鐵路客車車輛超偏載檢測報(bào)警器研究與設(shè)計(jì)

1、鐵路客車車輛超偏載檢測報(bào)警器研究與設(shè)計(jì)申玉良， 潘存治， 楊紹普摘要：研制了一種車載式超偏栽報(bào)警裝置，可實(shí)現(xiàn)機(jī)車車輛超偏栽狀態(tài)的準(zhǔn)靜態(tài)檢測和報(bào)警功能。介紹了總體設(shè)計(jì)原則和方案，對測控系統(tǒng)的軟硬件作了系統(tǒng)論述，并給出了部分硬、關(guān)鍵詞：單片機(jī)；車輛；超載；偏載；報(bào)警l 引言在裝車作業(yè)中，由于客觀條件和各種因素限制，尚無可靠準(zhǔn)確的計(jì)量檢測手段，而是用傳統(tǒng)量尺劃線、目測的辦法來確定裝車重量和重心位置，因此準(zhǔn)確性和可靠性相對較低，從而不可避免地帶來超載、偏載或欠噸的問題。超載、偏載所造成的危害主要表現(xiàn)在：車輛超載引起的沖擊荷載是鋼軌、車軸傷損，軌枕嚴(yán)重裂紋，軌道病害加劇的重要原因，有時(shí)甚至引起斷軌、斷軸

2、等惡性事故；車輛偏載是引起貨車在曲線圓緩點(diǎn)等軌道扭曲較大處脫軌的重要因素。另外，裝車欠噸浪費(fèi)運(yùn)力同樣造成經(jīng)濟(jì)損失。因此，研制一種車載式超偏載檢測報(bào)警裝置，隨車檢測車輛承載狀態(tài)意義重大。2 總體方案設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)一種車載式超偏載報(bào)警裝置，車輛?？吭谡军c(diǎn)后，開啟該裝置的相應(yīng)功能，可實(shí)現(xiàn)超偏載狀態(tài)的準(zhǔn)靜態(tài)檢測，即實(shí)現(xiàn)超偏載超限報(bào)警，并能顯示車輛實(shí)際載重量、超偏載程度。在車體前后轉(zhuǎn)向架2系彈簧附近安裝能夠檢測彈簧壓縮量的傳感器，一個(gè)車體上的四個(gè)對稱位置各安裝一個(gè)，將信號放大調(diào)理后送單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理，通過數(shù)碼顯示、聲光報(bào)警實(shí)現(xiàn)所需功能。其中技術(shù)關(guān)鍵是傳感器技術(shù)與超偏載信號的檢測。3 測控系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)3

3、1 傳感器的選擇與數(shù)學(xué)模型的建立311 209轉(zhuǎn)向架簡介本系統(tǒng)首先針對209型轉(zhuǎn)向架的行李車進(jìn)行研究。209型轉(zhuǎn)向架是一種C、D系列客車轉(zhuǎn)向架，當(dāng)裝用C軸(及相應(yīng)的彈簧)時(shí)稱208型，當(dāng)裝用D軸(及相應(yīng)的彈簧)時(shí)稱209型。209型轉(zhuǎn)向架的搖枕彈簧懸掛裝置為搖動臺式，采用單節(jié)長吊桿，構(gòu)架外懸掛，帶有油壓減震器的彈簧組。搖枕彈簧裝置由彈簧組和油壓減震器組成，搖枕兩端各一套，每套由兩組并列的內(nèi)外卷圓簧和油壓減震器組成。圓簧組由上下夾板、中間穿以螺栓組成，呈預(yù)壓縮狀態(tài)，如圖l所示。彈簧托梁為整體鑄鋼橫梁式結(jié)構(gòu)，它和搖枕吊軸之間用兩個(gè)螺栓連接。搖枕吊上部通過搖枕吊銷借助兩塊搖枕吊銷支承板，垂直懸掛在搖

4、枕吊座上。 圖I 209轉(zhuǎn)向架搖枕彈簧裝置示意圖由圖1可知，轉(zhuǎn)向架垂直載荷傳遞順序?yàn)椋很圀w一上心盤一下心盤一搖枕一2系彈簧一彈簧托梁一搖枕吊軸一搖枕吊一構(gòu)架側(cè)梁一車輪一鋼軌。312 傳感器選擇與設(shè)計(jì)經(jīng)簡化得到車輛懸掛裝置如圖2所示。通過前文介紹的力的傳遞路線及圖2可知，8根彈簧或吊桿受力之和即為貨物重量，因而測出彈簧或吊桿所受力便可得到承載量大小。又因?yàn)閺椈珊偷鯒U均勻分布于四個(gè)方向，比較各個(gè)方向受力大小則可以判斷是否偏載。通過測量彈簧或搖枕吊的受力來測量。承載量的方法有直接法和間接法。在設(shè)計(jì)過程中，考慮到對鐵路車輛安全要求的特殊性，基本原則是不改動原有結(jié)構(gòu)，用間接測量法 圖2 車輛懸掛裝置簡圖

