D38型长大货车在直线上运行的动态偏移量试验研究

葛 锋，鲁寨军，李 鹏

（1.中铁特货大件运输有限责任公司 技术开发部，北京 100070；2.中南大学 交通运输工程学院，湖南 长沙 410075）

工程技术与应用

D38型长大货车在直线上运行的动态偏移量试验研究

葛 锋1，鲁寨军2，李 鹏2

（1.中铁特货大件运输有限责任公司 技术开发部，北京 100070；2.中南大学 交通运输工程学院，湖南 长沙 410075）

对 D38型长大货车的振动偏移量进行了实测试验研究,结果表明：各速度级下的最大横向偏移量在距轨面 1600mm高度以下时变化不大，随着距轨面高度的继续增加，最大横向偏移量也线性增大；同一速度级下运行时，同一断面不同高度处的最大垂向偏移量基本一致；最大偏移量与运行速度间不存在单增或单减的对应关系，在 5 km/h~45 km/h 速度级，最大偏移量相差都不大；在直线上运行时的最大横向偏移量和最大垂向偏移量分别为 198mm和 113mm，最大侧滚角、摇头角和点头角分别为2.540°、0.311°和 0.309°。

动态偏移量；车辆运行姿态；在线检测；长大货车

由于铁道车辆是一个具有弹簧悬挂装置的多自由度系统，车体及其装载的货物相当于簧上质量系统，在线路上运行时的轮轨相互作用和各种垂向、横向力的作用下，会产生复杂的振动现象[1]。由于振动引起的车辆相对于轨道中心线和轨面的偏移，称之为车辆动态偏移量。其中车辆系统的横向振动偏移量将减小货物与建筑限界的横向距离，该距离是影响大件货物运输的关键因素之一[2]。因此，研究超限车横向振动偏移量是合理确定其运行条件的基础。国内外对超限车横向振动偏移量进行了一些理论和数值仿真分析。文献[3]按静态情况研究了最大限度的轨面不平顺、一侧旁承被压死以及车体在该线路、风力、重力作用下在弹簧上的侧滚这三个方面引起的侧滚振动横向偏移量。文献[4]按极限状态分析车辆结构偏差量和曲线偏差量引起的横向偏移量，得到货车上心盘相对线路中心线的最大结构偏差量在直线上为 77mm，曲线上为 79mm。文献[5]、文献[6]和文献[7]分别对 N16 型、N17AK 型和 NX7Q 型平车的横向振动偏移量进行了仿真分析，得到三种车型在不同运行条件下的最大横向振动偏移量分别为 140mm、90mm、103.4mm。文献[8]仿真分析得到：N17AK 型平车在 III级和 I级线路上运行时距轨面高度 5300mm 处的最大横向偏移量分别为 143.3mm 和 94.5mm。文献[9]对 DQ45 型钳夹车通过小半径曲线时钳夹中心相对轨道中心线的横向偏移量进行了仿真分析，得到：采用内导向并向外侧偏移 176mm 工况下通过半径为 300m的曲线时，钳形梁向内侧的最大横向偏移量为 290mm。

中南大学于 2007 年研制成功铁路车辆动态偏移量检测系统，并对多种车型进行了实车测试实验。文献[10]～ 文献[12]提出基于机器视觉的车辆动态偏移量检测方案，介绍了检测原理，分别建立了简化的和精确的数学模型，并进行了相关实验验证；文献[13]介绍了该动态偏移量监测系统的图像处理方法；文献[14]介绍了基于轨道宽度的单目视觉车辆动态偏移量检测方案，详细研究了不同图像处理方法对测试结果的影响。文献 [15] 介绍了采用前述监测系统监测得到YW25G 型客车在大风环境下和非大风环境下的最大横向振动偏移量分别为 141mm 和 86mm；文献[16]监测得到 P62K型空棚车在大风环境下分别和非大风环境下的最大横向振动偏移量分别为 137mm和 83mm。

本文详细研究和分析了 D38型长大货车在直线上运行时的动态偏移量随速度和距轨面高度变化的规律。

1 检测方法

按照文献[12]所述的基于机器视觉的测试方法：在被测车体非共线的三个点上分别安装高速摄像机来检测各测点相机到轨顶的距离，结合图像处理定位轨顶和钢轨中心，从而得到测点位置相对轨道的横向和垂向偏移量，进一步分析得到车体的运行姿态及任意点的动态偏移量，如图 1所示。

