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货车运行状态安全监测系统
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题目:
货车运行状态安全监测系统
专业:
测控技术及智能仪器
班次:
04481班21号
姓名:
成都电子机械高等专科学校
二OO七年5月
摘要
铁路行车安全是铁路运输中一个永恒的主题。
货车的转载状态,车轮踏面损伤,车辆的运行状态(动力学特性)对列车运行安全至关重要,它直接关系到铁路运输安全。
近年来,随着铁路的提速,空车脱轨,燃轴事故频繁发生,货车超载现象严重,引起了铁路各级管理部门极大关注。
然而,由于车辆运行状态(动力学特性)仅凭人工和车辆静检难以得到准确判断,车轮踏面损伤及其导致的燃轴事故尚未得到有效控制,货车装载情况再铁路运输正线上还未能得到全面监控,因此,迫切需要研制开发一种能将货车超偏载,车辆运行状态监测,车号自动识别及信息传输集成在一起的货车运行状态安全检测系统。
基于保障铁路行车安全的需要,铁科院经历十年探索与实验,研制出多功能全自动的轨边实时火车运行状态地面安全检测系统TPDS(TruckPerformanceDetectionSystem)。
它利用设在轨道上的测试平台,实时在线监测运行中货车轮轨间的动力学参数,通过对轮轨垂直力和横向力的连续检测和分析,以及货车运行状态综合评价,可实现对运行状态不良货车的识别,并兼有对货车超偏载,车轮踏面速上的检测功能,同时系统实现了与车号自动识别系统的集成和监测信息的网络传输,可自动将监测信息发送到指定地点,可对严重的监测结果随时报警。
TPDS系统资1999年起在沪宁线的安亭和镇江安装了2套设备进行了全面的实验考核和验证。
2003根据铁道部的推广计划,在京沪线部署安装了8套TPDS系统并进行了联网建设和管理信息系统的开发实施,建成了京沪线TPDS系统信息传输网络,建设6个分局监测中心,3个路局监测中心,1个铁道部信息查询中心。
安装了16个相关列检复示终端和12个监控终端,实施共46个节点的联网,实现了京沪沿线TPDS系统检测信息的自动收集和集中管理,提供了京沪线上车辆运行状态的实时监控,综合查询和不良车辆的跟踪等信息服务。
2003年10月联网业务管理信息投入运行后,TPDS在车辆安全监测的系统化,网络化和信息化取得了实际应用的成绩。
通过京沪线TPDS的应用各级车辆管理部门运用TPDS检测信息,可加大货车运行安全监控力度,有效防范火车脱轨,车轮踏面擦伤和超偏载的行车安全隐患,实现货车运行安全质量互控,铁道部已经决定在六大干线提速安全标准线的建设中全面推广TPDS.
Abstract
therailroadtrafficsafetyisintherailwaytransportationaneternalsubject.Freightvehiclereprintcondition,wheelrollerfacedamage,vehiclesrunningstatus(dynamicscharacteristic)totrainmovementsafeveryimportant,itrelatesdirectlyrobstherailwaytransportationsecurity.Inrecentyears,raisedfast,thespatialvehiclealongwiththerailroadisderailed,burnstheaxisaccidentfrequentoccurrence,thefreightvehicleoverloadphenomenonisserious,hasarousedtherailroadalllevelsofcontrolsectionenormousinterest.However,becausethevehiclesrunningstatus(dynamicscharacteristic)onlycalmlyexaminesdependingontheman-powerandthevehiclesobtainstheaccuratejudgmentwithdifficulty,thewheelrollerfacedamagesandcausestoburntheaxisaccidentnotyettobeundertheactivecontrol,onthechargeoftruckssituationrailwaytransportationmainlinecouldnotbeunderthecomprehensivemonitoringagain,therefore,urgentneedstodevelopdevelopsonekindtobeableultratocarrythefreightvehicle,thevehiclesrunningstatusmonitor,thevehiclenumberautomaticdiagnosisandtheintelligencetransmissionintegrateintogetherfreightvehiclerunningstatussafeexaminationsystem.Basedonthesafeguardrailroadtrafficsafetyneed,thehardbranchcourtyardexperiencestenyearsexplorationandtheexperiment,developsthemulti-purposecompletelyautomaticsnearbytheaxlereal-timetrainrunningstatusgroundsafeexaminationsystemTPDS(TruckPerformanceDetectionSystem)Itusesislocatedinontheorbitaltestplatform,inthereal-timeonlinemonitormovementthewagonwheelgagesdynamicsparameter,throughtothewheeltrackverticalforceandthetransverseforcecontinuouslyexaminationandtheanalysis,aswellasthefreightvehiclerunningstatusqualitysyntheticevaluation,mayrealizetotherunningstatusnotgoodfreightvehiclerecognition,andhasatthesametimeultratothefreightvehiclecarries,thewheeltreadsinthesurfacespeedtheexaminationfunction,simultaneouslythesystemhasrealizedwiththevehiclenumberautomaticdiagnosissystemintegrationandthemonitorinformationnetworktransmission,butautomaticwillmonitortheinformationtotransmittotheassignedlocation,mightreporttothepoliceasnecessarytotheseriousmonitorresult.Itusesislocatedinontheorbitaltestplatform,inthereal-timeonlinemonitormovementthewagonwheelgagesdynamicsparameter,throughtothewheeltrackverticalforceandthetransverseforcecontinuouslyexaminationandtheanalysis,aswellasthefreightvehiclerunningstatusqualitysyntheticevaluation,mayrealizetotherunningstatusnotgoodfreightvehiclerecognition,andhasatthesametimeultratothefreightvehiclecarries,thewheeltreadsinthesurfacespeedtheexaminationfunction,simultaneouslythesystemhasrealizedwiththevehiclenumberautomaticdiagnosissystemintegrationandthemonitorinformationnetworktransmission,butautomaticwillmonitortheinformationtotransmittotheassignedlocation,mightreporttothepoliceasnecessarytotheseriousmonitorresult.
