CN107817038A - 一种轨道车辆轮重通过式智能化检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轨道车辆轮重通过式智能化检测装置及方法，通过称重单元弧形顶面的引导抬升轮缘进行称重，从而使得结构轻巧，安装方便，使用灵活，并通过不同的垫块组合调整轮缘的抬升量，从而满足钢轨和轮对存在磨耗时的使用要求，同时确保轮缘抬升量在安全范围内，充分考虑了车辆轮重的动态特性，采用二级自适应滤波进行轮重动态信号的处理，轮重检测结果误差小，稳定性佳，为保证列车多轮通过条件下轮重检测的实时性和准确性，设计了单片机和PC机二级运算的模式，合理分配计算资源，有效提高轮重动态数据处理速度，在设计时采用三维数字化软件对装置机械结构设计进行建模和有限元分析，确保了结构的强度和可靠性等。
Description
技术领域
本发明涉及一种轨道车辆轮重通过式智能化检测装置及方法。
背景技术
随着铁路运输向高速化、重载化发展，保证运输安全有了更高的要求。铁路货物运输过程中存在的超载、偏载、偏重会引发极大的危害。轨道车辆长时间处于超载情况下常常引起底架下凹、钩高变化导致脱钩等故障。它不但对货车车辆、机车、轨道、道岔等损害严重，还极易造成车辆切轴、燃轴及车辆颠覆等重大事故，给铁路运输安全造成了很大威胁。目前为止我国仍有2/3的铁路线路是客货共线，且复线率不高。一旦出现事故不仅会导致车辆损坏，甚至导致线路停运和人员伤亡，可见货物运输的安全与否同样影响着旅客运输的安全。
目前，在铁路行业已经广泛应用的设备包括轨道衡、超偏载仪和轮重仪等设备。轨道衡的现场安装要求较为苛刻，且安装过程对轨道线路的改造较大。铁道货车超偏载检测装置可同时测量车辆的偏载和偏重，但是其测量精度较低，造价高昂。轮重仪在实际应用中受到很多限制，操作人员需要对车轮逐个进行顶升、落下的操作，非常繁琐。因此研究一款便携、多功能、造价低廉的轮重检测设备具有重大意义。
发明内容
为了解决目前铁路行业在对车辆进行轮重检测时操作繁琐、测量装置精度低、造价高的技术问题，本发明提供一种能够在低成本的前提下实现快速准确进行轮重检测的轨道车辆轮重通过式智能化检测装置及方法。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是，
一种轨道车辆轮重通过式智能化检测装置，包括称重单元、数据采集单元和上位机，所述的称重单元通过数据采集单元通信连接上位机，称重单元包括设有槽型孔的块状的称重件、固定件和压力传感器，所述的压力传感器设置于称重件的槽型孔内，称重件通过固定件设置于列车轨道钢轨的内侧，并使列车车轮的轮缘在通过时接触称重件的上表面且列车车轮的踏面悬空，压力传感器采集轮缘通过时的压力并将压力信号传送至上位机。
所述的一种轨道车辆轮重通过式智能化检测装置，所述的称重件的上顶面的两端为弧面。
所述的一种轨道车辆轮重通过式智能化检测装置，所述的固定件包括支撑块和U型夹具，所述的支撑块为L型且外侧形状与钢轨的内侧形状相匹配并设置于钢轨内侧，所述的U型夹具的内侧底面宽度与钢轨底部宽度相匹配并设置于钢轨底部，支撑块的内侧与U型夹具内侧的其中一边侧壁形成用于容纳称重件的空间。
所述的一种轨道车辆轮重通过式智能化检测装置，所述的固定件还包括调高垫块，所述的调高垫块包括至少一片垫片，所述的垫片设置于称重件的底部并处于称重件与支撑块之间。
