陸 強(qiáng) 趙壽鑫 王 毅

（中車眉山車輛有限公司 四川眉山 620010）

1 概述

近年來，各國紛紛出臺多項針對鐵路數(shù)字化的措施，提出發(fā)展智能鐵路以更加安全、高效的運(yùn)輸方式來提升鐵路運(yùn)輸?shù)母偁幜?。如歐盟的Shift2Rail 科技創(chuàng)新項目、德鐵的鐵路4.0 發(fā)展規(guī)劃、數(shù)字化法鐵項目、英國數(shù)字化鐵路發(fā)展藍(lán)圖等。為了提高鐵路貨車運(yùn)輸?shù)陌踩耘c穩(wěn)定性，研究智能貨運(yùn)裝備對鐵路智能化發(fā)展的意義是十分重大的，而智能貨運(yùn)裝備的發(fā)展與車載供電和監(jiān)控技術(shù)密不可分，隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和控制技術(shù)的快速發(fā)展，鐵路貨車監(jiān)控系統(tǒng)具備從定點監(jiān)測向智能化全程監(jiān)測發(fā)展的可能。但我國既有鐵路貨車因缺乏車載供電電源，造成智能化的全程監(jiān)測技術(shù)的普及應(yīng)用受阻。因此，面對鐵路貨運(yùn)日趨嚴(yán)格的安全運(yùn)輸需求，應(yīng)積極研究鐵路貨車車載供電和監(jiān)控技術(shù)，選取適宜我國鐵路貨運(yùn)發(fā)展的技術(shù)方向，加快研發(fā)適應(yīng)新時代貨運(yùn)運(yùn)輸需求的新型智能貨車。

2 國外鐵路貨車車載供電和監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

作為全球性的以軌道交通為主題的多元化貿(mào)易展覽會，2018 年第十二屆InnoTrans 全面展示了軌道交通行業(yè)新技術(shù)與新裝備。本節(jié)主要介紹五種具備車載供電和監(jiān)控技術(shù)的鐵路貨車。

2.1 鋼卷運(yùn)輸專用車

GREENBRIER 公司生產(chǎn)的鋼卷運(yùn)輸專用棚車，其軸重為22.5t，自重21.4t，最大載重68.6t，整車設(shè)置五個鋼卷裝載倉和夾緊裝置，可裝載鋼卷寬度范圍800~1700 mm，直徑范圍800~2700 mm，重量范圍17~45t；該車裝有PJM 系統(tǒng)（圖1），包括軸端發(fā)電模塊（圖2）、GPS 模塊、稱重模塊、信號發(fā)射模塊、控制盒等。車輛運(yùn)行時車軸帶動軸端發(fā)電機(jī)發(fā)電，同時給蓄電池充電，通過車底設(shè)置的控制系統(tǒng)及測重傳感器，采集該車各軸載重、車輛位置（GPS）等狀態(tài)，利用GSM 網(wǎng)絡(luò)傳到地面中心，再向各類人員發(fā)出相應(yīng)命令。如車輛靜止裝載工況下，裝載不平衡時，端墻3 個指示燈顯示為黃色；超載時，指示燈顯示為紅色；正常時，指示燈為藍(lán)色。黃色或紅色都為禁止項，需要調(diào)整才能上路運(yùn)行，藍(lán)色時可直接上路運(yùn)行。

圖1 GREENBRIER 鋼卷運(yùn)輸專用車

圖2 軸端發(fā)電模塊

2.2 冷藏運(yùn)輸專用關(guān)節(jié)平車組

德國VTG 公司運(yùn)用MOLINARI 公司的rCE-Powerpack 電能再生技術(shù)，研制了適合在軌距為1435 mm 的線路上運(yùn)行，可運(yùn)輸符合ISO 標(biāo)準(zhǔn)45ft 的冷藏集裝箱的關(guān)節(jié)平車組，采用Y25 型轉(zhuǎn)向架，通過車載監(jiān)控控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)集裝箱精確定位、箱內(nèi)自動控溫與記錄、遠(yuǎn)程控制冷藏車的溫度等功能。該車已在瑞士小批量運(yùn)用。

2.3 活動側(cè)墻棚車

Tatravagonka 公司的Habbiins 4 軸活動側(cè)墻棚車，自重27t，最大載重63t，容積164.2m3，最高運(yùn)行速度120km/h。該車設(shè)置4 扇活動側(cè)墻，活動側(cè)墻采用鋁合金焊接結(jié)構(gòu)，可用于金屬制品、工業(yè)機(jī)械、電子、電氣機(jī)械、飲食品及煙草制品、醫(yī)藥品等高附加值貨物運(yùn)輸。為了提高運(yùn)輸貨物的品質(zhì)，減少貨損，該車可選裝PJM 系統(tǒng)，其中包括軸端發(fā)電模塊、GPS 模塊、稱重模塊等，可實現(xiàn)對車輛裝載、運(yùn)行情況的實時監(jiān)控。

