基于轨道衡的超偏载检测系统研究

邓俊，范众维，孙勇，胡帮市，李俊林，涂传进

(1. 方大特钢科技股份有限公司，江西 南昌 330012；2. 中国铁路南昌局集团有限公司科学技术研究所，江西 南昌 330002)

铁路作为我国最主要的货物运输方式，其安全可靠、运量大、价格低，在我国大物流体系中发挥着重要作用；长期以来，受客观条件限制及经济利益驱使，铁路货车超载、偏载现象严重，这不仅对车辆设备造成损伤，大大降低车辆使用寿命，甚至危及行车安全[1]，极易造成车辆燃轴、切轴及车辆颠覆等引发重大安全事故；而且对铁路线、道岔的损害也非常严重，危害甚大。当前，铁路货运不仅要满足基本计量要求，另一方面，还需要对运输车辆超载、偏载进行检测，而当前实际情况是轨道衡和超偏载设备都可以对货车进行称重，但超偏载检测设备更关注货车的安全检测，无法保证计量准确度，而轨道衡更关注计量准确度，而没有超偏载检测功能；近些年，超偏载检测专业设备普遍在用的是CPZ−100 型，但因其设备及土建费用近200万元，价格高昂，大部分只能应用于各铁路编组站，而企业面临的实际问题是企业货物装车后进入国铁车站再进行超偏载检测，一旦发现不达标则需要将车辆牵引回企业重新装车，整个过程非常繁琐，费时耗财，如果在企业内安装CPZ−100 型设备是可以解决源头冶超问题，但对很多企业来说是个不小的负担，且CPZ−100 型设备其计量准确度并不能满足企业货物贸易结算的要求。而实际上，各工矿企业都有进出厂货物称量的轨道衡设备，其计量准确度可达贸易结算的要求[2]。如果在既有轨道衡上增加超偏载检测功能，则可实现装载源头实施超偏载检测，不仅可节省时间，更可节省成本。

1 超偏载检测原理

超偏载检测的实质是在铁路车辆不停车、不摘钩动态运行的状态下，准确地测得受力波形，并通过波形分析出车辆每个车轮的轮重，通过计算机软件处理得到车辆的总重、超载量、偏载率。

作为超偏载检测设备应符合铁路总公司运营货管[2007]115 号文件技术要求，超载检测精度要求40 km/h 以下时，准确度优于0.5%，40 km/h 以上时，准确度优于1%，其他技术指标还应满足JJG(铁道) 129—2004《 铁路货车超偏载检测装置检定规程》各项要求。

多年以来，也有些国家在研制各种检测方法来实现对车辆超偏载的测量，但都难于适合中国铁路，其中有些是设计原理不健全，太过理想化；有些是准确度太低，适应性差[1,3]。

传统超偏载采用了二力合成的原理来实现对单个动态轮重的检测，其结构是以每2个压力传感器(实际上每个重力传感器既作为测力传感元件用，同时又作为一根轨枕的支撑座用)为一组压力单元，再在这2个压力传感器各自外端的钢轨中性轴上安装剪力传感器，形成剪力与压力合成的测力单元，几组这样的测力单元联成一个加长的连续不断的测力区[4−5]，当车轮行进到测力区时，压力传感器和剪力传感器将采集的信号传递到采集仪的放大器中进行放大、滤波、模数转换、接口等数据采集和信号处理后，送入计算机经软件分析，通过对车轮各种数据的处理，并识别机车和货车车型等，计算出每个货车车轮的轮重，将每节车的各轮重加以比较和分析得出超偏载的各参数[6]。但是，这种结构的超偏载设备复杂度高，设备造价近200万元。

为了克服传统超偏载技术的缺陷，设计一种基于轨道衡超偏载检测系统，使轨道衡原整体转向架受力结构发生根本性的改变，将轨道衡承载器采用软性连接梁结构，使支撑承载器的压力传感器单路输入到称重仪表，作到信号分离，计算机端重新开发软件系统，使轨道衡不仅具有称重功能，还具有超偏载检测功能，其区别于传统超偏载测量单轮方式，基于轨道衡的超偏载检测系统是以转向架单侧称重为基础，单侧测量半边架重，并最终计算得到轮重，测量过程中左右互不干扰，可以得到准确的轮重信息，从用户角度讲在使用上与传统超偏载无任何区别，基于轨道衡的超偏载检测系统投入很少，节省设备投入成本，达到使用要求。

