湯惠新 黃明珊 上海鐵路局南京鐵路電子儀器廠

車輛脫軌是鐵道車輛運(yùn)行中的重大行車事故。車輛脫軌后由于沒(méi)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取措施，車輛仍在機(jī)車牽引下繼續(xù)行駛，引發(fā)更多車輛相繼脫軌或傾覆，從而使脫軌事故擴(kuò)大，造成車輛、貨物、軌枕、路基及道旁設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞，并對(duì)鄰線的車輛也構(gòu)成威脅；特別是在當(dāng)前我國(guó)大部分鐵路運(yùn)行線路客貨混用以及動(dòng)車運(yùn)行的情況下，車輛脫軌事故可能造成更大的破壞和損失。

為了有效地降低車輛脫軌后的損失，從2005年開(kāi)始，我們?cè)诔浞治諊?guó)內(nèi)外脫軌檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新研制開(kāi)發(fā)了適合我國(guó)鐵路實(shí)際運(yùn)行狀況的智能型鐵道貨車脫軌制動(dòng)停車裝置（以下簡(jiǎn)稱脫停裝置)。該裝置采用振動(dòng)分析和智能控制技術(shù)，實(shí)時(shí)跟蹤采集貨車的振動(dòng)特征信息，自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和智能判斷。當(dāng)貨車一旦脫軌時(shí)，其能立即檢測(cè)到脫軌信號(hào)，在0.1～1 s內(nèi)做出準(zhǔn)確判斷，打開(kāi)電磁閥使列車管大量排風(fēng)，實(shí)現(xiàn)整列貨車的緊急制動(dòng)停車，可避免脫軌事故的損失擴(kuò)大。

1 裝置結(jié)構(gòu)

圖1 智能型脫停裝置連接示意圖

智能型脫停裝置主要由裝置主體、安裝支架、連接管路和集成式遠(yuǎn)心集塵器等組成（詳見(jiàn)圖1）。其中裝置主體由能源供給模塊、專用傳感器模塊、監(jiān)控處理模塊、緊急制動(dòng)排風(fēng)閥和殼體等部分組成。

2 主要功能設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)多次脫軌事故資料的綜合分析，我們認(rèn)為要解決脫停問(wèn)題，首先要在第一時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確檢測(cè)到脫軌的信息，其次必須以最快方式讓脫軌列車緊急制動(dòng)停車。因此脫停裝置必須具有以下功能：

（1）能保證脫軌信息采集迅速、準(zhǔn)確、可靠;

（2）必須保證在獲取脫軌信息后，在最短時(shí)間內(nèi)使列車停車;

（3）必須長(zhǎng)時(shí)期免維護(hù)、防偷盜、抗異物擊打、耐高低溫、耐潮濕,能長(zhǎng)期穩(wěn)定供給電能,滿足貨車運(yùn)行需要;

（4）易于安裝和便于既有車改造;

（5）能記錄貨車脫軌時(shí)的特征數(shù)據(jù)，便于事故分析。

2.1 信號(hào)采集功能設(shè)計(jì)

該裝置采用國(guó)際先進(jìn)的高靈敏、高過(guò)載、低功耗三維MEMS加速度傳感器和高速運(yùn)算單片機(jī)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了處理分析軟件，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)智能監(jiān)測(cè)和自動(dòng)采集。通過(guò)分析車輛垂向、橫向、縱向三維振動(dòng)加速度及振動(dòng)頻率和車體的位移變化，高速進(jìn)行信息分析和處理，實(shí)現(xiàn)了利用多種判據(jù)判定車輛是否脫軌。

2.2 貨車脫軌后列車緊急停車功能設(shè)計(jì)

通過(guò)采用國(guó)際先進(jìn)的先導(dǎo)式脈沖自保持電磁閥，創(chuàng)新設(shè)計(jì)小電流高電壓、海量?jī)?chǔ)能驅(qū)動(dòng)電磁閥排風(fēng)技術(shù)，電磁閥排風(fēng)口與列車管同口徑，實(shí)現(xiàn)對(duì)列車管大流量排風(fēng)，確保在最短時(shí)間內(nèi)使列車緊急制動(dòng)停車。

