紅外線探測彎道軸溫不準的原因分析及解決方案

俞成成 上海鐵路局杭州北車輛段

隨著鐵路現代化建設的飛速發展，對鐵路運輸的安全工作提出了新的、更高的要求。在鐵路運輸提速、重載的新形勢下，充分發揮紅外線軸溫探測系統這一現代化的車輛安全保障設施的作用，及時、有效地發現車輛熱軸，防止熱切軸事故的發生，對保證列車的行車安全，提高運輸效益起著重要作用。為進一步適應這一形勢，滿足鐵路安全生產的需要，大力推進車輛安全監測技術的現代化步伐，我們應全面加強和規范紅外線軸溫探測系統的管理檢修運用工作。這就對我們紅外線維護人員提出了更高的標準和要求，在日常的維護和檢修中，不僅要保證設備的正常運行不出故障，同時還要保證紅外線軸溫探測系統的測溫精度。

1 測溫不準的原因

按照紅外線軸溫探測系統設備供應商的要求和《紅規》中的相關規定，紅外線軸溫探測系統的設備應安裝在線路的直道上面。然而在我們的現場工作中，由于地形等自然環境的影響，在有些編組站的區間內彎道眾多，很難找到符合要求的直道來安裝設備，只能安裝在某些彎道上面。但是在彎道上面，由于受離心力、外軌超高、鋼軌磨耗、彎道弧度等因素的影響，列車輪對在彎道運行時會產生向彎道外側偏移的現象。這時，紅外線軸溫探測系統會受偏移現象的影響而影響探頭的探測方位和探測角度，從而產生測溫不準的問題。

2 解決方案

長期以來，紅外線的檢修人員在檢修彎道設備過程中，一直找不到一個準確的探測方位來保證系統的測溫精度，只能憑著維修經驗和檢測車通過時的情況來大致估量一下探頭應該偏移的角度，不能定量地找出準確的偏移量，從而更準確地確定探頭的方位。在一些大的彎道上面，由于受到的離心力較大，列車運行產生的輪對偏移量也較大，如果不能找到正確的探測方位，就會產生較大的測溫誤差，只能通過更改探頭的系數和高低溫端的測溫補償來校正，這樣一來，我們得到的數據就會是一個虛擬溫度，而并不是軸承的真正溫度。因此，有必要通過動力學和幾何運算來得到一個相對準確的輪對偏移量，確定探頭探照采樣時起始點的位置，然后再通過測檢車得到的16列波形的數據判斷探頭的偏航角情況，從而最終確定紅外線探頭的探測方位。一般情況下，康拓三型機內探為低靶中心、高靶中心，外探為低靶中心、高靶內偏三格。由于各個探點情況不同，所以還要根據實際情況做相應的調整。

3 紅外線軸溫探測系統的探頭采樣情況

鐵路沿線目前采用的各種紅外線設備的探頭大都和軌面成45°的仰角，偏航角大致有兩種情況，其中包括內探和外探。在外探情況下探頭的偏角大約為6°左右，內探時探頭偏角一般為0°。現在區間探測一般為內探方式，列檢所、編組站內探測則采用外探方式（如圖1所示）。由于外探情況下探照點偏外，探測車輛軸箱時探照點掃描線從滾動軸承外圈外側端開始掃描，在列車的運行過程中，由于軸承的滾動和探測角度向輪對一側偏，將在軸承上形成一條環繞軸承表面的螺旋線（如圖2所示），所以外探時探頭的方位就顯得尤為重要。因為探頭的偏角是一個固定值，在軸承上的探照點的位置一定要比較準確，偏外則探頭采集到的探照點數據不夠，偏內采集的數據也不夠真實，我們以下討論探照點的偏移量主要是以外探情況為主要研究對象，內探的情況則是類似于外探。

紅外線軸溫探測系統探頭掃描到軸箱的時候，通過調制器來采集樣點。設列車的最高速度為360km/h，即100m/s，設軸箱直徑為250mm，探頭探測角度α為45°，則探頭掃描軸箱的時間為：

根據紅外線探測的經驗，軸箱波形的采樣至少為12個點，因此其調制采樣頻率為

通常情況下我們取調制頻率為3.25kHz。

圖1 外探和內探時的探頭位置示意圖

圖2 探頭掃描軸箱形成的螺旋示意圖

4 列車彎道運行時軸箱的偏移量計算

列車在彎道上運行時，引起軸箱偏移的原因主要有四個，向心力引起的橫向蠕滑，外軌超高引起車體傾斜產生的負向偏移量，彎道弧度引起的偏移量，外軌磨耗產生的偏移量。在運算過程中，由于彎道弧度引起的偏移量非常微小，這里做簡化運算，忽略不計，所以其余三者引起的偏移量的和就是彎道上軸箱產生的總的偏移量。

