CN103308274A - 铁路货车篷布气动性能测试系统 - Google Patents

Abstract

一种铁路货车篷布气动性能测试系统，包括：数据采集设备，设置在铁路货车或篷布上，采集获取包括篷布应力、篷布表面压力分布、篷布绳索和绳网拉力、货车速度以及环境风速在内的数据；多通道数据采集端口，连接所述各数据采集设备；分析计算机，通讯连接所述多通道数据采集端口，对获取的数据进行分析处理，得到篷布、篷布绳索或篷布绳网在不同工况下的气动性能。本发明结构设计合理，测量精确，该测试系统能够实时的获取不同工况下货车、篷布、篷布绳索和绳网的气动性能数据，实现铁路货车篷布的安全性能评估和篷布、绳索、绳网的安全科学评估。

Description

铁路货车篷布气动性能测试系统

技术领域

本发明属于铁路货车篷布的测试技术，具体的涉及一种用于铁路货车篷布的实车测试及气动力分析系统。

背景技术

货车篷布是铁路货车辅助用具，用于苫盖敞车装运的怕湿、易燃货物和其他需要苫盖的货物，在铁路货运中占有重要的地位。长期以来，由于我国铁路货运集装化程度不高，棚车数量相对有限，大部分货物(如粮食、化肥等)运输都是采用敞车苫盖篷布的运输方式。

篷布、篷布绳索和绳网的受力直接取决于货车运行过程中的空气动力效应，我国铁路运输已经进行了六次大提速，普通客车时速160km/h以上，既有线路的动车组时速250km/h以上，货车的时速也将达到120km/h以上，加之风害严重，客货混运和取消车长等因素影响，使得货车的空气动力效应急剧增大，如果货车上苫盖篷布时，由于运行过程中列车气动效应的作用，加之货物自然下沉后篷布腰绳、边绳松动、开扣，导致发生篷布苫盖不严，篷布向一侧位移以及篷布盖住车号或手闸等问题，造成货物湿损，甚至发生篷布坠落，严重危及行车安全。

目前，我国铁路篷布、篷布绳索和篷布绳网标准和技术条件主要依据国外相关标准和现场经验制定，然而，国外铁路货运八十年代中期之后实现了集装箱化，已逐步取消了苫盖篷布货车运输货物的运输方式。迄今为止，国内外相关学者从未对货车篷布、篷布绳索和篷布绳网在复杂工况下的受力进行过系统研究和综合试验。

发明内容

本发明提供了一种结构设计合理，测量精确的铁路货车篷布气动性能测试分析系统，该分析系统能够实时的获取不同工况下货车、篷布、篷布绳索和绳网的气动性能数据，实现铁路货车篷布的安全性能评估和篷布、绳索、绳网的安全科学评估。

本发明所采用的技术方案如下：

一种铁路货车篷布气动性能测试系统，其特征在于所述测试系统包括：数据采集设备，设置在铁路货车或篷布上，采集获取包括篷布应力、篷布表面压力分布、篷布绳索和绳网拉力、货车速度以及环境风风速在内的数据；

