李小川，龔衛(wèi)

（中車株洲電力機(jī)車有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心，湖南 株洲 412001）

0 引言

隨著近年來(lái)無(wú)人駕駛技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域的迅速發(fā)展和應(yīng)用，脫軌檢測(cè)裝置等新技術(shù)對(duì)列車的重要性越來(lái)越高[1-2]。脫軌檢測(cè)裝置的作用是檢測(cè)車輛脫軌狀態(tài)，并將脫軌信號(hào)傳送給列車控制系統(tǒng)。如果車輛發(fā)生脫軌而脫軌檢測(cè)裝置沒(méi)有及時(shí)檢測(cè)到脫軌，車輛會(huì)在脫軌狀態(tài)下運(yùn)行，從而造成極大的經(jīng)濟(jì)損失甚至是人員傷亡，如果車輛未發(fā)生脫軌，而脫軌檢測(cè)裝置誤報(bào)脫軌信號(hào)，車輛會(huì)錯(cuò)誤地施加緊急制動(dòng)，從而對(duì)整條線路的正常運(yùn)營(yíng)造成不良影響，因此脫軌檢測(cè)裝置的可靠性在一定程度上決定了無(wú)人駕駛列車運(yùn)行的安全性和可靠性。根據(jù)工作原理，目前業(yè)內(nèi)現(xiàn)有的脫軌檢測(cè)裝置大致可分為接觸式脫軌檢測(cè)裝置、非接觸式脫軌檢測(cè)裝置、振動(dòng)式脫軌檢測(cè)裝置，各種脫軌檢測(cè)裝置各有其優(yōu)缺點(diǎn)。本文介紹了一種激光開關(guān)式脫軌檢測(cè)裝置，可滿足無(wú)人駕駛技術(shù)對(duì)脫軌檢測(cè)的要求。

1 現(xiàn)有脫軌檢測(cè)裝置方案介紹

根據(jù)脫軌檢測(cè)傳感器檢測(cè)脫軌信號(hào)的原理，目前業(yè)內(nèi)現(xiàn)有的脫軌檢測(cè)裝置可分為接觸式、非接觸式和振動(dòng)式。下面對(duì)這三種脫軌檢測(cè)裝置的方案及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

1.1 接觸式脫軌檢測(cè)裝置

接觸式脫軌檢測(cè)裝置主要由脫軌檢測(cè)主機(jī)、脫軌檢測(cè)電氣盒、脫軌檢測(cè)傳感器總成及其附件組成。每臺(tái)轉(zhuǎn)向架安裝一套脫軌檢測(cè)傳感器，傳感器安裝在構(gòu)架中部接近軌道的位置。為檢測(cè)到脫軌信號(hào)，傳感器需要橫跨整個(gè)軌道。車輛正常運(yùn)行時(shí)，脫軌檢測(cè)傳感器隨構(gòu)架一起相對(duì)軌道發(fā)生小幅度的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，但不與軌道接觸。當(dāng)車輛發(fā)生脫軌時(shí)，構(gòu)架相對(duì)軌道會(huì)向下運(yùn)動(dòng)，傳感器檢測(cè)梁會(huì)碰撞到軌道。軌道作用在檢測(cè)梁上的力大于傳感器內(nèi)的彈簧力，從而壓縮檢測(cè)梁和安裝支架之間的距離，內(nèi)部的傳感器檢測(cè)到接近信號(hào)，從而觸發(fā)脫軌報(bào)警。接觸式脫軌檢測(cè)傳感器總成如圖1所示。

