鐵路貨車超偏載監測系統設計

馮樂樂

（國能鐵路裝備有限責任公司滄州機車車輛維修分公司，河北 滄州 061100）

鐵路貨車超偏載監測系統是監測鐵路貨車偏載、超載和偏重狀況的重要設備，可以有效地解決鐵路貨車超偏載運行問題，保障鐵路貨車運行安全。現有超偏載監測系統監測效率低，監測結果不準確，極易造成鐵路貨車裝車過多或不足的問題，不僅影響鐵路貨車行車安全，還會對鐵路貨車運輸效益造成影響。因此，研究新型鐵路貨車超偏載動態監測系統，快速、準確監測鐵路貨車超偏載狀況，對管理鐵路貨車有重要意義。

1 鐵路貨車超偏載監測原理

1.1 鐵路貨車荷載分析

目前，大部分鐵路貨運列車采用“K”形轉向架，該類轉向架由2 個側架和1 個搖枕組成，貨車轉向架荷載傳遞為自上而下，傳遞路線為車體、上心盤、下心盤、搖枕、搖枕彈簧、彈簧承臺、側架、導框、承載鞍、軸承、輪對和鋼軌。根據鐵路貨車轉向架荷載傳遞前后順序可知，在“K”形轉向架中，搖枕彈簧是支撐貨車載重和自重的重要部件，因此可以將貨車載重看作4 組承載彈簧剛度系數乘積和貨物裝載前后彈簧壓縮量間的差值[1]。

1.2 建立軌面坐標系

為量化描述鐵路貨車裝載姿態，根據右手螺旋定則建立軌面坐標系，如圖1 所示[2]。

圖1 軌面坐標模型

在鐵路貨車底部安裝傳感器的過程中，需要注意以下問題：為保障貨車裝載安全性，傳感器安裝位置應低于鐵路限界，并且傳感器不能與軌道接觸；傳感器應垂直于鐵路貨車底面，與貨車轉向架彈簧所在直線位置應與X軸平行。鐵路貨車搖枕彈簧與傳感器間的位置關系如圖2 所示。

圖2 搖枕彈簧與傳感器位置關系

1.3 鐵路貨車超偏載監測流程

在初始狀態下，鐵路貨車傳感器位置分別為M1（x1，y1，z1）、M2（x2，y2，z2）、M3（x3，y3，z3）和M4（x4，y4，z4）。在鐵路貨車空載狀態下，將軌面與測點間的垂直距離作為原始數據，鐵路貨車裝載完成后，計算基準平面與偏載平面間的夾角，并轉換搖枕彈簧與測點間的距離關系，獲得鐵路貨車彈簧變形量，根據彈簧變形量，可計算車輛超偏載狀況和輪重信息[3]。

由于傳感器與車輛底面為垂直狀態，因此傳感器測量值不是測量點與軌面間的垂直距離。在偏載狀態下鐵路貨車底面坐標如公式（1）所示。

式中：a、b、c、d為平面方程系數。

傳感器經過坐標系3 點Mk（xk，yk，zk）（k=1，2，3）時，其平面如公式（2）所示。

將傳感器坐標代入公式（1）可得公式（3）。

假設鐵路貨車加載后的平面公式為a1X+b1Y+c1Z+d1=0，基準平面為a2X+b2Y+c2Z+d2=0，那么鐵路貨車加載狀態下，傳感器基準坐標與鐵路貨車底面平面傾角如公式（4）所示。

假設基準平面與xOy平面平行，當基準平面Z=0 時，將其代入公式（4）可得公式（5）。

傳感器測量值z測與測量和軌面間的垂直距離如公式（6）所示。

在鐵路貨車偏載狀態下，4 個測點垂直坐標分別為z1、z2、z3和z4。

根據公式（1）和公式（3）以公式（4）可計算傳感器測點與鐵路軌面距離和貨車空間姿態。當鐵路貨車車體結構為剛性結構時，可以根據第四個測點z4測高度變量對3 點平面方程進行驗證[4]。

1.4 鐵路貨車超偏載監測方法優化

由于監測傳感器與搖枕彈簧的坐標不同，因此利用傳感器測點坐標和原始坐標系間的差值反映鐵路貨車超偏載存在一定誤差。針對該問題，可以采用三角形相似原理，將傳感器測點位移量轉換為轉向架彈簧位移量，進而精準測量貨車超偏載信息。傳感器測定坐標與轉向架彈簧坐標關系如圖3 所示。

圖3 傳感器與轉向架彈簧坐標關系

根據三角形相似原理，計算如公式（7）所示。

式中：r為彈簧間距。

同理可得公式（8）。

根據鐵路貨車空載狀態下轉向架彈簧高度，可計算彈簧形變量Δh1、Δh2、Δh3和Δh4。

根據上述鐵路貨車轉向架荷載傳遞順序可知，鐵路貨車車廂重為所有彈簧承載力的和，同時可以將其看作4 組彈簧壓縮量與剛度系數間的乘積，計算如公式（9）所示。

式中：F為承載力。

利用以上公式可以計算鐵路貨車轉向架荷載、輪重和車廂載重，然后根據以上參數間的關系，可得到鐵路貨車偏載和超載等信息[5]。

2 鐵路貨車超偏載監測系統設計

根據鐵路貨車超偏載監測原理，采用ZigBee 為工控通信設備，將ARM 處理器作為超偏載監測系統嵌入式工控設備，將超聲波傳感器作為測量單元。最后配置可視化圖形界面，便于工作人員直觀、快速地獲取鐵路貨車狀態信息。