所述的一种轨道车辆轮重通过式智能化检测装置，所述的数据采集单元包括模数转换模块、控制模块、通信模块和电源模块，所述的模数转换模块和通信模块分别与控制模块通信连接，所述的电源模块为其他模块供电。
所述的一种轨道车辆轮重通过式智能化检测装置，所述的模数转换模块包括A/D转换电路，所述的控制模块包括单片机和通信连接单片机的键盘操作模块，所述的通信模块包括USB通信电路和RS232通信电路，所述的电源模块包括蓄电池和电连接至蓄电池输出口的稳压电路，所述的A/D转换电路的输入端连接压力传感器，输出端连接至单片机，单片机的输出端分别连接至USB通信电路和RS232通信电路，稳压电路分别电连接至A/D转换电路和单片机以提供驱动电源。
一种轨道车辆轮重通过式智能化检测方法，采用所述的装置，包括以下步骤：
称重单元的振动特性分析，包括以下步骤：
称重单元的受力主要为列车自重的阶跃力f1(t)和列车无阻尼自由振荡力f2(t)，两者的表达式分别为如下
列车自重阶跃力f1(t)：
式中：W为列车自重；
列车无阻尼自由振荡力f2(t)：
式中：At为振荡力振幅，ωnt列车振动固有频率；
将称重传感器的振动特性等效为一个单自由度的二阶***，设x为传感器的上下位移量，m、c、k分别为传感器等效质量、等效阻尼和等效弹性系数，有振动方程：
式中：ωns为称重传感器的固有频率，求解上述方程，得到：
式中：
故称重传感器的输入信号包含：重量平稳信号、车辆的低频自振干扰成分和外界干扰成分，该过程分为过渡过程与平稳过程；
基于滑动滤波和自适应卡尔曼滤波的二级自适应轮重动态信号数据处理：
(1)数据采集单元进行滑动滤波，对于采集到的车辆轮重动态信号，取长度为N的序列，以序列的平均值代替该序列的输出，将滤波结果传至上位机；
(2)上位机进行自适应卡尔曼滤波，首先使用轮重信号上一时刻的后验估计值x(k-1)来计算当前时刻的状态，其更新方程为：xk＝Axk-1+Buk-1，xk＝Mxk-1+Nuk-1其中A(M)为状态转移矩阵，uk为控制量，B(N)为控制输入矩阵；
(3)计算k时刻的后验估计协方差：pk＝Mpk-1MT+Q，Q表示激励噪声协方差；其中pk是k时刻的后验估计协方差，T表示矩阵M转置；
(4)使用当前时刻的测量值来更正估计值，首先计算滤波增益阵其中H为量测矩阵，R为测量噪声协方差；
(5)得到k时刻的状态更新值：后验估计协方差的更新值其中zk为滤波的输入；
(6)将步骤(5)中得到的作为误差修正带入步骤(3)，作为滤波的最终输出。
本发明的技术效果在于，本发明通过称重单元弧形顶面的引导抬升轮缘进行称重，从而使得结构轻巧，安装方便，使用灵活，并通过不同的垫块组合调整轮缘的抬升量，从而满足钢轨和轮对存在磨耗时的使用要求，同时确保轮缘抬升量在安全范围内，充分考虑了车辆轮重的动态特性，采用二级自适应滤波进行轮重动态信号的处理，轮重检测结果误差小，稳定性佳，为保证列车多轮通过条件下轮重检测的实时性和准确性，设计了单片机和PC机二级运算的模式，合理分配计算资源，有效提高轮重动态数据处理速度，在设计时采用三维数字化软件对装置机械结构设计进行建模和有限元分析，确保了结构的强度和可靠性等。本发明市场应用前景广阔，可大范围推广到全国各站。从源头抓起，使装车与检测同步进行，从源头上解决货车超载、偏载的问题，既可用于铁路货车装载条件下的轮重检测，也可用于动车组生产和检修完成后的轮重均衡性检测，使用灵活、安装方便，可进一步实现与铁路车辆识别***和路网数据库互联，形成轨道车辆超偏载检测治理体系，实现铁路货运完善的信息化管理。