4.1 由外軌超高引起的軸箱偏移

軌道和機車車輛的輪對，分別是近于剛體的構筑物和近于剛體的機械裝置。為了保證機車車輛通過曲線時保持平衡，必須將軌道的外側鋼軌設置適當的超高，通過列車車體的傾斜而得到的重力水平分力與其慣性力(離心力)相平衡。通過力學計算，當超高h=11.8V2/R時，軌道內、外側鋼軌所受壓力相等，其中的V取彎道區間內通過列車的平均速度。由于超高的設置，列車在彎道運行時車軸會產生一定角度的傾斜，這種傾斜會引起軸箱向內側偏移，進而產生負向的偏移量，如圖3所示。

圖3 超高傾斜引起的偏移示意圖

圖中h為彎道設置的超高量，ΔS為軸箱傾斜引起的偏移量。鐵路貨運列車目前的主流車軸為RD2型車軸，查詢《鐵路貨車輪軸組裝檢修及管理規則》可知車軸的各項尺寸如圖4所示，可以算出：

ΔS1為外側的偏移量，ΔS2為內側偏移量。

圖4 滾動軸承車軸型式和基本尺寸

4.2 由彎道向心力引起的軸箱偏移量

列車在彎道上行駛的時候，受三個力的作用（忽略摩擦力），分別是重力，軌道對列車的支持力和離心力。受力情況如圖5所示：

圖5 彎道上行駛列車的整體受力圖

綜上，我們只要計算出直道上列車輪緣和鋼軌內側的游間δ的大小，就能夠確定彎道上有向心力引起的橫向偏移量的大小，向外側為正，向內側就取負值。圖6所示為輪對和鋼軌內側產生游間δ的示意圖，其中d為輪緣厚度，L1為輪對內側距，L則為鋼軌內側距，所以就有輪緣和鋼軌內側的游間δ為：

查詢有關《鐵路貨車輪軸組裝檢修及管理規則》，可得以上公式中各種變量的值，L1=1353mm；d取原型和長修限度下的平均值；鋼軌內側距為L=1435，所以

圖6 輪對和鋼軌內側產生游間δ的示意圖

4.3 因外軌磨耗產生的偏移量

前文說到列車在彎道上行駛的過程中，由于離心力的作用輪對會產生向彎道外側偏移的現象，所以就會對外側鋼軌產生磨耗。對于既有線上的大彎道而言，這種磨耗有的時候會相當嚴重。磨耗的產生會使列車輪對向彎道外側偏移，進而產生因外軌磨耗產生的偏移量，在這里稱之為δ'。這種偏移量因線路狀況而不同，對于這種額外產生的偏移量，我們在做日常維護的時候可以注意其每個月不同的變化量，在做月檢的對探頭方位的時候把這個偏移量考慮進去。

4.4 軸箱總偏移量的計算

綜上所述，列車產生軸箱偏移的原因有三個，每個原因產生的偏移量都能測量或者計算出來，總的偏移量也就是以上三者之和，所以就能得到總偏移的公式：

外側偏移量為：

內側偏移量為：

以上兩式中的各種參數前文中都有明確的解釋，具體的數值在《鐵路貨車輪軸組裝檢修及管理規則》中可以查詢到，所以在已知彎道半徑的大小和通過彎道的列車平均速度時，以上兩式中的偏移量大小都可以算出來。

5 結束語

本文提出如何解決紅外線軸溫探測系統彎道上測溫不準的問題，主要通過對探測方位的研究，分析了造成彎道上探測方位不準的原因，即主要是由于列車的軸箱發生了偏移。并且進一步深入探討造成軸箱產生偏移的各種原因，對每個因素都進行了定量的分析，從而最終推出了軸箱偏移量的計算公式。

在紅外線的日常維護中，對探測方位的校正是通過激光瞄準器和對光架來確定探頭方位的。在外探時，激光通常打在低靶的中心位置，打在高靶片內三格的位置；內探時，激光都是打在低靶和高靶的中心位置，以上都是直道上紅外線軸溫探測系統的探測方位的情況。在彎道上校正探測方位的時候，通常高靶上的一格大約等于2.5mm，所以通過本文推導出來的公式先算出軸箱的偏移量，在直道高靶激光點的基礎上確定彎道上高靶激光點的位置，再由比例關系就可得到低靶激光點的位置，從而最終確定探頭的探測方位。

本文在分析造成軸箱偏移原因的時候，忽略了因彎道弧度產生的偏移量，相對于鐵路彎道上百米的半徑而言，這種偏移量很小，在誤差范圍內可以忽略不計。