监测技术在长大货车运输中的应用与发展

洪玉辉,姜 成,熊 芯

(中国铁道科学研究院 机车车辆研究所,北京100081)

随着我国经济的迅猛发展,大批国家重点工程的开工建设,大量的大型设备需要运输,其中铁路担负着主要的运输份额,一批长大专用货车出现在铁路线上。

鉴于大型设备的重要性和特殊性,在运输过程中需要实时监测车辆、设备的状态。为提高铁路货运运行速度,保证行车安全,监测、测试和研究货运列车的各方面性能尤为重要。

1 长大铁路货车

长大货车主要用来运输长大、超重、超限货物,这些货物往往是国家重点工程项目的关键设备。和通用货车相比,长大货车由于其载重量大、载重货物特殊等因素,其承载方式、转向架形式、车体结构等方面具有自身的特点。长大货车大致可分为凹底平车、落下孔车、钳夹车、长大平车和双联平车等。到目前为止,我国大约有各种长大货车400辆,运输着国家重点工程中的大型重要设备,在国民经济建设中有着十分重要的地位和作用。

下面以DQ45型钳夹式长大货车为例,来说明长大货车的主要特点。2009年11月完成该车出厂前的强度试验和动力学性能试验,该车在标准轨距铁路上使用,可适应装运电力等行业的短、粗、重、超限、超重、超大货物,特别适于1 000 MW发电机定子等货物的运输。

该车具有如下主要特点:

(1)该车载重450 t、自重208 t,是目前中国铁路载重吨位最大的钳夹式货车,具有载重大、自重轻、适用范围广的特点。

(2)该车采用3E轴和4E轴转向架,共28根轴,每延米轨道载重10.05 t,重车最高运行速度60 km/h,过桥性能好、运营成本低、运输效率高。

(3)该车设有内、中、外3种导向装置、液力起升装置、侧移装置及液压纵向连通旁承装置,能够顺利通过多种既有线路线况,提高了运输超限货物能力和装卸效率。

(4)空车不超限,具有回送速度高,空车最高运行速度100 km/h,对铁路运输影响小的特点。

(5)该车液压系统采用集成化泵站、电磁比例控制,提高了液压系统的工作可靠性。

2 长大货车运输监测技术

在超限超重货物运输中,需要对载重量很大的长大货车运输进行均载检测及全程技术监测:

(1)长大货车在出厂前通过了强度试验和动力学性能试验。为了确保运输的安全,在动力学试验报告中,提出对该车要进行全程技术监测或者是新车前几次运输必须进行全程技术监测。

(2)长大货车由于结构上的特点,在装载货物时,可能造成装载不均匀,因此在装载时,需要进行检测,通过调整车辆状态达到装载的均匀性。

(3)在超重超限货物运输的过程中,线路状态可能与试验中有所不同,为了确保运输的安全,需要进行全程技术监测。

(4)在运输过程中,可能有多辆超限超重车编在同一专列中,载重量都很大,沿途行经的线路非常复杂,例如小半径、大超高、S形曲线、复式交分或者交叉渡线等,为了确保运输的安全,随时掌握各长大货车的状态,需要进行全程技术监测。

(5)长大货车车辆在频繁的使用过程中,某些技术参数和指标可能会出现逐渐下降的趋势。为了解载重量很大的长大货车的状态,需要对车辆进行跟踪,积累运行数据。通过对积累数据的分析,为车辆今后使用、维护、保养及维修提供有效依据,为长大货车的设计开发提供参考。

(6)长大货车在途经地方铁路和专用线时,由于修建和维护等级的原因,线路状况一般比国铁正线差,因此也是监测的重点。

对不同种类、不同型号的长大货车,监测方案是不同的。在制定监测方案时主要遵循以下几个方面考虑:

(1)监测车辆不偏载、货物不倾斜,例如钳夹车的挂货钩、落下孔车肩座应力监测。

(2)车辆关键部位应力监测,保证车辆关键部位受力在许用应力范围内,例如车辆的等分撑杆、斜杆及杆座处腹板应力的监测。

(3)车辆运行的平稳性,尤其是在通过小半径、大超高、S形曲线、复式交分或者交叉渡线等线路线况时的平稳性,例如车辆小底架心盘处横向、垂向加速度及弹簧动挠度的监测。

近十几年来,通过对 D38,DQ35,D45,D32,D26B和DK36等长大货车的运输进行全程技术监测,积累了大量的有效数据,为长大货车车辆的安全使用提供了依据。通过对这些数据的分析,随时修订某些长大货车的使用条件。

