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        鐵路貨車超偏載監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2023-12-29 01:39:40馮樂樂
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2023年22期
        關(guān)鍵詞:轉(zhuǎn)向架貨車串口

        馮樂樂

        (國能鐵路裝備有限責(zé)任公司滄州機(jī)車車輛維修分公司,河北 滄州 061100)

        鐵路貨車超偏載監(jiān)測系統(tǒng)是監(jiān)測鐵路貨車偏載、超載和偏重狀況的重要設(shè)備,可以有效地解決鐵路貨車超偏載運(yùn)行問題,保障鐵路貨車運(yùn)行安全?,F(xiàn)有超偏載監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測效率低,監(jiān)測結(jié)果不準(zhǔn)確,極易造成鐵路貨車裝車過多或不足的問題,不僅影響鐵路貨車行車安全,還會對鐵路貨車運(yùn)輸效益造成影響。因此,研究新型鐵路貨車超偏載動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng),快速、準(zhǔn)確監(jiān)測鐵路貨車超偏載狀況,對管理鐵路貨車有重要意義。

        1 鐵路貨車超偏載監(jiān)測原理

        1.1 鐵路貨車荷載分析

        目前,大部分鐵路貨運(yùn)列車采用“K”形轉(zhuǎn)向架,該類轉(zhuǎn)向架由2 個(gè)側(cè)架和1 個(gè)搖枕組成,貨車轉(zhuǎn)向架荷載傳遞為自上而下,傳遞路線為車體、上心盤、下心盤、搖枕、搖枕彈簧、彈簧承臺、側(cè)架、導(dǎo)框、承載鞍、軸承、輪對和鋼軌。根據(jù)鐵路貨車轉(zhuǎn)向架荷載傳遞前后順序可知,在“K”形轉(zhuǎn)向架中,搖枕彈簧是支撐貨車載重和自重的重要部件,因此可以將貨車載重看作4 組承載彈簧剛度系數(shù)乘積和貨物裝載前后彈簧壓縮量間的差值[1]。

        1.2 建立軌面坐標(biāo)系

        為量化描述鐵路貨車裝載姿態(tài),根據(jù)右手螺旋定則建立軌面坐標(biāo)系,如圖1 所示[2]。

        圖1 軌面坐標(biāo)模型

        在鐵路貨車底部安裝傳感器的過程中,需要注意以下問題:為保障貨車裝載安全性,傳感器安裝位置應(yīng)低于鐵路限界,并且傳感器不能與軌道接觸;傳感器應(yīng)垂直于鐵路貨車底面,與貨車轉(zhuǎn)向架彈簧所在直線位置應(yīng)與X軸平行。鐵路貨車搖枕彈簧與傳感器間的位置關(guān)系如圖2 所示。

        圖2 搖枕彈簧與傳感器位置關(guān)系

        1.3 鐵路貨車超偏載監(jiān)測流程

        在初始狀態(tài)下,鐵路貨車傳感器位置分別為M1(x1,y1,z1)、M2(x2,y2,z2)、M3(x3,y3,z3)和M4(x4,y4,z4)。在鐵路貨車空載狀態(tài)下,將軌面與測點(diǎn)間的垂直距離作為原始數(shù)據(jù),鐵路貨車裝載完成后,計(jì)算基準(zhǔn)平面與偏載平面間的夾角,并轉(zhuǎn)換搖枕彈簧與測點(diǎn)間的距離關(guān)系,獲得鐵路貨車彈簧變形量,根據(jù)彈簧變形量,可計(jì)算車輛超偏載狀況和輪重信息[3]。

        由于傳感器與車輛底面為垂直狀態(tài),因此傳感器測量值不是測量點(diǎn)與軌面間的垂直距離。在偏載狀態(tài)下鐵路貨車底面坐標(biāo)如公式(1)所示。

        式中:a、b、c、d為平面方程系數(shù)。

        傳感器經(jīng)過坐標(biāo)系3 點(diǎn)Mk(xk,yk,zk)(k=1,2,3)時(shí),其平面如公式(2)所示。

        將傳感器坐標(biāo)代入公式(1)可得公式(3)。

        假設(shè)鐵路貨車加載后的平面公式為a1X+b1Y+c1Z+d1=0,基準(zhǔn)平面為a2X+b2Y+c2Z+d2=0,那么鐵路貨車加載狀態(tài)下,傳感器基準(zhǔn)坐標(biāo)與鐵路貨車底面平面傾角如公式(4)所示。

        假設(shè)基準(zhǔn)平面與xOy平面平行,當(dāng)基準(zhǔn)平面Z=0 時(shí),將其代入公式(4)可得公式(5)。

        傳感器測量值z測與測量和軌面間的垂直距離如公式(6)所示。

        在鐵路貨車偏載狀態(tài)下,4 個(gè)測點(diǎn)垂直坐標(biāo)分別為z1、z2、z3和z4。

        根據(jù)公式(1)和公式(3)以公式(4)可計(jì)算傳感器測點(diǎn)與鐵路軌面距離和貨車空間姿態(tài)。當(dāng)鐵路貨車車體結(jié)構(gòu)為剛性結(jié)構(gòu)時(shí),可以根據(jù)第四個(gè)測點(diǎn)z4測高度變量對3 點(diǎn)平面方程進(jìn)行驗(yàn)證[4]。

