俞成成 中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司杭州北車輛段

1 問題提出

鐵路貨車運(yùn)行安全監(jiān)控系統(tǒng)主要包含車輛軸溫智能探測系統(tǒng)（THDS）、貨車故障軌旁圖像檢測系統(tǒng)（TFDS）、鐵道車輛運(yùn)行品質(zhì)軌旁動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)（TPDS）、鐵道車輛滾動軸承故障軌旁聲學(xué)診斷系統(tǒng)（TADS）和貨車輪對尺寸動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)（TWDS），是利用智能化、網(wǎng)絡(luò)化和信息化技術(shù)，對貨車車輛運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行動態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，綜合分析判斷貨車運(yùn)行故障和安全隱患的技術(shù)裝備，為車輛運(yùn)行安全提供了重要的設(shè)備保障。

《鐵路車輛安全管理規(guī)則》指出貨車的行車安全防范重點(diǎn)應(yīng)突出“防冷熱切軸、防部件斷裂、防配件脫落、防車脫軌、防列車分離、防制動放飏和防制動抱閘”，簡稱“貨車七防”。隨著鐵路裝備技術(shù)的不斷發(fā)展，貨車運(yùn)行安全監(jiān)控系統(tǒng)為保證貨車運(yùn)行安全和運(yùn)輸秩序提供了強(qiáng)有力的保障，發(fā)揮了重要作用。如“防冷熱切軸”有THDS 和TADS 系統(tǒng)提供設(shè)備保障，“防部件斷裂”、“防配件脫落”和“防列車分離”有 TFDS 系統(tǒng)提供設(shè)備保障，“防車輛脫軌”有TPDS 系統(tǒng)和TWDS 系統(tǒng)提供設(shè)備保障。然而“防制動抱閘”這個(gè)危害貨車運(yùn)行安全的首要防范重點(diǎn)卻沒有安全監(jiān)控系統(tǒng)提供直接的設(shè)備保障。因此如何利用既有監(jiān)控設(shè)備來預(yù)報(bào)車輛抱閘，是亟須解決的問題。

2 THDS系統(tǒng)預(yù)報(bào)車輛抱閘故障

2.1 THDS系統(tǒng)的工作原理

THDS 系統(tǒng)是利用物體產(chǎn)生紅外輻射原理，通過設(shè)在軌邊的紅外探測器，檢測車輛運(yùn)行中軸承發(fā)出的紅外輻射能量大小，實(shí)現(xiàn)車輛軸溫的測量。通過檢測軸承溫度突變，來發(fā)現(xiàn)軸承故障，防止貨車熱切軸。

2.2 THDS系統(tǒng)預(yù)報(bào)車輛抱閘故障分析

在THDS系統(tǒng)預(yù)報(bào)的熱軸中我們發(fā)現(xiàn)，有些預(yù)報(bào)的車輛，分解軸承并沒有發(fā)現(xiàn)故障，經(jīng)分析，是由于車輛抱閘引起的車輪踏面溫度迅速上升后輻射到紅外探測器上，導(dǎo)致探測的軸承溫度升高。這種軸溫有明顯的特征：

（1）輛軸溫或者同一轉(zhuǎn)向架軸溫明顯高于全列軸溫，并且軸溫為全列軸溫的前幾大值。連續(xù)跟蹤前方幾個(gè)探測站的軸溫?cái)?shù)據(jù)，都在前幾大值中。這是由于車輛發(fā)生抱閘，會造成輛或一個(gè)轉(zhuǎn)向架的閘瓦與車輪踏面接觸，產(chǎn)生摩擦熱。例如：2019 年 09 月 27 日，局管內(nèi)滬昆線喬上上行 THDS 探測站預(yù)報(bào)36906 次機(jī)后24 位左4 溫升最大值，且八個(gè)軸位溫度都比較高，經(jīng)現(xiàn)場檢查確認(rèn)該車人力制動機(jī)緊固，為抱閘車輛見圖1。

圖1 抱閘車輛全列軸溫對比

2019年11月23 日，上海局管內(nèi)宣杭線喬發(fā)宣下行THDS探測站預(yù)報(bào)49017次列車機(jī)后9位左4溫升最大值，且八個(gè)軸位溫度都比較高，經(jīng)現(xiàn)場檢查確認(rèn)該車人力制動機(jī)緊固，為抱閘車輛。

（2）THDS 系統(tǒng)軸承溫度采集過程：由車輪觸發(fā)3 號磁鋼信號后，開始采集，采集長度固定，探頭起初掃描車底架，之后掃描到軸承形成波形上升沿，當(dāng)軸承完全進(jìn)入探頭視場后，形成波形平頂部分，再從軸承掃描到車底架形成波形的下降沿，最后掃描到車底架，探測32 點(diǎn)波形見圖2。正常的軸承溫度波形是光滑的，將抱閘車輛的軸溫預(yù)報(bào)波形與正常的軸溫預(yù)報(bào)波形作對比，可以看出，當(dāng)車輛發(fā)生輕微抱閘時(shí)，其預(yù)報(bào)的軸溫波形和正常波形差別不大。但是當(dāng)車輛發(fā)生嚴(yán)重抱閘時(shí)，其波形則會呈現(xiàn)起點(diǎn)抬起和波形波動性加大等特征，表現(xiàn)為多出現(xiàn)峰尖、拐點(diǎn)、凹凸，波形無平滑過渡、離散等現(xiàn)象，見圖3、圖4。

