鐵路貨物裝載狀態檢查裝置的研制與應用

肖 鯤

(中國鐵路呼和浩特局集團有限公司 科研所，內蒙古 呼和浩特 010000)

貨物裝載加固是保證列車運行安全和貨物安全的重要措施。目前，在貨場和一些中間站由于缺少安全門等監測設備，裝卸車貨檢作業仍然依靠貨檢員在車廂進行目視檢查[1]，不僅作業效率低下，而且攀高作業還給貨檢人員帶來較大的安全隱患。為此，研制一種操控簡易、攜帶方便的鐵路貨物裝載狀態檢查裝置，實現對鐵路貨車貨物裝載加固情況的實時檢查，一方面能降低作業人員安全風險，另一方面有助于提高貨物裝載檢查的效率。

1 鐵路貨物裝載狀態檢查裝置設計

1.1 設計原則

（1）穩定性原則。鐵路貨物裝載狀態檢查裝置主要在室外使用，裝置的部件應滿足室外環境使用要求，如防水性、防塵性等，做到高可靠性，達到工業級標準，以保證裝置的穩定性[2-3]。

（2）便攜性原則。鐵路貨物裝載狀態檢查裝置供單人使用，以減少貨檢人員爬進車廂登高作業次數為目的，裝置的整體重量宜較輕，便于貨檢人員工作時攜帶，而且應操作簡單，方便使用[4-5]。

1.2 鐵路貨物裝載狀態檢查裝置設計

鐵路貨物裝載狀態檢查裝置主要由操作手柄、加長桿、可伸縮桿、可彎曲攝像頭、顯示屏組成，附件還包括充電裝置和備用電池等。

1.2.1 視頻模組

視頻模組的原理為：景物(SCE)通過鏡頭(LENS)生成的光學圖像投射到圖像傳感器表面上，轉化為電信號，再經過數字信號處理芯片(DSP)的加工處理，通過接口(IO)傳到屏幕上。

根據功能需求與市場情況，鐵路貨物裝載狀態檢查裝置選用AHD0130視頻模組。按照低照度攝像機最低照度的級別劃分，AHD0130視頻模組(照度小于0.1Lux)屬于暗光級攝像機，在裝置自有的補光燈(12個LED白光燈)條件下(加之鐵路貨場其他輔助照明設備)能夠滿足夜間查看的要求[6-7]。視頻模組工作原理圖如圖1所示。

圖2 視頻模組工作原理圖Fig.1 Video module work schematics

1.2.2 桿體設計

（1）整體設計。鐵路貨物裝載狀態檢查裝置整體采用4段式模塊化設計，第1段為操作手柄，第2段為加長桿，第3段為伸縮桿，第4段為可彎曲攝像頭。桿體均采用鋁合金材料，在保證拉桿強度和剛度的同時，整體質量較輕。

（2）連接方式。各段之間均采用鍍金頂針滑環接觸方式，保證攝像頭的供電和信號傳輸良好；連接處采用外護套連接能有效防水，保證裝置在雨雪天氣正常使用。

（3）操作手柄。操作手柄包含電池、操作按鍵、顯示屏、電量顯示燈、充電接口、視頻輸出接口、音頻輸出接口、SD卡插槽。顯示屏與操作按鍵段采用防水式航空插頭連接。

主要有三方面的因素：①由于浸出中上清含有一定的雜質砷、銻、鍺等，同時二段壓濾機跑漏的液體和球磨機溢流出的礦漿，經過地坑泵泵入一段凈化槽，其中含有一定的銻。另外，一段凈化溶液中含有Cu2+, Cu2+具有降低Co超電勢，增大鋅鈷微電池電勢差，從而增大置換過程的熱力學推動力的作用，銻、銅的存在，給鈷的置換反應創造了條件。②一段凈化配置2臺80 m3反應槽，鋅粉僅在1#槽加入，且過量加入，鋅粉分配比例不合理。③一段凈化總反應時間為1.2～1.5 h，為鈷的置換提供了充足的反應時間。另外，一段凈化無法實現渣與液體的快速分離。

（4）加長桿。在裝置總長度不變的條件下，直接采用伸縮桿與操作手柄連接的方式，但為解決伸縮桿具有收回長度這一問題，在操作手柄與伸縮桿之間增設加長桿。一方面減小其前端伸縮桿的長度和外徑，另一方面也保證檢查儀伸到較長位置時，整體彎曲變形較小，增強整個裝置的剛度。

（5）伸縮桿。伸縮桿為3段式設計，可以伸出和收回，伸縮桿最短為68 cm、最長為164 cm。伸縮桿內部采用彈簧線連接設計。

（6）可彎曲攝像頭。采用可彎曲和防水設計(防水等級IP68)，攝像頭可以根據要求任意調節角度，并且支持在雨雪天氣下使用。為保證夜間圖像效果，設計12個高亮白光LED燈進行補光。

2 鐵路貨物裝載狀態檢查裝置便攜性分析

2.1 鐵路貨物裝載狀態檢查裝置重心位置

鐵路貨物裝載狀態檢查裝置各部分的重量和長度分別如表1和表2所示。其中，表1、表2中不包括螺紋部分長度。

表1 鐵路貨物裝載狀態檢查裝置各部分的重量Tab.1 Weight of each part of the railway freight loading inspection device

