重载中部机车钩缓装置动态监测系统研究

Research on Dynamic Monitoring System for Hook-and-Slow Devices of Heavy Duty Central Locomotives

摘要: 随着我国重载列车运用不断深入，列车运行过程中的纵向冲动问题尤为突出，车钩长期服役过程中出现的寿命下降、疲劳伤损、脱钩与断钩等问题随之暴露，严重威胁我国重载铁路运输效能的健康发展，给行车安全带来极大隐患。在此背景下本文研究并开发了重载中部机车钩缓装置动态性能监测系统，该监测系统应用现代传感技术、虚拟仪器技术、嵌入式技术和通信技术，能够实现钩缓运行参数的自动采集、自动处理、自动分析与传输，为重载铁路运维信息化、数据化、智能化提供重要数据支撑。

Abstract: With the continuous deepening of the use of heavy-duty trains in China, the longitudinal impulse problem during train operation is particularly prominent. The problems of decreased service life, fatigue damage, decoupling and breakage of couplers that occur during long-term service have been exposed, seriously threatening the healthy development of China’s heavy-duty railway transportation efficiency and bringing great hidden dangers to train safety. In this context, this article studies and develops a dynamic monitoring system for the coupling force of heavy-duty central locomotives. The monitoring system applies modern sensing technology, virtual instrument technology, embedded technology, and communication technology, which can achieve automatic collection, processing, analysis, and transmission of coupling force, providing important data support for the informatization, dataization, and intelligence of heavy-duty railway operation and maintenance.

1. 引言

在我国2万吨重载组合列车的实际运用中发现其钩缓装置在运行过程中具有车钩力大、车钩横向摆角幅度大、垂向跳动量大等特点，受此影响从控机车已发生多起脱轨和跳钩事故，因此两万吨重载列车车钩安全问题受到各学者的广泛关注。在此背景下本文针对2万吨重载列车纵向冲动较大等问题，研究了重载中部机车车钩力动态监测系统，该系统可完成机车与货车的车钩力实时监测，实现自动采集、自动处理、自动分析与传输等功能。

目前，众多学者在轨道交通监测系统开发方面做了大量研究，郭世杰 [1] 等开发了铁路罐车在途智能监测系统，实现了液位、温度、压力、位置、轴温及轴承振动、空气制动压力、车钩纵向力等参数的实时监测。刘佺等 [2] 开发了智能车钩缓冲装置，可实现车钩状态的实时监控，并且可以实现性能趋势、故障及剩余寿命预测等功能。郭晖等 [3] 提出了对机车车辆钩缓装置的运行姿态实施运行监控，对车钩冲击力、缓冲器行程、车钩摆角等特性参数实时采集、存储和显示对于列车运行安全是十分必要的。方松 [4] 阐述了车钩系统的几种常见故障，例如车钩裂纹、车钩磨损、车钩钩耳故障、钩尾冲击座故障及车钩连挂解构故障，并给出了故障的处理措施。综上所述，以上学者对车钩缓冲器监测系统进行了细致的研究，但还未有学者对车钩缓冲装置进行全方位动力学性能的监测。

2. 钩缓系统监测研究

本文基于上述学者研究与实际运用过程中出现的问题，对重载列车的钩缓装置进行了系统性研究，发现影响钩缓装置安全性的参数主要包括：车钩力，影响车钩是否会出现断钩问题；车钩摆角与垂向跳动量会影响车钩是否会发生脱钩、跳钩等行为，因此所开发的监测装置研究主要的监测项点包括以上几类。在实际应用环境中，朔黄铁路重载列车运输的货物大部分是煤介质，为了使所开发的监测系统能够适应铁路运输实际环境的需求，不会因恶劣的线路条件与环境而损坏，所采用的前端传感单元与数据处理单元应具备防灰尘、抗电磁干扰等特性，此外还应满足以下要求：满足铁路机车的运用工况，如耐高温、低温等特性，抗冲击，防水，防爆。钩缓装置监测系统所监测的项点包括：车钩力、缓冲器行程、车钩摆角与车钩垂向跳动等参数，同时能够将检测到的数据远程传送给地面监控中心，当各检测数据超出预设值时，发出预警提醒地面人员及时处置 [5] 。

