铁路罐车明火实验装置研制.pdf

第29卷第3期2023 年 7 月Vol.29 No.3July 2023铁道运营技术Railway Operation Technology摘要：铁路罐车在清洗、置换处理后需通过明火进行实测检验，原有的检测实验方法采用机械式装置，作业风险高，结果观测效率低。针对该问题研制了一种电控+机械式的实验装置，通过WIFI模块收发数据，遥控点火并实时视频监测实验效果的罐车明火状态，使明火检测实验更精准便捷。关键词：罐车；明火；视频检测中图分类号：U272.4文献标识码：A文章编号：1006-8686（2023）03-034-4张雄德，宁华冰铁路罐车明火实验装置研制（中国铁路南宁局集团有限公司科学技术研究所，工程师，广西南宁530029）10.13572/ki.tdyy.2023.03.010Abstract：The railway tank car needs to be tested by open flame after cleaning and replacement treatment.The original test method uses mechanical device,which has high operation risk and low observation efficiency.Tosolve this problem,an electronic control+mechanical experimental device is developed,which sends andreceives data through WIFI module,remotely ignits and monitors the fire state of the tank car in real time,making the fire detection experiment more accurate and convenient.Key words：tank car；fire；visual detectionZHANG XiongdeNING HuabingResearch and Development Fire Experimental Device forRailway Tank Cars（China Railway Nanning Group Corporation Limited.Institute of Scientific and Technical,Engineer,NanningGuangxi,530029,China）1铁路罐车明火试验装置研发背景铁路罐车（见图1）是用来装运各种液体、液化气体和粉末状货物的车辆，在铁路货物运输中占有很重要的地位。罐车按运输介质可分为轻油，黏油，酸碱，化工产品，氧化铝粉，液化石油气，水泥等罐车。按工作压力可分为常压罐车和压力罐车。按结构特点可分为有底架和无底架罐车。图1铁路罐车外观液化气体铁路罐车 第8.6条要求“置换处理。充装易燃、易爆介质的罐车在出厂前，罐体应按下列要求进行置换，合格后方可出厂：a.采用氮气置换处理时，处理后的含氧量小于 3%，并保留 0.05MPa0.10MPa的余压；b.采用抽真空处理时，处理后的真空度不低于0.086MPa；c.装卸阀门应进行密封压力的验收和调试。”中国铁路南宁局集团有限公司南宁南车辆段采用明火测试法对清洗、置换处理后的罐车进行实测检验。在用的明火测试法使用支杆+测试火罐的简易机械结构进行，即用一根支杆，将浸润在柴油小罐棉布点燃并移送至罐车内部指定区域，同时查看火苗是否熄灭，以此判判定罐体内部含氧基金项目：中国铁路南宁局集团有限公司科研计划项目（辆21-4）：罐车明火试验装置研究.34量是否小于3%。该测试方式需近距离观察火苗状态，存在作业风险高，结果观测效率低问题。为解决上述问题，研制了一款无线WIFI模块+电子点火的测试装置。2铁路罐车明火实验装置设计铁路罐车明火实验装置设计由支杆、垂线、无线点火器和视频回传模块组成。总体结构沿用支杆结构，改进为碳纤维材质、可伸缩式支杆。支杆设计长度为7.6m，尺寸偏差MPE5%。支杆实验端头设有多芯信号线缆（吊绳），长度为1.5m。同时设有收线轮，用于收纳线缆。线缆的下方连接着点火装置。支杆端头配置有收线轮，收线轮内部集成控制电路、电源、开关等部件。实验端杆头结构见图2。图2实验杆头结构示意图2.1收线轮及电源收线轮及电源设计：杆头的收线轮内部采用两节18650型锂基电池供电，充满电后满足重复点火2000次。结构见图3。图3收线轮及电源2.2电子点火实验盒电子点火实验装置作为核心部件，主要由摄像头、点火线圈、燃料、助燃棉布、灭火盖、尼龙框架等组成。摄像头安装在火源侧方，通过安装模块进行固定，用透明防尘罩将其包覆，起防尘隔热的作用。摄像头拍摄明火并回传视频数据时，处于一个相对稳定的环境。燃料置于盒子的中部，通过盒子上部和下部的挡板对其进行固定，便于拆卸。