鄧俊，范眾維，孫勇，胡幫市，李俊林，涂傳進

(1. 方大特鋼科技股份有限公司，江西 南昌 330012；2. 中國鐵路南昌局集團有限公司科學技術研究所，江西 南昌 330002)

鐵路作為我國最主要的貨物運輸方式，其安全可靠、運量大、價格低，在我國大物流體系中發(fā)揮著重要作用；長期以來，受客觀條件限制及經濟利益驅使，鐵路貨車超載、偏載現(xiàn)象嚴重，這不僅對車輛設備造成損傷，大大降低車輛使用壽命，甚至危及行車安全[1]，極易造成車輛燃軸、切軸及車輛顛覆等引發(fā)重大安全事故；而且對鐵路線、道岔的損害也非常嚴重，危害甚大。當前，鐵路貨運不僅要滿足基本計量要求，另一方面，還需要對運輸車輛超載、偏載進行檢測，而當前實際情況是軌道衡和超偏載設備都可以對貨車進行稱重，但超偏載檢測設備更關注貨車的安全檢測，無法保證計量準確度，而軌道衡更關注計量準確度，而沒有超偏載檢測功能；近些年，超偏載檢測專業(yè)設備普遍在用的是CPZ?100 型，但因其設備及土建費用近200萬元，價格高昂，大部分只能應用于各鐵路編組站，而企業(yè)面臨的實際問題是企業(yè)貨物裝車后進入國鐵車站再進行超偏載檢測，一旦發(fā)現(xiàn)不達標則需要將車輛牽引回企業(yè)重新裝車，整個過程非常繁瑣，費時耗財，如果在企業(yè)內安裝CPZ?100 型設備是可以解決源頭冶超問題，但對很多企業(yè)來說是個不小的負擔，且CPZ?100 型設備其計量準確度并不能滿足企業(yè)貨物貿易結算的要求。而實際上，各工礦企業(yè)都有進出廠貨物稱量的軌道衡設備，其計量準確度可達貿易結算的要求[2]。如果在既有軌道衡上增加超偏載檢測功能，則可實現(xiàn)裝載源頭實施超偏載檢測，不僅可節(jié)省時間，更可節(jié)省成本。

1 超偏載檢測原理

超偏載檢測的實質是在鐵路車輛不停車、不摘鉤動態(tài)運行的狀態(tài)下，準確地測得受力波形，并通過波形分析出車輛每個車輪的輪重，通過計算機軟件處理得到車輛的總重、超載量、偏載率。

作為超偏載檢測設備應符合鐵路總公司運營貨管[2007]115 號文件技術要求，超載檢測精度要求40 km/h 以下時，準確度優(yōu)于0.5%，40 km/h 以上時，準確度優(yōu)于1%，其他技術指標還應滿足JJG(鐵道) 129—2004《 鐵路貨車超偏載檢測裝置檢定規(guī)程》各項要求。

多年以來，也有些國家在研制各種檢測方法來實現(xiàn)對車輛超偏載的測量，但都難于適合中國鐵路，其中有些是設計原理不健全，太過理想化；有些是準確度太低，適應性差[1,3]。

傳統(tǒng)超偏載采用了二力合成的原理來實現(xiàn)對單個動態(tài)輪重的檢測，其結構是以每2個壓力傳感器(實際上每個重力傳感器既作為測力傳感元件用，同時又作為一根軌枕的支撐座用)為一組壓力單元，再在這2個壓力傳感器各自外端的鋼軌中性軸上安裝剪力傳感器，形成剪力與壓力合成的測力單元，幾組這樣的測力單元聯(lián)成一個加長的連續(xù)不斷的測力區(qū)[4?5]，當車輪行進到測力區(qū)時，壓力傳感器和剪力傳感器將采集的信號傳遞到采集儀的放大器中進行放大、濾波、模數(shù)轉換、接口等數(shù)據采集和信號處理后，送入計算機經軟件分析，通過對車輪各種數(shù)據的處理，并識別機車和貨車車型等，計算出每個貨車車輪的輪重，將每節(jié)車的各輪重加以比較和分析得出超偏載的各參數(shù)[6]。但是，這種結構的超偏載設備復雜度高，設備造價近200萬元。

為了克服傳統(tǒng)超偏載技術的缺陷，設計一種基于軌道衡超偏載檢測系統(tǒng)，使軌道衡原整體轉向架受力結構發(fā)生根本性的改變，將軌道衡承載器采用軟性連接梁結構，使支撐承載器的壓力傳感器單路輸入到稱重儀表，作到信號分離，計算機端重新開發(fā)軟件系統(tǒng)，使軌道衡不僅具有稱重功能，還具有超偏載檢測功能，其區(qū)別于傳統(tǒng)超偏載測量單輪方式，基于軌道衡的超偏載檢測系統(tǒng)是以轉向架單側稱重為基礎，單側測量半邊架重，并最終計算得到輪重，測量過程中左右互不干擾，可以得到準確的輪重信息，從用戶角度講在使用上與傳統(tǒng)超偏載無任何區(qū)別，基于軌道衡的超偏載檢測系統(tǒng)投入很少，節(jié)省設備投入成本，達到使用要求。