5、測定彈簧或搖枕吊的受力，實(shí)施如下方案：在搖枕與2系彈簧托梁之間安裝間接位移測量裝置測量2系彈簧的壓縮量，即按比例縮小原理設(shè)計(jì)一個(gè)小剛度彈簧位移檢測裝置，該裝置采用一個(gè)5kg的稱重傳感器，用該傳感器測量小剛度彈簧的壓縮量，測出的稱重傳感器的信號間接反映了2系彈簧的壓縮量。313 數(shù)學(xué)模型的建立及相關(guān)分析如上所述可得到車體受力的數(shù)學(xué)模型如圖3。P 、P。、P。、P 為車體的4個(gè)受力頂點(diǎn)。假定P 處彈簧壓縮量為27。，P。、P。、P 處壓縮量分別為27。， 。， ，并且考慮到各個(gè)彈簧剛度的不同，設(shè) 。、 。、 。、 分別為4個(gè)彈簧的剛度，其中，K，一載重量彈簧壓縮量，則載重量測定值為：G一(K 12

6、71+ K 2272+ K 3273+ K 4274)。 “超偏載的概念以及實(shí)際情況進(jìn)行分析。 圖3 數(shù)學(xué)模型(1)超載車。裝載成件包裝貨物的重量超過允許裝載量的10 以上，或裝載散堆裝貨物的重量超過允許裝載量的15 以上時(shí)。(2)左右偏載車。 f妻羹萋主票I二 I。2時(shí)，式中的輪重也可以是對應(yīng)的轉(zhuǎn)向架承重。(3)前后偏載車。前轉(zhuǎn)向架負(fù)重值一后轉(zhuǎn)向架負(fù)重值lOt時(shí)。傳感器H _二級放人電路卜I4051多路開關(guān)H 旦 魚載指示燈及報(bào)警 1413驅(qū)動1413驅(qū)動73鎖存器45ll譯碼273鎖存器32 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)138譯碼器CPUT89C52選擇與系321 單片機(jī)電路硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件主要由輸入輸

7、出、單片機(jī)測控系統(tǒng)、傳感器前置放大、系統(tǒng)調(diào)零、顯示、指示燈等電路組成。原理框圖如圖4所示。(1)傳感器前置放大電路。稱重傳感器選用5kg量程的電子稱傳感器，采用兩級放大電路，前級選用ICL7650高輸入阻抗型集成放大器，對傳感器信號進(jìn)行初級放大，后級采用通用集成運(yùn)放741對信號進(jìn)一步放大，將滿量程信號放大到10V。(2)單片機(jī)測控系統(tǒng)電路。該電路主要由AT89C52單片機(jī)、4051多路開關(guān)、74LS273鎖存器、AD1674轉(zhuǎn)換器、74LS138譯碼器等組成。AT89C52單片機(jī)內(nèi)部有8K 程序內(nèi)存，512字節(jié)RAM。因此，不用外部擴(kuò)展程序和數(shù)據(jù)存儲器。四路傳感器信號經(jīng)多路開關(guān)4051分時(shí)采人

8、，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換輸入單片機(jī)，經(jīng)計(jì)算處理，可測得各路承載量及總重量。程序存儲器中固化了系統(tǒng)主程序和各子程序。(3)顯示電路。采用LED數(shù)碼管的靜態(tài)硬件譯碼顯示電路，重量和超偏載程度顯示各用3位LED 數(shù)碼管，用CD451 1芯片硬件譯碼，通過MC1413驅(qū)動。若有超偏載存在，前面板上的超重、前偏、后偏、左偏、右偏指示燈亮起，蜂鳴器報(bào)警，兩組數(shù)碼管各顯示重量和超偏載情況。其中6個(gè)發(fā)光管和蜂鳴器均由MC1413驅(qū)動。 圖5 主程序流程框圖(4)系統(tǒng)調(diào)零電路。在使用過程中傳感器和相關(guān)機(jī)電參數(shù)必引起零點(diǎn)和比例關(guān)系變化，因此，必須設(shè)計(jì)調(diào)零電路定期校核測量精度。該調(diào)零電路用兩個(gè)LM741放大器，運(yùn)用減法原理設(shè)計(jì)

9、。322 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)(1)主程序。單片機(jī)上電后執(zhí)行主程序。首先進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置，若一切正常，則進(jìn)入按鍵掃描狀態(tài)，根據(jù)掃描結(jié)果進(jìn)入單路調(diào)整或正常狀態(tài)。主程序流程圖如圖5所示。(2)AD轉(zhuǎn)換程序。將放大器輸出的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，經(jīng)數(shù)字中值濾波，取中間值輸入到CPU 的存儲器。4 結(jié)束語所開發(fā)的報(bào)警器技術(shù)性能先進(jìn)，功能齊全，特別是稱重精度較高，可兼作級計(jì)量器具使用，其造價(jià)低，并且具有一定的通用性，XCN NZgN ，根據(jù)具體結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)特定的傳感器安裝架，然后對該種車型進(jìn)行稱重試驗(yàn)，獲取有關(guān)參數(shù)后，修正程序中的相應(yīng)參數(shù)并固化即可。該超偏載檢測報(bào)警器可應(yīng)用于行李車、郵政車，電源問題解決后可用于貨車。參考文獻(xiàn)Eli李華Mcs一51系列單片機(jī)實(shí)用接VI技術(shù)EM北京：北京航空航天大學(xué)出版社，199323O 251E23馬忠梅籍順心張凱等單片機(jī)的C 語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)EM 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，200