郭 暉，張 隆 平，秦 浩

(1.中車青島四方車輛研究所有限公司 技術中心，山東 青島 266031；2.西安市軌道集團運營分公司 技術部，陜西 西安 710016；3.中車青島四方車輛研究所有限公司 鉤緩事業(yè)部，山東 青島 266031)

列車運行中在長大坡道上的反復制動與緩解，緊急制動以及遇到外力沖擊等可能會引發(fā)鉤緩裝置主要承載零部件形成疲勞源，導致鉤緩裝置零部件的疲勞損壞，使緩沖器性能嚴重下降。這些損傷僅從外觀檢查上難以及時發(fā)現(xiàn)，損傷發(fā)展到一定程度后將產(chǎn)生危及行車安全的嚴重故障。對機車車輛鉤緩裝置的運行姿態(tài)實施運行監(jiān)控，對車鉤沖擊力、緩沖器行程、車鉤轉(zhuǎn)角等特性參數(shù)實時采集、存儲和顯示，是解決此類故障、提高列車運行安全性的有效方法。基于此，本文將對重載貨車和普速客車鉤緩裝置“黑匣子”監(jiān)測技術方案進行研究。

1 鉤緩裝置“黑匣子”監(jiān)測技術研究的必要性

貨運重載技術方面以美國最為領先，萬噸級以上列車最先開行，運用經(jīng)驗最為豐富。采用無間隙牽引桿，減少了約70%的車輛連接間隙，有效降低了列車的縱向沖擊；全列車采用有線控制的ECP制動同步技術；35 t軸重車輛的使用使列車總長度減少約30%。美國重載列車的最大運行速度僅為40～60 km/h，其列車周轉(zhuǎn)率也遠低于我國。由于安全性有保障，美國重載列車鉤緩裝置中未運用“黑匣子”監(jiān)測技術。而我國重載貨車運行速度在80 km/h以上，無線locotrol牽引和制動操控存在時差且易受干擾而導致不穩(wěn)定，長大坡道多、軸重低(25 t為主)導致列車總長度長，牽引桿運用數(shù)量少使列車縱向間隙較大，這些原因造成同等牽引重量下列車的安全性要低于美國。雖然我國大秦線重載列車也有較高的安全性，但仍偶發(fā)列車脫軌、爬鉤等事故，且部分事故與鉤緩裝置動作不良有關，因而實施鉤緩裝置數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控技術有一定的必要性。

客運車輛技術方面，部分動車組、地鐵鉤緩裝置采用了一定的監(jiān)控技術，主要有連掛到位顯示、解鉤到位顯示及端面并緊顯示等。目前，增加了監(jiān)控參數(shù)的全自動智能型車鉤正在研發(fā)中。

2 鉤緩裝置“黑匣子”監(jiān)測技術方案構想

重載貨車和普速客車中的機車主要采用傳統(tǒng)型自動鉤緩裝置，有13型、15型、16型、17型、100型、101型、102型及103型等?？紤]到貨車車輛上存在供電問題，故鉤緩裝置“黑匣子”監(jiān)測技術方案僅考慮在機車和客車上實施。

2.1 監(jiān)測參數(shù)選擇

鉤緩裝置運動姿態(tài)中，核心運動參數(shù)主要有：車鉤力、緩沖器行程、車鉤轉(zhuǎn)角及車鉤沖擊加速度，通過監(jiān)測這些參數(shù)可識別出車鉤載荷超限、緩沖器性能下降情況，據(jù)此設置報警信號，可對這些故障做到早識別、早報警、早處理。車鉤鎖銷回位情況、運行中的異動情況和車鉤互高差變化情況是影響車鉤連掛可靠性的主要因素，對其實施監(jiān)控后可以識別出虛(假)落鎖故障，判斷車鉤是否存在意外開鉤的傾向，以便及時采取措施，避免事故的發(fā)生。

2.2 監(jiān)測方式

2.2.1 傳感器監(jiān)測

根據(jù)監(jiān)測參數(shù)要求，需要力、位移、加速度及轉(zhuǎn)角等傳感器。由于車下環(huán)境惡劣，存在風沙、灰塵等顆粒物污染，需選擇防水、防塵、抗振型傳感器，并以非接觸式傳感器為主。