超偏载轨道衡由重新设计的承载器、传感器、单路称重仪表、超偏载轨道衡软件4部分组成，承载器经过特殊设计以达到测量轮重的目的，传感器采用自复位柱式传感器，以保证力的传导准确、稳定，称重仪表采用多通道模式，每只传感器可独立输入到称重仪表，使车轮作用到承载器的力信号完全分离，自由组合，超偏载轨道衡软件负责将采集的信号进行算法处理，处理后可得到轮重、架重、整车重量，用于计算车辆的偏载情况(图1)。

图1 超偏载检测系统示意图Fig.1 Sketch map of overload&unbalance load detecting system

2 具有超偏载检测功能承载器设计[7]

如图2～7 所示，将原有轨道衡的横向接梁进行重新设计，在基座1左右两侧对称设置称重梁2，在每个称重梁2 上方固定台面轨3，称重梁2 借助限位装置与基座1 连接，称重梁2 的前后两端与基座1 之间都设置有称重传感器4。轨道衡还安装用来连接两个称重梁2 的横向连接梁5。横向连接梁5 包括前横向连接梁和后横向连接梁，前横向连接梁和后横向连接梁结构相同，都是联接板5-1 两端固定有端板5-2，每个端板5-2 都与位于其外侧的称重梁2 固定连接，端板5-2 厚度h 为15～25 mm。

图2 具有超偏载检测功能承载器主视图Fig.2 Front view of overload&unbalance load detection loader

由于只在称重梁2的前后两端分别设置前连接梁、后连接梁，而且端板5-2 的厚度只有15～25 mm，这就使得货车在称重时每个车轮受到的作用力都能够更好地作用在轨道衡的称重传感器4 上，数据处理装置根据称重传感器4测得的数据可以精准计算出货车的偏载量。

图3 具有超偏载检测功能承载器俯视图Fig.3 Top view of overload&unbalance load detection loader

图4 具有超偏载检测功能承载器左视图Fig.4 Left view of overload&unbalance load detection loader

图5 具有超偏载检测功能承载器前连接梁的结构示意图Fig.5 Structure of the front connecting beam of overload&unbalance load detection loader

为了确保端板5-2 与联接板5-1 之间的连接更加牢固可靠，可在端板5-2 与联接板5-1 之间固定筋板5-3，对称分布。筋板5-3 为等腰直角三角形板，两直角边分别与端板5-2，联接板5-1 紧密接触且固定连接。为了确保联接板5-1 与端板5-2 可靠连接，同时避免筋板5-3 太厚而影响称重传感器4 测量的灵敏度，将筋板5-3 厚度设置为15～25 mm，优选20 mm。

图6 具有超偏载检测功能承载器前连接梁俯视图Fig.6 Top view of the front connecting beam of overload&unbalance load detection loader

图7 具有超偏载检测功能承载器前连接梁A-A向视图Fig.7 A-A reference arrow view of the front connecting beam of overload&unbalance load detection loader

为了确保端板5-2 与称重梁2 具有足够大的接触面积，可靠连接，同时避免端板5-2 与称重梁2之间接触面积太大而对称重传感器测量的灵敏度产生较大的影响，端板5-2 采用的是边长为195～205 mm 且 优 选 为200 mm 的 正 方 形 板，200 mm 的高度值能够充分限制称重梁2 外倾力；端板5-2 四角开设有安装孔，方便端板5-2 与称重梁2 之间的连接，拆装方便快捷，省时省力。

联接板5-1 为长方形板，联接板5-1 的长度方向沿左右方向设置，既要将左右两侧称重梁2可靠连接在一起，又要避免联接板5-1 沿前后方向的厚度太大而对称重传感器测量的灵敏度产生较大影响因此联接板5-1 沿前后方向的厚度设置为15～25 mm，优选20 mm。在基座1 的前后两端都分别设置有左右2 个过渡桥6，过渡桥6 的上端面与称重梁2 的上端面齐平。过渡桥6 可以为基础道床延伸过来的引线轨9 提供支撑，使引线轨9 与台面轨3 处于同一水平面上，能够有效防止因基座1 不均匀沉降而使引线轨9 与台面轨3 产生高度差，避免车轮对称重梁2 和称重传感器4 产生剧烈冲击，使货车能够平顺通过，从而提高称重传感器4的使用寿命和称量精度。

