高速不断轨动态轨道衡系统研制

2010-05-08田德柱张大庆

铁道建筑 2010年5期

田德柱，张大庆

(中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京 100081)

目前，动态轨道衡的应用越来越广泛，它已经不仅仅是一种计量器具，在铁路货物运输中也起着越来越重要的安全保障作用，直接关系到铁路现代化管理、运输安全。铁路运输速度的不断提高，对动态轨道衡的计量速度提出了更高的要求。为使动态轨道衡的技术发展与铁路安全生产更好的结合，使动态轨道衡作为一种安全检测设备更好地服务铁路运输生产，亟待研制一种高速动态轨道衡系统。本文介绍的超长台面高速不断轨动态轨道衡系统是结合 TPDS(车辆运行品质轨边动态监测设备)和普通不断轨轨道衡的优点，经过科学严谨的力学分析及现场试验而研制成功的。

1 系统技术特点

本高速不断轨动态轨道衡系统的主要技术特点是:

1)车辆重量测量是基于具有自主知识产权的“移动垂直力测量新方法”原理研制的。

2)采用高平顺钢筋混凝土整体道床测试平台，在测试平台上安装梁式压力传感器，在钢轨轨腰处安装打孔剪力传感器，组合成一个总长度为7.6 m的轮轨垂直力连续综合测量区，得到通过车辆各轮对在钢轨上产生的连续的轮轨力。

3)系统集成铁路车号自动识别系统AEI车号信息，输出结果中集成车辆车号、自重、允许载重等车辆信息。

4)检测信息可通过网络上传至车站、铁路局、铁道部信息管理服务器，由专用软件完成统计分析、综合评判、结果查询、列车跟踪和信息报警等工作。

2 系统技术关键及解决方案

目前，全国已安装多种形式的动态轨道衡，但还没有一种能在较高行车速度条件下稳定可靠、准确地进行计量的动态轨道衡。

1)在设置测量区的普通轨道上，难以消除轨道维修规范允许存在的轨道高低、水平等不平顺，这些不平顺势必引起被测车辆产生浮沉、点头等振动，使轮重、轴重、转向架荷载本身都偏离静载值而增减变化，产生“附加动荷增量”。行车速度越高，引起的附加动荷增量越大，“附加动荷增量”造成的误差也随之增大。当速度为20～80 km/h时，普通轨道上养护维修标准允许存在的轨道不平顺引起的“附加动荷载”可达静轮载的5% ～40%，因此，即使测量传感器和二次仪表等的误差为零，也不可能测出准确的静轮重数值。

2)设置测区的普通轨道难以构成真正的支承平面，不可避免地存在维修规范允许的轨道扭曲，即使当速度为零时，也会使转向架的四个车轮不在同一个轨道平面内而产生“轮重转移”，造成测得的轮重较实际静轮重有较大差异，并可达3% ～10%，使测量精度大幅度降低。

为了满足计量精度和速度的要求，克服目前普通动态轨道衡的缺点，高速不断轨动态轨道衡系统采用了在较高速度条件下提高计量精度的技术措施，并采用“移动垂直力综合检测新方法”。

大幅度加长连续测量区，用长测量区内轮载波动变化曲线的平均值代替瞬时值，大幅度降低附加动荷载的影响，从而大大提高计量精度;用整体性和抗轨道衡扭曲能力更强、平顺性和稳定性更好的钢筋混凝土整体道床取代普通轨道结构，进一步减小、控制测量区内轨道扭曲、高低和水平不平顺，尽可能消除造成动荷增量误差的根源，提高测量区和测量区前后50～100 m范围内轨道的平顺性;严格控制轨道不平顺，减少车辆的振动，降低附加动荷增量。

移动垂直力综合检测新方法的特点是在不增大轨枕间距、不恶化轨道衡平顺性的条件下即可大幅度增加有效检测区长度(如图1)。其基本原理是:在两剪力传感器之间设置若干个轨下垂直压力传感器，组成一个综合测量区，两种传感器采集的数据通过计算机合成处理，从而得到测量区内的垂直力之和，由于有较长的连续测量区，便能测得一段较长时间内车轮垂直力增减变化过程数据的平均值，而不是波动过程的某个瞬时值。这不仅提高了检测精度，还大大提高了检测装置适用的速度范围，同时，这一新方法还彻底打破了普通动态轨道衡检测功能单一性，使得同时测量车辆超载、偏载、平均轴重、通过总重成为可能。

图1 移动垂直力综合检测方法

3 系统组成及技术性能指标

3.1 系统组成

如图2所示，高速不断轨动态轨道衡系统主要由以下部分组成:轨道测试平台1套，由10根专用混凝土轨枕(轨枕间距760 mm)组成。传感器1套，包括20只压力传感器、12只剪力传感器、接线箱与接线盒、信号电缆等。二次仪表系统，包括机柜、传感器调理单元、计算机、不间断电源、隔离电源、数据远传单元等。车号自动识别系统，包括开关磁钢、计轴/测速磁钢、天线、电缆等。信息传输通道，采用光缆传输。数据管理服务器及监控终端。