2.2.1.1傳感器種類和形式

(1) 位移傳感器。以前的縱向動力學測試中使用的是直線式和接線式位移傳感器。隨著超聲波和激光測距技術的日益成熟和廣泛應用，“黑匣子”監(jiān)測技術原計劃優(yōu)先選用超聲波傳感器和激光測距傳感器，直線式位移傳感器作為備用。但經(jīng)環(huán)境試驗發(fā)現(xiàn)，超聲波傳感器受環(huán)境風速等影響較嚴重，難以適應車下環(huán)境，決定以激光測距傳感器和直線式位移傳感器為主?？蛇x種類如圖1所示，有直線式、拉線式、激光式、超聲波式等位移傳感器。

圖1 位移傳感器可選種類

(2) 加速度傳感器。加速度傳感器多為小型化壓電式產(chǎn)品，已有很多運用經(jīng)驗，精度也可滿足要求，選擇較容易，常用的壓電式加速度傳感器如圖2所示。

圖2 壓電式加速度傳感器

(3) 力傳感器。既有鉤緩裝置中沒有給力傳感器提供任何安裝空間，近幾十年來的縱向動力學試驗均采用在車鉤鉤體上粘貼應變片方式測力，但這只能作為臨時措施，因車鉤需經(jīng)常拆下檢修，檢修中應變片極易損壞?？紤]“黑匣子”長期應用的特點，只有采用模塊化傳感器才能解決檢修時傳感器容易損壞的問題。分析鉤緩裝置結構，決定對前從板適當加工后將力傳感器鑲嵌進去，但由于標準傳感器的安裝均需較大空間，且前從板加工空間受限，因此采用自制力傳感器。自制力傳感器及其與前從板集成方式見圖3，對于其他不同形式從板，集成傳感器位置和方式不變。

圖3 自制力傳感器及其與前從板集成方式

(4) 轉(zhuǎn)角傳感器。轉(zhuǎn)角傳感器分為接觸式和非接觸式，安裝時均需在車鉤上打固定樁或?qū)鞲衅鞯囊徊糠止潭ㄔ谲囥^上，這給車鉤檢修帶來不便，也使傳感器存在安全隱患，因此采用間接測量方式測量車鉤轉(zhuǎn)角。如圖4所示，擺動量放大桿固定在鉤尾銷上，通過位移傳感器測出經(jīng)擺動量放大桿放大后的鉤尾銷擺動量，再根據(jù)幾何關系換算出車鉤轉(zhuǎn)角。

圖4 鉤尾銷擺動量測量方案

2.2.1.2傳感器安裝

傳感器安裝原則為：

(1) 不同車型可通用。

(2) 拆裝鉤緩裝置時方便提前拆下傳感器，或拆裝鉤緩裝置時不易損壞傳感器。

(3) 對既有機車車輛的鉤緩裝置和牽引梁相關零部件的加工或改造工程不太大。

根據(jù)上述原則設計的傳感器布置如圖5所示。各傳感器的安裝均可在既有零部件基礎上稍加改造完成，改造的零部件僅有前從板和鉤尾銷，依靠銑(或鉆)孔、平面加工等簡單工序即可完成這2個零部件的改造，而且在既有車上的安裝過程相對簡單。在檢修拆卸鉤緩裝置及其零部件時可先把傳感器拆下保存，避免傳感器損壞。另外，裝車時將對傳感器設置保護罩，以避免沙塵侵入而損壞傳感器。

圖5 傳感器布置

2.2.2 攝像頭監(jiān)測

針對車鉤鎖銷回位情況及運行中異動情況的監(jiān)測，為檢修方便而不能將傳感器固定在鉤頭上，同時考慮到車鉤在橫向、縱向均有±80 mm以上的移動量，由于移動量太大，普通傳感器難以全面跟蹤，因此采用攝像頭跟蹤的非接觸式監(jiān)測方法。車鉤互高差變化情況也因同樣原因選擇攝像頭監(jiān)測。圖6為上作用車鉤攝像頭及監(jiān)控項點示意圖。圖6中攝像頭1針對上作用車鉤，監(jiān)視上鎖銷回位情況及鉤舌搭接量，攝像頭2針對上作用車鉤監(jiān)視下鎖銷回位情況。

圖6 上作用車鉤攝像頭及監(jiān)控項點示意圖

2.3 數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)