多通道数据采集端口，连接所述各数据采集设备；

分析计算机，通讯连接所述多通道数据采集端口，对获取的数据进行分析处理，得到篷布、篷布绳索和篷布绳网在不同工况下的气动性能。

具体实施方式中，所述数据采集设备包括：

应变片，分布设置在篷布上，感测并获得篷布在不同工况下的动态应力变化数据；

压力传感器，分布在篷布内外表面，感测并获得篷布在不同工况下的动态压力变化数据；

拉力传感器，分布设置在篷布绳索和绳网上，获得篷布在不同运行工况下的气动力分布数据。

一实施方式中，所述压力传感器包括压阻式压力传感器机芯和封装该机芯的球冠形整流罩，引线由所述球冠形整流罩的侧面引出。

一实施方式中，所述拉力传感器采用S形剪切结构安装在所述篷布绳索或绳网上。

另一实施方式中，所述数据采集设备包括：

速度传感器，安装在货车上，测量并获得货车的运行速度；

红外光电测速仪，安装在货车上，测量并获得两车交会时的相对速度；

红外光电测距仪，安装在货车上，测量并获得两车交会时的车壁间距；

风速传感器，安装在货车上，测量并获得货车运行过程中的环境风风速。

再一实施方式中，所述数据采集设备进一步包括：

摄像头，安装在货车上实时获取货车篷布在不同工况下的运行姿态影像。

该铁路货车篷布气动性能测试系统通过货车、篷布、绳索和绳网上设置相应的数据采集设备，能够获取不同工况下篷布应力、篷布表面压力分布、篷布绳索和绳网拉力、货车速度、环境风速、风向、会车间距以及会车相对车速和实时影像信息等。通过该数据信息的传送和分析计算机的数据计算研究和分析，可以为篷布和篷布绳索、绳网运用安全评估，提出篷布安全运输条件，制定提速后篷布、篷布绳索和篷布绳网相关标准提供依据。另外，通过该测试系统能够确定篷布绳索和绳网在运行和交会过程中的动态拉力，能检验篷布、篷布绳索和绳网强度是否满足货车安全运行要求，为制定相关技术条件提供依据。通过该实时测试系统，可对不同工况下使用前后的篷布、篷布绳索的材料及结构进行理化性能试验，能够完善篷布的实验室检测标准和试验方法，提出修改建议，更能优化篷布维修工艺，采用新技术、新设备，提高篷布维修质量。同时还能确定影响篷布使用寿命的主要因素，提出报废条件建议。

本发明的有益效果在于，该铁路货车篷布气动性能测试分析系统结构设计合理，测量精确，该分析系统能够实时获取不同工况下货车、篷布、篷布绳索和绳网的气动性能数据，实现铁路货车篷布的安全性能评估和篷布、绳索、绳网的安全科学评估。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的阐述。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中，该测试系统的组成方框示意图；

图2A是本发明具体实施方式中D型篷布动态压力测点布置示意图；

图2B是本发明具体实施方式中X型篷布动态压力测点布置示意图；

图3A是本发明具体实施方式中超车帮大于1m的无网X型篷布的绳索测点分布示意图；

图3B是本发明具体实施方式中超车帮大于1m的无网X型篷布的绳索测点分布示意图；

图4是本发明具体实施方式中货车以不同速度与CRH2动车组200km/h交会时，篷布气动升力与货车运行速度的关系曲线图；

图5是本发明具体实施方式中货车时速120km/h与不同运行速度的CRH2动车组交会时，篷布绳索受到的最大拉力与动车组运行速度之间的关系曲线图。

具体实施方式

如图1所示，该铁路货车篷布气动性能测试系统包括：

数据采集设备，设置在铁路货车或篷布上，采集获取包括篷布应力、篷布表面压力分布、篷布绳索和绳网拉力、货车速度以及环境风风速在内的数据；

多通道数据采集端口，连接所述各数据采集设备；

分析计算机，通讯连接所述多通道数据采集端口，包括分析处理单元和显示单元，对获取的数据进行分析处理，并显示得到篷布、篷布绳索或篷布绳网在不同工况下的气动性能。

该数据采集设备包括：

应变片，分布设置在篷布上，感测并获得篷布在不同工况下的动态应力变化数据；

压力传感器，分布在篷布内外表面，感测并获得篷布在不同工况下的动态压力变化数据；

拉力传感器，分布设置在篷布绳索和绳网上，获得篷布在不同运行工况下的气动力分布数据；

速度传感器，安装在货车上，测量并获得货车的运行速度；

红外光电测速仪，安装在货车上，测量并获得两车交会时的相对速度；

红外光电测距仪，安装在货车上，测量并获得两车交会时的车壁间距；

风速传感器，安装在货车上，测量并获得货车运行过程中的环境风风速

摄像头，安装在货车上实时获取货车篷布在不同工况下的运行姿态影像。

压力传感器包括压阻式压力传感器机芯和封装该机芯的球冠形整流罩，引线由所述球冠形整流罩的侧面引出。拉力传感器采用S形剪切结构安装在所述篷布绳索和绳网上。

下面运用该铁路货车篷布气动性能测试系统，以苫盖D型篷布货车、苫盖X型篷布货车与动车组以不同速度交会时，篷布、篷布绳索和篷布绳网气动力测量为实例进行气动性能的测试获取实验。

