阅读说明：本技术 一种重载列车机车动力学监测装置 (Heavy haul train locomotive dynamics monitoring devices ) 是由 王红强 杨泓 王渊 朱文斌 原志红 李玉梅 宋面儿 吕晓明 吕燕军 郭小军 王鑫 于 2020-05-12 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种重载列车机车动力学监测装置,包括数据采集模块、数据传输模块和数据分析处理模块,通过设置加速度传感器、位移传感器、应变片,解决了重载列车运行中动力学状态无法量化的问题,为机车操纵优化提供数据支持,为优化机车平稳操纵方案提供了依据；通过数据的采集,实时监测机车车钩力、冲动大小及车体错位数值,并结合操纵方案进行数据分析不断优化完善机车平稳操纵方案；本发明设备数据采集设备选型精准、抗干扰能力强、供电电路可靠稳定,只需要在机车出库前安装到机车上,机车停车后通过数据U盘读取数据进行系统分析,实现了重载列车运行全程的动力学监测和动力学数据分析,不用人员添乘,且体积小巧不占空间。(The invention relates to a dynamics monitoring device of a locomotive of a heavy-duty train, which comprises a data acquisition module, a data transmission module and a data analysis processing module, wherein the problem that the dynamics state of the heavy-duty train cannot be quantized in the operation process is solved by arranging an acceleration sensor, a displacement sensor and a strain gauge, data support is provided for the operation optimization of the locomotive, and a basis is provided for optimizing a stable operation scheme of the locomotive; by data acquisition, the coupler force, the impulse size and the vehicle body dislocation value of the locomotive are monitored in real time, and a stable operation scheme of the locomotive is continuously optimized and perfected by data analysis in combination with the operation scheme; the device data acquisition equipment has the advantages of accurate type selection, strong anti-interference capability and reliable and stable power supply circuit, and is only required to be installed on the locomotive before the locomotive is delivered out of a warehouse, and the locomotive is read by the data U disk for system analysis after being stopped, so that the dynamic monitoring and dynamic data analysis of the whole running process of the heavy-duty train are realized, the device is not required to be added by people, and the device is small in size and does not occupy space.)

一种重载列车机车动力学监测装置

技术领域

本发明属于重载列车运行安全技术领域，具体涉及一种重载列车机车动力学监测装置。

背景技术

两万吨重载列车在连续长大下坡道运行时，由于重载列车调速过程中空气制动的波动性，使得列车在各车辆车钩状态拉伸-压缩，压缩-拉伸交互变化后会产生较大的车钩力、纵向冲动及车体错位量。重联机车位于列车中部，是整列车受应力最大且安全最薄弱的环节，在列车调速的过程中承受巨大的车钩力及纵向冲动，容易产生较大的车体错位，给重载列车运行的安全、平稳带来较大的影响。

机车车钩力、冲动及车体错位的危害性

（1）机车运行中因环境、乘务员操纵等原因导致机车发生冲动时，机车会受到一个瞬间的、剧烈的冲击力，而作为机车连接装置的车钩及缓冲吸能装置的车钩缓冲器，往往会因为这一瞬间的冲击力而导致失效或裂损，严重时断钩分离，给运输安全带来很大的隐患。

（2）机车发生冲动时，因机车CCU黏着程序的保护，会出现黏着破坏到重新建立的一个过程，此时由于机车运行中，黏着重新建立机车牵引或电制力会重新由0开始上升，此时列车动力全部由主控机车提供，由于列车动力的部分丢失，列车将不能按照模式化操纵办法运行，必须选择停车缓风的作业方式，机车途停将会严重影响运输组织，降低运输效率。

（3）在长大下坡道或机车制动过程中，重联机车车钩会承受较大的压钩力，因车钩连接是可摆动连接，车钩承受压钩力时，压钩力越大，车钩摆角就会越大，车体错位就会越大，机车所受横向力就会越大，机车脱轨的危险系数就会越大。

（4）机车发生冲动时，轮轨间的黏着瞬时破坏，在这个时间内机车轮轨摩擦将不会发挥作用，造成机车轮对的非正常磨耗，轮对非正常磨耗一方面加大了机车镟轮费用及轮对异常磨耗的成本支出，另一方面将会使机车震动进一步加剧，形成恶性循环。

通过优化操纵方式是目前可行的最能提高两万吨重载列车平稳性及安全性的一种手段，而当下优化操纵的最大难点就在于对两万吨重载列车运行安全性及平稳性的准确量化测量。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种重载列车机车动力学监测装置。