超偏載軌道衡由重新設計的承載器、傳感器、單路稱重儀表、超偏載軌道衡軟件4部分組成，承載器經過特殊設計以達到測量輪重的目的，傳感器采用自復位柱式傳感器，以保證力的傳導準確、穩(wěn)定，稱重儀表采用多通道模式，每只傳感器可獨立輸入到稱重儀表，使車輪作用到承載器的力信號完全分離，自由組合，超偏載軌道衡軟件負責將采集的信號進行算法處理，處理后可得到輪重、架重、整車重量，用于計算車輛的偏載情況(圖1)。

圖1 超偏載檢測系統(tǒng)示意圖Fig.1 Sketch map of overload&unbalance load detecting system

2 具有超偏載檢測功能承載器設計[7]

如圖2～7 所示，將原有軌道衡的橫向接梁進行重新設計，在基座1左右兩側對稱設置稱重梁2，在每個稱重梁2 上方固定臺面軌3，稱重梁2 借助限位裝置與基座1 連接，稱重梁2 的前后兩端與基座1 之間都設置有稱重傳感器4。軌道衡還安裝用來連接兩個稱重梁2 的橫向連接梁5。橫向連接梁5 包括前橫向連接梁和后橫向連接梁，前橫向連接梁和后橫向連接梁結構相同，都是聯(lián)接板5-1 兩端固定有端板5-2，每個端板5-2 都與位于其外側的稱重梁2 固定連接，端板5-2 厚度h 為15～25 mm。

圖2 具有超偏載檢測功能承載器主視圖Fig.2 Front view of overload&unbalance load detection loader

由于只在稱重梁2的前后兩端分別設置前連接梁、后連接梁，而且端板5-2 的厚度只有15～25 mm，這就使得貨車在稱重時每個車輪受到的作用力都能夠更好地作用在軌道衡的稱重傳感器4 上，數(shù)據處理裝置根據稱重傳感器4測得的數(shù)據可以精準計算出貨車的偏載量。

圖3 具有超偏載檢測功能承載器俯視圖Fig.3 Top view of overload&unbalance load detection loader

圖4 具有超偏載檢測功能承載器左視圖Fig.4 Left view of overload&unbalance load detection loader

圖5 具有超偏載檢測功能承載器前連接梁的結構示意圖Fig.5 Structure of the front connecting beam of overload&unbalance load detection loader

為了確保端板5-2 與聯(lián)接板5-1 之間的連接更加牢固可靠，可在端板5-2 與聯(lián)接板5-1 之間固定筋板5-3，對稱分布。筋板5-3 為等腰直角三角形板，兩直角邊分別與端板5-2，聯(lián)接板5-1 緊密接觸且固定連接。為了確保聯(lián)接板5-1 與端板5-2 可靠連接，同時避免筋板5-3 太厚而影響稱重傳感器4 測量的靈敏度，將筋板5-3 厚度設置為15～25 mm，優(yōu)選20 mm。

圖6 具有超偏載檢測功能承載器前連接梁俯視圖Fig.6 Top view of the front connecting beam of overload&unbalance load detection loader

圖7 具有超偏載檢測功能承載器前連接梁A-A向視圖Fig.7 A-A reference arrow view of the front connecting beam of overload&unbalance load detection loader

為了確保端板5-2 與稱重梁2 具有足夠大的接觸面積，可靠連接，同時避免端板5-2 與稱重梁2之間接觸面積太大而對稱重傳感器測量的靈敏度產生較大的影響，端板5-2 采用的是邊長為195～205 mm 且 優(yōu) 選 為200 mm 的 正 方 形 板，200 mm 的高度值能夠充分限制稱重梁2 外傾力；端板5-2 四角開設有安裝孔，方便端板5-2 與稱重梁2 之間的連接，拆裝方便快捷，省時省力。

聯(lián)接板5-1 為長方形板，聯(lián)接板5-1 的長度方向沿左右方向設置，既要將左右兩側稱重梁2可靠連接在一起，又要避免聯(lián)接板5-1 沿前后方向的厚度太大而對稱重傳感器測量的靈敏度產生較大影響因此聯(lián)接板5-1 沿前后方向的厚度設置為15～25 mm，優(yōu)選20 mm。在基座1 的前后兩端都分別設置有左右2 個過渡橋6，過渡橋6 的上端面與稱重梁2 的上端面齊平。過渡橋6 可以為基礎道床延伸過來的引線軌9 提供支撐，使引線軌9 與臺面軌3 處于同一水平面上，能夠有效防止因基座1 不均勻沉降而使引線軌9 與臺面軌3 產生高度差，避免車輪對稱重梁2 和稱重傳感器4 產生劇烈沖擊，使貨車能夠平順通過，從而提高稱重傳感器4的使用壽命和稱量精度。