前言
安全是铁路的永恒,我国铁路近年来经历五次大规模提速,提速线路已达16500公里,客车速度不断提高,货车重载列车开行数量增多,我国铁路运输行车仍然以客货共线为主,列车密度高居世界第一,这些因素都对车辆运行安全保障体系提出了更高的要求;随着铁路跨越式发展,列车交路延长,列检作业保证区段延长,这些变革给既有的安全体系提出了新的挑战,确保铁路运输安全的任务十分艰巨。
我国铁路车辆安全防范体系的技术及装备水平较低,功能简单,载对应技术领域还存在许多空白,仍然以传统,粗放,人控为特征,尚未形成系统化,网络化,智能化,信息化程度较高的安全防范体系,不能适应铁路跨越式发展的需要。
为更好的监控货车运行安全状态,实时掌控货车动态运行情况,国内外均投入了大量的人力和物力研究相关的对策,采用轨边监测设备对运行车辆进行动态监测,被证实式一条行之有效的安全防范措施。
类似的设备在国外均有10年以上的研究历程。
由于各国铁路所面临的问题不同,国外此类设备均安装在曲线区段,其关注重点是货车曲线通过的特征;我国货车在重载提速的情况下,采用先进,成熟,经济,适用,可靠技术,建立轨边货车运行状态监控网络,是确保货车运输安全的必然选择。
我国的火车运行轨边监测设备叫做“货车运行状态地面安全检测系统”(TruckPerformanceDetectionSystem),简称TPDS。
TPDS的出现及应用将给我国货车运行安全及维修工作带来深刻的变革。
本文介绍了货车运行状态地面安全检测系统的原理,探测站设备构成,系统功能及维修等问题。
第一章TPDS系统简介
在全路“四纵两横”六大繁忙干线,十大运煤通道和主要提速干线上,按“点线成网,纵横交错,局间互控”布局原则安装货车运行状态地面安全检测设备,构建全路联网的检测系统。
在探测站建设的同时,以路网货车全面监控和信息综合利用为目标,建成覆盖全路的检测传输网络,实现三级联网。
将探测站通过对货车的运行状态,轮对踏面损伤与超偏载的监测信息实时的,逐级自动上报三级系统进行集中管理,实现状态不良车辆的多点综合评判,提供三级复示,确保现场作业人员和维修部门能够对问题车辆及时进行检查和处理,各级车辆管理决策部门能动态的掌管运用车辆的运行状态,对不良车辆进行重点监控和跟踪,构筑起集监测,管理,分析和决策为一体的货车运行状态地面安全监控管理系统。
1.1TPDS系统指标
型号:
GCU—100Bb货车运行状态地面安全检测系统;
称重范围:
最大轴重25T
计量方式:
双向全自动轴,转向架动态计量;通过速度30~120Km/h;
超偏载精度:
30Km/h~40Km/h速度时优于0.5%,40Km/h~60Km/h速度时优于1%,60Km/h~120Km/h速度时优于3%
允许超载:
为额定载荷的250%;
具有自动识别车轮踏面损伤功能;
踏面损伤预报兑现率:
一级报警:
大于90%
二级报警:
大于70%
三级报警:
大于50%
1.2探测站设备构成
TPDS探测站设备主要由以下部分构成:
测试平台与传感器、接线箱与接线盒、信号电缆;车号识别装置;测试间与监控机柜、传感器调理单元、监测工控机、测点服务器、不间断电源、数据远传单元;雨量计。
探测站设备构成示意图如图2-1。
图2-1探测站设备构成示意图
第二章系统构成与设备主要部件
2.1轨道测试平台
轨道测试平台安装在线路上,由专用混凝土轨枕通过纵向连接形成框架式轨道结构平台。
它提供了具有高平顺性和长期稳定性的平台结构,保证了线路的高平顺状态。
采用了以高强度螺栓技术为核心的纵向连接,既满足了连接要求又使在既有线上的安装简便易行。
同时在线路上安装时要求在框架式结构两端使用至少15根III型混凝土轨枕作为纵向刚度的过渡段。
通过上述措施,消除或最大限度消除了线路对车辆走行性能、轮载“动荷增量”的影响,保证了测量数据准确、装置稳定可靠。
轨道测试平台由22根混凝土轨枕组成(其中A型轨枕6根,B型轨枕16根),轨枕间距0.76m,台面总长16.27m,轨枕长2.6m;A型轨枕上装配二维板式传感器,B
图2-2测试平台实景图
型轨枕上设承轨槽和锚固螺栓孔。
2.1.2传感器
图2-3板式压力传感器、剪力传感器安装实景图