图2 高速不断轨动态轨道衡系统组成

3.2 轨道测试平台

为了实现高速不断轨动态轨道衡的功能，要求测量区轨道结构能大大提高轨道的平顺性(即轨道长期保持高平顺性)，才能确保计量数据准确、设备稳定可靠。为此，本系统采用钢筋混凝土整体道床测试平台，连续测量区与两侧各35 m范围内轨枕固化在钢筋混凝土之中，形成一个平顺的整体道床。该结构的整体性和抗扭曲性能都大大提高，当测量区内某一轨枕出现吊板时，相邻的轨枕通过整体混凝土结构承担了吊板轨枕的荷载，使吊板引起的线路不平顺减小到最低水平。这样的整体结构可以保证测量区内轨道的高平顺性和长期稳定性，从而可以保证检测系统的可靠性。从试验效果看，采用这一轨道测试平台可保证在速度为40 km/h条件下称重计量精度满足动态轨道衡检定规程的精度要求。

轨道衡测试平台的主要技术指标如下:测试平台具有足够的强度、刚度和良好的稳定性;测试平台设计荷载为每节车辆1 000 kN，最大每节车辆2 000 kN;钢筋混凝土整体道床在制作过程中严格按照配筋图绑扎钢筋，按照设计要求进行混凝土浇注，预留排水设施，确保整个系统长期使用的稳定性;钢轨和测试平台之间需要安装绝缘防护装置，既满足现有轨道电路线路的使用要求，还对传感器防止雷击损害起到一定的保护作用。

3.3 梁式压力传感器

新的检测方法需要在有效测量区内安装若干个同时测量轮轨作用垂向力荷载的传感器，且传感器还必须是一个轨道部件来保证对钢轨几何形位的控制和约束。本系统采用了新型梁式压力传感器来实现测力和保持轨道的几何形位。

普通动态轨道衡设备采用的常规垂直力柱式传感器由于高度较大，上下承力座均可摇动，在水平方向没有约束，显然不利于保持轨道的稳定，在结构尺寸和保持轨距、轨道方向等方面都不能满足线路养护维修的要求，因此本高速不断轨动态轨道衡系统采用新型梁式压力传感器。

如图3所示，新型梁式压力传感器是一种上部不与钢轨紧固、下部与轨枕紧固、上下都有约束的新型传感器，它可测量轮轨相互作用的垂向荷载，且具有钢轨的扣压力。梁式压力传感器在保持轨道衡几何形位方面与普通轨道部件的作用相同，从而实现了对钢轨小翻、上浮及轨距扩大的控制，不用安装轨距拉杆和限位装置，梁式压力传感器本身就是极好的限位装置。新型梁式压力传感器的这些特点使高速不断轨动态轨道衡系统能够安装在行车密度高、运行速度快的铁路正线，并能长期保持结构的稳定性和行车安全。

图3 梁式压力传感器

试验证明，梁式压力传感器具有精密的对称性高精度(误差＜0.03%)，能够承受剧烈的冲击振动，在野外日晒、雨淋、温度大幅度变化的条件下，稳定可靠，能长期保持完好。长期应用实践表明，这种传感器完全能够满足设计和使用要求，既实现了测力的准确性又保证了轨道的高平顺性和系统的可靠性。梁式压力传感器的主要技术指标如下:精度为0.05%，输出阻抗≥700 Ω，安全过载为 300%，使用温度 -20℃ ～50℃，灵敏度为2 mV/V，具有防电磁干扰和防雷击性能。

3.4 二次仪表系统

高速不断轨动态轨道衡的二次仪表系统主要由32路数据采集仪、模数转换部分、计算机及称重软件组成。压力传感器和剪力传感器将车辆重量转换为电压信号，电压信号传送到数据采集仪，数据采集仪一方面向传感器供电，另一方面将传感器输出的微弱电压信号放大、滤波，然后由模数转换部分对电压信号进行A/D转换，转换后的数字信号输入计算机，由称重软件完成数字滤波、分析、机车车辆判别、重量和速度计算等工作。数据采集仪采用美国AD公司的AD620和AD712集成芯片完成微小信号的调理工作，通过电阻、电容与AD712组成有源低通滤波器，滤除高频干扰。实践证明，该元器件温漂低、线性好、连续工作的可靠性高，滤波效果优良。模数转换部分采用美国进口的32通道高速16位A/D专用模块，与计算机并行打印口连接，具有高速、稳定可靠和使用方便的优点。

二次仪表系统的主要性能:信号放大、调整、调零采用进口大规模集成电路，抗干扰能力强;抗电磁辐射及其他干扰能力强，具有防尘、防污染、结构简单，稳定可靠的优良性能;进口16位高速、高精度快速稳定的A/D器件，分辨误差达1 kg;采用数字接口电路，抗干扰能力强;计算机采用工业控制机，稳定性强。

高速不断轨动态轨道衡系统的称重软件采用VC++6.0编程。工作平台为 Windows2000 Professional，软件运行速度快、实时性强，可完成动态称重、静态检定、实时波形采集、波形回放、计量车速及车号信息集成等工作。