下面结合附图对本发明作进一步说明。
附图说明
图1为本发明装置的总体结构示意图；
图2为本发明称重单元的安装示意图；
图3为本发明称重件的结构示意图；
图4为通过ANSYS软件对轮缘进行有限元分析的轮缘应力云图；
图5为通过ANSYS软件对轮缘进行有限元分析的轮缘应变云图；
图6为动态称重信号的波形示意图；
图7为原始轮重动态信号示意图；
图8为滑动滤波处理结果示意图；
图9为自适应卡尔曼滤波处理结果示意图；
图10为后验估计的误差估计示意图；
图11为装置可靠性验证实验误差散点图；
图12为采用本发明方案所开发的软件的界面图；
其中1为列车车轮，2为钢轨、3为称重件、4为支撑块、5为U型夹具、6为调高垫块、7为槽型孔、8为压力传感器、9为弧面。
具体实施方式
本实施例通过称重单元的弧形引导面将轮缘抬升一定的高度，从而获取车辆的轮重信息。应变式压力称重传感器产生电压变化，经高速A/D模块将四路称重传感器电压信号转化为数字信号发送给ARM单片机，单片机主控芯片将数据整合、进行初步滤波，然后将数据发送给电脑。电脑端对采集数据进行分析计算，得到最终的车辆各轮重信息，进行轮重信息可视化显示。同时，可以操作打印机将检测结果实时打印。
轨道车辆轮重通过式智能化检测装置总体方案如图1所示，采用STM32F407ZGT6单片机作为主控芯片，LCS-D8T高精度悬臂梁传感器获取轮重动态信号。通过高分辨率A/D转换模块将采集到的数据发送给主控芯片，外部连接LCD显示屏、嵌入式打印机以及微型计算机实现轮重检测及超偏载判断结果的输出。
称重单元直接与车轮轮缘接触，由悬臂梁传感器和带有弧形引导面的引桥构成，主要用于获取轮重动态信号。借鉴虎钳的工作原理，设计了带有紧固螺钉的“U”型夹持装置，配合称重传感器支撑块、调高垫块共同组成了如图2所示的称重传感器固定装置。通过将轮缘抬高1-6mm，使车轮踏面与钢轨脱离，从而将车辆轮重转化为称重传感器的形变，输出重量信号。称重传感器固定装置需要将称重单元稳定地固定在铁轨上，固定装置具有一定的适应性，能满足不同规格铁轨的安装要求。
称重件是主要的承力部分，结构如图3所示，其直接与轮对接触，通过将列车轮对的轮缘抬高1-6mm，从而将轮对的重量反应为传感器的形变，传给A/D转换模块。由于受到钢轨空间的限制，传感器模块需要具有狭长的外形，并且具有圆弧和斜面结合的引导头，方便减小列车轮对冲上秤台的巨大冲击，提高数据采集的准确性和稳定性。
为了探究轮缘承力方式的科学性和可行性，通过ANSYS软件对轮缘进行有限元分析，轮缘的应力云图和应变云图分别如图4，图5所示。在轮重为12.5吨的情况下，轮缘所受应力为518MPa，远低于碾钢轮的最大抗拉强度为910MPa。因此采用轮缘承力的方式进行轮重检测不会对轮对造成损坏。
称重单元的受力主要为列车自重的阶跃力f1(t)和列车无阻尼自由振荡力f2(t)，两者的表达式分别为如下
列车自重阶跃力f1(t)：
式中：W为列车自重；
列车无阻尼自由振荡力f2(t)：
式中：At为振荡力振幅，ωnt列车振动固有频率；
将称重传感器的振动特性等效为一个单自由度的二阶***，设x为传感器的上下位移量，m、c、k分别为传感器等效质量、等效阻尼和等效弹性系数，有振动方程：
式中：ωns为称重传感器的固有频率，求解上述方程，得到：
式中：
由上述分析计算可以得，称重传感器的输入信号包含：重量平稳信号、车辆的低频自振干扰成分和外界干扰成分，该过程可以分为过渡过程与平稳过程。图6是一个实验获得的动态称重信号的波形，从图中可以看出，当车辆接触到称重仪后，将产生一个上台冲击振动，并逐渐呈现出衰减现象。