        1.4 鐵路貨車超偏載監(jiān)測方法優(yōu)化

        由于監(jiān)測傳感器與搖枕彈簧的坐標(biāo)不同,因此利用傳感器測點(diǎn)坐標(biāo)和原始坐標(biāo)系間的差值反映鐵路貨車超偏載存在一定誤差。針對該問題,可以采用三角形相似原理,將傳感器測點(diǎn)位移量轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)向架彈簧位移量,進(jìn)而精準(zhǔn)測量貨車超偏載信息。傳感器測定坐標(biāo)與轉(zhuǎn)向架彈簧坐標(biāo)關(guān)系如圖3 所示。

        圖3 傳感器與轉(zhuǎn)向架彈簧坐標(biāo)關(guān)系

        根據(jù)三角形相似原理,計(jì)算如公式(7)所示。

        式中:r為彈簧間距。

        同理可得公式(8)。

        根據(jù)鐵路貨車空載狀態(tài)下轉(zhuǎn)向架彈簧高度,可計(jì)算彈簧形變量Δh1、Δh2、Δh3和Δh4。

        根據(jù)上述鐵路貨車轉(zhuǎn)向架荷載傳遞順序可知,鐵路貨車車廂重為所有彈簧承載力的和,同時(shí)可以將其看作4 組彈簧壓縮量與剛度系數(shù)間的乘積,計(jì)算如公式(9)所示。

        式中:F為承載力。

        利用以上公式可以計(jì)算鐵路貨車轉(zhuǎn)向架荷載、輪重和車廂載重,然后根據(jù)以上參數(shù)間的關(guān)系,可得到鐵路貨車偏載和超載等信息[5]。

        2 鐵路貨車超偏載監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        根據(jù)鐵路貨車超偏載監(jiān)測原理,采用ZigBee 為工控通信設(shè)備,將ARM 處理器作為超偏載監(jiān)測系統(tǒng)嵌入式工控設(shè)備,將超聲波傳感器作為測量單元。最后配置可視化圖形界面,便于工作人員直觀、快速地獲取鐵路貨車狀態(tài)信息。

        2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

        超偏載硬件監(jiān)測系統(tǒng)框架如圖4 所示,鐵路貨車超偏載監(jiān)測系統(tǒng)由Cortex-A9 核心板、LCD 觸控屏、ZigBee 通信模塊和超聲波傳感器組成。

        圖4 超偏載硬件監(jiān)測系統(tǒng)框架

        為使工作人員快速直觀地獲取鐵路貨車超偏載信息,監(jiān)測系統(tǒng)采用ARM 核心板,并搭配LCD 觸控屏作為上位機(jī),工作人員可以通過LCD 觸控屏控制傳感器啟停、通信和數(shù)據(jù)讀取等。此外,為降低監(jiān)測系統(tǒng)布線復(fù)雜性,進(jìn)一步提高監(jiān)測系統(tǒng)便攜性和靈活性,選擇ZigBee 無線通信模塊作為無線傳輸設(shè)備;超聲波傳感器成本低、抗干擾能力強(qiáng)以及檢測結(jié)果準(zhǔn)確度較高,因此選擇超聲波傳感器作為測距設(shè)備[6]。

        2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

        為便于工作人員直觀、快速地獲取鐵路貨車超偏載信息,監(jiān)測利用嵌入式Linux 系統(tǒng)搭建上位機(jī)軟件,實(shí)現(xiàn)通信串口上傳、讀取數(shù)據(jù)以及人機(jī)界面交互等功能。

        在監(jiān)測系統(tǒng)中,下位機(jī)接收設(shè)備和監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)上傳、指令下達(dá)等功能需要利用通信串口。該文采用第三方串口類QextSerialPort 開發(fā)與設(shè)計(jì)串口界面程序,QextSerialPort 為跨平臺串口類,串口讀寫操作簡便,根據(jù)串口信息,工作人員可以快速獲取鐵路貨車超偏載信息,進(jìn)而減少工作人員勞動量,降低勞動強(qiáng)度[7]。

        由于鐵路站貨運(yùn)鐵路線較多,因此每輛貨車超偏載狀況監(jiān)測完成后,工作人員需要及時(shí)向管理人員匯報(bào)。為保證數(shù)據(jù)傳輸及時(shí)性和可靠性,采用IP/TCP 協(xié)議搭建通信網(wǎng)絡(luò),便于監(jiān)測人員及時(shí)與管理人員溝通,網(wǎng)絡(luò)通信流程如圖5 所示。