2.4 頂蓋側(cè)開式棚車

INVEHO 公司展出的4 軸頂蓋側(cè)開式棚車，自重22t，最大載重68t，容積50m3，最高運(yùn)行速度120km/h。該車縱向設(shè)置兩扇圓弧型車輛頂蓋，頂蓋采用鋁合金焊接結(jié)構(gòu)，車頂開閉機(jī)構(gòu)采用氣動控制，頂蓋設(shè)有兩級鎖閉裝置。該車裝有蓄電池模塊、信號接收模塊等，頂蓋的開啟可以通過手柄操作，也可以通過手機(jī)APP 遙控操作，車輛端部控制箱內(nèi)安裝有蓄電池，但未設(shè)置發(fā)電系統(tǒng)給蓄電池充電，需要定期更換蓄電池。

2.5 80ft 平車

Innovativer guterwagen公司生產(chǎn)的80ft平車，適合在軌距為1435mm的線路上運(yùn)行，可運(yùn)輸符合ISO 標(biāo)準(zhǔn)的20'、26'、30'、40'、45'的集裝箱。該車軸重22.5t，自重22.3t，最大載重67.7t，最高運(yùn)行速度120km/h。端部安裝有電力連接電纜，可通過車組中的發(fā)電設(shè)備給本車上各種類型的集裝箱或其他集裝器具供電，通過再附加其他監(jiān)控設(shè)施也能實現(xiàn)對車輛綜合狀態(tài)的監(jiān)控。

3 國外車載供電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

展會展出這五種車型采用了4種車載供電技術(shù)：軸端發(fā)電機(jī)、軸驅(qū)發(fā)電機(jī)、蓄電池供電、外部設(shè)備通過電力連接器給貨車供電的技術(shù)。后兩種技術(shù)都需要外接供電設(shè)備進(jìn)行充電或供電，不符合當(dāng)前節(jié)能環(huán)保型社會應(yīng)用，因此從未來發(fā)展趨勢分析軸端或軸驅(qū)發(fā)電機(jī)方案將為主流技術(shù)。

3.1 PJM 軸端發(fā)電技術(shù)

PJM 軸端發(fā)電技術(shù)的基本思路是不改變轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)軸端發(fā)電、蓄電池能量存儲、狀態(tài)監(jiān)測一體化設(shè)計【2】。PJM 軸端發(fā)電機(jī)既可以適用于軸箱系統(tǒng)轉(zhuǎn)向架，也適用于承載鞍系統(tǒng)轉(zhuǎn)向架。圖3 和圖4 是適用于軸箱的Y25 轉(zhuǎn)向架安裝PJM 系統(tǒng)的一個實例。適用于三大件承載鞍系統(tǒng)PJM 系統(tǒng)見圖5。

圖3 Y25 轉(zhuǎn)向架安裝的PJM 系統(tǒng)

圖4 PJM 系統(tǒng)組成

圖5三大件承載鞍式轉(zhuǎn)向架PJM 系統(tǒng)

該系統(tǒng)發(fā)電原理為將傳統(tǒng)軸箱前蓋退出，將特制的線圈轉(zhuǎn)子安裝在軸承壓蓋，通過三孔螺栓緊固在車軸上，由此線圈轉(zhuǎn)子與車軸一起轉(zhuǎn)動；特制軸箱前蓋，集成線圈定子、小型化蓄電池、GPS 等系統(tǒng)在軸箱端蓋上；當(dāng)車輛運(yùn)動時，車軸相對于軸箱端蓋轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生電流給蓄電池充電；蓄電池向其他系統(tǒng)供電維持信號和監(jiān)測系統(tǒng)的工作。

PJM系統(tǒng)主要的性能如下：

（1）當(dāng)車輛運(yùn)行速度大于15km/h時，發(fā)電機(jī)開始發(fā)電。15km/h輸出電壓10V，120km/h輸出電壓45V，最高輸出功率約25W，平均功率10W。

（2）車輛靜止時，蓄電池供電。蓄電池壽命大于6年，在發(fā)電機(jī)不工作的情形下，蓄電池可連續(xù)工作3~4個星期左右。發(fā)電機(jī)壽命12年。