考虑到单片机有限的处理能力，目前采用的ADAMS软件建模方法[6]与利用神经网络等的轮重称重算法[7]在本作品中不能适用。为了有效保证列车多轮通过条件下轮重检测的实时性和准确性，合理分配计算资源，设计了基于滑动滤波和自适应卡尔曼滤波的二级自适应轮重动态信号数据处理算法。算法主要步骤如下：
(1)主控芯片进行滑动滤波。对于采集到的车辆轮重动态信号，取长度为N的序列，以序列的平均值代替该序列的输出，将滤波结果传至PC端。
(2)PC端进行自适应卡尔曼滤波。首先使用轮重信号上一时刻的后验估计值x(k-1)来计算当前时刻的状态，其更新方程为：xk＝Axk-1+Buk-1，xk＝Mxk-1+Nuk-1其中A(M)为状态转移矩阵，uk为控制量，B(N)为控制输入矩阵。
(3)计算k时刻的后验估计协方差：pk＝Mpk-1MT+Q。Q表示激励噪声协方差。
(4)使用当前时刻的测量值来更正估计值，首先计算滤波增益阵其中H为量测矩阵，R为测量噪声协方差。
(5)得到k时刻的状态更新值：后验估计协方差的更新值其中zk为滤波的输入。
(6)将步骤(5)中得到的作为误差修正带入步骤(3)，作为滤波的最终输出。
采用上述算法，达到了轮重信号实时处理的要求。图7所示为实验速度为1.5m/s，轮重7000g时采集到的原始轮重动态信号。图8所示为滑动平均滤波的结果，可见一级滤波使得信号更加平滑，无效数据量减少。图9所示为自适应卡尔曼滤波结果，二级滤波使结果几乎接近于与真实值，图10为滤波后验估计误差。
为了验证装置检测结果的可靠性，在动态轮重实验平台上保持转向架速度为1m/s，总重为40.393Kg的条件下，进行了60次轮重检测实验，记录每次试验结果与真实值的误差百分比，装置可靠性验证实验误差统计结果如图11所示。由误差统计结果可知，60次实验误差数据均在±3％之内，说明***具有较高的可靠性。
作为一个完备的***，离不开交互性强的数据可视化平台。如图12所示，列车通过称重传感器的数值呈现较强的特征：信号由零突然上升到一个极大值点，对应了载重物从接触传感器到完全进入传感器的这一过程，从最后一个极大值点变为零反映了载重物完全离开传感器的过程。采用本发明的方案，在PC端利用WPF开发了软件交互平台，完整的记录了这一过程。并将计算的列车轮重，轴重，偏载等数值，直观地展示在界面中。在操作箱部分，显示屏展示计算得到的列车各参数，并通过打印机模块将数据打印输出。
Claims (7)
1.一种轨道车辆轮重通过式智能化检测装置，其特征在于，包括称重单元、数据采集单元和上位机，所述的称重单元通过数据采集单元通信连接上位机，称重单元包括设有槽型孔的块状的称重件、固定件和压力传感器，所述的压力传感器设置于称重件的槽型孔内，称重件通过固定件设置于列车轨道钢轨的内侧，并使列车车轮的轮缘在通过时接触称重件的上表面且列车车轮的踏面悬空，压力传感器采集轮缘通过时的压力并将压力信号传送至上位机。
2.根据权利要求1所述的一种轨道车辆轮重通过式智能化检测装置，其特征在于，所述的称重件的上顶面的两端为弧面。
3.根据权利要求1所述的一种轨道车辆轮重通过式智能化检测装置，其特征在于，所述的固定件包括支撑块和U型夹具，所述的支撑块为L型且外侧形状与钢轨的内侧形状相匹配并设置于钢轨内侧，所述的U型夹具的内侧底面宽度与钢轨底部宽度相匹配并设置于钢轨底部，支撑块的内侧与U型夹具内侧的其中一边侧壁形成用于容纳称重件的空间。