2.3 脫停裝置使用免維護(hù)功能設(shè)計(jì)

脫停裝置外殼采用壓鑄鋁合金和發(fā)黑處理，重量輕，強(qiáng)度高，具有抗異物擊打、防盜的特點(diǎn)。

脫停裝置內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)采用模塊化封裝，防水防潮、耐腐蝕、耐高低溫。電磁閥等關(guān)鍵部件采用耐高低溫長(zhǎng)壽命材料。

高能電池提供電能可供脫停裝置連續(xù)工作10年以上，該電池標(biāo)稱容量為17Ah，電池自放電率低于1%/年，電池可在-50℃～＋110℃范圍內(nèi)正常工作，120℃時(shí)不泄漏、不爆炸。能保證在貨車十年內(nèi)，無(wú)需更換電池。

2.4 裝置的優(yōu)越性

（1）采用高靈敏度、低功耗三軸加速度傳感器，采集車體振動(dòng)頻率、加速度和位移等特征信息，進(jìn)行分析比對(duì)和判斷處理。

（2）采用低功耗自保持先導(dǎo)式電磁閥，實(shí)現(xiàn)停車控制的可靠動(dòng)作。

（3）采用掉電數(shù)據(jù)不丟失技術(shù)，能記錄并導(dǎo)出貨車脫軌時(shí)的數(shù)據(jù)。

（4）采用了壓力傳感技術(shù)，風(fēng)壓檢測(cè)采用節(jié)電設(shè)計(jì)：當(dāng)車輛閑置或不運(yùn)行時(shí)，裝置處于待命狀態(tài)，當(dāng)車輛運(yùn)行時(shí)，裝置處于工作狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)了電池能量的有效利用，延長(zhǎng)了裝置免維護(hù)使用年限。

（5）采用高強(qiáng)度材料和灌封工藝，適應(yīng)我國(guó)鐵路南北緯度相差大、溫濕度差大的運(yùn)行環(huán)境。

3 模擬試驗(yàn)

3.1 振動(dòng)臺(tái)模擬試驗(yàn)

為了試驗(yàn)脫停裝置在各種閾值內(nèi)的動(dòng)作性能，我們?cè)O(shè)計(jì)制作了模擬振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)（詳見(jiàn)圖2），通過(guò)多次模擬試驗(yàn)，脫停裝置達(dá)到了準(zhǔn)確采集振動(dòng)信號(hào)并在設(shè)定閾值內(nèi)準(zhǔn)確動(dòng)作的功能。

圖2 振動(dòng)臺(tái)模擬振動(dòng)試驗(yàn)場(chǎng)景

3.2 汽車模擬脫軌試驗(yàn)

圖3 汽車模擬脫軌試驗(yàn)場(chǎng)景

為了進(jìn)一步試驗(yàn)脫停裝置在脫軌狀態(tài)下的性能，我們又用汽車模擬貨車脫軌運(yùn)行在路基和枕木上的方法，進(jìn)行了多次試驗(yàn)（詳見(jiàn)圖3），脫停裝置能準(zhǔn)確采集到模擬脫軌信號(hào)并在設(shè)定閾值內(nèi)準(zhǔn)確動(dòng)作。

3.3 貨車常態(tài)運(yùn)行試驗(yàn)

為了分析掌握貨車常態(tài)運(yùn)行狀態(tài)下的各種振動(dòng)頻率、振動(dòng)加速度和位移變化等特征，我們還進(jìn)行了脫停裝置在貨車各種運(yùn)行狀態(tài)下的裝車數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)。具體為貨車空重車的支線運(yùn)行、干線運(yùn)行、駝峰溜放、煤場(chǎng)翻車機(jī)試驗(yàn)，通過(guò)大量的試驗(yàn)，我們采集到了貨車空重車在運(yùn)行起步、運(yùn)行提速、勻速運(yùn)行、通過(guò)道岔、駝峰溜放、煤場(chǎng)翻車機(jī)時(shí)的各種特征數(shù)據(jù)，為實(shí)車試驗(yàn)提供了充分的準(zhǔn)備。

