李文濤 王俊偉 楊 航

（蘇州軌道交通集團(tuán)有限公司機(jī)電中心車(chē)輛部，江蘇 蘇州 215004）

0 引言

隨著城市軌道交通技術(shù)的發(fā)展，為提高運(yùn)行效率，國(guó)內(nèi)一些大城市已經(jīng)開(kāi)始建設(shè)全自動(dòng)無(wú)人駕駛地鐵線(xiàn)路，未來(lái)地鐵列車(chē)發(fā)展的重要方向是全自動(dòng)無(wú)人駕駛列車(chē)[1-2]。列車(chē)脫軌檢測(cè)功能是全自動(dòng)無(wú)人駕駛城軌車(chē)輛必備的功能選項(xiàng)。無(wú)人駕駛列車(chē)需要檢測(cè)列車(chē)是否處于正常運(yùn)行狀態(tài)，并將列車(chē)狀態(tài)通知車(chē)輛控制中心。針對(duì)脫軌功能檢測(cè)，車(chē)輛需及時(shí)探知車(chē)輛脫軌，并通知車(chē)輛施加緊急制動(dòng)，降低脫軌造成的損失，并將脫軌信息上報(bào)給車(chē)輛控制中心。出于線(xiàn)路正常運(yùn)行考慮，脫軌檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)能適應(yīng)車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)的復(fù)雜性和線(xiàn)路的復(fù)雜性，而不引起誤報(bào)。本文所提到的非接觸式脫軌檢測(cè)系統(tǒng)具有及時(shí)準(zhǔn)確探知車(chē)輛脫軌的特點(diǎn)，并從傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)保證的角度出發(fā)采取了相應(yīng)措施，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1 非接觸脫軌檢測(cè)系統(tǒng)組成

非接觸脫軌檢測(cè)系統(tǒng)主要由脫軌檢測(cè)傳感器、脫軌系統(tǒng)主機(jī)、通信控制模塊及其安裝附件組成，系統(tǒng)組成框架如圖1所示。脫軌檢測(cè)傳感器負(fù)責(zé)感知軌道信息，并將檢測(cè)結(jié)果提供給脫軌檢測(cè)系統(tǒng)主機(jī)。系統(tǒng)主機(jī)根據(jù)脫軌檢測(cè)傳感器檢測(cè)的信號(hào)進(jìn)行綜合判斷，并將判斷結(jié)果提供給車(chē)輛，車(chē)輛將信息提供給車(chē)輛控制中心。

圖1 脫軌檢測(cè)系統(tǒng)組成

1.1 脫軌檢測(cè)傳感器

脫軌檢測(cè)傳感器為大檢測(cè)范圍的電渦流接近傳感器，實(shí)物如圖2所示，其自身產(chǎn)生電磁場(chǎng)，在被檢測(cè)的金屬物體內(nèi)部產(chǎn)生反作用電磁場(chǎng)的渦流，使傳感器內(nèi)部電流參數(shù)發(fā)生變化，因此識(shí)別出作為被檢測(cè)對(duì)象的鐵軌是否在檢測(cè)范圍，進(jìn)而控制傳感器輸出的信息。

圖2 脫軌檢測(cè)傳感器實(shí)物

作為大檢測(cè)范圍的脫軌檢測(cè)傳感器，其核心部分由三大部分組成：振蕩器、開(kāi)關(guān)電路及放大輸出電路。振蕩器的作用是產(chǎn)生一個(gè)高頻交變磁場(chǎng)。正常狀態(tài)下，鐵軌作為被檢測(cè)對(duì)象一直處在傳感器檢測(cè)范圍內(nèi)，在鐵軌與脫軌檢測(cè)傳感器正對(duì)的表面內(nèi)產(chǎn)生渦流，從而導(dǎo)致振蕩衰減，以至停振。振蕩器振蕩及停振的變化被后級(jí)放大電路處理并轉(zhuǎn)換成開(kāi)關(guān)信號(hào)，從而達(dá)到非接觸式脫軌檢測(cè)的目的。

1.2 脫軌檢測(cè)系統(tǒng)主機(jī)