4.根据权利要求2所述的一种轨道车辆轮重通过式智能化检测装置，其特征在于，所述的固定件还包括调高垫块，所述的调高垫块包括至少一片垫片，所述的垫片设置于称重件的底部并处于称重件与支撑块之间。
5.根据权利要求1所述的一种轨道车辆轮重通过式智能化检测装置，其特征在于，所述的数据采集单元包括模数转换模块、控制模块、通信模块和电源模块，所述的模数转换模块和通信模块分别与控制模块通信连接，所述的电源模块为其他模块供电。
6.根据权利要求4所述的一种轨道车辆轮重通过式智能化检测装置，其特征在于，所述的模数转换模块包括A/D转换电路，所述的控制模块包括单片机和通信连接单片机的键盘操作模块，所述的通信模块包括USB通信电路和RS232通信电路，所述的电源模块包括蓄电池和电连接至蓄电池输出口的稳压电路，所述的A/D转换电路的输入端连接压力传感器，输出端连接至单片机，单片机的输出端分别连接至USB通信电路和RS232通信电路，稳压电路分别电连接至A/D转换电路和单片机以提供驱动电源。
7.一种轨道车辆轮重通过式智能化检测方法，其特征在于，采用如权利要求1-6任一所述的装置，包括以下步骤：
称重单元的振动特性分析，包括以下步骤：
称重单元的受力主要为列车自重的阶跃力f1(t)和列车无阻尼自由振荡力f2(t)，两者的表达式分别为如下
列车自重阶跃力f1(t)：
式中：W为列车自重；
列车无阻尼自由振荡力f2(t)：
式中：At为振荡力振幅，ωnt列车振动固有频率；
将称重传感器的振动特性等效为一个单自由度的二阶***，设x为传感器的上下位移量，m、c、k分别为传感器等效质量、等效阻尼和等效弹性系数，有振动方程：
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式中：ωns为称重传感器的固有频率，求解上述方程，得到：
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<mfrac>
<mi>W</mi>
<mi>k</mi>
</mfrac>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
式中：
故称重传感器的输入信号包含：重量平稳信号、车辆的低频自振干扰成分和外界干扰成分，该过程分为过渡过程与平稳过程；
基于滑动滤波和自适应卡尔曼滤波的二级自适应轮重动态信号数据处理：
(1)数据采集单元进行滑动滤波，对于采集到的车辆轮重动态信号，取长度为N的序列，以序列的平均值代替该序列的输出，将滤波结果传至上位机；
(2)上位机进行自适应卡尔曼滤波，首先使用轮重信号上一时刻的后验估计值x(k-1)来计算当前时刻的状态，其更新方程为：xk＝Axk-1+Buk-1，xk＝Mxk-1+Nuk-1其中A(M)为状态转移矩阵，uk为控制量，B(N)为控制输入矩阵；
(3)计算k时刻的后验估计协方差：pk＝Mpk-1MT+Q，Q表示激励噪声协方差；其中pk是k时刻的后验估计协方差，T表示矩阵M转置；
(4)使用当前时刻的测量值来更正估计值，首先计算滤波增益阵其中H为量测矩阵，R为测量噪声协方差；
(5)得到k时刻的状态更新值：后验估计协方差的更新值其中zk为滤波的输入；
(6)将步骤(5)中得到的作为误差修正带入步骤(3)，作为滤波的最终输出。
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