铁路货物装载状态检查装置的研制与应用

肖 鲲

(中国铁路呼和浩特局集团有限公司 科研所，内蒙古 呼和浩特 010000)

货物装载加固是保证列车运行安全和货物安全的重要措施。目前，在货场和一些中间站由于缺少安全门等监测设备，装卸车货检作业仍然依靠货检员在车厢进行目视检查[1]，不仅作业效率低下，而且攀高作业还给货检人员带来较大的安全隐患。为此，研制一种操控简易、携带方便的铁路货物装载状态检查装置，实现对铁路货车货物装载加固情况的实时检查，一方面能降低作业人员安全风险，另一方面有助于提高货物装载检查的效率。

1 铁路货物装载状态检查装置设计

1.1 设计原则

（1）稳定性原则。铁路货物装载状态检查装置主要在室外使用，装置的部件应满足室外环境使用要求，如防水性、防尘性等，做到高可靠性，达到工业级标准，以保证装置的稳定性[2-3]。

（2）便携性原则。铁路货物装载状态检查装置供单人使用，以减少货检人员爬进车厢登高作业次数为目的，装置的整体重量宜较轻，便于货检人员工作时携带，而且应操作简单，方便使用[4-5]。

1.2 铁路货物装载状态检查装置设计

铁路货物装载状态检查装置主要由操作手柄、加长杆、可伸缩杆、可弯曲摄像头、显示屏组成，附件还包括充电装置和备用电池等。

1.2.1 视频模组

视频模组的原理为：景物(SCE)通过镜头(LENS)生成的光学图像投射到图像传感器表面上，转化为电信号，再经过数字信号处理芯片(DSP)的加工处理，通过接口(IO)传到屏幕上。

根据功能需求与市场情况，铁路货物装载状态检查装置选用AHD0130视频模组。按照低照度摄像机最低照度的级别划分，AHD0130视频模组(照度小于0.1Lux)属于暗光级摄像机，在装置自有的补光灯(12个LED白光灯)条件下(加之铁路货场其他辅助照明设备)能够满足夜间查看的要求[6-7]。视频模组工作原理图如图1所示。

图2 视频模组工作原理图Fig.1 Video module work schematics

1.2.2 杆体设计

（1）整体设计。铁路货物装载状态检查装置整体采用4段式模块化设计，第1段为操作手柄，第2段为加长杆，第3段为伸缩杆，第4段为可弯曲摄像头。杆体均采用铝合金材料，在保证拉杆强度和刚度的同时，整体质量较轻。

（2）连接方式。各段之间均采用镀金顶针滑环接触方式，保证摄像头的供电和信号传输良好；连接处采用外护套连接能有效防水，保证装置在雨雪天气正常使用。

（3）操作手柄。操作手柄包含电池、操作按键、显示屏、电量显示灯、充电接口、视频输出接口、音频输出接口、SD卡插槽。显示屏与操作按键段采用防水式航空插头连接。

主要有三方面的因素：①由于浸出中上清含有一定的杂质砷、锑、锗等，同时二段压滤机跑漏的液体和球磨机溢流出的矿浆，经过地坑泵泵入一段净化槽，其中含有一定的锑。另外，一段净化溶液中含有Cu2+, Cu2+具有降低Co超电势，增大锌钴微电池电势差，从而增大置换过程的热力学推动力的作用，锑、铜的存在，给钴的置换反应创造了条件。②一段净化配置2台80 m3反应槽，锌粉仅在1#槽加入，且过量加入，锌粉分配比例不合理。③一段净化总反应时间为1.2～1.5 h，为钴的置换提供了充足的反应时间。另外，一段净化无法实现渣与液体的快速分离。

（4）加长杆。在装置总长度不变的条件下，直接采用伸缩杆与操作手柄连接的方式，但为解决伸缩杆具有收回长度这一问题，在操作手柄与伸缩杆之间增设加长杆。一方面减小其前端伸缩杆的长度和外径，另一方面也保证检查仪伸到较长位置时，整体弯曲变形较小，增强整个装置的刚度。

（5）伸缩杆。伸缩杆为3段式设计，可以伸出和收回，伸缩杆最短为68 cm、最长为164 cm。伸缩杆内部采用弹簧线连接设计。

（6）可弯曲摄像头。采用可弯曲和防水设计(防水等级IP68)，摄像头可以根据要求任意调节角度，并且支持在雨雪天气下使用。为保证夜间图像效果，设计12个高亮白光LED灯进行补光。

2 铁路货物装载状态检查装置便携性分析

2.1 铁路货物装载状态检查装置重心位置

铁路货物装载状态检查装置各部分的重量和长度分别如表1和表2所示。其中，表1、表2中不包括螺纹部分长度。

表1 铁路货物装载状态检查装置各部分的重量Tab.1 Weight of each part of the railway freight loading inspection device

