新型铁路货车超偏载检测装置的研制

门金勇，张大庆，柴雪松，郭建华，田德柱

（1.中国铁路兰州局集团有限公司 货运处，甘肃 兰州 730000；2.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081）

1 概述

检测铁路货车超载、偏载（左右）、偏重（前后）等装载状况是保障铁路货运安全的重要内容，采用装载机车载称重装置[1]是从源头控制装载吨位的一种有效手段，但是其只能控制车辆装载不超重，不能检测和识别偏载、偏重问题。因此，铁路货车超偏载检测装置作为运输途中铁路货车超载、偏载、偏重状况的重要安全检测设备，可以有效遏制货车超偏载现象，保障铁路货物运输安全。既有的超偏载检测装置定型于21世纪初，其型式试验、检验规程等都对应60 km/h以内速度，当速度超过后，其检测数据不再作为安全评判依据，仅可以作为参考[2]。

随着我国货车速度、轴重的不断提高，工务作业手段的变化以及铁路运输密度的增加，基于60 km/h以内速度设计的既有铁路货车超偏载检测装置（以下简称“既有装置”）已经不能满足我国铁路发展的要求，主要原因如下。

（1）轨枕间距不匹配导致既有装置区域养护不足、检测准确性下降。既有装置轨枕间距为760 mm，与铁路线路1 667根/km的设置方式（轨距600 mm）不匹配，工务作业方式由人工捣固转变为大型养护机械作业后，大型捣固机作业时容易忽略既有装置区，使得检测平台区域的线路得不到有效维护，长期如此易导致轨道状态质量形成“洼地”，显著降低了设备的检测准确率，容易引起误漏报。因线路状态不佳引起车辆侧滚波形图如图1所示，其与车辆偏载波形规律类似，容易导致车辆偏载误报。

图1 因线路状态不佳引起车辆侧滚波形图Fig.1 Wave shape of vehicle roll caused by poor line condition

（2）测区长度不足，不能满足速度60 km/h以上检测要求。既有装置的测区长度为4.8 m，适用于60 km/h以内的货车超偏载检测。在目前直通、快运列车大量增加的情况下，不少测点的货物列车检测速度已超过60 km/h。有关试验和研究表明[3]，4.8 m测区的设备用于检测速度大于60 km/h的货物列车时，其检测误差明显变大，检测结果不可用。

（3）检测平台安装及大修施工难度大，质量难保证。既有装置平台结构图如图2所示，检测平台由22根专用轨枕组成，其中每个轨枕的端部都由端板纵向连接而成，这对专用轨枕及配件的加工精度、现场施工质量等要求较高，而且施工占用天窗（用于维修等工作的列车行车间隔时间段）较多。一旦某一环节质量控制不佳，容易造成检测平台区域内的线路几何偏差过大，在目前天窗资源紧张的情况下，后期补修施工难度很大。

图2 既有装置平台结构图Fig.2 Platform structure of existing device

（4）电磁干扰、线路变化等外界因素影响长期稳定性[4]。线路电气化改造、新型电力机车的使用，增加了对设备的电磁干扰，容易导致判车错误等故障；线路在列车作用下，平顺状态会持续发生变化，会导致货车超偏载的计算误差变大，而这些因素都会影响最终检测精度。

2 新型铁路货车超偏载检测平台方案

新型铁路货车超偏载检测平台的整体性、稳定性及线路的高平顺性，是铁路货车超偏载检测装置实现检测精度的基本保证。新型检测平台的设计需要满足以下条件：①轨距调整为600 mm，安装便捷，不影响大型养护维修机具作业；②满足100 km/h速度以内车辆超偏载检测精度要求。

2.1 超偏载测区的确定

根据货车运行状态仿真结果及测试数据[5]，我国主型货车转向架的蛇行失稳频率在2.5 ～ 3.5 Hz左右，波长约为9 ～ 10 m，考虑100 km/h接近车辆的临界速度，超偏载测区长度不应小于半波长长度5 m；考虑测试数据的冗余及枕间距600 mm的整数倍关系，新的检测平台测区长度宜取为6 m及以上。

为了实现按轮计量的要求，考虑单个转向架及前后车相邻车轮的影响区，单个测区长度取为1.2 m，即2个枕间距。因此，该检测平台由5个测区组成，共计20组压力传感器和12对剪力传感器[6]。考虑算法和检测数据的冗余时，进一步增加测区有利于保证设备的长期稳定性。

2.2 检测平台纵向链接方式

检测平台纵向采用链接端板会给施工质量带来隐患，增加施工难度，因而取消链接端板。为了使检测平台保持纵向整体一致性，借鉴桥梁护轮轨方式，采用护轮轨来增加检测平台的垂向刚度和整体一致性。新型检测平台设计方案图如图3所示。

原方案中由于链接端板埋在道砟内，当调整轨枕高度、位置时，需要扒开道砟对端板螺栓进行松开、紧固等工作，作业完毕还需要恢复道砟，既扰动了线路，也增加了作业工作量；新方案中，当需要调整轨枕高度、位置时，直接松开、紧固护轮轨的扣件即可，大大优化了作业流程。由于护轮轨为工务部门成熟应用方案，因而方案可靠性也得到了保证。