脫軌檢測(cè)系統(tǒng)主機(jī)負(fù)責(zé)給脫軌檢測(cè)供電、收集脫軌檢測(cè)傳感器的信號(hào)并對(duì)信號(hào)進(jìn)行邏輯判斷。主機(jī)內(nèi)部集成通信模塊，可以通過(guò)該模塊將檢測(cè)結(jié)果傳輸給車(chē)輛。脫軌檢測(cè)系統(tǒng)主機(jī)外形圖如圖3所示。

圖3 脫軌檢測(cè)系統(tǒng)主機(jī)外形

脫軌檢測(cè)系統(tǒng)主機(jī)可根據(jù)車(chē)輛設(shè)備布置的需要安裝在車(chē)下；也可使用標(biāo)準(zhǔn)2U機(jī)箱，將其安裝在軌道列車(chē)車(chē)內(nèi)。脫軌檢測(cè)系統(tǒng)主機(jī)應(yīng)具有一定的防護(hù)能力，同時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足《軌道交通機(jī)車(chē)車(chē)輛設(shè)備沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)》（GB/T 21563—2018）對(duì)軌道車(chē)輛設(shè)備的沖擊振動(dòng)要求。

2 輪軌關(guān)系對(duì)脫軌檢測(cè)傳感器的要求

軌道車(chē)輛脫軌其根本力學(xué)機(jī)理是車(chē)輛運(yùn)行時(shí)橫向運(yùn)動(dòng)失穩(wěn)，造成車(chē)輛—軌道系統(tǒng)橫向振動(dòng)失穩(wěn)[3]，從而引起輪對(duì)脫離軌道而不復(fù)位，造成車(chē)輛脫軌事故。通常脫軌事故中，輪軌爬軌造成的脫軌次數(shù)最多，鐵路站內(nèi)脫軌事故也多為爬軌脫軌事故[4]，列車(chē)在小半徑曲線(xiàn)上低速脫軌的主要形式也是爬軌[5]。輪對(duì)發(fā)生爬軌，傳感器應(yīng)能及時(shí)感應(yīng)出輪對(duì)與軌道間相對(duì)位置發(fā)生距離變化，針對(duì)此狀態(tài)做出反應(yīng)；而正常的輪對(duì)運(yùn)動(dòng)造成的與軌道間偏移，傳感器的檢測(cè)范圍應(yīng)能正常地包含進(jìn)去。

脫軌檢測(cè)傳感器的垂向檢測(cè)范圍除包含車(chē)輛運(yùn)行造成的高低運(yùn)動(dòng)外，還應(yīng)包含車(chē)輛載重、輪緣磨耗等因素造成的垂向位移，傳感器的垂向檢測(cè)范圍至少距軌面60 mm；新車(chē)空車(chē)狀態(tài)下，傳感器下表面距軌面的高度距離在45～50 mm。

脫軌檢測(cè)傳感器的橫向檢測(cè)距離也應(yīng)包含輪對(duì)在軌道上正常橫向偏移、輪緣磨損、軌道磨損、輪軌間正常的偏差以及轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的扭轉(zhuǎn)等?；谏鲜鲆蛩氐目紤]，脫軌檢測(cè)傳感器既需要有足夠的垂向檢測(cè)范圍，也應(yīng)具有足夠的橫向檢測(cè)范圍，以滿(mǎn)足車(chē)輛構(gòu)架正常的橫向運(yùn)動(dòng)和垂向運(yùn)動(dòng)?；陔姕u流傳感器的特性，隨著檢測(cè)高度的增加，其橫向檢測(cè)距離也變小。當(dāng)輪緣完全爬到軌上時(shí)，在此種高度狀態(tài)下，輪對(duì)橫向力幾乎為零，脫軌系數(shù)已超限界值，車(chē)輛輪對(duì)處于即將完全脫離軌道的狀態(tài)。此時(shí)，輪對(duì)垂向高度位移和橫向偏移均已超出傳感器的檢測(cè)范圍，傳感器應(yīng)及時(shí)報(bào)出感應(yīng)信息。脫軌檢測(cè)傳感器橫向—垂向檢測(cè)范圍如圖4所示。