2.1 系統硬件設計

超偏載硬件監測系統框架如圖4 所示，鐵路貨車超偏載監測系統由Cortex-A9 核心板、LCD 觸控屏、ZigBee 通信模塊和超聲波傳感器組成。

圖4 超偏載硬件監測系統框架

為使工作人員快速直觀地獲取鐵路貨車超偏載信息，監測系統采用ARM 核心板，并搭配LCD 觸控屏作為上位機，工作人員可以通過LCD 觸控屏控制傳感器啟停、通信和數據讀取等。此外，為降低監測系統布線復雜性，進一步提高監測系統便攜性和靈活性，選擇ZigBee 無線通信模塊作為無線傳輸設備；超聲波傳感器成本低、抗干擾能力強以及檢測結果準確度較高，因此選擇超聲波傳感器作為測距設備[6]。

2.2 系統軟件設計

為便于工作人員直觀、快速地獲取鐵路貨車超偏載信息，監測利用嵌入式Linux 系統搭建上位機軟件，實現通信串口上傳、讀取數據以及人機界面交互等功能。

在監測系統中，下位機接收設備和監控系統數據上傳、指令下達等功能需要利用通信串口。該文采用第三方串口類QextSerialPort 開發與設計串口界面程序，QextSerialPort 為跨平臺串口類，串口讀寫操作簡便，根據串口信息，工作人員可以快速獲取鐵路貨車超偏載信息，進而減少工作人員勞動量，降低勞動強度[7]。

由于鐵路站貨運鐵路線較多，因此每輛貨車超偏載狀況監測完成后，工作人員需要及時向管理人員匯報。為保證數據傳輸及時性和可靠性，采用IP/TCP 協議搭建通信網絡，便于監測人員及時與管理人員溝通，網絡通信流程如圖5 所示。

圖5 網絡通信流程

首先，由管理人員通信設備初始化套接字并綁定本地端口號，然后創建TCP 接口監聽工作人員通信連接請求；其次，由檢測人員通信設備創建套接字，并向管理人員通信設備發送通信連接請求。最后，通信設備3 次握手后，兩臺通信設備通信連接建立完成，管理人員和監測人員可以實時收發數據。現場網絡通信搭建完成后，檢測人員和管理人員須及時上傳監測信息，以便鐵路站場資源的統籌管理。

簡單的現場通信功能無法滿足監測系統多用戶使用需求，為進一步提高鐵路貨運現場管理的開放性，建立多級用戶管理系統。通過采集貨運現場傳感器信息，并將數據上傳至服務器端，對信息進行統籌和存儲。此外，在服務器端和客戶端，可以對數據進行分析和處理，為貨運客戶訪問貨物信息提供訪問途徑和接口。

3 鐵路貨車超偏載監測系統應用效果及效益預測

3.1 應用效果

目前，鐵路貨車超偏載監測系統不僅適用于多種車型的運煤貨車，例如C80、C60 和C70 等，還可以增加監測車型滿足不同貨運車型需求。采用超聲波檢測傳感器提高了監測效率，有效地解決了鐵路貨車超偏載的問題，符合鐵路部門杜絕鐵路貨車嚴重超偏載的要求。通過對裝載情況進行評估與分析，有效避免了超偏載貨車進入鐵路干線，保障裝車安全。監測準確率大于99.6%，減少了識別誤差，為鐵路貨車提供技術保障。此外，統計鐵路貨車的裝載情況有利于站場運行管理，并且可以提高管理質量和效率。采用超偏載監測系統很大程度地提高了站場運營管理效率。管理人員可以及時獲取超載、偏載信息并采取措施，避免對所有車輛進行全面監測，從而提高了管理效率，縮短了停靠站場時間，降低了勞動強度和設備故障頻次[8]。

3.2 效益預測

鐵路貨車超偏載監測系統投入資金為81 萬元，在某鐵路運輸公司龍門吊區域已投入使用。使用該系統使貨車裝車效率和貨車周轉效率顯著提高，進一步增加了銷售量。根據統計數據，每月可以額外增加20 列以上的鐵路貨車。以煤炭貨物為例，每月增加的煤炭運輸量約為14000t，每月可創造約140 萬元的效益，年度累計約1680 萬元。

應用鐵路貨車超偏載系統可以準確監測超偏載狀態，避免了需要額外處理超偏載情況的問題。不僅減少了設備使用頻次，還降低了維修成本和故障率，為鐵路運輸公司節省了大量成本，并推動了其可持續發展。

當未使用鐵路貨車監測系統時，發現超載、偏載鐵路貨車會有高額處罰費用，在鐵路干線上發生超偏載安全事故會產生巨大經濟損失。使用鐵路貨車超偏載監測系統能夠準確監測超偏載情況并及時處理，避免了經濟損失和處罰，同時為鐵路貨車的安全運行提供了保障。

4 結語

針對鐵路貨車超偏載人工監測效率低、工作量大的問題，該文提出一種鐵路貨車超偏載狀況動態監測方法，將超聲波傳感器安裝在鐵路貨車底部，根據傳感器監測值計算彈簧壓縮量，進而獲取鐵路貨車輪重，判斷鐵路貨車是否有超載、偏載等情況，為鐵路貨車運行管理提供參考。

鐵路貨車超偏載監測系統由超聲波傳感器、ZigBee 通信設備、嵌入式工況設備和LCD 觸控屏組成，可以對貨車超偏載動態進行無接觸式監測。

該文設計的鐵路貨車超偏載監測系統應用效果和效益較好，可以進一步提高鐵路站場、鐵路貨車管理效率和質量，能為鐵路運輸公司帶來較好的經濟效益。