圖1 接觸式脫軌檢測(cè)傳感器總成

接觸式脫軌檢測(cè)傳感器的檢測(cè)梁需要橫跨整個(gè)軌道，為保證強(qiáng)度，檢測(cè)梁通常由金屬制成，這就意味著整個(gè)傳感器會(huì)較重。而車輛在運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)向架會(huì)產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)，這就需要傳感器自身及其安裝結(jié)構(gòu)的可靠性非常高，否則傳感器發(fā)生斷裂或脫落，掉落在軌道上，有可能造成列車脫軌等事故。此外由于限界的要求，接觸式脫軌檢測(cè)傳感器不能設(shè)置的與軌道過(guò)于接近，否則容易超限，而設(shè)置的過(guò)高的話又無(wú)法保證車輛脫軌時(shí)脫軌傳感器與軌道接觸，因此該方案的準(zhǔn)確性還有待進(jìn)一步驗(yàn)證[3-4]。

1.2 非接觸式脫軌檢測(cè)裝置

非接觸式脫軌檢測(cè)裝置主要由脫軌檢測(cè)主機(jī)、脫軌檢測(cè)前置單元和脫軌檢測(cè)探測(cè)器及其附件組成。由于轉(zhuǎn)向架的每條輪對(duì)均有可能發(fā)生脫軌，所以每臺(tái)轉(zhuǎn)向架至少需要安裝兩個(gè)脫軌檢測(cè)探測(cè)器，呈對(duì)角地安裝在軸箱體上。每個(gè)脫軌檢測(cè)探測(cè)器內(nèi)部配備兩個(gè)感應(yīng)式接近傳感器，時(shí)刻監(jiān)測(cè)列車運(yùn)行下前方鐵軌，兩個(gè)傳感器互為冗余降低誤觸發(fā)幾率。接近傳感器對(duì)軌道的位置較敏感，設(shè)置地過(guò)高或者相對(duì)軌道的運(yùn)動(dòng)量過(guò)大均會(huì)影響檢測(cè)的準(zhǔn)確性，因此探測(cè)器只能安裝在軸箱體上，且需要和軌頂面保持大致平行。由于軌道存在道岔等無(wú)軌區(qū)域，脫軌檢測(cè)探測(cè)器內(nèi)必須縱向地布置兩個(gè)接近傳感器，防止列車通過(guò)道岔等小距離無(wú)軌區(qū)時(shí)誤報(bào)脫軌故障。列車一旦出現(xiàn)脫軌，脫軌檢測(cè)裝置將脫軌信號(hào)送給車上脫軌檢測(cè)前置單元。脫軌檢測(cè)探測(cè)器在轉(zhuǎn)向架上的安裝如圖2所示。

圖2 非接觸式脫軌檢測(cè)探測(cè)器

非接觸式脫軌檢測(cè)探測(cè)器需要距軌道較近且需要和軌道保持平行，因此傳感器只能安裝在軸箱體上。軸箱體振動(dòng)劇烈，對(duì)傳感器自身及其安裝結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及抗振動(dòng)性能要求較高。如果傳感器或其安裝結(jié)構(gòu)由于振動(dòng)而發(fā)生斷裂或脫落，也有可能造成車輛脫軌。且軌道交通車輛軸箱定位形式多樣，轉(zhuǎn)臂式定位是其中一種常見的形式，轉(zhuǎn)臂定位的軸箱體在車輛運(yùn)行過(guò)程中會(huì)由于一系載荷的變化及外部沖擊而繞著車軸發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，因此無(wú)法保證傳感器和軌道保持平行。目前高速列車軸箱多采用轉(zhuǎn)臂式定位，非接觸式脫軌檢測(cè)裝置要適應(yīng)轉(zhuǎn)臂式定位車輛的安裝要求還需要進(jìn)一步改進(jìn)[5-6]。

1.3 振動(dòng)式脫軌檢測(cè)裝置

振動(dòng)式脫軌檢測(cè)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新型防脫軌檢測(cè)技術(shù)，其主要由脫軌檢測(cè)傳感器模塊和脫軌檢測(cè)控制單元這兩部分組成，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)成本低的優(yōu)點(diǎn)。脫軌檢測(cè)控制單元是防脫軌檢測(cè)裝置的主控制板，列車內(nèi)的所有脫軌檢測(cè)控制單元均通過(guò)列車線相連。振動(dòng)式脫軌檢測(cè)的傳感器模塊安裝在列車的車輪或齒輪箱大齒輪軸上，測(cè)量輪軸橫向和垂向加速度信號(hào)，以此計(jì)算列車的脫軌系數(shù)，并根據(jù)計(jì)算出的脫軌系數(shù)判斷車輛是否有脫軌趨勢(shì)。其傳感器安裝如圖3所示。