图1 车辆动态偏移量检测系统的测点布置及坐标系定义

设备布置和装载后的试验车辆如图2所示，图3为四个高速摄影拍摄的规定图像（由于采用的单目模拟双目立体视觉，因此每个摄像头拍摄得到同一钢轨的两个图像）。

图2 装载后的试验车辆

图3 拍摄的轨顶图像

2 试验条件

试验车型 D38型长大货车的标记载重 380t，自重230t。运送的货物为哈尔滨电机厂生产的 60MW 火力发电机的定子，外形尺寸为 10350mm×4032mm× 4292mm，安装托钩后运输尺寸为 11830mm×4032mm ×4875mm；定子、托钩及其附件总重 328t，重心纵横向与定子几何中心重合；重车连挂长度 63648m，重车重心距轨面高 2394mm，货物及车辆主体结构纵横对称，装车后为一级超重、超级超限。

试验列车通过滨州、通让、大郑、沈山、京哈、丰沙、京包、包兰、宝中等干支线，途经哈尔滨、沈阳、北京、太原、呼和浩特、兰州和西安铁路局，行程3448km，最高运行速度 50km/h。

D38型长大货车结构和运输的货物（发电机定子）对称，根据钳夹的设备状况，三个横向动态偏移量传感器分别置于钳夹过渡圆弧下，横向间距 1500mm，纵向间距 12620mm，如图 4 所示。同时，为加大传感器横向偏移量的测试范围，以检测列车通过小曲线半径时的横向振动偏移量，相比其它车型的横向振动偏移量测试设备，增加了运动补偿与控制系统。将传感器固定在运动补偿与控制系统的导轨滑块上，当测点的偏移量将要超出摄像机测试范围时，控制系统自动发出指令，启动动力驱动系统驱动滑块装置连带摄像机跟踪轨道，并同步检测滑块装置的横移量实时反馈给计算机，将滑块的横移量与通过图像处理获得的横移量叠加，得到测点相对轨道的横向动态偏移量。

图4 传感器安装位置

3 实验结果分析

3.1 监控点设置和速度分级

根据检测需要确定如表 1所示的 14个高度（以轨面为基准）截面，纵中心线、一位侧和二位侧各自距纵中心线 2000mm 处的三个纵断面，根据货物尺寸确定货物两端和前后对称面处的三个横垂面，合计 126个监控点。前后对称的横垂面上同一高度z处的三个监 控 点 坐 标分 别为（0,2000,z）、（0,0,z）和（0,-2000,z），一位端横垂面上同一高度z处的三个监控点坐标分别 为（5175,2000,z）、（0,0,z）和（5175,-2000,z），二 位 端横垂面上同一高度z处的三个监控点坐标分别为（-5175,2000,z）、（0,0,z）和（-5175,-2000,z）。

列车最高运行限速 50km/h，为研究各速度级下的动态偏移量，将其分为 10 档，每档对应的速度范围如表2所示。

表 1 距轨面高度（z坐标） 单位：mm

表 2 速度分级 单位：km/h

3.2 最大横向振动偏移量随监控点高度变化的规律分析

由实验数据统计分析可知，同一速度级下运行时，同一高度处一位侧、纵中心线、二位侧的最大横向偏移量两两相差最大不超过 4 mm，说明车体向一位侧侧滚和横移的幅度与向二位侧侧滚和横移的幅度相差很小。列车以不同速度级运行的情况下，端部和中部各高度处的最大横向振动偏移量分别如图5和图 6 所示。图中数据均为统计值，同一速度、不同监控点的最大值不一定是由同一时刻的偏移量得到，最大偏移量包括取正负方向绝对值最大的偏移量。

图5 端部最大横向偏移量

图6 中部最大横向偏移量

由图 5 可见，总体来说，各速度级下的最大横向偏移量在距轨面 1600mm 高度以下时变化不大，随着距轨面高度的继续增加，最大横向偏移量也线性增大。距轨面高 1000mm 测点的最大横向偏移量为99mm，距轨面高 5300mm 测点的最大横向偏移量在169mm～198mm之间变化。

运行速度为 45km/h 速度级时，最大横向偏移量随距轨面高度增加而增大。因此，在这一速度级下运行时，主要是下心滚摆；运行速度为 50km/h 速度级时，其极小值在距轨面高 1600mm 处，之后最大偏移量基本上是随距轨面高度增加而增大。因此，在这一速度级下运行时，主要是下心滚摆。