如上所述，检测平台采用调整轨枕间距为600 mm、延长测区为6 m、取消了端部连接板这几项改进措施后，可以很好地适应工务大机作业，也方便了日常维护工作。

2.3 检测平台关键部件改进

根据设计目标，检测平台的整体框架结构发生了变化，因而需要开发相应的专用轨枕。另外，为了增强设备的长期使用稳定性，对系统中的数据采集设备硬件、监测软件以及判车模型等进行了完善和升级。

图3 新型检测平台设计方案图Fig.3 Design plan of new detection platform

2.3.1 专用轨枕

新型检测平台专用轨枕定义为AG型和BG型，设计要求如下。

（1）满足既有线通用Ⅲ型混凝土桥枕强度要求，实验包括强度和扣件组装。

（2）满足既有线大机作业要求，外形尺寸应不超过既有线路轨枕尺寸范围及大机机械设备的作业要求。

（3）满足测试平台的组装要求，分别为传感器安装和检测平台整体组装。

在专用轨枕设计中，通过在枕中位置的上表面设置预埋件来安装护轨，护轨安装后与基本轨轨头净间距为500 mm。AG、BG型专用轨枕不同断面布置图如图4所示。

在专用轨枕按照TB/T1879—2002《预应力混凝土枕静载抗裂试验方法》和TB/T 1878—2002《预应力混凝土枕疲劳试验》的试验方法进行专用轨枕疲劳强度及扣件组装疲劳强度实验[7-8]中，检验结果合格，均满足设计要求。AG、BG型专用轨枕轨下静载及疲劳性能试验图如图5所示。

2.3.2 数据采集仪

为了消除电磁干扰影响，数据采集仪采用每路传感器信号单独采集的方式，并且采用抗干扰磁环、电磁屏蔽胶、电源整流电路、改善接地措施等消除来自于电源和信号的电磁干扰。

数据采集仪为32通道采集仪，数据采集仪面板前面除电源开关外，设置了+12 V、±15 V电源指示灯和32路通道的零点调节电位器，便于零点调节；采集仪背面有220 V电源插座、9针D型插头，每个插座输入4路传感器信号，下方为一个37针D型插座，连接37针数据电缆。

图4 AG、BG型专用轨枕不同断面布置图Fig.4 Layout of different section of AG and BG sleeper

图5 AG、BG型专用轨枕轨下静载及疲劳性能试验图Fig.5 Test chart for static load and fatigue performance of special sleeper rail

2.3.3 监测软件

根据新的超偏载测区构成，重新设计监测软件，共由5个模块组成，分别为动态称重（包含诊断功能）、实时波形、波形回放、参数设置和打印模块，监测软件构成结构图如图6所示。

图6 监测软件构成结构图Fig.6 Structure block of software

（1）动态称重模块利用Windows消息处理机制、VC++多线程技术，完成传感器AD码值采集、滑动滤波、零点显示和跟踪、计算轴距、判车分车、日志记录、计算车速、车重、偏载、偏重、接收车号文件、OBL文件上传、设备状态上传、存储波形和故障诊断等功能。

动态称重模块中软件核心改进分为以下2部分。①动态智能判车算法。计算出轴距后，根据车辆轴距表，采用最大似然估计方法对列车进行车辆判别，在多轴车的判别上具有显出优势，正确率高，允许车速变化范围大，动态智能判车算法示意图如图7所示。②线路变化自适应算法。列车动态称重中[9]，会受到列车振动、线路状态等因素的影响。在列车通过后，根据建立的车辆线路耦合作用模型，分离出线路变化对车辆偏载的影响因子，并从最终结果中予以减除，从而消除线路变化对车辆超偏载检测精度的影响。需要说明的是，当线路状态急剧变化或严重状态不良时，模型算法会失效。

（2）实时波形模块可以显示各路信号实时波形。可以用来检查有无干扰，点击数据存盘按钮可以保存波形，用波形回放功能检查干扰是来自哪个通道。通过传感器模拟器连接采集仪可以查看采集仪各路通道放大滤波是否正常。

（3）波形回放模块用于显示动态称重模块存储的每列车的32只传感器输出波形，可用于调整各个测量单元剪力与压力传感器的配合参数。对分析设备状态、车辆的运行状态以及线路状态都具有重要作用。还可以单独分析某测量单元的剪力、压力传感器及其合成波形，对于故障诊断非常有实际意义。

（4）参数设置模块可设置一些常用的参数，如重量修正系数、上下行方向、测量单元长度、采样频率、数据存储和传输的路径等。

图7 动态智能判车算法示意图Fig.7 Schematic diagram of dynamic intelligent vehicle routing algorithm

3 新型铁路货车超偏载检测平台的应用

3.1 检测平台的实施

通过对运输组织、货车超偏载监测监控需求、线路状态及货物列车运行速度等条件进行综合分析，选择中国铁路兰州局集团有限公司兰新线（兰州—乌鲁木齐）上行线K44+300 m处作为新型铁路超偏载检测装置的安装地点。