圖3 振動(dòng)式脫軌檢測(cè)裝置傳感器安裝

目前走行部故障診斷系統(tǒng)在軌道交通領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。振動(dòng)式脫軌檢測(cè)的主要優(yōu)點(diǎn)在于其功能可集成到走行部故障診斷系統(tǒng)里，基本無(wú)需增加額外的設(shè)備。其缺點(diǎn)在于是根據(jù)振動(dòng)信號(hào)算出的脫軌系數(shù)來(lái)判斷車輛是否有脫軌的風(fēng)險(xiǎn)，而目前業(yè)內(nèi)對(duì)脫軌系數(shù)和車輛實(shí)際脫軌狀態(tài)之間的關(guān)系還沒(méi)有準(zhǔn)確的結(jié)論。實(shí)時(shí)檢測(cè)出來(lái)的脫軌系數(shù)和車輛實(shí)際的脫軌趨勢(shì)或脫軌狀態(tài)之間存在較大的差異，因此其判斷的準(zhǔn)確性難以保證[7-8]。

2 激光開關(guān)式脫軌檢測(cè)裝置的構(gòu)成及布置

2.1 激光開關(guān)式脫軌檢測(cè)裝置的構(gòu)成

針對(duì)現(xiàn)有脫軌檢測(cè)裝置的缺點(diǎn)設(shè)計(jì)了激光開關(guān)式脫軌檢測(cè)裝置。激光開關(guān)式脫軌檢測(cè)裝置主要由控制及分析主機(jī)、采集盒、激光開關(guān)式傳感器等組成。每列車（以6編組地鐵為例）包含6臺(tái)控制及分析主機(jī)，每個(gè)主機(jī)下設(shè)置4個(gè)采集盒，每個(gè)采集盒連接1套激光開關(guān)式傳感器（每套激光開關(guān)式傳感器包含2個(gè)探頭）。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 激光開關(guān)式脫軌檢測(cè)裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

控制及分析主機(jī)設(shè)置在車廂電氣柜內(nèi)，負(fù)責(zé)與TCMS通信、電源轉(zhuǎn)換、設(shè)備自診斷、開啟/切除功能單元、分析信號(hào)邏輯等功能。控制與分析主機(jī)內(nèi)設(shè)電源模塊、邏輯處理模塊、通信模塊、接口模塊、驅(qū)動(dòng)模塊。

采集盒設(shè)置在轉(zhuǎn)向架附近的車體底架上，內(nèi)設(shè)2組光電傳感器，其中光電傳感器與探頭組件連接。

激光開關(guān)式傳感器主要由激光發(fā)射器和激光接收器兩部分組成，并分別位于兩條鋼軌的外側(cè)，距離軌頂面的高度約120mm。每臺(tái)轉(zhuǎn)向架設(shè)置1套或2套激光開關(guān)式傳感器（安裝2套時(shí)，激光開關(guān)式傳感器盡量接近輪對(duì)；安裝1套時(shí)，激光開關(guān)式傳感器設(shè)置在轉(zhuǎn)向架中部），傳感器采用對(duì)射方式（即一端發(fā)射激光，另一端接收激光），要求對(duì)射范圍內(nèi)無(wú)明顯異物阻擋。激光發(fā)射器和激光接收器僅由機(jī)械保持架和柔性光纖頭組成。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高的特點(diǎn)。