表2 鐵路貨物裝載狀態檢查裝置各部分的長度Tab.2 Length of each part of the railway freight loading inspection device

假設裝置各部分的重心均位于中心位置。由于電池在手柄的底部位置，因而手柄(含屏幕)重心偏底部；伸縮桿部分外徑大，內徑小，故伸縮桿伸長后重心偏向底部；攝像頭部分使用時是彎曲的，重心取中心。因此，實際重心位置對便攜性更有利。鐵路貨物裝載狀態檢查裝置重心計算如圖2所示。其計算公式為裝置整體重量為1 632 g，裝置伸長后長度為2.62 m。裝置重心如果位于使用者把持裝置兩手之間的部分時，使用者將最省力；裝置重心距離操作使用人員把持裝置兩手越遠，形成力矩越大，操作使用人員抬舉并移動裝置會感到越費力。

根據圖2和公式 ⑴ 計算可知，鐵路貨物裝載狀態檢查裝置的重心為98.8 cm。由重心位置可知，在裝置整體長度不變的前提下，為使裝置整體重心向使用者的握持部靠近，可以通過增大M1和M2的重量，減小M3和M4的重量實現，但增大M1和M2的重量會增加裝置整體重量，顯然是不可取的。M4為可彎曲攝像頭，采用IP68等級防水設計和可彎桿設計，不便于減輕質量。因此，最簡單的方案就是減小M3的質量。

圖2 鐵路貨物裝載狀態檢查裝置重心計算Fig.2 Gravity calculation of railway freight loading inspection device

在公式 ⑴ 中，令M3為xg，重心為ycm，可以得到M3重心的計算公式為

2.2 把持力值計算

參照鐵路貨物裝載狀態檢查裝置現場使用照片，在不利的條件下，計算操作者把持鐵路貨物裝載狀態檢查裝置所需的力值。鐵路貨物裝載狀態檢查裝置把持力值計算示意圖如圖3所示。

圖中鐵路貨物裝載狀態檢查裝置與車側面夾角為α，操作者右手握在鐵路貨物裝載狀態檢查裝置的O點(支點)，左手壓在鐵路貨物裝載狀態檢查裝置的底部，其壓力值為N，根據力矩平衡[8]，可以得到

M·LM=N·LN

測量得到GO= 48.8 cm，LN= 42 cm，α= 30°。因此，左手對檢查儀手柄底部的壓力N為9.29 N。

圖3 鐵路貨物裝載狀態檢查裝置把持力值計算示意圖Fig.3 Holding device force calculation diagram

將檢查儀的重力M分解為G1和G2，根據受力平衡關系可知，右手作為支點對檢查儀的支持力F為17.29 N。

右手作為支點為阻止檢查儀滑落，對桿的摩擦力f為13.85 N。

通過計算可知操作者使用檢查儀時雙手的把持力均較小。該力值是最不利于便攜性條件下的計算值，原因是一方面鐵路貨物裝載狀態檢查裝置上端沒有靠在車側面；另一方面鐵路貨物裝載狀態檢查裝置與車側面夾角較大，實際操作中，檢查儀與車側面夾角一般會小于30°。

在實際貨檢作業中，操作者通常會將檢查儀上端靠在車體側面，雙手力值會大大減小。此外，減小裝置與車體側面的夾角，左手所需壓力值也會減小。

2.3 應用及功能改進分析

（1）應用分析。①鐵路貨物裝載狀態檢查裝置充滿電一次可連續使用4 h以上，滿足貨檢作業要求。②通過鐵路貨物裝載狀態檢查裝置，白天與夜間均可查看敞車內貨物裝載狀態，包括貨物擺放狀態、草支墊、鋼絲繩、防摩擦墊襯物等。③貨檢人員使用后普遍認為該裝置使用方便，操作簡單，可以提高作業效率，減輕勞動強度。

（2）功能改進。①采用新型材料減輕重量。采用新型材料既可以減輕鐵路貨物裝載狀態檢查裝置整體質量，又可以使裝置整體重心向使用者的握持部靠近，減小使用者把持裝置時所需力量，進一步改善貨檢人員的使用感受。伸縮桿M3以鋁合金(密度2.7)為材料，如果采用碳纖維(密度為1.8)為材料，重量可以減少1/3，即減輕435×0.33 = 143.55 g，重心可以向操作使用人員手部偏移14.355×1.1 = 15.8 cm，較大地改善裝置操作使用人員的使用感受。②采用星光級攝像頭增強夜間效果。在輔助照明條件較差的貨場或中間站，可以根據需求換裝星光級攝像頭，增強夜間圖像效果。

3 結束語

鐵路貨物裝載狀態檢查裝置具有操控簡單、攜帶方便、圖像清晰、可靠性強等特點，在缺少貨檢設備的貨場和中間站，可以降低貨檢作業人員登車檢查的安全風險，實現在白天、夜間、雨雪等各種氣候條件下對鐵路貨車貨物裝載加固情況的實時檢查、錄制和回放。應用該裝置一方面有助于提高貨物裝載檢查的勞動效率，減少作業人員安全風險，另一方面可以有效加強貨物裝載加固的安全管理，保證列車運行安全和貨物安全。