轉向架防脫軌檢測裝置技術方案研究

(中車株洲電力機車有限公司產品研發中心，湖南 株洲 412001)

1 概述

隨著近年來信息技術的發展無人駕駛技術研究方興未艾，列車防脫軌檢測裝置是無人駕駛列車的一項重要配置，其系統性能決定了車輛運行的安全性和可靠性，對于減少列車脫軌損失具有重要意義。

2 防脫軌檢測裝置布置

列車脫軌必然是轉向架上的輪對脫離軌道，列車脫軌可能發生在任何轉向架，故要求所有轉向架均需安裝防脫軌檢測裝置，最好的布置方案是所有車輪側均布置防脫軌檢測裝置。但是，防脫軌檢測裝置現階段高昂的價格，阻礙了防脫軌檢測裝置普及和應用。此外、輪對之間屬于剛性連接，當一側車輪脫軌時另一側車輪也必將脫軌。所以基于應用可靠性和安全性之間的平衡，防脫軌檢測裝置一般在轉向架上成對角線安裝，保證每一軸均能有效檢測到列車脫軌。

3 防脫軌檢測裝置的結構型式

3.1 接觸式防脫軌檢測裝置

接觸式防脫軌檢測裝置主要由脫軌檢測主機、脫軌檢測電氣盒、脫軌檢測傳感器總成及其附件組成。脫軌檢測傳感器總成為系統的傳感檢測執行器件，安裝在車輛轉向架上，當車輛發生脫軌時傳感器檢測梁脫軌碰撞梁下降碰撞到鐵軌，垂向力大于彈簧力，碰撞梁與支架距離壓縮，傳感器檢測到接近信號觸發脫軌報警。傳感器檢測到信號發生給脫軌檢測電器盒，如圖1所示。

脫軌檢測電器盒通過航空插頭和電纜連接到列車2個脫軌檢測傳感器總成，收集各個傳感器的報警信息后，并通過1根脫軌信號線和1條通信電纜把報警信息傳給脫軌檢測主機。脫軌檢測主機安裝于車輛內部電氣柜，其與脫軌檢測電器盒通訊，獲取狀態和故障信息，通過一組常閉觸點串聯到列車的緊急制動環路內；主機內部設置通訊模塊，實現與車輛網絡通信，傳遞狀態和故障信息給車輛和列車控制中心進行聲光報警提示。

圖1 脫軌傳感器總成

3.2 非接觸式防脫軌檢測裝置

非接觸式脫軌檢測裝置主要由脫軌檢測主機、脫軌檢測前置單元和脫軌檢測探測器三部分組成。列車每臺轉向架對角安裝2個脫軌檢測探測器(如圖2所示)，負責列車脫軌檢測。每個脫軌檢測探測器內部配備2個感應式接近傳感器，時刻監測列車運行下前方鐵軌，2個傳感器互為冗余降低誤觸發幾率。與此同時，列車必須經過道岔等無軌區域，電感應式脫軌檢測裝置必須采用縱向雙傳感器布置，增加縱向探測距離，防止列車通過道岔等小距離無軌區時列車誤報脫軌故障。列車一旦出現脫軌，脫軌檢測裝置將脫軌信號送給車上脫軌檢測前置單元。

脫軌檢測前置單元和脫軌檢測主機安裝于車體內部，1個脫軌檢測前置單元對應接收1臺轉向架上兩個脫軌檢測裝置的脫軌信號。再將收集的脫軌信息、設備信息等數據通過CAN通信上傳給車上脫軌檢測主機。如脫軌檢測主機接收到脫軌信號，判斷為列車脫軌，觸發列車緊急制動。每列車安裝共2臺脫軌檢測主機，結構形式上采用標準1U機箱，分別安裝在列車兩頭司機室中。脫軌檢測主機負責障礙物檢測部分和脫軌檢測部分的信號收集、邏輯處理等工作，同時將相關信息處理后發送給列車TCMS及ATC。

圖2 脫軌檢測探測器

感應式脫軌檢測裝置雖具有準確度高、方便維護的特點。但是感應式傳感器有效探測高度一般不大于20 mm，限制脫軌檢測裝置的安裝位置。為避免車輛沉浮運動使得傳感器與鐵軌磕碰，探測器的必須安裝轉向架簧下部件，巨大的輪軌沖擊振動使探測器需經受列車最惡劣工況的挑戰。

3.3 振動式防脫軌檢測裝置

振動式脫軌檢測是近年來發展起來的新型防脫軌檢測技術，其具有結構簡單、維護成本低的優點。其主要有脫軌檢測傳感器模塊和脫軌檢測控制單元這兩部分組成。脫軌檢測控制單元是防脫軌檢測裝置的主控制板，列車內的所有脫軌檢測控制單元均通過列車線相連。振動式脫軌檢測的傳感器模塊安裝在列車的車輪或齒輪箱大齒輪軸上，測量輪軸X向和Z向加速度信號，以次計算列車的脫軌系數。其工作邏輯如圖3所示。

圖3 振動式脫軌檢測裝置邏輯判斷圖

防脫軌檢測裝置檢測到列車脫軌或存在極大的列車脫軌風險，則脫軌檢測裝置控制單元會立即向TCMS發送“檢測到脫軌”信號，然后中斷緊急安全回路對整個列車啟動緊急制動。如果該防脫軌檢測裝置發生故障，則可以將每個脫軌檢測控制單元與列車應急安全隔離回路旁路。此外，脫軌檢測的旁路功能也可以由駕駛員在駕駛室上手動操作，將防脫軌檢測裝置啟用停止檢測功能。

4 防脫軌檢測裝置的電氣與信號系統

電氣系統主要起到信號傳輸與處理的作用，目前列車防脫軌檢測裝置電氣系統大都采用總線控制方式，所有傳感器信號經過主機的處理送入列車TCMS、EB回路，并與列車車輛MVB、維護以太網相連接，其主電路圖如圖4所示。

圖4 脫軌檢測裝置主電路圖

自動無人駕駛系統比有人駕駛系統具有更多的冗余和備用方式，防脫軌檢測裝置也不例外，探測器、信號傳輸與控制均使用雙路控制。在故障情況下，系統可以在冗余設備之間自由切換，而完全不影響信號系統對列車的安全控制。

5 結語

本文主要介紹了當前主流應用列車脫軌檢測裝置的安裝原則、結構型式、工作原理、功能實現方式，為城市軌道交通防脫軌檢測裝置的選型與設計提供依據。隨著無人駕駛技術的發展，對車輛和乘客的安全要求將會越來越嚴苛，自動化輔助產品的可靠性也必將隨之提升，防脫軌檢測裝置的設計選型顯得尤為重要。目前，防脫軌檢測裝置已經在上海地鐵、香港地鐵等城市的地鐵系統應用。