本发明提供了一种重载列车机车动力学监测装置，包括：

数据采集模块，用于按照预设采样频率对重载列车运行时，机车的车钩应力、车体错位、加速度及进行测量；

数据传输模块，用于将采集到的数据写入到存储器中，便于后续的数据调出及深度分析；

数据分析处理模块，用于对传输的数据进行分析、报警及实时显示。

其中，数据采集模块包括：

车钩力数据采集单元，用于对设置于机车车钩的应变片生成的机车车钩形变数据进行采集；

车钩摆角数据采集单元，用于对设置于机车车钩的拉线传感器产生的车钩偏移量数据进行采集；

震动度数据采集单元，用于对设置于机车转向架及轮对轴头的纵向及横向位置的加速度传感器产生的机车运行加速度数据进行采集；

车体错位数据采集单元，用于对设置于多节联动的机车重联渡板中心的拉线传感器及激光位移传感器产生的机车车体错位数据进行采集。

其中，数据分析处理模块包括：

车钩应力分析单元，用于根据机车车钩的形变数据，计算实时的机车车钩受应力情况，与预设的机车车钩应力阈值进行比较，判断机车车钩受应力是否异常；

车钩摆角分析单元，用于根据机车车钩偏移量数据，计算实时的机车车钩偏移角度，与预设的机车车钩偏移角度阈值进行比较，判断机车车钩偏移角度是否异常；

震动度分析单元，用于根据机车运行加速度数据，与预设的机车运行加速度阈值进行比较，判断机车震动度是否异常；

车体错位分析单元，用于根据多节联动的机车的多节车体之间产生的车体错位数据，计算实时的多节车体之间的车体错位量，与预设的机车车体错位量阈值进行比较，判断机车车体错位是否异常。

其中，车钩应力分析单元在计算实时的机车车钩受应力情况时，获取固定于机车车钩处的应变片静态标定原始偏移量、静态标定时应变电压变化与机车给定力之间的变化系数及车钩动态运行中的应变电压实际值，则机车车钩受应力F表示为：

其中，a表示静态标定时应变片原始偏移量；b表示静态标定时应变电压变化与机车给定力之间的变化系数；L表示车钩动态运行中的应变电压实际值；

且在-1800N<F<+1800N时，判定为机车车钩受应力正常，反之判定为异常。

其中，车钩摆角分析单元在计算机车车钩偏移角度时，采集机车两端车钩上设置的第一拉线位移传感器的车钩偏移数据L1和L2，则机车车钩偏移角度r表示为：

其中，a和b为机车两端车钩上设置的第一拉线位移传感器的常量，c为两第一拉线位移传感器之间的距离；

且在r小于等于6°时，判定机车车钩偏移角度正常，反之判定为异常。

车钩摆角分析单元在计算机车车钩偏移角度时，采集机车两端车钩上设置的双轴倾角传感器的车钩偏移角度r；

且在r小于等于6°时，判定机车车钩偏移角度正常，反之判定为异常。

其中，在冲动度分析单元分析冲动度时，获取实时的机车运行加速度a，若-2m/s²<a<+2m/s²，判定机车震动度正常，反之判定为异常。

其中，对于机车包含多节车体的情况，车体错位分析单元判断机车车体错位情况时，获取设置于多节车体之间的重联渡板中心设置的第二拉线位移传感器和激光位移传感器产生的位移量a’和b’，则车体错位量l’记为：

其中，a’表示拉线位移传感器实际采集到的位移量；b’表示激光位移传感器采集到的位移量；

且在-200mm<L<+200mm时，判定为机车车体错位正常，反之判定为异常。

其中，若机车车钩受应力、机车车钩偏移角度、机车震动度、机车车体错位其中一者或几者判定为异常时，发送警报信号至一异常警报模块，以进行相应的声光警报。

其中，数据分析处理模块还包括一显示单元，以将数据传输模块传输的数据进行实时显示。

区别于现有技术，本发明的重载列车机车动力学监测装置通过设置加速度传感器、位移传感器、应变片等设备，解决了重载列车运行中动力学状态无法量化的问题，为机车操纵优化提供数据支持，为进一步优化机车平稳操纵方案提供了依据；通过数据的采集，实时监测机车车钩力、冲动大小及车体错位数值，并结合操纵方案进行数据分析不断优化完善机车平稳操纵方案，提高机车乘务员操纵水平；本发明设备数据采集设备选型精准、抗干扰能力强、供电电路可靠稳定，只需要在机车出库前安装到机车上，机车停车后通过数据U盘读取数据进行系统分析，实现了重载列车运行全程的动力学监测和动力学数据分析，不用人员添乘，且体积小巧不占空间。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明提供的一种重载列车机车动力学监测装置的结构示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明提供了一种重载列车机车动力学监测装置，包括：