先进的测试设备和功能强大的软件,组成了性能卓越的长大货车装车均载检测、静强度检测等技术状态检测系统和运输技术监测系统。

2.1 硬件方面

数据采集系统一般由一套信号采集仪、两台计算机、电源等组成。一台计算机控制采集仪进行数据采集,并进行陀螺、速度信号的采集与显示,一台计算机用于数据实时监测和数据集中处理。

2.1.1 VXI数据采集系统介绍

VXI动态数据采集系统主要完成高速动态数据采集,该系统具有很好的采样稳定性和很强的抗干扰能力,能够对采样数据进行实时监测与处理,单通道最高采样频率可达100 kHz。主要由主机箱、IEEE-1394总线零槽控制器、E1413C和E1332A模块组成。通过连接传感器、采集仪、计算机,组成完整的监测系统,该系统具有多方式、高速度的数据采集及传输,超大容量的数据存储,高速度的数据与信息处理功能。

在超限超重货物运输中,需要监测车体关键部位的动应力、车体小底架心盘加速度、弹簧动挠度、承载结构的动应力,确认这些参数是否超过安全限度,随时提供数据和建议,确保长大货车运输安全。因此,在专列编组后,通过连接测试线将测试点与试验车上的VXI动态数据采集系统、计算机连接,完成监测系统的组建。由于长大货车较长,最远的测试点到达试验车有100多米,一般一辆长大货车运输监测点有20～30个。可见,要完成监测系统的组建、调试还是有相当工作量的,况且每道工序都必须认真、仔细、安全、可靠,决不能在运输途中出现问题。

随着国家重点工程的增多,也给长大货物的运输带来了机遇。例如发电厂和输变电站的建设,需要运输多台发电机定子或变压器。如果一趟专列能够运输几台,既经济,又快捷!但是如何保证运输的安全,监测工作如何来做,前面提到一台长大货车的最远测试点距试验车有100多米,如果是二台长大货车在试验车同侧编组的话,最远测试点距试验车就有200多米,况且一台VXI动态数据采集仪的通道是有限的。这既是个机遇,也是一个课题。

2.1.2 IMC数据采集系统介绍

具有网络连接特点的IMC数据采集系统正好能够解决上述问题。

IMC数据采集系统的特点是多方式、高速度的数据采集及传输;单通道最高采样频率可达100 kHz;多台仪器可同时在一个任务中使用,测试通道可不受限制;通过局域网络进行数据传输,每台仪器的位置可不受限制;多台仪器可进行时钟同步,保证数据采集同步。

IMC数据采集系统是德国IMC集成测控公司德国集成测控有限公司(Integrated Measurement&Control)生产制造的智能数据采集系统,其中CRONOS SL系列可在严苛环境条件下测量,如极端高低温、水花泼溅、强烈振动等,具备相应防护等级的测量设备,此种情况最常发生在长时间现场测试或者车载、机载、舰载等移动载具测试。IMC CRONOS SL正是这样一款坚固结实的测试系统,符合温度、振动、环境指标最为苛刻的美军标MIL STD810F。CRONOS SL可以在常规测量设备无法工作的恶劣环境下出色地完成长时间测试和监控工作。

例如,灵宝换流站变压器第3次铁路运输,就使用了IMC动态数据采集处理系统及配套设备,专列编组如图1所示。数据采集系统由4套IMC信号采集仪、3台计算机、电源等组成一个局域网,通过局域网络进行数据传输,如图2所示。一台计算机控制IMC进行数据采集、存储,并进行速度信号的采集与显示,两台计算机用于数据实时监测和数据集中处理。该系统具有很好的采样稳定性和很强的抗干扰能力,能够对采样数据进行实时监测与处理。

本次运输是第1次4台联运、同侧编组,最远端仪器距试验车约有400 m,测点多达60多个,距离远、数据量大。4台(套)IMC信号采集仪分别安放于4辆D型落下孔车之上,使测点与仪器之间的测试连接线最短,信号衰减小。4台(套)IMC信号采集仪之间采用网线连接,靠近试验车最近的一台与计算机连接,组成一个局域网络,电源线随网络线一同布下。这样做不仅大大减少工作量,而且大大提高了测试系统的可靠性。

再如哈尔滨到镇雄、兴义发电机定子第2次铁路运输,采用D38型和DQ35型钳夹车联运的方式。在联运期间采用光纤电缆,将两车监测系统局域网组成一个监测系统局域网,在一个试验车上完成联运监测工作。联运结束后,拆除光纤电缆,恢复各自的监测系统。