2.1. 监测项点研究

钩缓装置状态监测系统主要由电阻式应变片、拉线式位移传感器、传感器信号线、数据采集系统与数据处理单元组成，具备车钩力、缓冲器行程、车钩摆角与车钩垂向跳动等数据采集、传输、实时存储及异常检测功能，其具体测点如表1所示 [6] 。

Table 1. Measuring point of hook-and-slow device monitoring system

表1. 钩缓装置状监测系统测点

2.2. 前端数据处理单元

前端数据处理单元为整个分析系统的控制中心，通过CAN/以太网数据总线与机车钩缓系统性能检测装置、列车CAN总线与地面系统进行数据交互，系统包括工控机、电源转换器、显示器、信号传输线等组成，重载列车车载钩缓装置监测系统前端主要包括测试传感器、数据采集模块与数据处理模块组成，其中数据处理单元安装于机车电器柜内，可以实现脱机运行，数据处理模块安装位置如图1所示，基于CAN总线进行数据传输 [7] [8] 。

Figure 1. Installation position of data processing unit

图1. 数据处理单元安装位置

3. 系统监测实现方法

该系统主要通过传感单元与数据采集单元获取真实数据，再通过车钩标定及车钩摆角等算法计算钩缓装置的运行参数，从而获得钩缓装置参数的全方位提取与安全监测。需要安装的传感单元主要包括电阻式应变片与拉线式位移传感器，重载列车钩缓装置动态监测系统前端传感单元安装方案如图2所示，在A、B节机车之间的重联车钩与两端的车钩借助工装安装2个位移传感器可确定3个车钩的横向摆角，在车钩上部安装1个垂向位移传感器可计算车钩的实时垂向跳动量，在车钩侧面中部粘贴应变片可通过标定计算车钩力，从而达到实时监测车钩运行参数的目的，各传感器在安装时需加装金属保护壳，信号传输线采用抗电磁干扰型。

Figure 2. Monitoring item point of hook and slow device

图2. 钩缓装置监测项点

3.1. 测力车钩制作

通过标定获取车钩力与车钩纵向应变相对应关系，测量中部机车A节机车、重联车钩和B节机车的车钩力，测力车钩的制作流程如下 [9] [10] 。

将应变测量装置安装于车钩钩身两侧，水平和垂直方向保持一致，单侧组建半桥电路，再将两侧组成一个全桥电路，按测量车钩拉伸形变，抵消弯曲形变方法组桥。进行车钩力标定，利用标定系数换算得到车钩力大小并进行显示与预警，测力车钩制作如图3所示。

Figure 3. Calibration process of dynamometer coupler

图3. 测力车钩标定流程

3.2. 拉线式位移传感器安装方式

拉线位移传感器，又称拉丝位移传感器或电容式拉丝传感器，是一种用于测量物体在直线方向上的移动距离或位置变化的设备。它们通常由传感器头、拉绳、弹簧、电容式传感器及连接电缆组成。利用车钩处布置的横、垂向拉线位移传感器动态位移变化及传感器安装的几何位置关系即可计算出车钩横向摆角、缓冲器行程与车钩垂向跳动大小，在钩提杆附近焊装传感器安装座，将带有位移传感器与其防护壳用螺栓安装于安装座上，传感器移动端固定于焊接在车体上的圆柱形工装上；在车钩防跳台上方车体与下方拉线位移传感器水平位置焊装带挂钩的安装座固定拉线位移传感器移动端的拉环，其现场安装图如图4所示。

Figure 4. Installation position of cable displacement sensor

图4. 拉线式位移传感器安装位置

3.3. 车钩摆角计算公式推导

利用上述在车钩布置的横、垂向拉线式位移传感器动态位移变化及传感器安装的几何位置关系即可计算出车钩横向摆角大小，具体计算过程如下，车钩摆角计算原理图如图5所示，以下计算参数均可在图5中确定含义：