限位装置位于轨道衡称底，包括铰接在基座1与称重梁2 之间的横向拉杆7、以及铰接在基座1与称重梁2 之间的纵向拉杆8，横向拉杆7 的轴线沿左右方向设置，纵向拉杆8的轴线沿前后方向设置，基座1 的前后两端都设置有横向拉杆7，称重梁2 每端的横向连接梁5 都是位于该端的横向拉杆7与纵向拉杆8之间。如图2所示，在基座1前后两端的中间位置设置有向上凸起的连接座，连接座的左右两侧都设置有横向拉杆7，横向拉杆7 的一端借助轴线沿前后方向设置的第1铰接轴与连接座铰接，横向拉杆7的另一端借助轴线沿前后方向设置的第2 铰接轴与称重梁2 铰接，可以防止在行车过程中称重梁2 产生横向位移。纵向拉杆8 的一端借助轴线沿左右方向设置的第3 铰接轴与基座1 铰接，纵向拉杆8的另一端借助轴线沿左右方向设置的第4 铰接轴与称重梁2 铰接，使称重梁2 的前后两端能够相对于基座1发生微小的位置变量，更有利于将车轮受到的作用力作用在称重传感器4上。

通过对轨道衡的设计改造，并重新开发软件系统，使轨道衡同时具备了计量称重、超偏载检测功能。

3 软件系统开发

超偏载检测软件是基于轨道衡超偏载检测系统的核心组件，遵循轨道衡计量软件基本运算过程，又区别于传统轨道衡软件，超偏载轨道衡计量软件将原轨道衡运算拆分成了内侧、外侧及(内侧+外侧)3 部分，计算过程中3 部分数据信号分别送入计量算法，计量算法计算得到结果，统一组合，从而可以计算得到轮重、轴重、总重、整车偏、前后偏、轴偏载、前后架差等信息(图8)，软件设计中加入了机车滤除算法，可以对铁路运行的电力机车、4 轴、6 轴内燃机车准确滤除，以保证得到准确的车辆信息，称重仪表将各路传感器信号传输到计算机超偏载计量软件先对每路传感器信号进行滤波处理、角增益补偿、求和运算等操作后，将所有数据送入到计算逻辑模块，计量模块判断是否有车辆经过，当有车辆时运行数轴算法，根据数轴的数量进行对车辆的1，2，3 和4轴分别进行取重，并在前后转向架称重时进行2次区分，得到所有轮重信息，最终计量逻辑模块计算出车辆的轮重、轴重、架重及整车重量。其计算流程如图9所示。

图8 传感器信号波形Fig.8 Wave shape of sensor signals

图9 计量软件处理流程Fig.9 Processing flow chart of metering software

整个软件系统以模块化方式设计，软件方便组合，其主要分4 部分，接口模块IWeighingLogic,其定义了统一的计量算法接口，Factory 其主要用于动态的挂接不同的计量算法，BaseFunction 其主要集成了计量算法基本操作函数，第4部分是不同衡器类型的具体计量算法实现，通过结构化的设计，可使计量软件适用于不同轨道衡结构方式(图9)。

图10 计量逻辑结构Fig.10 Logical metering structure

图11 超偏载计量软件界面Fig.11 Metering software interface of overload&unbalance load

4 实际运用

超偏载测量轨道衡具体使用时，每个称重梁2前后两端的下方都设置有称重传感器4，位于同一个称重梁2 下方的2 个称重传感器4 轴线之间的间距设置为3 630 mm。为了使作用力能够更好地作用在称重传感器4 上，每个联接板5-1 都应安装在称重梁2 竖直方向的中间部位或偏离中间靠上部位，并尽量靠近称重梁2的端头，形成一个稳定的承载结构，防止2 称重梁2 不直时由于车轮踏面水平力作用而发生倾翻，保证每个称重传感器4与称重梁2 自然接触，安装每个联接板5-1 时应保证每个称重传感器4的安装平面在同一水平面上。称重传感器4 和横向拉杆7 都位于横向连接梁5 外侧，纵向拉杆8 位于横向连接梁5 内侧，例如图2 中，右侧的称重传感器4 和横向拉杆7 都位于该侧横向连接梁5右侧，纵向拉杆8位于横向连接梁5左侧。