脉冲式点火线圈用于控制点火，配置有固定件，装置侧面有挡板将其包覆，避免内部电子零件直接承受明火的热辐射，提高点火线圈的工作可靠性。燃料罐的容量约为80mL，经实测燃烧时间大于2小时。电子点火实验盒结构见图4。图4点火实验盒结构2.2.1燃料选配及实验装置测重常温常压下，矿物油燃点160C较柴油燃点220C与固态酒精燃点363C都低，因此矿物油具备更安全、易引燃、价格低的优点。电子点火实验装置采用电弧脉冲点火+矿物油作为实验火源。矿物油从电子点火装置的底部装卸。装置内部有套管防止其在内部滑动，矿物油安装到位之后，将固定盖安装到装置底部，紧固三颗螺丝即可，见图5。图5燃料罐组装结构实验装置各部重量见表 1，重量偏差 MPE5%。采用轻量化设计，进一步减轻装置整体重量，降低作业强度。铁路罐车明火实验装置研制35第29卷第3期2023 年 7 月Vol.29 No.3July 2023铁道运营技术Railway Operation Technology表1铁路罐车明火实验装置部件重量材质部件名称碳纤维杆金属杆杆头收线轮点火头盒子信号线重量（g）695115035010050材质碳纤维301号不锈钢尼龙尼龙/2.2.2实验盒载荷分析及耐火测试电子点火实验盒顶部受力较大的挡板部分强度必须足够大，以支撑该装置反复操作的可靠性，避免测试过程中实验盒掉落罐体中，导致二次罐车置换处理。进行载荷仿真分析以保证强度能达到要求。材料选择尼龙，对模型施加方向为垂直向下，大小为5N的应力，运算后的结果最小安全系数为3.1，符合强度要求。仿真分析见图6。图6顶盖载荷仿真对挡雨棚还进行耐火性试验，将其垂直距离火源150mm，燃烧15分钟未见异常、未见受损，可以保证其耐火性满足使用需求。对支杆选材及两种材质支杆的受力分析。分别对碳纤维材质和不锈钢材质都进行了受力分析。对于碳纤维杆，杆头的最大形变量为766mm，形变量虽然较大，但是最小安全系数达到了9.5，远高于1，符合强度需求，分析结果见图7。图7碳纤维杆最小安全系数（上），碳纤维杆最大形变量（下）对于不锈钢管，杆头的最大形变量为376mm，形变量相对与碳纤维杆要小将近一倍，安全系数为14，亦符合要求，因此具体实用哪种材料可根据现场情况进行选择。不锈钢杆的受力分析见图8。图8不锈钢管最小安全系数（上），不锈钢管最大形变量（下）2.3人机交互模块2.3.1硬件设计该设备的硬件由单片机核心控制电路、隔离控制电路、点火装置和两颗18650电池组成。手机通过WIFI连接单片机，在手机上控制单片机进行点火和监视点火器的点火情况。其中单片机、隔离控制电路和电池位于杆头，点火装置和杆头之间由一根长1.5米的信号线连接。整体控制模组见图9。图9整体控制示意图上述电路简图及对应的PCB转接电路见图10。图10电路图及PCB转接模块操作人员可使用配套的手持终端，通过无线WIFI连接本装置，进行点火，计时等操作，电子信号传输见图11。信号接收及控制模块在接收到手持终端控制信号后，将点火信号发送至脉冲点火继电36器，脉冲点火继电器输出高频交流电压，并将电压输出至高频变压器上，高频变压器输出高频高压电至脉冲点火针，使点火针产生电火花，点燃矿物油棉芯。同时监视摄像头将点火状态实时发送至操作终端显示。图11罐车明火试验装置数据传输图经过实际充放电试验，脉冲点火装置在电池（18650型，4.2V，3600mAh）充满电后，摄像头及控制板可持续工作约6小时。按照每次点火耗时大致5秒左右，每辆罐车明火试验，装置通电时长（准备180秒，明火试验60秒，收杆60秒）计算，该型号电池供电能够满足现场试验需求。为防止脉冲点火时电压波动，对控制模块干扰，两颗电池在电路上无共用部分，控制电路，脉冲点火电路独立供电。2.3.2操作软件界面罐车明火实验装置上电后，单片机自动产生一个WIFI（WIFI名：Fire），手机连接该WIFI后进入监控界面，见图12。图12手机控制界面在页面可操作的功能有：点火计时、计时暂停、页面（视频画面）重置、开始点火、停止点火、实验结果录（截）屏保存等。点火计时开始后，图像中间的便开始60秒的倒计时，暂停键可暂停计时，重置键可再次刷新页面。点火键可控制单片机开始点火，当观察到棉芯已经点燃或需要停止点火，可点击停止键，此逻辑在满足实际生产的条件下，最大程度降低电量消耗。3装置操作流程及实现功能3.1罐车明火试验装置操作流程操作流程如图13，实验人员将摄像头开启，将装置调节合适后置于罐车内部实验区域，遥控点火，并通过手机终端接收实时火焰燃烧的状态。点火装置工作简图见图14。图13明火实验装置操作流程图14点火装置工作简图3.2路罐车明火实验装置实现功能（1）罐车明火试验装置机电一体化，便于连续多车实验操作。（2）实时监控，便于操作人员实时观察试验情况。（3）遥控电子点火，降低操作人员复测劳动强度。（4）增加计时功能，便于实验人员掌握实验时长。4结束语铁路罐车明火试验装置研制后，可实现明火试验操作安全简便，自动点火、实时监视，具备实验计时提醒功能，降低操作人员劳动强度，提高工作效率，为连续罐车明火实验提供装置保障。铁路罐车明火实验装置研制37