2.3 THDS系統(tǒng)對現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)車輛抱閘故障作用

通過分析可以看出，THDS 系統(tǒng)預(yù)報(bào)的兩側(cè)軸承溫升最大值和抱閘軸溫的異常波形對列檢現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)車輛抱閘故障有很大的指導(dǎo)幫助。雖然2018 年中國鐵路總公司新印發(fā)的《鐵路貨車運(yùn)用維修規(guī)程》取消了列檢作業(yè)場的溫升最大值預(yù)報(bào)要求，但“溫升最大值”在發(fā)現(xiàn)車輛抱閘故障這方面還是有一定作用的。列檢作業(yè)場可以將“溫升最大值”的預(yù)報(bào)作為防車輛抱閘的一項(xiàng)重要措施，要求當(dāng)?shù)竭_(dá)或中轉(zhuǎn)列車進(jìn)入列檢作業(yè)場時(shí)，列檢值班員必須通過查看THDS 系統(tǒng)將該列車的軸承溫升最大值預(yù)報(bào)給現(xiàn)場檢車員，要求現(xiàn)場檢車員對該車的基礎(chǔ)制動系統(tǒng)和空氣制動系統(tǒng)進(jìn)行重點(diǎn)的檢查，以提高車輛抱閘故障的發(fā)現(xiàn)率。同時(shí)對該輛車的其它軸承溫升對比和軸溫波形進(jìn)行分析，如果是類似抱閘的異常波形，也可以將這個(gè)信息預(yù)報(bào)給現(xiàn)場檢車員，以引起現(xiàn)場檢車員的足夠重視。通過這一舉措的實(shí)施，杭州北車輛段喬司運(yùn)用車間2019 年至2020 年上半年共計(jì)發(fā)現(xiàn)車輛抱閘故障22件，其中人力制動機(jī)緊固17 件、基礎(chǔ)制動杠桿別勁2 件、人力制動機(jī)轉(zhuǎn)軸脫出1件、閘調(diào)器故障1件、制動機(jī)故障1件。

3 TFDS系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)車輛抱閘故障

3.1 TFDS系統(tǒng)的工作原理

TFDS 系統(tǒng)是利用軌邊高速攝像頭，對運(yùn)行貨車進(jìn)行動態(tài)檢測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)貨車運(yùn)行故障的安全監(jiān)控設(shè)備。其主要檢測貨車車輛的走行部、制動梁、懸吊件、枕簧、大部件、鉤緩等安全關(guān)鍵部位，重點(diǎn)防范制動梁脫落事故，防范搖枕、側(cè)架、鉤緩大部件裂損、折斷，防范枕簧丟失和竄出等危及行車安全的隱患，其多數(shù)時(shí)候并不能直觀的檢查出車輛抱閘故障。

3.2 TFDS系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)車輛抱閘故障分析

TFDS 系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)用過程中，動態(tài)檢車員通過對人力制動機(jī)、閘缸鏈、閘瓦等部件的重點(diǎn)檢查，可以發(fā)現(xiàn)一些疑似抱閘的故障跡象見圖5。

圖5 TFDS發(fā)現(xiàn)抱閘故障實(shí)例

TFDS動態(tài)檢車發(fā)現(xiàn)車輛抱閘的具體方法：

（1）看閘瓦與踏面的狀態(tài)。抱閘車輛轉(zhuǎn)向架的各閘瓦一般都會與踏面密貼，并且各閘瓦與踏面之間都有比較明顯的閘瓦熔渣，車輪踏面上還會伴有一定的粘堆現(xiàn)象。

（2）看各基礎(chǔ)制動部件狀態(tài)。一是看人力制動機(jī)鏈條是否處于拉直狀態(tài)，呈明顯的“銳角”型；二是看閘缸鏈?zhǔn)欠裉幱诶睜顟B(tài)，制動缸前杠桿與制動缸活塞推桿夾角是否有明顯的角度變化，是否呈直角或鈍角；三是看人力制動機(jī)拉桿與托架間的距離關(guān)系，正常情況下人力制動機(jī)拉桿軸端鏈條滑輪與托架之間的距離較小，距離異常過大則有抱閘可能。

（3）看制動缸鞲鞴?fàn)顟B(tài)。這一條不太好判別，因TFDS 探測站的選址問題，很多列車通過探測時(shí)都會進(jìn)行制動調(diào)速，但如果整列車制動缸鞲鞴都處于緩解狀態(tài)，只有極個(gè)別車輛制動缸鞲鞴處于制動狀態(tài)，那一定是抱閘車輛。