该项试验分两次在胶济线进行，分别为不同运行速度货车与200km/h等级动车组和250km/h等级动车组进行交会实验。

第一次实验安排了由CRH2型动车组与韶7电力机车牵引的货物列车进行交会试验。共进行10次交会试验，其中CRH2型动车组速度分别为200km/h、205km/h和210km/h，货车速度分别为80km/h、100km/h和120km/h。

第二次试验安排了由CRH2型动车组与DF11机车牵引的货物列车进行交会试验，共进行20次交会试验，其中CRH2型动车组速度分别为220km/h和250km/h，货车速度分别为80km/h、100km/h和120km/h。

1.篷布应变片及压力测点分布

为测量货车正常运行和交会时篷布受到的气动力，分别在两种不同类型的篷布上布置了动态压力测点，D型篷布上共布置了24个动态压力测点，X型篷布上共布置了20个动态压力测点。具体测点布置情况见图2A和图2B。

2.篷布绳索、篷布绳网测点布置

对敞车不同装载方案下的D型篷布、X型篷布在有网和无网情况下总共12辆车进行测试。由于试验车是在即墨-高密区间往返运行，敞车两侧都有可能成为交会侧，故在考虑测点布置方案时，尽可能保证两个方向交会时交会侧都有测点。第一次试验共布置196个绳索和绳网拉力测点，其中无网X型篷布58个测点(3节车)，有网X型篷布46个测点(3节车)，无网D型篷布38个测点(3节车)和有网D型篷布44个测点(3节车)。第二次试验共布置202个绳索和绳网拉力测点，其中无网X型篷布58个测点(3节车)，有网X型篷布56个测点(3节车)，无网D型篷布51个测点(3节车)和有网D型篷布47个测点(3节车)。例如，第一次试验中，超车帮大于1m的无网X型篷布的敞车的绳索测点分布如下图3A和图3B。其他货车的测点布置可以根据类似绳索安置点进行相应的设置。

3.客货交会时篷布气动力测试数据及分析

对布置在D型篷布和X型篷布上动态压力传感器测得的交会压力波进行积分计算，得到篷布的气动升力如下表1所示。

表1  货车以不同速度与CRH2动车组交会时篷布所受气动力表

图4为苫盖篷布货车以不同速度与CRH2动车组200km/h交会时，篷布气动升力与货车运行速度的关系曲线图。由该图4可知：当CRH2动车组200km/h与不同速度货车交会时，篷布(包括D型和X型篷布)受到的气动力与货车运行速度的1.1次方成正比。

4.篷布绳索、篷布绳网拉力测试结果及分析

(1)各速度等级下绳索最大拉力值

不同速度等级交会时，篷布绳索最大拉力值及其对应测点编号如表2所示。

表2  各速度等级交会时绳索的最大拉力值及对应测点编号

图5为根据表2中数据拟和得到货车120km/h与不同运行速度的CRH2动车组交会时，篷布绳索受到的最大拉力与动车组运行速度之间的关系曲线。

由图5可知，货车120km/h与不同运行速度的CRH2动车组交会时，篷布绳索受到的最大拉力与动车组速度的1.8次方成正比。

从表4和图5可以看出：

①当CRH2动车组以250km/h与120km/h货车交会，篷布栓结状态良好时，D型篷布和X型篷布绳索受到的最大拉力分别为1214N和1366N，小于《货车篷布技术条件》中规定篷布用绳抗拉的技术性能指标(8400N)，满足货车安全运行要求。