限位裝置位于軌道衡稱底，包括鉸接在基座1與稱重梁2 之間的橫向拉桿7、以及鉸接在基座1與稱重梁2 之間的縱向拉桿8，橫向拉桿7 的軸線沿左右方向設置，縱向拉桿8的軸線沿前后方向設置，基座1 的前后兩端都設置有橫向拉桿7，稱重梁2 每端的橫向連接梁5 都是位于該端的橫向拉桿7與縱向拉桿8之間。如圖2所示，在基座1前后兩端的中間位置設置有向上凸起的連接座，連接座的左右兩側都設置有橫向拉桿7，橫向拉桿7 的一端借助軸線沿前后方向設置的第1鉸接軸與連接座鉸接，橫向拉桿7的另一端借助軸線沿前后方向設置的第2 鉸接軸與稱重梁2 鉸接，可以防止在行車過程中稱重梁2 產生橫向位移?？v向拉桿8 的一端借助軸線沿左右方向設置的第3 鉸接軸與基座1 鉸接，縱向拉桿8的另一端借助軸線沿左右方向設置的第4 鉸接軸與稱重梁2 鉸接，使稱重梁2 的前后兩端能夠相對于基座1發(fā)生微小的位置變量，更有利于將車輪受到的作用力作用在稱重傳感器4上。

通過對軌道衡的設計改造，并重新開發(fā)軟件系統(tǒng)，使軌道衡同時具備了計量稱重、超偏載檢測功能。

3 軟件系統(tǒng)開發(fā)

超偏載檢測軟件是基于軌道衡超偏載檢測系統(tǒng)的核心組件，遵循軌道衡計量軟件基本運算過程，又區(qū)別于傳統(tǒng)軌道衡軟件，超偏載軌道衡計量軟件將原軌道衡運算拆分成了內側、外側及(內側+外側)3 部分，計算過程中3 部分數(shù)據信號分別送入計量算法，計量算法計算得到結果，統(tǒng)一組合，從而可以計算得到輪重、軸重、總重、整車偏、前后偏、軸偏載、前后架差等信息(圖8)，軟件設計中加入了機車濾除算法，可以對鐵路運行的電力機車、4 軸、6 軸內燃機車準確濾除，以保證得到準確的車輛信息，稱重儀表將各路傳感器信號傳輸?shù)接嬎銠C超偏載計量軟件先對每路傳感器信號進行濾波處理、角增益補償、求和運算等操作后，將所有數(shù)據送入到計算邏輯模塊，計量模塊判斷是否有車輛經過，當有車輛時運行數(shù)軸算法，根據數(shù)軸的數(shù)量進行對車輛的1，2，3 和4軸分別進行取重，并在前后轉向架稱重時進行2次區(qū)分，得到所有輪重信息，最終計量邏輯模塊計算出車輛的輪重、軸重、架重及整車重量。其計算流程如圖9所示。

圖8 傳感器信號波形Fig.8 Wave shape of sensor signals

圖9 計量軟件處理流程Fig.9 Processing flow chart of metering software

整個軟件系統(tǒng)以模塊化方式設計，軟件方便組合，其主要分4 部分，接口模塊IWeighingLogic,其定義了統(tǒng)一的計量算法接口，F(xiàn)actory 其主要用于動態(tài)的掛接不同的計量算法，BaseFunction 其主要集成了計量算法基本操作函數(shù)，第4部分是不同衡器類型的具體計量算法實現(xiàn)，通過結構化的設計，可使計量軟件適用于不同軌道衡結構方式(圖9)。

圖10 計量邏輯結構Fig.10 Logical metering structure

圖11 超偏載計量軟件界面Fig.11 Metering software interface of overload&unbalance load

4 實際運用

超偏載測量軌道衡具體使用時，每個稱重梁2前后兩端的下方都設置有稱重傳感器4，位于同一個稱重梁2 下方的2 個稱重傳感器4 軸線之間的間距設置為3 630 mm。為了使作用力能夠更好地作用在稱重傳感器4 上，每個聯(lián)接板5-1 都應安裝在稱重梁2 豎直方向的中間部位或偏離中間靠上部位，并盡量靠近稱重梁2的端頭，形成一個穩(wěn)定的承載結構，防止2 稱重梁2 不直時由于車輪踏面水平力作用而發(fā)生傾翻，保證每個稱重傳感器4與稱重梁2 自然接觸，安裝每個聯(lián)接板5-1 時應保證每個稱重傳感器4的安裝平面在同一水平面上。稱重傳感器4 和橫向拉桿7 都位于橫向連接梁5 外側，縱向拉桿8 位于橫向連接梁5 內側，例如圖2 中，右側的稱重傳感器4 和橫向拉桿7 都位于該側橫向連接梁5右側，縱向拉桿8位于橫向連接梁5左側。

