該稱重系統(tǒng)電路除了能夠完成稱重?cái)?shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸顯示外，還能進(jìn)行超載警報(bào)和欠載提示。

2.1 鐵路貨車車載電子稱重系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體電路如圖2所示，包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)傳輸顯示模塊。首先數(shù)據(jù)采集模塊采集彈簧壓縮量信息，并將該信號(hào)傳送給數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)距離電壓關(guān)系式計(jì)算出距離值，然后計(jì)算出相應(yīng)的重量，即車輛所載貨物的重量，并在顯示屏上顯示。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要是由紅外測(cè)距傳感器GP2Y0A41SK0F和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊TLC2543構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集處理模塊工作流程如圖3所示：首先對(duì)數(shù)據(jù)處理模塊和顯示模塊LCD1602進(jìn)行初始化;然后模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊對(duì)紅外測(cè)距傳感器輸出的模擬電壓信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換;接下來數(shù)據(jù)處理模塊讀取模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的輸出數(shù)據(jù)，并調(diào)用傳感器數(shù)據(jù)和距離壓縮量，把該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相對(duì)應(yīng)的重量。此外數(shù)據(jù)采集模塊還能判斷該重量是否超過彈簧組的受力極限：若是，則在LCD1602上顯示受力情況為Error并報(bào)警;若不是，則在LCD1602上顯示受力情況為OK。最后再將重量的數(shù)據(jù)通過無線傳輸模塊發(fā)送出去。

上面提到的TLC2543模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊輸出12位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，把該數(shù)據(jù)乘以模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的最小電壓值0.00122就得到傳感器的輸出電壓。又由傳感器的測(cè)量距離與輸出電壓之間的關(guān)系式，計(jì)算出測(cè)量距離。

2.3 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊由數(shù)據(jù)處理模塊單片機(jī)、轉(zhuǎn)向架的搖枕彈簧組受力顯示及報(bào)警電路組成。數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊TLC2543輸出的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，然后在LCD1602上顯示搖枕彈簧組的受力情況，并驅(qū)動(dòng)搖枕彈簧組受力報(bào)警電路進(jìn)行報(bào)警提示。

搖枕彈簧組受力顯示及報(bào)警電路由連接排阻的LCD1602顯示屏電路和連接PNP三極管的蜂鳴器電路組成。當(dāng)搖枕彈簧受力未超過自身極限時(shí)，LCD1602會(huì)顯示四組彈簧組是OK的，且蜂鳴器不會(huì)報(bào)警;當(dāng)傳感器所測(cè)距離小于全壓縮長(zhǎng)度165mm時(shí)，代表這組彈簧組已經(jīng)超越極限了，具有危險(xiǎn)性，此時(shí)LCD1602會(huì)顯示該組為Error，且蜂鳴器開始報(bào)警。

2.4 數(shù)據(jù)傳輸顯示模塊硬件電路

該模塊電路主要包括了數(shù)據(jù)無線傳輸模塊、重量顯示模塊電路和超欠載報(bào)警提示模塊。數(shù)據(jù)無線傳輸模塊采用AS50-T20無線傳輸模塊，通過無線傳輸模塊，從而將單片機(jī)所處理的數(shù)據(jù)傳到另外一個(gè)單片機(jī)上。重量顯示模塊主要功能是顯示車輛的貨物載重量和處于超載還是欠載。超欠載報(bào)警提示模塊和轉(zhuǎn)向架搖枕彈簧組受力報(bào)警電路相似。當(dāng)貨物超載時(shí)，蜂鳴器報(bào)警;當(dāng)貨物欠載時(shí)，蜂鳴器不報(bào)警。

數(shù)據(jù)接收顯示模塊工作流程如圖4所示：模塊上電啟動(dòng)后，先對(duì)數(shù)據(jù)處理模塊單片機(jī)和顯示模塊LCD1602進(jìn)行初始化;然后將接收的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Double型數(shù)據(jù)并傳輸給單片機(jī)處理得到重量值，再判斷其是否超載。若超載，則在LCD1602上顯示超載重量并驅(qū)動(dòng)超載警報(bào);若欠載，則在LCD1602上顯示欠載重量。

3 ?系統(tǒng)仿真調(diào)試

本系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車輛所載貨物是否超載及欠載情況，并顯示該車輛2個(gè)轉(zhuǎn)向架上的四個(gè)搖枕彈簧組在承載貨物情況下各自的受力情況。

在欠載情況下：當(dāng)傳感器測(cè)量的搖枕彈簧組壓縮后長(zhǎng)度均為200mm時(shí)，重量顯示模塊顯示處于欠載情況，且貨物總重量為72.16t，該車輛還能增加7.84t的貨物。而搖枕彈簧組受力顯示模塊顯示該車輛兩個(gè)轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架上的四組搖枕彈簧的受力均未超過其極限，所以兩個(gè)報(bào)警電路均未報(bào)警，只有欠載指示燈被點(diǎn)亮。

在超載情況下：當(dāng)傳感器測(cè)量的搖枕彈簧組壓縮后長(zhǎng)度均為180mm時(shí)，重量顯示模塊顯示該系統(tǒng)此時(shí)處于超載情況，且貨物總重量為111.94t，該車輛超載了31.94t的貨物，而搖枕彈簧組受力顯示模塊顯示該車輛兩個(gè)轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架上的四組搖枕彈簧的受力均未超過其極限，所以搖枕彈簧組受力報(bào)警電路未報(bào)警，而超載報(bào)警模塊報(bào)警且超載指示燈被點(diǎn)亮。

當(dāng)傳感器測(cè)量的搖枕彈簧組壓縮后長(zhǎng)度均為140mm時(shí)，重量顯示模塊顯示搖枕彈簧組受力已超極限情況，此時(shí)貨物實(shí)際總重量是不知道的，而重量顯示模塊顯示的總重量為0。而搖枕彈簧組受力顯示模塊顯示該車輛兩個(gè)轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架上的四組搖枕彈簧的受力均超過其極限，所以搖枕彈簧組受力報(bào)警電路報(bào)警。

其仿真圖如圖5所示。

4 ?結(jié)論

本論文完成了基于紅外測(cè)距傳感器的鐵路貨車車載電子稱重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。包括系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)，各個(gè)模塊硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了系統(tǒng)仿真。此外還完成該系統(tǒng)PCB設(shè)計(jì)并制作電路，最后對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行功能測(cè)試與調(diào)試。測(cè)試結(jié)果顯示，所設(shè)計(jì)制作的基于紅外傳感器鐵路貨車車載電子稱重系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量鐵路貨車載重量并作出預(yù)警提示，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]賀曙新.車輛動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)的歷史、現(xiàn)狀與展望[J].中外公路，2004（06）：104-108.

[2]杜潤(rùn)祥.國內(nèi)外機(jī)車車輛稱重技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r與對(duì)策[J].鐵道車輛，1998（03）：13-14.

[3]杜潤(rùn)祥.世界機(jī)車車輛稱重技術(shù)的發(fā)展[J].中國鐵路，1997（09）：49-50.

[4]杜潤(rùn)祥，李介明，湯紹懷.G3W-1無秤臺(tái)動(dòng)態(tài)電子軌道衡研制[J].鐵道學(xué)報(bào)，1993（04）：110-114.