探测站设备测试核心部件是传感器,设备采用的板式双向压力传感器和不打孔轨腰剪力传感器两类传感器,二者均为自主研制、国际领先、具有专利的产品。
板式传感器可同时测试轮轨作用的垂直力和横向力,二者相互串扰严格控制在允许范围内。
剪力传感器既可准确测量钢轨剪力又无需在钢轨上打孔,从而不影响钢轨的工作状态。
板式传感器既是一个传感器,同时又起着连接钢轨和轨枕的作用,实现了对钢轨的约束,保证了行车安全,安装测试系统不必对线路和行车条件进行限制。
板式压力传感器是一个二维压力传感器,用于测试轮轨相互作用的垂直力和横向力,它通过四个高强螺栓固定在测试平台中A型轨枕上,一套设备共使用12只板式压力传感器,分布在六根A型轨枕上;不打孔剪力传感器用于测量钢轨在轮载下所受剪力,其信号与板式传感器信号合成后得到完整的轮轨作用力大小和波形特征,它通过专用支架固定在钢轨上,一套设备共使用8对剪力传感器,每股钢轨4对,如图2-3所示。
2.1.3接线箱
接线箱安装在线路路肩靠近测试平台中央部位,接线箱内放置传感器信号线接线盒,接线盒内安装接线板。
接线板是将传感器的信号中转连接到测试间二次仪表上,把传感器输出信号实时准确的传送至信号调理单元。
图2-4接线箱实景图
2.1.4雨量桶
图2-5雨量桶安装位置实景图
雨量桶安装在轨边机房一侧端墙上部(尖顶房)或机房放水层上(平顶房),如图2-5所示,用于收集雨天雨量情况,雨量桶信号线连接在机房内雨量计主机专用接口。
2.1.5AEI地面天线和车轮传感器
图2-6AEI地面天线
AEI地面天线如图2-6所示,负责获取通过列车的过车信息(机车和车辆的标签信息),并通过电缆传至机房AEI主机。
车轮传感器与AEI天线匹配,用来检测列车到达和通过信息,同时采集列车车速、轴距等信息。
2.2室内设备
2.2.1测试工控机
图2-7测试工控机
测试工控机完成与数据采集仪通讯、实时判轴测速计辆、车辆动力学指标计算、超偏载计算、车轮踏面擦伤识别及读取车号、UPS信息,测试结果以文件形式通过网络传递给测点服务器。
2.2.2测点服务器
图2-8测点服务器
测点服务器实时接收测试工控机监测结果文件、结果文件入库、车辆运行状态综合评判、车辆装载超偏载评判、采集雨量计信息、通过局域网将数据和报警信息上传至分局服务器。
2.2.3信号调理单元与数据采集仪
图2-9数据采集仪
信号调理单元一方面是对传感器供电,另一方面将传感器输出的微小信号放大、滤波,并将放大模拟信号转换数字信号传至数据采集仪。
数据采集仪是由测试工控机控制,完成传感器信号的采集、合成处理,并完成与测试工控机间数据通信。
信号调理单元和数据采集仪具有良好抗电磁辐射及其它干扰能力,分辨率高、工作快速稳定,仪表结构简单,工作可靠,能适应长期无人值守稳定工作的要求。
2.2.4AEI主机
图2-10AEI主机
AEI主机完成AEI地面通信、车轮传感器信号采集与处理,获得通过列车机车和车辆标签信息、车速、轴距信息等。
测试报文通过串口传至测试工控机。
2.2.5雨量计主机
图2-11雨量计主机
雨量计主机实时读取雨量桶采集的雨量数据,并与测点服务器通过串口通信,将测试结果传至测点服务器。
2.2.6数据远传单元
数据远传单元是指网络交换机或集线器,它完成测试工控机与测点服务器间网络连接,并传输测试工控机监测结果;同时完成测点服务器与设在分局TPDS信息管理服务器间网络连接与数据传输工作。
图2-12UPS不间断电源
2.2.7UPS不间断电源
UPS为探测站设备提供稳定可靠的电源,并通过串口向测试工控机传输市电供电情况、UPS主机状态、电池状态、电源输出情况等信息。
2.2.8防雷组件
防止探测站设备和线上设备受到雷电干扰。
电源防雷箱为设备供电提供防雷保护,信号防雷元件为设备信号提供防雷保护。
第三章探测站设备的安装
3.1探测站设备选点要求
TPDS系统安装位置的选择对保证实现监测功能十分重要,安装测试平台前后对对两端线路的处理,直接影响到系统工作的长期稳定性和系统的检测准确度。
为此,在选择结构安装位置和安装之前,应注意以下几点:
(1)应安装在正常货车速度在60km/h以上的铁路正线上;
(2)设备安装在直线上,测试平台前后分别有400米、100米以上的直线段,线路坡度不超过3‰;
(3)测试平台前后(前400米、后100米)不得有道岔区、曲线、长大桥梁等;
(4)测试平台前后80米区段应避开电化区段分相点、短梁、短涵、道口及易产生洪水、塌方、冻涨等地段;
(5)应设在供电、通讯、巡视、防盗条件较好的位置;