貨車的4 個左車輪由前向后分別記為第1 左輪、第2 左輪、第3 左輪、第4 左輪，位于左側稱重梁2 下方的2 個稱重傳感器4 分別為左前稱重傳感器、左后稱重傳感器，左前稱重傳感器用來測量第1 左輪、第2 左輪的承重，左后稱重傳感器用來測量第3 左輪、第4 左輪的承重，稱重傳感器測量出的第1 左輪、第2 左輪、第3 左輪、第4 左輪的承重分別記為WZ1，WZ2，WZ3 和WZ4。同理，稱重傳感器測量出的第1 右輪、第2 右輪、第3 右輪、第4 右輪的承重分別記為WY1，WY2，WY3 和WY4。在此基礎上，稱重傳感器將測量得到的數(shù)據都發(fā)送給數(shù)據處理裝置，數(shù)據處理裝置根據收到的數(shù)據計算貨車總重和偏載量，具體的計算方法如下：

前梁重WQ=第1 左輪的承重WZ1+第2 左輪的承重WZ2+第1 右輪的承重WY1+第2 右輪的承重WY2，即WQ=WZ1+WZ2+WY1+WY2；

后梁重WH=第3 左輪的承重WZ3+第4 左輪的承重WZ4+第3 右輪的承重WY3+第4 右輪的承重WY4，即WH=WZ3+WZ4+WY3+WY4；

前后偏載的偏重差△W=前梁重WQ-后梁重WH，即△W=WQ-WH；

貨車總重W=前梁重WQ+后梁重WH，即W=WQ+WH；

設偏前連接梁的偏載率rQ=[WZ1+WZ2-(WY1+WY2)]/WQ；

設偏后連接梁的偏載率rH=[WZ3+WZ4-(WY3+WY4)]/WH。

5 國家檢定

基于軌道衡超偏載檢測系統(tǒng)應用后，使用國家軌道衡計量站四節(jié)專用標準砝碼車對本發(fā)明的軌道衡進行檢定[8?9]，標準砝碼車重量分別為82 190，49 410，75 240 和65 130 kg，軌道衡的20個稱量值如表1和表2所示。

表1 第1組超偏載測量軌道衡的檢定結果Table 1 Verification results of overload&unbalance load rail-weighbridges(Group 1)

由表1 和表2 中的數(shù)據可知，基于軌道衡超偏載檢測系統(tǒng)稱重結果滿足《JJG 234—2012 自動軌道衡檢定規(guī)程》[10]，偏載數(shù)據滿足《JJG(鐵道)129—2004 鐵路貨車超偏載檢測裝置檢定規(guī)程》[11]。

表2 第2組超偏載測量軌道衡的檢定結果Table 2 Verification results of overload&unbalance load rail-weighbridges(Group 2)

對比例，用國家軌道衡計量站五節(jié)專用標準砝碼車對ZGU-100-DG軌道衡進行檢定，標準砝碼車重量分別為82 190，49 410，75 240，65 130 和22 180 kg，軌道衡的20個稱量值如表3所示。

表3 對比例軌道衡的檢定結果Table 3 Verification results of proportional rail-weighbridges

通過表1～3 中最大值、最小值的對比可知，基于軌道衡超偏載檢測系統(tǒng)測得的數(shù)據更加接近標準值，所以準確度更高，而且對比例的軌道衡不具有測量偏載率的功能。

6 結論

1) 所研發(fā)的基于軌道衡的超偏載檢測系統(tǒng)已獲得國家專利。通過國家法定計量檢定機構對該系統(tǒng)的檢定，所有技術性能參數(shù)達到了設計要求，準確度優(yōu)于0.5%，前后轉向架變動差范圍小于400 kg，前后轉向架偏重差平均值與理論值相差小于500 kg，設偏轉向架實測值與理論值差少5%。

2) 基于軌道衡的超偏載檢測系統(tǒng)不僅具有稱重功能，還具有超偏載檢測功能，可有效節(jié)省設備投入成本，滿足使用需求。

3) 基于軌道衡的超偏載檢測系統(tǒng)可以解決企業(yè)源頭測偏難題，也為企業(yè)貨運安全提供了有利的技術保證，從經濟效益分析，其作為產品應用勢必會帶來非常大的社會、經濟效益。