4 實(shí)車脫軌試驗(yàn)

在完成各種試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，我們成功小批量生產(chǎn)制造了10臺(tái)脫停裝置樣機(jī)。并于2009年7月裝車于上海鐵路局南京東車輛段的6輛報(bào)廢車上。

2009年8月14 日，由上海鐵路局技術(shù)中心、車輛處組織，在南京東車輛段蕪湖車間段管線內(nèi)，進(jìn)行了機(jī)車牽引編組車輛落軌拉動(dòng)、機(jī)車頂推單輛車輛脫軌兩項(xiàng)實(shí)車試驗(yàn)。部、局領(lǐng)導(dǎo)親臨試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)車試驗(yàn)取得圓滿成功。

4.1 脫停裝置防誤動(dòng)作試驗(yàn)

預(yù)先將試驗(yàn)車輛輪對(duì)落軌，車輛在機(jī)車牽引下運(yùn)行，牽引時(shí)速?gòu)?km到5km，輪對(duì)在枕木上滾動(dòng)前進(jìn)共8m，產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)沒(méi)有達(dá)到脫停裝置設(shè)定的閾值，脫停裝置沒(méi)有動(dòng)作，此項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證了脫停裝置的防誤動(dòng)作功能（詳見(jiàn)圖4）。

圖4 防誤動(dòng)作試驗(yàn)場(chǎng)景

4.2 脫停裝置準(zhǔn)確動(dòng)作試驗(yàn)

試驗(yàn)車輛輪對(duì)預(yù)先落軌，車輛在機(jī)車牽引下運(yùn)行，牽引時(shí)速?gòu)?km加速到15km，輪對(duì)在枕木上滾動(dòng)共13m，產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)達(dá)到了脫停裝置設(shè)定的閾值，脫停裝置及時(shí)準(zhǔn)確動(dòng)作（詳見(jiàn)圖5）。從拉動(dòng)開(kāi)始至緊急制動(dòng)停車時(shí)間為6.54s,緊急制動(dòng)停車距離為5m。

4.3 單車脫軌試驗(yàn)（脫停裝置緊急制動(dòng)）單輛試驗(yàn)車輛由機(jī)車頂推，運(yùn)行時(shí)

速達(dá)到28km時(shí)，試驗(yàn)車輛與機(jī)車脫鉤滑行，滑行中碰壓上脫軌器，試驗(yàn)車輛脫軌，脫停裝置及時(shí)準(zhǔn)確動(dòng)作。試驗(yàn)車輛碰壓脫軌器時(shí)速約為26km,車輛碰壓脫軌器脫軌至緊急制動(dòng)排風(fēng)的距離約8m,緊急制動(dòng)停車距離約5m。

圖5 動(dòng)作試驗(yàn)場(chǎng)景

圖6 脫停裝置準(zhǔn)確動(dòng)作

5 結(jié)束語(yǔ)

2009年8月25 日，我們將脫停裝置樣機(jī)、電池等送到鐵道部產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心機(jī)車車輛檢驗(yàn)站進(jìn)行了各項(xiàng)性能檢驗(yàn)，通過(guò)檢測(cè)，樣機(jī)、電池各項(xiàng)性能全部達(dá)標(biāo)。

智能型貨車脫停裝置的設(shè)計(jì)研發(fā)，在采用和引進(jìn)國(guó)際先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)，能結(jié)合我國(guó)鐵路發(fā)展的實(shí)際情況進(jìn)行自主創(chuàng)新。其采用的節(jié)能設(shè)計(jì)和可靠的安全設(shè)計(jì)，能滿足鐵路貨車的實(shí)際使用要求，并能在最短時(shí)間內(nèi)使脫軌車輛進(jìn)行緊急制動(dòng)，防止脫軌事故的擴(kuò)大化，保證鐵路運(yùn)輸安全。