鐵路客車車輛超偏載檢測報警器研究與設(shè)計

1、鐵路客車車輛超偏載檢測報警器研究與設(shè)計申玉良， 潘存治， 楊紹普摘要：研制了一種車載式超偏栽報警裝置，可實現(xiàn)機車車輛超偏栽狀態(tài)的準(zhǔn)靜態(tài)檢測和報警功能。介紹了總體設(shè)計原則和方案，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；車輛；超載；偏載；報警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等軌道扭曲較大處脫軌的重要因素。另外，裝車欠噸浪費運力同樣造成經(jīng)濟損失。因此，研制一種車載式超偏載檢測報警裝置，隨車檢測車輛承載狀態(tài)意義重大。2 總體方案設(shè)計思路設(shè)計一種車載式超偏載報警裝置，車輛停靠在站點后，開啟該裝置的相應(yīng)功能，可實現(xiàn)超偏載狀態(tài)的準(zhǔn)靜態(tài)檢測，即實現(xiàn)超偏載超限報警，并能顯示車輛實際載重量、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，一個車體上的四個對稱位置各安裝一個，將信號放大調(diào)理后送單片機系統(tǒng)進行處理，通過數(shù)碼顯示、聲光報警實現(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)時稱208型，當(dāng)裝用D軸(及相應(yīng)的彈簧)時稱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為：車體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。又因為彈簧和吊桿均勻分布于四個方向，比較各個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)計一個小剛度彈簧位移檢測裝置，該裝置采用一個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個受力頂點。假定P 處彈簧壓縮量為27。，P。、P。、P 處壓縮量分別為27。， 。， ，并且考慮到各個彈簧剛度的不同，設(shè) 。、 。、 。、 分別為4個彈簧的剛度，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際情況進行分析。 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。(2)左右偏載車。 f妻羹萋主票I二 I。2時，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。傳感器H _二級放人電路卜I4051多路開關(guān)H 旦 魚載指示燈及報警 1413驅(qū)動1413驅(qū)動73鎖存器45ll譯碼273鎖存器32 單片機系統(tǒng)設(shè)計138譯碼器CPUT89C52選擇與系321 單片機電路硬件設(shè)計系統(tǒng)硬件主要由輸入輸

7、出、單片機測控系統(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，對傳感器信號進行初級放大，后級采用通用集成運放741對信號進一步放大，將滿量程信號放大到10V。(2)單片機測控系統(tǒng)電路。該電路主要由AT89C52單片機、4051多路開關(guān)、74LS273鎖存器、AD1674轉(zhuǎn)換器、74LS138譯碼器等組成。AT89C52單片機內(nèi)部有8K 程序內(nèi)存，512字節(jié)RAM。因此，不用外部擴展程序和數(shù)據(jù)存儲器。四路傳感器信號經(jīng)多路開關(guān)4051分時采人

8、，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換輸入單片機，經(jīng)計算處理，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，蜂鳴器報警，兩組數(shù)碼管各顯示重量和超偏載情況。其中6個發(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)機電參數(shù)必引起零點和比例關(guān)系變化，因此，必須設(shè)計調(diào)零電路定期校核測量精度。該調(diào)零電路用兩個LM741放大器，運用減法原理設(shè)計

9、。322 系統(tǒng)軟件設(shè)計(1)主程序。單片機上電后執(zhí)行主程序。首先進行系統(tǒng)設(shè)置，若一切正常，則進入按鍵掃描狀態(tài)，根據(jù)掃描結(jié)果進入單路調(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)的報警器技術(shù)性能先進，功能齊全，特別是稱重精度較高，可兼作級計量器具使用，其造價低，并且具有一定的通用性，XCN NZgN ，根據(jù)具體結(jié)構(gòu)，設(shè)計特定的傳感器安裝架，然后對該種車型進行稱重試驗，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系列單片機實用接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的C 語言應(yīng)用程序設(shè)計EM 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，200