秦菊，陈刚，李甫永，暴学志，李旭伟

(1.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京 100081;2.上海铁路局车辆检测所，上海 200070)

车辆运行品质轨边动态监测系统车载标定设备的研制

秦菊1，陈刚2，李甫永1，暴学志1，李旭伟1

(1.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京 100081;2.上海铁路局车辆检测所，上海 200070)

车辆运行品质轨边动态监测系统(TPDS)通过监测车辆运行过程中轮轨间的垂直力和横向力来对车辆运行状态进行评判。本文研制的车载标定设备用于标定TPDS测试的轮轨间垂直力。该设备加装在红外线检测车上，检测车经过TPDS测试平台时TPDS对检测车轮轨间垂直力进行测量。通过对测量值和检测车实际质量进行分析得出TPDS垂直力的标定值，从而实现移动设备对固定设施的标定。车载标定设备应用于现场不仅快速、准确，而且便捷、经济。

TPDS 垂直力 横向力 标定 测量

车辆运行品质轨边动态监测系统是我国铁路车辆运行安全防范与预警系统的重要装备之一。该系统利用设在轨道上的高平顺性框架式测试平台、采用移动垂直力综合检测法［1－3］和横向力连续测量方法，实时在线检测车辆运行过程中轮轨间的动力学参数，从而实现对运行状态不良车辆、车轮踏面损伤以及车辆装载的超偏载状态的识别、评判。系统功能的实现依赖于轮轨间垂直力与横向力测试精度，目前TPDS系统对垂直力测试精度通过垂直力标定获取，标定须经车辆部门制定标定计划、申请作业天窗，组织厂家、机务及总工室或计量分站人员参与，在60～90 min的天窗时间内，机车牵引T6F或T7砝码车以40 km/h和70 km/h两个速度级正向、匀速通过TPDS测试平台，TPDS数据处理软件获取对砝码车的检测数据，每个速度级有效数据不少于3个;标定列车每个速度级通过TPDS测试平台时必须匀速通过，不得制动、加速。通过对不同速度级有效标定数据的分析处理得出TPDS在各速度级的测试精度。此种标定方式存在以下不足:①需要机车牵引T6F或T7砝码车组成编组列车在铁路作业天窗内进行，影响铁路正常运营;②编组列车经过TPDS测试平台速度受限，且只允许匀速通过;③涉及单位、部门过多，协调繁琐，效率不高。为此，需要研制一种安装在车辆上，在车辆运行过程中对TPDS测试的轮轨间垂直力进行动态标定的设备。

1 车载标定设备硬件和软件系统设计

1.1 检测原理

既有的标定方式是以砝码车为测试体，砝码车质量作为标准值。砝码车通过TPDS测试平台时，将TPDS测试的轮轨间垂直力换算为砝码车质量值作为测试值。通过测试值和标准值的分析，得出TPDS垂直力标定值;车载标定设备选择红外线检测车作为测试体，在检测车上加装TPDS车载标定设备，实现对检测车自身质量的自动检测，并将检测值作为标准值，将其与TPDS测试的检测车质量进行分析，实现移动设备对TPDS测试的轮轨间垂直力的检测、标定。

红外线检测车采用25K型车体及转向架，结构示意如图1。检测车总重由车体自重、车上承载物质量、转向架构架质量以及轮对总质量组成，其中车上承载物质量为变化量。根据检测车结构特点及部件间相互作用力关系，在车体一系轴簧与转向架构架之间加装轮辐式传感器、在车体轴箱与转向架构架间的纵向减震器上端安装垫片式传感器。通过上述传感器实现检测车车体、车上承载物、转向架构架质量的自动按需测量。轮对质量为一相对固定值，在未镟修情况下质量基本保持不变。当检测车通过TPDS测试平台时，车载标定设备测试出检测车总质量，同时地面TPDS对轮轨间垂直力进行测试。通过对比二者测试值，得出TPDS垂直力标定值。

1.2 硬件设计

车载标定设备硬件主要为测力单元和液压控制系统，主要完成对检测车自身质量的动态测量。

1.2.1 测力单元

测力单元包括轮辐式传感器和垫片式传感器。轮辐式传感器安装在车体一系轴簧上端与转向架构架连接处，由于其安装位置的特殊性，要求将原来弹簧的长度缩短且刚度满足行车要求。轮辐式传感器和液压油缸配合使用，如图2所示。当设备不检测时，轮辐式传感器的外边缘承受簧上质量，传感器不承受力的作用。检测时，传感器中部承受簧上质量，有测力信号输出。此种设计可延长传感器使用寿命。

图1 检测车结构示意

图2 轮辐式传感器和液压油缸的安装

垫片式传感器安装在车体轴箱与转向架构架间的纵向减震器上端，安装位置如图3所示。每只垫片式传感器由4只外观及性能完全一致的分传感器组合而成，测试转向架轴头和车体之间的垂向约束力。