圖4 脫軌檢測(cè)傳感器橫向—垂向檢測(cè)范圍

3 脫軌檢測(cè)傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)布置

脫軌檢測(cè)傳感器結(jié)構(gòu)形式如圖5所示，采用雙探測(cè)磁芯的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，雙探測(cè)磁芯同時(shí)工作，僅當(dāng)兩個(gè)磁芯均檢測(cè)不到鋼軌時(shí)，傳感器才向系統(tǒng)主機(jī)提供檢測(cè)不到鋼軌信號(hào)。此種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)增加了傳感器的可靠性，能夠避免車(chē)輛通過(guò)道岔的有害空間而產(chǎn)生誤報(bào)信號(hào)的狀況。

圖5 脫軌檢測(cè)傳感器結(jié)構(gòu)形式

由于線(xiàn)路的原因以及車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)的復(fù)雜性，造成車(chē)輛脫軌的因素較多，但脫軌的結(jié)果毫無(wú)疑問(wèn)均為轉(zhuǎn)向架的輪對(duì)脫離軌道，因此脫軌檢測(cè)系統(tǒng)將一節(jié)車(chē)輛的單個(gè)轉(zhuǎn)向架視為一個(gè)檢測(cè)對(duì)象單元，每臺(tái)轉(zhuǎn)向架對(duì)角布置安裝兩個(gè)脫軌檢測(cè)傳感器[6]，也可以選擇根據(jù)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架端頭布置設(shè)備的需要，將傳感器布置在構(gòu)架同一端上，通常的布置方式如圖6所示。

圖6 脫軌檢測(cè)傳感器布置方式

4 脫軌檢測(cè)的邏輯判斷及輸出

在各類(lèi)鐵路交通事故中，脫軌事故因危害大、影響廣而備受關(guān)注，所以鐵路行業(yè)對(duì)這類(lèi)多發(fā)性事故十分重視[7]。因此，系統(tǒng)應(yīng)能真實(shí)判斷車(chē)輛在軌道上的狀態(tài)，而不能因脫軌檢測(cè)系統(tǒng)自身故障或其他原因而誤報(bào)脫軌信息。由于鐵路行業(yè)對(duì)脫軌事故的重視，即使是誤報(bào)脫軌，也會(huì)對(duì)車(chē)輛尤其是在無(wú)人駕駛車(chē)輛采取一定的檢查措施，從而影響到線(xiàn)路的正常運(yùn)營(yíng)。因此，系統(tǒng)采用單架雙傳感器的布置方式，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

脫軌檢測(cè)系統(tǒng)采取同架雙傳感器布置的方式，因此系統(tǒng)判定車(chē)輛的脫軌邏輯如表1所示。

表1 系統(tǒng)對(duì)脫軌狀態(tài)的邏輯判斷

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

在已經(jīng)正常載客運(yùn)行的某條線(xiàn)路中共有18個(gè)站點(diǎn)，線(xiàn)路總里程53 km，最小曲線(xiàn)半徑為R250 m，軌道超高120 mm。在此線(xiàn)路中進(jìn)行實(shí)車(chē)正常運(yùn)行驗(yàn)證，脫軌檢測(cè)系統(tǒng)沒(méi)有誤報(bào)出脫軌信息。

為配合車(chē)輛救援演練，使用復(fù)軌機(jī)移動(dòng)車(chē)輛單個(gè)轉(zhuǎn)向架脫離軌道，在抬升構(gòu)架高度后，剛移出軌道，系統(tǒng)就及時(shí)向車(chē)輛提供了脫軌信息，驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著無(wú)人駕駛技術(shù)的日趨成熟，無(wú)人駕駛列車(chē)在將來(lái)的軌道交通領(lǐng)域?qū)⒄紦?jù)越來(lái)越大的比例，脫軌檢測(cè)的技術(shù)應(yīng)用也必須滿(mǎn)足無(wú)人駕駛列車(chē)的需要。本文介紹的非接觸式脫軌檢測(cè)系統(tǒng)具有精確檢測(cè)、反應(yīng)及時(shí)的優(yōu)點(diǎn)，并從傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)構(gòu)成和邏輯判斷上提升了系統(tǒng)的可靠性，該系統(tǒng)在將來(lái)的無(wú)人駕駛列車(chē)中必然得到廣泛的應(yīng)用。