(6)宜采用60kg/m钢轨的无缝线路,检测区钢轨没有接头和擦伤;
(7)宜采用新轨,使用旧轨时其垂直磨耗应小于5mm,侧磨应小于6mm,无交替侧磨;
(8)铺设区段应为II型或III型混凝土枕,无轨枕失效,如有失效轨枕应更换新枕;如铺设区段为II型轨枕线路时,须在测试平台两侧分别铺设10~15根III型轨枕作为过渡段;
(9)铺设位置及前后线路应有等同或接近的轨道结构强度、刚度和承载能力,必须保证有良好的轨道平顺性。
至少应满足有关铁路线路维修规程要求的日常养护维修标准;
(10)铺设位置及前后线路必须采用优质道碴(符合有关工务维修要求),道床不能有板结、道碴囊、翻浆冒泥等病害。
同时道床两侧排水条件应良好、道床不易被粉化物掩埋;
(11)铺设区段及前后线路应无严重的路基病害,保证线路路基状态良好、边坡稳定,没有或不易产生较为严重的路基下沉和路基冻涨等病害。
3.2轨边机房技术要求
(1)机房与测试平台应尽量靠近(不大于30m),减少因电缆线过长而产生故障的几率,同时避免感应雷电的影响;
(2)机房与传感器接线箱间应设置电缆穿线管,穿线管埋深不小于路基面30cm(寒冷地区适当加大埋深),室内设出线孔;
(3)机房的使用面积不小于10m2;
(4)有可靠的220V电源(两路供电、自动切换)及接地装置两组(设备地和防雷地,接地电阻小于4欧),电源功率不小于3KVA;
(5)设置架空防静电地板或电缆沟槽;
(6)有防雨、通风、防盗、防鼠等功能,并进行防潮处理;
(7)机房与外界间应具备铁路电话和不小于64k的数据传输通道(含两端接入设备,设备输出接口为2个RJ45)。
3.3室外设备安装与技术要求
3.3.1室外设备安装过程
图3-1室外设备安装过程图
3.3.2室外设备安装平面图
图3-2轨道测试平台总图
图3-3轨枕端部连接板连接示意图
3.3.3测试平台安装步骤
3.3.4线路整修
在选择的设备安装位置,应对前后线路(前400m、后100m)进行整正,整正要求如下:
线路方向不平顺小于4mm,高低不平顺小于4mm,轨距误差小于+4、-2mm。
消除轨道结构中的三角坑,更换轨道结构的失效零部件。
消除道床板结、道碴囊,整治道床排水。
3.3.4.1测试平台划线定位
需要工具:
有效长度不小于15m的钢尺、划针(在钢轨上做标记用)、适当的绝缘材料垫布(拉钢尺时垫在钢轨和钢尺之间,防止造成短路影响行车信号)等。
1根据系统选择位置的要求,确定系统轨道平台安装的中心位置及里程,如为焊接长钢轨,中心位置应确定在25m轨的中心。
②在设置设备间一侧的钢轨外侧轨头上,按中心位置划出系统轨道平台内侧钢轨上的中心点,假设为A。
③在设备间一侧钢轨外侧轨头部位以A为中心两侧按一定长度(如3m)向另外一根钢轨划圆,与另一根钢轨外侧轨头部位相交形成点步b1和b2。
④在设备间对面钢轨的外侧轨头部位找出b1和b2连线的中心点B,B点即为与A点对应的系统轨道平台在对侧钢轨上的中心点。
图3-4确定系统轨道平台中心位置的划线过程示意图
⑤分别以A、B为起点,以380mm(760/2)刻度对准A或B点,在内外侧钢轨外侧轨头上两个方向分别拉开钢尺,在钢尺刻度分别为760mm、1520mm、2280mm的位置划线,分别为轨道平台中A型轨枕的中心位置(设点号分别为A-3、A-2、A-1、A1、A2、A3和B-3、B-2、B-1、B1、B2、B3)。
如图3-4所示:
注意:
在两侧钢轨之间用钢尺拉线时注意垫上绝缘布,防止造成短路!
⑥用钢尺测量A-3和B3、B-3和A3的距离,两者之差小于3mm表示上述选点过程合格,精度符合要求。
否则应重复上述③~⑥过程重新划线定位,确定新的A、B点直至两者长度之差符合要求。
注意:
在两侧钢轨之间用钢尺拉线时注意垫上绝缘布,防止造成短路!
⑦分别以确定的A、B为起点,拉开钢尺,以380mm(760/2)刻度对准A或B点,在内外侧钢轨外侧轨头上A、B两侧钢尺刻度分别为760mm、1520mm、2280mm、3040mm、3800mm、4560mm、5320mm、6080mm、6840mm、7600mm、8360mm(760mm的整陪数)的位置划线(形成点A-11、A-9、……、A9、A11和B-11、B-9、……、B9、B11)。
图3-5单侧钢轨确定部分钢枕中心位置拉尺示意图
⑧
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