当距轨面距离以米为单位时，将距轨面高度1.0m～5.3m 处的最大横向偏移量曲线拟合，得到如下拟合公式：

各速度级下拟合公式的系数和相关度如表3所示。

表3 最大横向振动偏移量与距轨面高度的相关性分析

表中相关度最小为 0.9952，可以认为采用三次多项式表示 D38 型长大货车在直线上运行时的横向振动偏移量随距轨面高度的变化是合理的，能满足工程应用的要求。

图7 不同运行速度端部最大垂向偏移量随高度变化的曲线

各速度下，直线上运行时定子端部和中部不同高度处垂向振动偏移量的最大值如图7所示。由测试数据可知，同一速度级下运行时，同一高度处一位侧、二位侧的最大垂向偏移量两两相差最大不超过 16mm。由图可见，同一速度级下，不同高度处的最大垂向振动偏移量相差不超过 3mm，一位侧和二位侧的垂向偏移量均大于纵向中心线上的垂向偏移量 50mm～70mm。通过分析可知，当侧滚角为 2°时，距离侧滚中心 2000mm 位置处的 点由侧滚 引起的偏 移量为70mm。后续结果表明，各速度级下的最大侧滚角在2.1°～2.5°之间变化，这说明车体及货物的侧滚中心在纵中心线上。

中部和端部横向振动偏移量最大值随速度变化的曲线如图 8所示。由图可以看出，中部和端部最大横向振动偏移量随速度变化的曲线形状几乎完全相同，只是相差一个由于摇头引起的偏移量。端部和中部的最大横向振动偏移量均出现在列车运行速度5km/h 时，分别为 198mm 和 192mm；端部和中部的最大垂向振动偏移量则均出现在列车运行速度 30km/h时，分别为 113mm 和 112mm。

图8 端部和中部最大偏移量与运行速度关系曲线

图9 姿态角随速度变化的关系

图9为姿态角随速度变化的曲线。由图可见，随速度增加，侧滚角的最大值基本上都在 2.1°～2.5°之间变化，其最大值为 2.54°；摇头角和点头角均在0.22°～0.31°之间变化，其最大值分别为 0.311°和0.309°。

4 结论

对 D38 型长大货车的振动偏移量进行了实测试验研究，得到了如下结论：

（1）总体来说，各速度级下的最大横向偏移量在距轨面 1600mm 高度以下时变化不大，随着距轨面高度的继续增加，最大横向偏移量也线性增大；

（2）同一速度级下运行时，同一断面不同高度处的最大垂向偏移量基本一样；

（3）在直线上运行时的最大横向偏移量和最大垂向偏移量分别为 198mm 和 113mm，最大侧滚角、摇头角和点头角分别为 2.54°、0.311°和 0.309°。

（4）最大偏移量与运行速度间不存在单增或单减的对应关系，在 5km/h～45km/h 速度级，最大偏移量相差都不大。

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xperimental study on the offset generated by the vibration of the heavy and long freight type D38 vehicle running on straight line

GE Feng1,LUZhai-jun2,LI Peng2
(1.School ofTransportation and Logistics,Southwest JiaotongUniversity,Chengdu,Sichuan,610031; 2.School ofTraffic and Transportation Engineering,Central South University,Changsha,Hunan,410075)

The research through actual test on the offset generated by the vibration of the heavy and long freight type D38 vehicle shows as follows:maximum lateral offset changes little belowthe height 1600mm of the track surface under each speed level. With the height from the track surface increasing continuingly,the maximum lateral offset also increase linearly.When running at the same speed level,the maximum offset of the same section in different vertical height substantially the same.There is no single increase or single decrease relationship between the maximum offset and running speed,while the maximum offset difference is not large at the speed level of 5 km/h～45 km/h.When running on a straight line,the maximum lateral offset and maximum vertical offset are 198 mmand 113 mmrespectively,as well as the maximumroll angle,yawangle and nod angle are 2.54°,0.311°and 0.309°.

the offset generated bythe vibration;vehicle attitude;on-line detection;heavyand longfreight

U270.1

A

1671-5004（2017）03-0005-05

2017-05-08

新世纪优秀人才支持计划项目（项目编号：NCET-13-0592）

葛锋（1969-），男，辽宁岫岩人，高级工程师,研究方向：铁路大件货物运输；鲁寨军（1975-），男，湖南醴陵人，中南大学交通运输工程学院副教授、博士，研究方向：车辆结构强度与动力学；李鹏（1985-），男，河北洛阳人，中南大学交通运输工程学院博士研究生，研究方向：车辆结构强度与动力学。