②货车120km/h与不同运行速度的CRH2动车组交会时，篷布绳索受到的最大拉力与动车组速度的1.8次方成正比。

③对一车苫盖两张篷布的X型篷布而言，篷布逆向压缝篷布绳索受到的气动力明显大于顺向压缝，无篷布绳网时同等速度下逆向压缝篷布绳索气动力比顺向压缝最大大约40％。

④当X型篷布为顺向压缝时，篷布绳索受到的气动力比D型篷布小约20％；当X型篷布为逆向压缝时，篷布绳索受到的气动力比D型篷布大约30％。

⑤结合两次试验结果来看，篷布绳网在降低篷布绳索气动力中发挥了重要作用。本次试验大部分工况下无绳网篷布绳索受到的气动力比有网情况大20％～40％。

⑥当CRH2动车组以200km/h速度等级与提速货车交会试验时，D型篷布端部兜风严重，端部绳索受力较大。针对试验中出现的问题，当CRH2动车组以250km/h速度等级与提速货车交会试验前，对D型篷布栓结点的分布及篷布栓结方式进行了改进，篷布两端部各增加2根压绳，篷布中间腰绳由6根增加到7根。从第二次试验情况可以看出，当列车正常运行和交会时，篷布端部的兜风现象得到明显改善，D型篷布绳索气动力最大值不再出现在篷布端部位置，大部分出现在篷布中部和车号附近(为不遮盖车号，在车号位置将篷布卷起)。

(2)不同装载方案篷布受力比较

为测量不同装载方案对篷布绳索受力的影响，本次试验对超车帮大于1m、超车帮小于1m和不超车帮三种情况进行测试，为了对这三种方案进行比较，选取三种方案中位置相同的测点绳索拉力进行平均，具体测试结果见表3和表4所示。

表3  不同装载方案下D型篷布绳索拉力平均值比较

表4  不同装载方案下X型篷布绳索拉力平均值比较

由表3和表4的测试结果可知：

①有、无绳网情况下，不论是D型篷布还是X型篷布，货物不超车帮时，由于敞车内部是用篷布支架架空，兜风现象严重，所以绳索受到的气动力比其它两种情况要大。从两次试验测试结果来看，X型篷布苫盖三种不同装载高度货物时，绳索拉力均值顺序为：不超车帮＞超车帮大于1m＞超车帮小于1m。

②第一次试验时，由于超车帮大于1m的27(或23)号敞车两端是空平车，所以兜风现象比超车帮小于1m的32(或18)号敞车严重，从而绳索受到的气动力较大。对于有网D型(或小张)篷布，除了不超车帮较大外，其它两种超车帮小于1m的情况相差不大，一端有空平车的敞车29(或21)的绳索气动力比两端均有较高车辆遮挡的敞车33(或17)稍大。第二次试验时，对于D型篷布，超车帮小于1m的25号敞车两端是空平车，所以兜风现象比超车帮小于1m的28号敞车严重，从而绳索受到的气动力较大。因此，不同的装载方案和编组均会影响篷布绳索受力。

5.客-货交会远程录像监视结果及分析

为监视货车篷布在列车运行和交会过程中的状态，第一次试验(动车组200km/h等级与不同速度货物列车交会)时，共安装了四个摄像头，分别用于监视无网D型篷布、有网D型篷布、无网X型篷布和有网X型篷布的运行情况。第二次试验(动车组250km/h等级与不同速度货物列车交会)时，共安装了八个摄像头，摄像头1和2监视有网X型篷布(超车帮大于1m)、摄像头3和4监视无网X型篷布(超车帮大于1m)、摄像头5和6监视无网D型篷布(超车帮小于1m)、摄像头7和8监视有网D型篷布(超车帮小于1m)。

通过摄像监控画面看出：有网篷布与无网篷布相比，无论是迎风还是背风面，其晃动或兜风的程度均小于无网篷布。无网篷布端部迎风面两侧晃动较大，背风面兜风程度较大；其它监控位置由于篷布栓结较紧，在货车运行和交会过程中没有出现大的晃动。

综合以上各节试验数据分析，可得出如下结论：

(1)表2.4.4-1为试验中各个速度等级交会时测得绳索最大拉力。由表5可以看出：当CRH2动车组250km/h与苫盖篷布货车120km/h交会时，D型篷布绳索和X型篷布绳索受到的最大拉力分别为1214N和1366N，均小于《货车篷布技术条件》中规定篷布用绳抗拉的技术性能指标(8400N)；篷布绳网受到的最大拉力为373N，小于篷布用绳网抗拉技术性能指标(1500N)。