（3）系統(tǒng)適應(yīng)溫度-20~85攝氏度，具有防靜電、防水、防塵及軸承電流保護(hù)功能，上述功能均通過相應(yīng)的TSI試驗。

（4）支持GSM/GPRS850/900/1800/1900MHz信號傳輸，由于是GPS傳輸，不受天氣影響，信號及時準(zhǔn)確。

（5）專門軟件功能，支持手機(jī)、電腦對數(shù)據(jù)的及時查詢和管理。

（6）可根據(jù)需要，附加軸溫監(jiān)測、速度監(jiān)測、位置監(jiān)測、車輪垂向力監(jiān)測等各種電子監(jiān)控設(shè)備。 PJM系統(tǒng)的優(yōu)點是：

（1）尺寸小，功率高，基本能滿足各種狀態(tài)監(jiān)測傳感器的需要；

（2）適用范圍廣，對轉(zhuǎn)向架無特殊要求，對軸箱或承載鞍結(jié)構(gòu)影響小，不涉及對軸承和轉(zhuǎn)向架的改造，便于裝配和換件維修。

（3） 結(jié)構(gòu)簡單，便于實現(xiàn)，可靠性高。

3.2 MOLINARI 軸驅(qū)發(fā)電技術(shù)

MOLINARI軸驅(qū)發(fā)電技術(shù)的核心為rCE-Powerpack電能再生，工作原理是通過車輪轉(zhuǎn)動驅(qū)動軸端的液壓泵工作，液壓油驅(qū)動安裝在底架上的發(fā)電機(jī)工作產(chǎn)生電能。利用安裝在車底架上的蓄電池將電能存儲，供冷藏箱等用電，如圖6~7。通過安裝一些傳感器，利用GPS定位、GSM網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)燃夹g(shù)可實現(xiàn)對電池、車輛信息、冷藏箱信息等的實時監(jiān)控。

該系統(tǒng)的主要性能如下：rCE-Powerpack電能再生技術(shù)能夠正常進(jìn)行電能轉(zhuǎn)化的速度為30km/h～120km/h，再生功率為15kW/h～20kW/h，最大輸出功率為27kW/h。每個蓄電池每小時儲存能量為9kW，最多可掛載7個，總共63kW。可持續(xù)供2個45英尺集裝箱（或4個20英尺集裝箱）用電3小時。

圖6 軸端液壓泵

圖7 液壓發(fā)電機(jī)和蓄電池箱

MOLINARI軸驅(qū)發(fā)電技術(shù)的優(yōu)點是該技術(shù)發(fā)電能力強(qiáng)，車組之間沒有連接電纜，不需要對現(xiàn)有車輛結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變，每組車之間的發(fā)電系統(tǒng)獨立，并可通過軸端裝置的改變實現(xiàn)調(diào)節(jié)液壓泵的發(fā)電功率等。缺點是體積大，需要車底安裝空間大。

3.3 兩種車載供電技術(shù)的對比

上述2種發(fā)電技術(shù)雖然都采用軸端安裝方式，但是發(fā)電功率相差巨大，運(yùn)用工況也完全不同。PJM發(fā)電方式主要用于信息采集，信號傳遞作用，采用小功率發(fā)電機(jī)即可滿足要求，其結(jié)構(gòu)相對簡單，運(yùn)用較廣，其中PJM系統(tǒng)在2014年Innotrans展上也有展出；MOLINARI軸驅(qū)發(fā)電方式除了信息采集，信號傳遞作用外，還可為冷藏集裝箱等大功率用電設(shè)備供電，采用的大功率發(fā)電機(jī)、軸端液壓泵、蓄電池尺寸都較大，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

4 我國鐵路貨車車載供電和監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展啟示

當(dāng)前我國鐵路貨車缺乏車載供電設(shè)備，無法對軸溫檢測裝置、電子防滑器、電控制動裝置等設(shè)備供電，不能實現(xiàn)車載監(jiān)控和控制。只能采用常規(guī)的地面監(jiān)測，該方式導(dǎo)致設(shè)備成本高、維護(hù)不方便，而且難以實時在線監(jiān)測車輛的運(yùn)行狀態(tài)。因此貨車車載供電問題嚴(yán)重限制了貨車技術(shù)的發(fā)展，并且在重載和快捷運(yùn)輸發(fā)展的背景下，貨車的安全性能要求勢必更加嚴(yán)格，對供電系統(tǒng)和智能監(jiān)控的需求更加迫切。