采用新方案的检测平台安装仅需2个天窗（2.5 h）完成，相比既有装置时间可缩短一半，达到预期目的。捣固后的轨道平台的整体性、区域内线路的稳定性均实现了设计要求，效果良好。新型检测平台安装后室内外实景图如图8所示。

图8 新型检测平台安装后室内外实景图Fig.8 picture of new device

3.2 测试数据分析

3.2.1 新型超偏载装置的检定及使用

新型超偏载装置最大允许误差如表1所示。

表1 新型超偏载装置最大允许误差Tab.1 Maximum allowable error of new type of overload device

国家轨道衡计量站于2016年12月29日凌晨1 : 00—2 : 50对新型铁路超偏载检测装置进行了检定。检衡车列由5辆车组成，车型均为T6DK，车号和标准质量分别为 8066302 （81 190 kg）、88066301 （45 350 kg）、8066303 （77 580 kg）、8066304 （69 910 kg）和 8066300（21 400 kg），其中空车（车号8066300）不予考核。车号为8066303 （77 580 kg）的检衡车进行了设偏，上行方向偏重差理论计算值为2 982 kg，后转向架偏载率理论计算值为9.7%，检定合格。

兰新线上行周家庄新型铁路货车超偏载检测装置自2017年1月1日正式投入运用以来，满足现行超偏载检测装置的检定及运用规定，同时在不限速情况下，实现了兰新线上行及兰州北编组站货车直径线上达速货车进行超偏载检测监控的目的，近2年使用表明其检测性能可靠。

3.2.2 不同测区长度误差分析

分别按3个测区、4个测区及5个测区的测试方案提取了上述检衡车测试数据，进行不同测区长度条件下车辆总重测量误差的分析，测区长度依次为3.6 m、4.8 m和6.0 m。不同测区长度下车辆总重测量误差对比如图9所示，连续5测区（6.0 m）条件的车辆总重测量误差优于其他测区长度。

分别按3个测区、4个测区及5个测区的测试方案提取了上述检衡车在68.3 km/h运行速度条件下偏载、偏重误差的测试数据，并进行了不同测区长度下偏载、偏重误差的分析，测区长度依次为3.6 m、4.8 m和6.0 m。不同测区长度条件下偏载、偏重误差对比如图10所示，5测区（6.0 m）的偏载、偏重误差测量结果明显优于其他。

图9 不同测区长度下车辆总重测量误差对比Fig.9 Comparison of vehicle gross weight measurement errors under different length of suruey area

3.2.3 不同速度条件下检测性能分析

为了有效评判新型检测平台在不同速度条件下的检测性能，通过跟踪近一年的过车数据，对新型铁路货车超偏载检测装置的检测性能进行分析。对比样本选用既可以低速通过兰州北站北环上行或上行线路既有超偏载，又可以高速通过新型超偏载装置的货运车辆，并且以兰州北站北环上行或上行线路既有超偏载的检测数据作为参考真值，样本共计72列，3 236 辆[10]。

在每个速度段范围内，分别计算新型检测平台相对于参考真值测量的重量误差平均值、重量误差率平均值、重心偏移误差平均值和偏重误差平均值，不同速度条件下检测误差对比结果如表2所示。

图10 不同测区长度条件下偏载、偏重误差对比Fig.10 Comparison of partial load and biased error under different length of survey area

由表2可知项目新型超偏载装置的车辆在30 ～ 100 km/h速度级的检测误差平均值，均明显优于表1所述目标值。

设备安装完毕至今已进行过3次大机作业，均作业顺利。通过上述分析可知，基于新型检测平台的超偏载检测装置的总体性能达到预期目标，可应用于100 km/h速度段内的货车超偏载检测。

3.2.4 新型检测平台的特点

针对既有超偏载检测装置存在的不足，新型检测平台对数据采集系统、监测软件进行优化改进，结合新型铁路货车超偏载装置近2年在现场的试用情况，分析其具有以下特点。

（1）创新性采用专用轨枕结合护轮轨方式，在保证检测功能的同时，方便了设备安装和维护。

（2）可适应速度100 km/h以内的超偏载检测要求，检测精度满足预期目标值。

（3）完全可适应大型养路机具作业，长期稳定性良好。

表2 不同速度条件下检测误差对比结果Tab.2 Comparison of detection error under different speed conditions

4 结束语

超偏载检测装置在保障铁路货运安全方面一直发挥着重要作用，但在货车达速、工务维护作业大机化等新形势下，既有超偏载装置已不能满足现场要求。通过延长测区、优化检测平台、改进数据采集设备，以及提出智能判车算法等措施研制了新型超偏载检测装置。现场应用表明，新型超偏载检测装置可适应100 km/h以内货车超偏载检测要求，且便于养护维修，长期稳定性良好。对于我国正在不断快速发展铁路货运市场，预期新型超偏载检测装置将在保障铁路货运安全方面发挥不可替代的积极作用。