2.3.1 系統(tǒng)工作原理及組成

對于列車運行中傳感器輸出的鉤緩裝置運動數(shù)據(jù)，有多種成熟的數(shù)據(jù)采集與記錄裝置可供選擇，也可用A/D轉(zhuǎn)換板卡自行裝配專門的數(shù)據(jù)記錄裝置。數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)的工作原理如圖7所示。數(shù)據(jù)存儲卡(硬盤)置于車下的“黑匣子”內(nèi)，需要時可通過網(wǎng)線連通手提電腦將數(shù)據(jù)讀取并顯示。對于新造機車車輛，網(wǎng)線也可直接連通到室內(nèi)的電腦，安裝軟件即可實時顯示鉤緩裝置運動參數(shù)。數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)組成如圖8所示。

圖7 數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)的工作原理

圖8 數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)組成

數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)還具有下列功能：

(1) 自帶鋰離子電池(需要車上提供充電電源)。停電情況下鋰離子電池可維持“黑匣子”12 h連續(xù)工作。

(2) 配置北斗定位模塊。記錄數(shù)據(jù)時同步記錄事件發(fā)生地的經(jīng)度、緯度，便于追蹤異常事件發(fā)生地點。

(3) 異常情況報警功能。當緩沖器失效引發(fā)加速度迅速升高，或因列車異常操控等原因引發(fā)沖擊力異常后系統(tǒng)將自動報警，以便司乘人員及時發(fā)現(xiàn)異常情況。

(4) 利用北斗定位功能，通過軟件同時測速。事后讀取數(shù)據(jù)可以完整復原列車運行速度和各監(jiān)測指標的關系圖。

2.3.2 “黑匣子”安裝方式

傳感器的數(shù)據(jù)線與“黑匣子”連通后，將“黑匣子”固定在車體牽引梁適當部位即可，不同車型間有少量差異。以100型車鉤為例，設置與鉤尾框托板螺栓配合的專用固定座，先將“黑匣子”固定在固定座上，然后通過鉤尾框托板螺栓將固定座固定到牽引梁上，如圖9所示。對于既有機車車輛，“黑匣子”以增配形式安裝；對于新造車輛，“黑匣子”可與車載電氣或監(jiān)控裝置集成在一起，達到整車技術升級的目的。

圖9 “黑匣子”安裝固定方式及其專用固定座

對于帶有壓潰管等其他吸能裝置的機車車輛，或需要監(jiān)控鉤緩裝置其他零部件時，可增設監(jiān)控傳感器，使“黑匣子”具有更加多元化的功能。

3 鉤緩裝置“黑匣子”技術方案可靠性論證

3.1 傳感器安裝與防護的可靠性

以往的動力學試驗中，傳感器僅需滿足臨時或短期應用，因此，傳感器的安裝均為臨時措施?？v向沖擊力的測試采用鉤身粘貼應變片的方法，位移傳感器固定在緩沖器上(圖10)，加速度傳感器粘接固定在鉤體或緩沖器上。這些臨時措施只能滿足短期應用的需要，遇有檢修時很容易損壞傳感器。

圖10 以往動力學試驗中位移傳感器的安裝方式

本文設計的鉤緩裝置“黑匣子”技術方案中，傳感器采用了獨立的模塊式安裝方法，該安裝方式能適用不同形式的鉤緩裝置，還便于采取加裝外防護擋板或防護殼等專門防護措施，同時方便拆卸，不受鉤緩裝置零部件檢修的影響，避免了傳感器損壞，有較高的工作工靠性。

3.2 數(shù)據(jù)采集設備的可靠性

數(shù)據(jù)采集設備初步選型時，已考慮到能適應GB/T 6587—2012《電子測量儀器通用規(guī)范》規(guī)定的Ⅲ級惡劣環(huán)境：耐沖擊加速度100g、環(huán)境溫度-40～60 °C、絕緣等級IP65,同時具備防沙塵、防水功能，具有很高的車下環(huán)境適應性，從而保證了設備工作可靠性與穩(wěn)定性。

4 結束語

本文設計的鉤緩裝置運行姿態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測的“黑匣子”監(jiān)測系統(tǒng)，在多年線路實測經(jīng)驗基礎上改進了沖擊力、緩沖器行程及車鉤轉(zhuǎn)角等特性參數(shù)傳感器的安裝方式。鉤緩裝置“黑匣子”監(jiān)測技術方案既可適用于既有軌道運輸裝備，又可與新造機車車輛的實時監(jiān)控系統(tǒng)整合成一體，具有較強的實用性和易用性，而且實施快速，安裝簡便，運用可靠，可有效提高列車運行安全性，建議盡快投入研制及裝車試用。