2.2 激光開關(guān)式脫軌檢測(cè)裝置工作原理

當(dāng)車輛正常運(yùn)行時(shí)，由于傳感器對(duì)射范圍內(nèi)無(wú)異物阻擋，激光接收器能正常地接收到激光發(fā)射器發(fā)出的激光。當(dāng)車輛發(fā)生脫軌時(shí)，激光束將被軌道打斷，激光接收器無(wú)法接收到激光發(fā)射器發(fā)出的激光，由此觸發(fā)脫軌報(bào)警。脫軌檢測(cè)裝置在轉(zhuǎn)向架上的設(shè)備安裝如圖5所示。

圖5 激光開關(guān)式傳感器在轉(zhuǎn)向架上的安裝示意圖

2.3 激光開關(guān)式傳感器安裝分析

為準(zhǔn)確地檢測(cè)脫軌，接近傳感器距軌頂面應(yīng)盡可能低。考慮轉(zhuǎn)向架的運(yùn)動(dòng)特性：一系彈簧極限壓縮量為40mm，下部限界60mm，兩次傳感器高度調(diào)整周期之間車輪的單邊磨耗量為6mm，接近傳感器發(fā)射器及接收器頭部半徑為9mm，安裝誤差取5mm，則激光束距軌頂面的初始高度為120±5mm。由于轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)的限制，激光束距轉(zhuǎn)向架中心的縱向距離為650mm，如圖6所示。

圖6 激光開關(guān)式傳感器位置示意圖

我國(guó)城市軌道交通正線常用的鋼軌為60軌，60軌的全高為176mm。當(dāng)轉(zhuǎn)向架一條輪對(duì)脫軌，另一條輪對(duì)還在軌道上時(shí)，脫軌輪對(duì)附近的接近傳感器及激光束相對(duì)軌道的下降量約為133mm，大于激光束的安裝高度，此時(shí)激光束被軌道隔斷，接近傳感器接受器接受不到激光，從而觸發(fā)脫軌報(bào)警，如圖7所示。

圖7 輪對(duì)脫軌示意圖

3 脫軌檢測(cè)裝置的電氣與信號(hào)系統(tǒng)

電氣系統(tǒng)主要起到信號(hào)傳輸與處理的作用，目前列車障礙物和脫軌檢測(cè)裝置電氣系統(tǒng)大都采用總線控制方式，所有傳感器信號(hào)經(jīng)過(guò)主機(jī)的處理送入列車TCMS、EB回路，并與列車車輛MVB、維護(hù)以太網(wǎng)相連接，其主電路圖如圖8所示。

圖8 脫軌檢測(cè)裝置主電路圖

4 激光開關(guān)式脫軌檢測(cè)裝置的操作及維護(hù)

脫軌檢測(cè)裝置屬于上電自啟動(dòng)設(shè)備，除調(diào)試狀態(tài)特設(shè)的操作外，正常運(yùn)行情況下無(wú)需任何操作，其維護(hù)工作主要涉及以下幾方面。

（1）光纖頭是否松動(dòng)，距軌頂面高度是否適合；

（2）光纖頭表面是否有異物覆蓋，并作必要的清潔工作；

（3）光纖頭是否有按預(yù)設(shè)的標(biāo)記線對(duì)齊，以確保發(fā)射端與接收端對(duì)齊；

（4）采集盒上的攝像頭表面清潔；

（5）采集盒本身及線纜的安裝是否松動(dòng)；

（6）控制與分析主機(jī)外觀是否明顯異常、或者有故障指示。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著無(wú)人駕駛技術(shù)以軌道交通領(lǐng)域日益廣泛的使用，脫軌檢測(cè)裝置也越來(lái)越受到重視，不同類型的脫軌檢測(cè)裝置不斷出現(xiàn)[9]。本文介紹了一種激光開關(guān)式脫軌檢測(cè)裝置的原理、結(jié)構(gòu)型式，相對(duì)于目前已使用的脫軌檢測(cè)裝置具安裝方便、便于維護(hù)、成本低、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，希望對(duì)無(wú)人駕駛技術(shù)的發(fā)展有所幫助。