货车的4 个左车轮由前向后分别记为第1 左轮、第2 左轮、第3 左轮、第4 左轮，位于左侧称重梁2 下方的2 个称重传感器4 分别为左前称重传感器、左后称重传感器，左前称重传感器用来测量第1 左轮、第2 左轮的承重，左后称重传感器用来测量第3 左轮、第4 左轮的承重，称重传感器测量出的第1 左轮、第2 左轮、第3 左轮、第4 左轮的承重分别记为WZ1，WZ2，WZ3 和WZ4。同理，称重传感器测量出的第1 右轮、第2 右轮、第3 右轮、第4 右轮的承重分别记为WY1，WY2，WY3 和WY4。在此基础上，称重传感器将测量得到的数据都发送给数据处理装置，数据处理装置根据收到的数据计算货车总重和偏载量，具体的计算方法如下：

前梁重WQ=第1 左轮的承重WZ1+第2 左轮的承重WZ2+第1 右轮的承重WY1+第2 右轮的承重WY2，即WQ=WZ1+WZ2+WY1+WY2；

后梁重WH=第3 左轮的承重WZ3+第4 左轮的承重WZ4+第3 右轮的承重WY3+第4 右轮的承重WY4，即WH=WZ3+WZ4+WY3+WY4；

前后偏载的偏重差△W=前梁重WQ-后梁重WH，即△W=WQ-WH；

货车总重W=前梁重WQ+后梁重WH，即W=WQ+WH；

设偏前连接梁的偏载率rQ=[WZ1+WZ2-(WY1+WY2)]/WQ；

设偏后连接梁的偏载率rH=[WZ3+WZ4-(WY3+WY4)]/WH。

5 国家检定

基于轨道衡超偏载检测系统应用后，使用国家轨道衡计量站四节专用标准砝码车对本发明的轨道衡进行检定[8−9]，标准砝码车重量分别为82 190，49 410，75 240 和65 130 kg，轨道衡的20个称量值如表1和表2所示。

表1 第1组超偏载测量轨道衡的检定结果Table 1 Verification results of overload&unbalance load rail-weighbridges(Group 1)

由表1 和表2 中的数据可知，基于轨道衡超偏载检测系统称重结果满足《JJG 234—2012 自动轨道衡检定规程》[10]，偏载数据满足《JJG(铁道)129—2004 铁路货车超偏载检测装置检定规程》[11]。

表2 第2组超偏载测量轨道衡的检定结果Table 2 Verification results of overload&unbalance load rail-weighbridges(Group 2)

对比例，用国家轨道衡计量站五节专用标准砝码车对ZGU-100-DG轨道衡进行检定，标准砝码车重量分别为82 190，49 410，75 240，65 130 和22 180 kg，轨道衡的20个称量值如表3所示。

表3 对比例轨道衡的检定结果Table 3 Verification results of proportional rail-weighbridges

通过表1～3 中最大值、最小值的对比可知，基于轨道衡超偏载检测系统测得的数据更加接近标准值，所以准确度更高，而且对比例的轨道衡不具有测量偏载率的功能。

6 结论

1) 所研发的基于轨道衡的超偏载检测系统已获得国家专利。通过国家法定计量检定机构对该系统的检定，所有技术性能参数达到了设计要求，准确度优于0.5%，前后转向架变动差范围小于400 kg，前后转向架偏重差平均值与理论值相差小于500 kg，设偏转向架实测值与理论值差少5%。

2) 基于轨道衡的超偏载检测系统不仅具有称重功能，还具有超偏载检测功能，可有效节省设备投入成本，满足使用需求。

3) 基于轨道衡的超偏载检测系统可以解决企业源头测偏难题，也为企业货运安全提供了有利的技术保证，从经济效益分析，其作为产品应用势必会带来非常大的社会、经济效益。