表2 铁路货物装载状态检查装置各部分的长度Tab.2 Length of each part of the railway freight loading inspection device

假设装置各部分的重心均位于中心位置。由于电池在手柄的底部位置，因而手柄(含屏幕)重心偏底部；伸缩杆部分外径大，内径小，故伸缩杆伸长后重心偏向底部；摄像头部分使用时是弯曲的，重心取中心。因此，实际重心位置对便携性更有利。铁路货物装载状态检查装置重心计算如图2所示。其计算公式为装置整体重量为1 632 g，装置伸长后长度为2.62 m。装置重心如果位于使用者把持装置两手之间的部分时，使用者将最省力；装置重心距离操作使用人员把持装置两手越远，形成力矩越大，操作使用人员抬举并移动装置会感到越费力。

根据图2和公式 ⑴ 计算可知，铁路货物装载状态检查装置的重心为98.8 cm。由重心位置可知，在装置整体长度不变的前提下，为使装置整体重心向使用者的握持部靠近，可以通过增大M1和M2的重量，减小M3和M4的重量实现，但增大M1和M2的重量会增加装置整体重量，显然是不可取的。M4为可弯曲摄像头，采用IP68等级防水设计和可弯杆设计，不便于减轻质量。因此，最简单的方案就是减小M3的质量。

图2 铁路货物装载状态检查装置重心计算Fig.2 Gravity calculation of railway freight loading inspection device

在公式 ⑴ 中，令M3为xg，重心为ycm，可以得到M3重心的计算公式为

2.2 把持力值计算

参照铁路货物装载状态检查装置现场使用照片，在不利的条件下，计算操作者把持铁路货物装载状态检查装置所需的力值。铁路货物装载状态检查装置把持力值计算示意图如图3所示。

图中铁路货物装载状态检查装置与车侧面夹角为α，操作者右手握在铁路货物装载状态检查装置的O点(支点)，左手压在铁路货物装载状态检查装置的底部，其压力值为N，根据力矩平衡[8]，可以得到

M·LM=N·LN

测量得到GO= 48.8 cm，LN= 42 cm，α= 30°。因此，左手对检查仪手柄底部的压力N为9.29 N。

图3 铁路货物装载状态检查装置把持力值计算示意图Fig.3 Holding device force calculation diagram

将检查仪的重力M分解为G1和G2，根据受力平衡关系可知，右手作为支点对检查仪的支持力F为17.29 N。

右手作为支点为阻止检查仪滑落，对杆的摩擦力f为13.85 N。

通过计算可知操作者使用检查仪时双手的把持力均较小。该力值是最不利于便携性条件下的计算值，原因是一方面铁路货物装载状态检查装置上端没有靠在车侧面；另一方面铁路货物装载状态检查装置与车侧面夹角较大，实际操作中，检查仪与车侧面夹角一般会小于30°。

在实际货检作业中，操作者通常会将检查仪上端靠在车体侧面，双手力值会大大减小。此外，减小装置与车体侧面的夹角，左手所需压力值也会减小。

2.3 应用及功能改进分析

（1）应用分析。①铁路货物装载状态检查装置充满电一次可连续使用4 h以上，满足货检作业要求。②通过铁路货物装载状态检查装置，白天与夜间均可查看敞车内货物装载状态，包括货物摆放状态、草支垫、钢丝绳、防摩擦垫衬物等。③货检人员使用后普遍认为该装置使用方便，操作简单，可以提高作业效率，减轻劳动强度。

（2）功能改进。①采用新型材料减轻重量。采用新型材料既可以减轻铁路货物装载状态检查装置整体质量，又可以使装置整体重心向使用者的握持部靠近，减小使用者把持装置时所需力量，进一步改善货检人员的使用感受。伸缩杆M3以铝合金(密度2.7)为材料，如果采用碳纤维(密度为1.8)为材料，重量可以减少1/3，即减轻435×0.33 = 143.55 g，重心可以向操作使用人员手部偏移14.355×1.1 = 15.8 cm，较大地改善装置操作使用人员的使用感受。②采用星光级摄像头增强夜间效果。在辅助照明条件较差的货场或中间站，可以根据需求换装星光级摄像头，增强夜间图像效果。

3 结束语

铁路货物装载状态检查装置具有操控简单、携带方便、图像清晰、可靠性强等特点，在缺少货检设备的货场和中间站，可以降低货检作业人员登车检查的安全风险，实现在白天、夜间、雨雪等各种气候条件下对铁路货车货物装载加固情况的实时检查、录制和回放。应用该装置一方面有助于提高货物装载检查的劳动效率，减少作业人员安全风险，另一方面可以有效加强货物装载加固的安全管理，保证列车运行安全和货物安全。