Figure 5. Schematic diagram of coupler swing angle calculation

图5. 车钩摆角计算原理图

根据安装现场测量的安装位置与拉线式位移传感器测量的动态位移可确定l₁、l₂、l₃、l_A与l_B等参数，进而可计算α₁、α₂等参数，如式1~2所示：

${\alpha }_1=\arctan \left(\frac{l_1}{l_2}\right)$ (1)

${\alpha }_2=\arccos \left(\frac{l_{s1}^2+l_B^2-l_A^2}{2l_{s1}{l}_B}\right)$ (2)

根据计算的α₁、α₂可计算l_s1、l_s2，如式3~4所示：

$l_{s1}=\sqrt{l_1^2+l_2^2}$ (3)

$l_{s2}=\sqrt{l_3^2+l_B^2-2l_3{l}_B\cos \left(\pi -{\alpha }_1-{\alpha }_2\right)}$ (4)

进而可计算α₃、α₄，如式5~6所示：

${\alpha }_3=\arccos \left(\frac{l_{s2}^2+l_B^2-l_3^2}{2l_{s2}{l}_B}\right)$ (5)

${\alpha }_4=\arccos \left(\frac{l_{s2}^2+l_4^2-l_C^2}{2l_{s2}{l}_4}\right)$ (6)

综上所述，可通过式7计算出车钩摆角β：

$\beta =-\left({\alpha }_1+{\alpha }_2\right)+{\alpha }_3+{\alpha }_4$ (7)

4. 结果及验证

Figure 6. Design of monitoring interface for hook and slow device

图6. 钩缓装置监测界面设计

重载监测系统软件由数采软件和可视化软件两部分组成，前者使用Python程序获取搭载于机车的数采硬件设备TCP数据包和货车上的UDP数据包，后者基于Unity引擎实时渲染曲线和监控画面。系统硬件包括摄像机设备、数采设备和货车无线传输设备，前者获取轮对周边视频画面，后两者采集位移、加速度、压力和应变等实时数据。

现场传感器安装完成和标定后，通过监测系统的系统设置模块，对投入采集设备的应用地点、采样频率、通道数量、网络端口和相关描述进行设置，并设置相关监测通道阈值，待测试量超过设置阈值后，自动触发系统从而实现监测数据自动采集，数据集成界面如图6。数据采集后，依据桥路和标定值的设置结果，对车钩力、缓冲器行程、车钩摆角与车钩垂向跳动结果进行物理量的自动计算。

根据拉线式传感器采集的缓冲器行程、车钩横向摆角等物理量，如图7所示，对车钩摆角进行计算，得到结果如图8所示。该结果能够反映重载列车运行过程中钩缓装置工作状态，并检测异常值向地面人员进行预警与报警。

Figure 7. Data collected by displacement sensor

图7. 位移传感器采集数据

Figure 8. Calculation results of coupler swing angle

图8. 车钩摆角计算结果

5. 结束语

本文针对我国重载铁路实际运用中出现的断钩、脱钩等现象，研究了重载列车钩缓装置监测技术，提出了钩缓装置监测的主要项点，其项点可准确的反映钩缓装置运行性能与工作状态；基于应变片、位移传感器等前端传感单元与数据处理单元可实现车钩力、车钩摆角、缓冲器行程等车钩运行参数的智能监测、智能分析、故障诊断，提高重载列车运行安全性。在重载机车上安装离线计算单元可以实现脱机操作，通过将钩缓装置运行参数计算方法形成重载列车安全性能从实测数据–理论模型算法–实际应用的全过程解决方案，并推动综合监测与分析技术在重载列车运维过程中的全面应用，同时积累的大量轮轨作用数据可为基础设施新型部件设计提供依据，提高我国重载铁路运行安全性，为我国重载铁路发展信息化，智能化提供重要数据支撑。

NOTES

^*通讯作者。