4.1 貨車供電技術(shù)的選擇

貨車供電系統(tǒng)的特點：（1）貨車的功能為運(yùn)貨，無需安裝與乘坐舒適性相關(guān)的設(shè)備，如空調(diào)、通風(fēng)、取暖等設(shè)備，因此對功率的要求很低；（2）由于貨車的工作環(huán)境通常比較惡劣，且檢修期較長，因此，對貨車供電系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性、可靠性要求高；（3）貨車由于編組非常頻繁，具有很大的隨機(jī)性，因此，大規(guī)模釆用線纜集中供電方式的工作量很大，基本不可能實現(xiàn)。（4）目前貨車保有量非常巨大，為安裝供電系統(tǒng)而對現(xiàn)有車輛進(jìn)行較大的改造時間成本和經(jīng)濟(jì)成本太高【3】。依據(jù)以上特點，貨車供電系統(tǒng)無法直接借鑒客車的發(fā)電車供電和接觸網(wǎng)供電方式。從國外最新貨車車載供電技術(shù)發(fā)展啟示，利用貨車車軸旋轉(zhuǎn)自發(fā)電的模式是經(jīng)濟(jì)環(huán)保的，發(fā)電功率也從幾十瓦到20千瓦不等，適應(yīng)于對供電功率有不同需求的各型貨車。如大部分貨車僅需要安裝一些監(jiān)控保護(hù)設(shè)備及通訊設(shè)備，可采用PJM軸端發(fā)電技術(shù)；而如冷藏集裝箱、冷藏車等需要為大功率設(shè)備提供電源時，可采用MOLINARI軸驅(qū)發(fā)電技術(shù)。

4.2 監(jiān)控技術(shù)發(fā)展方向

貨車監(jiān)測運(yùn)用方向應(yīng)主要包括：安全監(jiān)測、貨物狀態(tài)監(jiān)測。

安全監(jiān)測是貨車監(jiān)測的重要組成部分，有利于提高貨車行駛的安全性。其監(jiān)測范圍包括鐵路貨車的平穩(wěn)性和穩(wěn)定性、載重測量及偏載預(yù)警、軸溫監(jiān)測、制動缸壓力監(jiān)測、手制動機(jī)狀態(tài)監(jiān)測、轉(zhuǎn)向架彈簧監(jiān)測和脫軌監(jiān)測【4】。監(jiān)測值可通過無線網(wǎng)實時發(fā)給本車的貨車信息處理模塊，并將監(jiān)測值與設(shè)定范圍作對比，超標(biāo)則報警，從而實現(xiàn)對貨車性能遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。

貨物狀態(tài)監(jiān)測主要具有實時位置及狀態(tài)查詢、軌跡回放、報警、大數(shù)據(jù)管理等功能。如我國冷藏貨物運(yùn)輸裝備車可以先進(jìn)的電子信息控制技術(shù)作為支撐，向全程溫度智能監(jiān)控及控制方向發(fā)展，如采用射頻識別技術(shù)、無線通信技術(shù)、GPS 技術(shù)及溫度傳感技術(shù)等，實現(xiàn)實時監(jiān)控及控制，以保障貨物的生鮮度和質(zhì)量。附加值相對高的鐵路快捷運(yùn)輸貨物，可通過GPS 技術(shù)實現(xiàn)實時追蹤，預(yù)估抵達(dá)時間等，讓客戶對貨物運(yùn)輸有時效性、快速性及高品質(zhì)的體驗。對于鐵路危化品運(yùn)輸，可通過車載供電電源給傳感器供電，實時獲取危險品和車輛狀態(tài)信息如行車速度、 車輛異常振動、 物品所處環(huán)境溫度、 有毒氣體聚集濃度、 運(yùn)輸車輛位置信息等，有力保障?；返奈锲焚|(zhì)量和運(yùn)輸安全等問題。

5 結(jié)束語

隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對安全、快捷、環(huán)保的交通運(yùn)輸需求越來越高。近年來我國鐵路貨車車輛技術(shù)水平和競爭力不斷提高，但與Innotrans2018 軌道交通產(chǎn)品和技術(shù)展示的貨車相比，我國鐵路貨車車載供電和監(jiān)控技術(shù)的運(yùn)用大大落后于國外鐵路貨車。因此，在由傳統(tǒng)鐵路貨車向智能化鐵路貨車發(fā)展過程中，我國應(yīng)研發(fā)或借鑒現(xiàn)有的技術(shù)諸如軸端發(fā)電、軸驅(qū)發(fā)電，滿足貨車的用電需求，并通過鐵路貨車車載在線監(jiān)控技術(shù)來提高鐵路貨車的運(yùn)輸安全，實現(xiàn)貨車的智能化。