(2)货车120km/h与不同运行速度的CRH2动车组交会时，篷布绳索受到的最大拉力与动车组运行速度的1.8次方成正比。

(3)对一车苫盖两张篷布的X型篷布而言，篷布逆向压缝篷布绳索受到的气动力明显大于顺向压缝，无篷布绳网时同等速度下逆向压缝篷布绳索气动力比顺向压缝大大约40％。

表5  不同速度等级客货交会试验绳索最大拉力

(4)当X型篷布为顺向压缝时，篷布绳索受到的气动力比D型篷布小约20％；当X型篷布为逆向压缝时，篷布绳索受到的气动力比D型篷布大约30％。

(5)结合两次试验结果来看，篷布绳网在降低篷布绳索气动力中发挥了重要作用。本次试验大部分工况下无绳网篷布绳索受到的气动力比有网情况大20％～40％。

(6)有网或无网情况下，不论是D型篷布还是X型篷布，货物不超车帮时，由于敞车内部是用篷布支架架空，兜风现象严重，所以绳索受到的气动力比其它两种情况要大。从本次和上次试验测试结果来看，X型篷布苫盖三种不同装载高度货物时，绳索拉力均值顺序为：不超车帮＞超车帮大于1m＞超车帮小于1m。

(7)对比两次试验结果可以发现第一次试验D型篷布端部兜风严重，端部绳索受力较大。针对第一次试验中出现的问题，第二次试验前对D型篷布栓结点的分布及篷布栓结方式进行了改进，篷布两端部各增加2根压绳，篷布中间腰绳由6根增加到7根。从第二次试验情况可以看出，当列车正常运行和交会时，篷布端部的兜风现象得到明显改善，D型篷布绳索气动力最大值不再出现在篷布端部位置，大部分出现在篷布中部和车号附近(为不遮盖车号，在车号位置将篷布卷起)。

(8)由摄像监控画面中可以看出：无网篷布端部以及迎风面兜风比较严重，两侧晃动较大，背风面兜风程度也较大；有网篷布与无网篷布相比，无论是迎风还是背风面，其晃动或兜风的程度均小于无网篷布。

Claims (6)

1.一种铁路货车篷布气动性能测试系统，其特征在于所述测试系统包括：数据采集设备，设置在铁路货车或篷布上，采集获取包括篷布应力、篷布表面压力分布、篷布绳索和绳网拉力、货车速度以及环境风速在内的数据；多通道数据采集端口，连接所述各数据采集设备；分析计算机，通讯连接所述多通道数据采集端口，对获取的数据进行分析处理，得到篷布、篷布绳索和篷布绳网在不同工况下的气动性能。

2.根据权利要求1所述的铁路货车篷布气动性能测试系统，其特征在于所述数据采集设备包括：

应变片，分布设置在篷布上，感测并获得篷布在不同工况下的动态应力变化数据；

压力传感器，分布在篷布内外表面，感测并获得篷布在不同工况下的动态压力变化数据；

拉力传感器，分布设置在篷布绳索和绳网上，获得篷布在不同运行工况下的气动力分布数据。

3.根据权利要求2所述的铁路货车篷布气动性能测试系统，其特征在于所述压力传感器包括压阻式压力传感器机芯和封装该机芯的球冠形整流罩，引线由所述球冠形整流罩的侧面引出。

4.根据权利要求2所述的铁路货车篷布气动性能测试系统，其特征在于所述拉力传感器采用S形剪切结构安装在所述篷布绳索和绳网上。

5.根据权利要求1所述的铁路货车篷布气动性能测试系统，其特征在于所述数据采集设备包括：

速度传感器，安装在货车上，测量并获得货车的运行速度；

红外光电测速仪，安装在货车上，测量并获得两车交会时的相对速度；

红外光电测距仪，安装在货车上，测量并获得两车交会时的车壁间距；

风速传感器，安装在货车上，测量并获得货车运行过程中的环境风风速。

6.根据权利要求1所述的铁路货车篷布气动性能测试系统，其特征在于所述数据采集设备进一步包括：

摄像头，安装在货车上实时获取货车篷布在不同工况下的运行姿态影像。

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