        圖5 網(wǎng)絡(luò)通信流程

        首先,由管理人員通信設(shè)備初始化套接字并綁定本地端口號,然后創(chuàng)建TCP 接口監(jiān)聽工作人員通信連接請求;其次,由檢測人員通信設(shè)備創(chuàng)建套接字,并向管理人員通信設(shè)備發(fā)送通信連接請求。最后,通信設(shè)備3 次握手后,兩臺通信設(shè)備通信連接建立完成,管理人員和監(jiān)測人員可以實(shí)時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù)?,F(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)通信搭建完成后,檢測人員和管理人員須及時(shí)上傳監(jiān)測信息,以便鐵路站場資源的統(tǒng)籌管理。

        簡單的現(xiàn)場通信功能無法滿足監(jiān)測系統(tǒng)多用戶使用需求,為進(jìn)一步提高鐵路貨運(yùn)現(xiàn)場管理的開放性,建立多級用戶管理系統(tǒng)。通過采集貨運(yùn)現(xiàn)場傳感器信息,并將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器端,對信息進(jìn)行統(tǒng)籌和存儲。此外,在服務(wù)器端和客戶端,可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理,為貨運(yùn)客戶訪問貨物信息提供訪問途徑和接口。

        3 鐵路貨車超偏載監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用效果及效益預(yù)測

        3.1 應(yīng)用效果

        目前,鐵路貨車超偏載監(jiān)測系統(tǒng)不僅適用于多種車型的運(yùn)煤貨車,例如C80、C60 和C70 等,還可以增加監(jiān)測車型滿足不同貨運(yùn)車型需求。采用超聲波檢測傳感器提高了監(jiān)測效率,有效地解決了鐵路貨車超偏載的問題,符合鐵路部門杜絕鐵路貨車嚴(yán)重超偏載的要求。通過對裝載情況進(jìn)行評估與分析,有效避免了超偏載貨車進(jìn)入鐵路干線,保障裝車安全。監(jiān)測準(zhǔn)確率大于99.6%,減少了識別誤差,為鐵路貨車提供技術(shù)保障。此外,統(tǒng)計(jì)鐵路貨車的裝載情況有利于站場運(yùn)行管理,并且可以提高管理質(zhì)量和效率。采用超偏載監(jiān)測系統(tǒng)很大程度地提高了站場運(yùn)營管理效率。管理人員可以及時(shí)獲取超載、偏載信息并采取措施,避免對所有車輛進(jìn)行全面監(jiān)測,從而提高了管理效率,縮短了??空緢鰰r(shí)間,降低了勞動強(qiáng)度和設(shè)備故障頻次[8]。

        3.2 效益預(yù)測

        鐵路貨車超偏載監(jiān)測系統(tǒng)投入資金為81 萬元,在某鐵路運(yùn)輸公司龍門吊區(qū)域已投入使用。使用該系統(tǒng)使貨車裝車效率和貨車周轉(zhuǎn)效率顯著提高,進(jìn)一步增加了銷售量。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),每月可以額外增加20 列以上的鐵路貨車。以煤炭貨物為例,每月增加的煤炭運(yùn)輸量約為14000t,每月可創(chuàng)造約140 萬元的效益,年度累計(jì)約1680 萬元。

        應(yīng)用鐵路貨車超偏載系統(tǒng)可以準(zhǔn)確監(jiān)測超偏載狀態(tài),避免了需要額外處理超偏載情況的問題。不僅減少了設(shè)備使用頻次,還降低了維修成本和故障率,為鐵路運(yùn)輸公司節(jié)省了大量成本,并推動了其可持續(xù)發(fā)展。

        當(dāng)未使用鐵路貨車監(jiān)測系統(tǒng)時(shí),發(fā)現(xiàn)超載、偏載鐵路貨車會有高額處罰費(fèi)用,在鐵路干線上發(fā)生超偏載安全事故會產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)損失。使用鐵路貨車超偏載監(jiān)測系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確監(jiān)測超偏載情況并及時(shí)處理,避免了經(jīng)濟(jì)損失和處罰,同時(shí)為鐵路貨車的安全運(yùn)行提供了保障。

        4 結(jié)語

        針對鐵路貨車超偏載人工監(jiān)測效率低、工作量大的問題,該文提出一種鐵路貨車超偏載狀況動態(tài)監(jiān)測方法,將超聲波傳感器安裝在鐵路貨車底部,根據(jù)傳感器監(jiān)測值計(jì)算彈簧壓縮量,進(jìn)而獲取鐵路貨車輪重,判斷鐵路貨車是否有超載、偏載等情況,為鐵路貨車運(yùn)行管理提供參考。

        鐵路貨車超偏載監(jiān)測系統(tǒng)由超聲波傳感器、ZigBee 通信設(shè)備、嵌入式工況設(shè)備和LCD 觸控屏組成,可以對貨車超偏載動態(tài)進(jìn)行無接觸式監(jiān)測。

        該文設(shè)計(jì)的鐵路貨車超偏載監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用效果和效益較好,可以進(jìn)一步提高鐵路站場、鐵路貨車管理效率和質(zhì)量,能為鐵路運(yùn)輸公司帶來較好的經(jīng)濟(jì)效益。

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