4 TFDS和THDS系統(tǒng)聯(lián)合檢查發(fā)現(xiàn)抱閘故障

在日常的TFDS 動態(tài)檢車過程中可以通過TFDS 和THDS系統(tǒng)的聯(lián)合檢查進(jìn)一步提高動態(tài)檢車中抱閘故障的發(fā)現(xiàn)率。比如可以引入TFDS 動態(tài)班組長THDS 預(yù)報(bào)情況的質(zhì)量復(fù)查機(jī)制，要求TFDS動態(tài)班組長必須通過本地THDS復(fù)示探測站查看當(dāng)班所有到達(dá)或中轉(zhuǎn)列車的軸承溫升最大值預(yù)報(bào)情況，當(dāng)本地預(yù)報(bào)作業(yè)列車的左右側(cè)軸承溫升最大值為同一車輛時(shí)，必須對該輛車的閘瓦與踏面狀態(tài)、基礎(chǔ)制動狀態(tài)和制動缸鞲鞴?fàn)顟B(tài)進(jìn)行全面復(fù)核，以進(jìn)一步提高動態(tài)檢車中抱閘故障的發(fā)現(xiàn)率。杭州北車輛段喬司運(yùn)用車間自2019 年7 月引入這一復(fù)核機(jī)制以來，截至2020 年6 月TFDS 動態(tài)檢車共計(jì)發(fā)現(xiàn)車輛抱閘故障8件，充分發(fā)揮了TFDS系統(tǒng)在防車輛抱閘中的作用。

5 熱輪探測技術(shù)預(yù)報(bào)車輛抱閘故障

由于THDS 系統(tǒng)畢竟不是專門針對車輛抱閘的設(shè)備，受自然環(huán)境、線路條件、運(yùn)輸組織等各種條件的影響和限制，其疑似抱閘預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率還比較低。紅外熱輪探測裝置是建立在THDS 探測系統(tǒng)的平臺上，利用紅外測溫技術(shù)來探測列車車輪的溫度見圖6。根據(jù)溫度分一級、二級兩個(gè)等級對抱閘車輛進(jìn)行報(bào)警預(yù)報(bào)，進(jìn)而識別抱閘故障車輛，實(shí)現(xiàn)貨車制動抱閘實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖6 熱輪探測裝置系統(tǒng)構(gòu)成

相比于THDS 系統(tǒng)的疑似抱閘預(yù)報(bào)功能，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）準(zhǔn)確預(yù)報(bào)熱輪。對異常制動（手閘未放、輕出閘等）引起的熱輪準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，保障車輛的安全運(yùn)行。

（2）減少由于抱閘引起的熱軸誤報(bào)。利用熱輪探測數(shù)據(jù)的綜合分析，過濾因抱閘引起的熱軸誤報(bào)，大大提高熱軸預(yù)報(bào)兌現(xiàn)率。

（3）減少區(qū)間誤攔誤停。通過精確的輪溫探測，可使調(diào)度、維護(hù)等部門及時(shí)了解車輛運(yùn)行情況，避免區(qū)間的誤攔，保障列車運(yùn)行的暢通。

（4）準(zhǔn)確得出冷輪所在位置預(yù)報(bào)?？纱_定制動不良或關(guān)門車的車輛。

（5）通過冷輪預(yù)報(bào)，可有效防止長大列車因關(guān)門或異常故障引起的制動力不足而引發(fā)的事故，更好的保證行車安全。

6 車輛抱閘故障攔停建議

目前貨車車輛制動抱閘故障的途中安全信息主要通過車站外勤值班員或列車司機(jī)發(fā)現(xiàn)有冒火星、車輪發(fā)紅、車輪異響等，其中冒火星占絕大多數(shù)。但由于造成車輪冒火星的因素有很多，如車輛通過道岔、制動調(diào)速、零星熔渣等都會造成車輪冒火星，因此極易造成抱閘故障信息誤報(bào)。2019年杭州北車輛段管內(nèi)途中制動抱閘的安全信息共計(jì)46件，其中冒火花34 件，司機(jī)會同車站檢查無異常放行22 件。誤報(bào)給運(yùn)輸組織造成了干擾，同時(shí)也讓車輛部門在安全管控上極為被動。因此提出抱閘故障攔停機(jī)制建議：

（1）進(jìn)一步完善THDS 系統(tǒng)疑似抱閘預(yù)報(bào)模型和增加紅外熱輪探測裝置，通過安全監(jiān)控設(shè)備實(shí)現(xiàn)對車輛運(yùn)行抱閘故障的實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)。

（2）充分發(fā)揮集團(tuán)公司紅外線調(diào)度員的作用，建立干預(yù)機(jī)制。在車站外勤值班員預(yù)報(bào)冒火星時(shí)，可以將信息報(bào)給紅外線調(diào)度員，由紅外線調(diào)度員根據(jù)車輛軸溫進(jìn)行分析，如果預(yù)報(bào)車輛符合抱閘車輛軸溫特征，則前方站攔停檢查，如不符合則可以運(yùn)行至下一列檢作業(yè)場檢查。這樣會大大減少抱閘故障誤報(bào)，減少對運(yùn)輸?shù)母蓴_。