图3 垫片式传感器安装位置

1.2.2 液压控制系统

液压控制系统通过控制液压油缸的位置来改变轮辐式传感器的受力状态。工作原理:当动力单元1接收到计算机发出的启动指令后启动并为液压控制系统提供动力，液压油经过液压单向阀2进入比例溢流阀5，比例溢流阀可按照一定的比例对液压油的流量进行控制，以保证8只液压油缸缓慢地顶升，这时传感器11会实时检测各液压油缸内的压力值，并将该压力值信号输入计算机12内，当该压力值达到一定的数值后，计算机发送指令到控制器13，并经过接触器14使得动力单元停止加压，蓄能器9用于保证各液压油缸内的压力恒定，试验完成后计算机12、控制器13使动力单元停止，并使电磁换向阀7换向，液压油缸以及蓄能器内的油经过叠加式节流阀6，使得各液压油缸平稳地卸载，传感器检测到各液压油缸内的压力值为0后，计算机发送指令给电磁换向阀7，使之关闭。至此便完成了一次标定的全部工作。液压控制系统原理图如图4所示。

1.3 软件设计

TPDS车载标定设备检测软件设计以Visual C++ 6.0集成开发环境为平台，利用微软提供的MFC建立应用程序。软件通过NMEA－0183协议［4］完成计算机与GPS接收器之间的数据通讯，利用Modbus通讯协议［5－6］实现计算机与液压控制系统主机(PLC)之间的数据交互，通过并口通讯协议完成计算机与数据采集卡Pci9114之间的接口通讯，实时获取检测车位置信息、液压控制系统压力信号、液压报警信息、测力传感器信号等，实现对液压控制系统的操控，对传感器采集的数据进行处理，并将检测结果生成报文［13］。

软件功能包括参数设置、动态检测、实时波形显示、波形回放以及报文输出。动态检测界面如图5所示，动态检测过程中系统状态与检测车运行位置关系如图6所示。图中，T为检测车到达前方TPDS探测站的设定时间;S为检测车经过TPDS探测站后仍然持续采集数据的距离;AB段采集测力传感器零点值;BC段开启液压控制系统，液压加载至液压油缸顶升到设定高度;CD段采集测力传感器输出信号;DE段数据处理、传输;EF段关闭液压控制系统，液压卸荷，液压油缸回位。

1—动力单元;2—液压单向阀;3—压力表开关;4—耐振压力表; 5—比例溢流阀;6—叠加式节流阀;7—电磁换向阀;8—高压球阀;9—蓄能器;10—液压饼;11—传感器;12—计算机;13—控制器;14—接触器

图5 动态检测界面

图6 系统状态与检测车运行位置关系

2 TPDS车载标定设备检测数据分析

根据车载标定设备的检测原理，车载标定设备测试结果为检测车实时质量，将该值和TPDS测试的检测车质量进行对比分析，即可得出TPDS垂直力测试精度。

2015年5 月下旬，在铁科院东郊分院利用标准称重设备对检测车进行静态称重检测，获取检测车当时状态的真实质量(因检测车油、水、标定设备、人员等的差异，不同状态该质量存在偏差)，并以该质量修正标定设备测试值。测试结果见表1。

由表1可见:在静态称重时，车载标定设备修正数据和标准称重设备测试数据最大偏差为0.258% ，测试数据稳定性较好。为分析相同工况、不同速度级标定设备检测数据的稳定性，在铁科院东郊试验环线(周长8.5 km，直线段700 m)检测车进行了动态运行试验。直线段检测数据见表2。

表1 检测车称重数据

如果以33次测试数据平均值作为标准值，则不同速度级测试数据与标准值的偏差如图7所示。可见:①测试数据与标准值的最大偏差为0.36% ;②标定设备测试结果与检测车运行速度无关，不同速度下测试值具有较好的稳定性。

2015年6 月初，根据上海铁路局制定的THDS检测计划，利用红外线检测车对局管内THDS检测的同时，对沿途经过的11套TPDS进行检测标定。上海局TPDS检测标定数据见表3。

表2 标定设备不同速度级测试数据

图7 不同速度级测试数据与标准值的偏差

表3 上海局TPDS检测标定数据

由表3可知，夹沟、三塔和三塔镇三个测点TPDS测试质量与标定设备测试质量偏差超过3% ，经各个测点设备状态检查及数据分析发现:夹沟剪力传感器损坏一只未更换;三塔和三塔镇均为测试平台附近线路状态不良。

3 结论

车载标定设备对TPDS垂直力进行检测标定只需将检测车加挂在任意普速客车上即可，无需机车牵引砝码车，不用申请作业天窗，运行速度不受限制。由于普速客车运行速度即为TPDS监测的列车速度，所以标定数据更为真实。标定设备以检测车作为测试对象，根据车体结构和质量分布设计。现场测试结果显示:标定设备测试的检测车质量可以作为标准值使用; TPDS设备测试偏差值能反映垂直力测试精度。通过分析测试数据，可评估TPDS设备状态，运用有效的方法提高垂直力测试精度，从而保证TPDS各项功能的正常应用。

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(责任审编 葛全红)

U216.3

A

10.3969/j.issn.1003－1995.2015.10.34

1003－1995(2015)10－0156－04

2015－02－20;

2015－08－10

秦菊(1981—)，女，助理研究员。