数据采集模块110，用于按照预设采样频率对重载列车运行时，机车的车钩应力、车体错位、加速度及进行测量；

数据传输模块120，用于将采集到的数据写入到存储器中，便于后续的数据调出及深度分析；

数据分析处理模块130，用于对传输的数据进行分析、报警及实时显示。

其中，数据采集模块110包括：

车钩力数据采集单元111，用于对设置于机车车钩的应变片生成的机车车钩形变数据进行采集；

车钩摆角数据采集单元112，用于对设置于机车车钩的拉线传感器产生的车钩偏移量数据进行采集；

震动度数据采集单元113，用于对设置于机车转向架及轮对轴头的纵向及横向位置的加速度传感器产生的机车运行加速度数据进行采集；

车体错位数据采集单元114，用于对设置于多节联动的机车重联渡板中心的拉线传感器及激光位移传感器产生的机车车体错位数据进行采集。

其中，数据分析处理模块130包括：

车钩应力分析单元131，用于根据机车车钩的形变数据，计算实时的机车车钩受应力情况，与预设的机车车钩应力阈值进行比较，判断机车车钩受应力是否异常；

车钩摆角分析单元132，用于根据机车车钩偏移量数据，计算实时的机车车钩偏移角度，与预设的机车车钩偏移角度阈值进行比较，判断机车车钩偏移角度是否异常；

震动度分析单元133，用于根据机车运行加速度数据，与预设的机车运行加速度阈值进行比较，判断机车震动度是否异常；

车体错位分析单元134，用于根据多节联动的机车的多节车体之间产生的车体错位数据，计算实时的多节车体之间的车体错位量，与预设的机车车体错位量阈值进行比较，判断机车车体错位是否异常。

其中，车钩应力分析单元131在计算实时的机车车钩受应力情况时，获取固定于机车车钩处的应变片静态标定原始偏移量、静态标定时应变电压变化与机车给定力之间的变化系数及车钩动态运行中的应变电压实际值，则机车车钩受应力F表示为：

其中，a表示静态标定时应变片原始偏移量；b表示静态标定时应变电压变化与机车给定力之间的变化系数；L表示车钩动态运行中的应变电压实际值；

且在-1800N<F<+1800N时，判定为机车车钩受应力正常，反之判定为异常。

其中，车钩摆角分析单元132在计算机车车钩偏移角度时，采集机车两端车钩上设置的第一拉线位移传感器的车钩偏移数据L1和L2，则机车车钩偏移角度r表示为：

其中，a和b为机车两端车钩上设置的第一拉线位移传感器的常量，c为两第一拉线位移传感器之间的距离；

且在r小于等于6°时，判定机车车钩偏移角度正常，反之判定为异常。

在本发明另一实施方式中，车钩摆角分析单元132在计算机车车钩偏移角度时，采集机车两端车钩上设置的双轴倾角传感器的车钩偏移角度r；

且在r小于等于6°时，判定机车车钩偏移角度正常，反之判定为异常。

其中，在冲动度分析单元133分析冲动度时，获取实时的机车运行加速度a，若-2m/s²<a<+2m/s²，判定机车震动度正常，反之判定为异常。

其中，对于机车包含多节车体的情况，车体错位分析单元134判断机车车体错位情况时，获取设置于多节车体之间的重联渡板中心设置的第二拉线位移传感器和激光位移传感器产生的位移量a’和b’，则车体错位量l’记为：

其中，a’表示拉线位移传感器实际采集到的位移量；b’表示激光位移传感器采集到的位移量；

且在-200mm<L<+200mm时，判定为机车车体错位正常，反之判定为异常。

其中，若机车车钩受应力、机车车钩偏移角度、机车震动度、机车车体错位其中一者或几者判定为异常时，发送警报信号至一异常警报模块140，以进行相应的声光警报。比如，针对不同数据类型的异常，分别发出包含给类型名称字眼的语音信号，对技术人员进行提示。

数据分析处理模块130还包括一显示单元135，以将数据传输模块120传输的数据，以及数据分析处理模块130所属的各单元的分析结果进行实时显示。显示单元135实际采用工控一体机，能够将采集到的数据进行实时显示，并生成波形输出。

重载列车通常包括机车和车辆，其中，机车用于提供动力带动多节车辆沿铁轨行驶。以两万吨重载列车为例，其列车结构包括2辆机车和216节车辆，2辆机车中一辆作为主控机车，另一辆为重联从控机车，主控机车一端连接串联的108节车辆，然后接至重联从控机车的一端，重联从控机车的另一端连接另外的串联的108节车辆。其中，主控机车和重联从控机车都包括AB两节，二者之间通过车钩连接。本发明的装置用于对重联从控机车AB两节连接的机车车钩受应力、机车车钩偏移角度、机车震动度、机车车体错位情况进行检测预警，尤其用于对重联从控机车进行检测。

本发明实施方式以对重联从控机车检测为例。在实际实施过程中，重联从控机车主要对AB节与车辆连接的车钩以及相互连接的车钩进行检测，分别在此三个车钩上设置应变片和第一拉线式位移传感器，以监测车钩应变力和偏移角度；在监测偏移角度的实施方式中，另一种更简便的方式是直接在车钩上设置双轴倾角传感器，直接可读取车钩的偏移角度；在重联从控机车转向架及轮对轴头的纵向及横向位置安装加速度传感器，在重联从控机车的渡板中心位置设置第二拉线式位移传感器和激光位移传感器。其中，应变片采用全桥式接线方式，排除温度干扰；加速度传感器量程选用2.5g；在列车行驶过程中，采集设置的各个传感器数据，并实时进行计算，通过与预设阈值进行对比，确定是否异常，若异常，则发出警报信号，提醒工作人员处理。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。