这样做,还有一个好处,专列编组前就可以分别组建各长大货车的监测系统,待专列编组后再连接组建一个完整的专列监测系统,大大缩短了专列开行前的准备时间。

图1 灵宝换流站变压器第3次铁路运输专列编组示意图

图2 IMC数据采集监测系统组成原理图

2.2 软件方面

技术状态检测系统和运输技术监测系统中所应用的软件是由中国铁道科学研究院机车车辆研究所开发的DASO机车车辆动力学分析软件,经近十几年的不断完善,实用性很强,数据分析统计功能全面。

打开软件,选择车型:货车,出现货车示意图,就可以在货车的相应位置添加相应的测试点,例如应力测试点、振动加速度测试点、陀螺仪等,方便直观。然后,连接好测试系统,打开参数定义表,设定测点参数,软件就可进入数据采集、计算、分析、统计,进行实时监测。

一般采用两台计算机完成监测任务,一台进行数据采集,并实时显示各个通道信号波形、数据最大值、速度、里程、线路线况等;另一台进行计算,并实时显示各个通道信号当前值、历史最大值,实时分析统计:选择不同通道进行信号波形对比,分析运行状态;按线路、线况(直道、道岔、曲线)进行统计,并根据速度、里程绘制散点图,查看、分析数据分布,利用各种信息综合分析车辆的运行状态。

通过局域网,可以实现多台计算机的计算、分析、统计,实现数据共享,随时提供长大货车的运行状态,及时处理异常状况,确保长大货车的安全运行。

2.3 装车均载检测

长大货车由于结构上的特点,在装载货物时,可能造成装载不均匀,因此在装载时,需要进行检测,通过调整车辆状态达到装载的均匀性。目前,长大货车中的D38、DQ35在装载 600 MW 发电机定子时,进行均载检测。DQ45型长大货车近期装载运输1 000 MW发电机定子时也进行了装车均载检测。

由于长大货车采用钳夹式方法运输,货物装上后,4个钳形梁和挂货钩受力是否均匀,对运输安全有很大影响。所以每次装车完毕,均由监测单位对装车情况进行检测,以保证4个钳形梁、挂货钩受力均匀。

在钳型梁和挂货钩相同部位测量应力的方法进行分析判断,钳型梁测点布置在靠近耳孔的下盖板处,挂货钩的测点布置在耳孔板R300 mm圆弧根部附近。

依据“钳夹式货车运输发电机定子装车均载检测暂行办法”中关于装车均载合格的判定要求,判断钳夹式货车装车均载检测结果是否合格:每位钳型梁的应力与平均应力的相对差值 δi,当每个挂货钩的应力与平均应力的相对差值 δj,当 δj=两项都满足判断为均载合格。合格后,还需重复检测2次,以复核装车均载状态是否稳定,若有变化需要重新调整检测。

先进可靠的技术检测、全程实时的技术监测系统能够将长大货车的运行状态直接、真实、可靠、实时地反映出来,确保运输的安全。

3 长大货车运输监测技术的发展趋势

随着科学技术的不断进步,计算机和网络技术的发展,长大货车监测技术趋于网络化、远程化和综合化。由于运输安全涉及多方面的因素,车辆型号多样化,运行条件的变化,监测方案也要相应调整,既要保证货物运输的安全,又要经济适用。

3.1 专列运输

随着新型长大货车的研制使用,运输形式也随之发生变化,超限、超重货物运输专列编组多种多样,由单辆长大货车编组,向多辆同型号长大货车编组、多辆不同型号长大货车混编发展。因此,运输技术监测方案、监测系统、监测技术都需要进一步提升,要求监测人员的素质高、责任心强、技术全面、经验丰富、能够很好处理运输监测中出现的各种问题,为全程运输确实起到保驾护航的作用。

3.2 随车监测仪器

用于非专列运输、有人职守的D型车辆上,选择反映运行状态的关键参数,并设定门限值,分级报警。根据报警级别,及时检查车辆状态,或采取相应的措施,确保运输安全。

无人职守的D型车辆的监测数据,可采用无线传输的方式,发送到相关部门。

3.3 无线传输技术

无线传输设备和技术,此设备一部分(发射部分)安放在试验车上,加入到监测系统局蜮网中,还有一部分(接收部分)安放在办公室内。足不出户,就可了解到运输专列所在位置,运行速度,随时查看监测系统所采集到的数据,还可对该数据进行统计分析。

随着科学技术的发展,未来的监测技术会越来越先进、可靠。

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