基于車輛運(yùn)行安全監(jiān)控系統(tǒng)預(yù)報(bào)車輛抱閘故障的分析與探討

俞成成 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司杭州北車輛段

1 問(wèn)題提出

鐵路貨車運(yùn)行安全監(jiān)控系統(tǒng)主要包含車輛軸溫智能探測(cè)系統(tǒng)（THDS）、貨車故障軌旁圖像檢測(cè)系統(tǒng)（TFDS）、鐵道車輛運(yùn)行品質(zhì)軌旁動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（TPDS）、鐵道車輛滾動(dòng)軸承故障軌旁聲學(xué)診斷系統(tǒng)（TADS）和貨車輪對(duì)尺寸動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（TWDS），是利用智能化、網(wǎng)絡(luò)化和信息化技術(shù)，對(duì)貨車車輛運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，綜合分析判斷貨車運(yùn)行故障和安全隱患的技術(shù)裝備，為車輛運(yùn)行安全提供了重要的設(shè)備保障。

《鐵路車輛安全管理規(guī)則》指出貨車的行車安全防范重點(diǎn)應(yīng)突出“防冷熱切軸、防部件斷裂、防配件脫落、防車脫軌、防列車分離、防制動(dòng)放飏和防制動(dòng)抱閘”，簡(jiǎn)稱“貨車七防”。隨著鐵路裝備技術(shù)的不斷發(fā)展，貨車運(yùn)行安全監(jiān)控系統(tǒng)為保證貨車運(yùn)行安全和運(yùn)輸秩序提供了強(qiáng)有力的保障，發(fā)揮了重要作用。如“防冷熱切軸”有THDS 和TADS 系統(tǒng)提供設(shè)備保障，“防部件斷裂”、“防配件脫落”和“防列車分離”有 TFDS 系統(tǒng)提供設(shè)備保障，“防車輛脫軌”有TPDS 系統(tǒng)和TWDS 系統(tǒng)提供設(shè)備保障。然而“防制動(dòng)抱閘”這個(gè)危害貨車運(yùn)行安全的首要防范重點(diǎn)卻沒(méi)有安全監(jiān)控系統(tǒng)提供直接的設(shè)備保障。因此如何利用既有監(jiān)控設(shè)備來(lái)預(yù)報(bào)車輛抱閘，是亟須解決的問(wèn)題。

2 THDS系統(tǒng)預(yù)報(bào)車輛抱閘故障

2.1 THDS系統(tǒng)的工作原理

THDS 系統(tǒng)是利用物體產(chǎn)生紅外輻射原理，通過(guò)設(shè)在軌邊的紅外探測(cè)器，檢測(cè)車輛運(yùn)行中軸承發(fā)出的紅外輻射能量大小，實(shí)現(xiàn)車輛軸溫的測(cè)量。通過(guò)檢測(cè)軸承溫度突變，來(lái)發(fā)現(xiàn)軸承故障，防止貨車熱切軸。

2.2 THDS系統(tǒng)預(yù)報(bào)車輛抱閘故障分析

在THDS系統(tǒng)預(yù)報(bào)的熱軸中我們發(fā)現(xiàn)，有些預(yù)報(bào)的車輛，分解軸承并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)故障，經(jīng)分析，是由于車輛抱閘引起的車輪踏面溫度迅速上升后輻射到紅外探測(cè)器上，導(dǎo)致探測(cè)的軸承溫度升高。這種軸溫有明顯的特征：

（1）輛軸溫或者同一轉(zhuǎn)向架軸溫明顯高于全列軸溫，并且軸溫為全列軸溫的前幾大值。連續(xù)跟蹤前方幾個(gè)探測(cè)站的軸溫?cái)?shù)據(jù)，都在前幾大值中。這是由于車輛發(fā)生抱閘，會(huì)造成輛或一個(gè)轉(zhuǎn)向架的閘瓦與車輪踏面接觸，產(chǎn)生摩擦熱。例如：2019 年 09 月 27 日，局管內(nèi)滬昆線喬上上行 THDS 探測(cè)站預(yù)報(bào)36906 次機(jī)后24 位左4 溫升最大值，且八個(gè)軸位溫度都比較高，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查確認(rèn)該車人力制動(dòng)機(jī)緊固，為抱閘車輛見(jiàn)圖1。

圖1 抱閘車輛全列軸溫對(duì)比

2019年11月23 日，上海局管內(nèi)宣杭線喬發(fā)宣下行THDS探測(cè)站預(yù)報(bào)49017次列車機(jī)后9位左4溫升最大值，且八個(gè)軸位溫度都比較高，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查確認(rèn)該車人力制動(dòng)機(jī)緊固，為抱閘車輛。

（2）THDS 系統(tǒng)軸承溫度采集過(guò)程：由車輪觸發(fā)3 號(hào)磁鋼信號(hào)后，開(kāi)始采集，采集長(zhǎng)度固定，探頭起初掃描車底架，之后掃描到軸承形成波形上升沿，當(dāng)軸承完全進(jìn)入探頭視場(chǎng)后，形成波形平頂部分，再?gòu)妮S承掃描到車底架形成波形的下降沿，最后掃描到車底架，探測(cè)32 點(diǎn)波形見(jiàn)圖2。正常的軸承溫度波形是光滑的，將抱閘車輛的軸溫預(yù)報(bào)波形與正常的軸溫預(yù)報(bào)波形作對(duì)比，可以看出，當(dāng)車輛發(fā)生輕微抱閘時(shí)，其預(yù)報(bào)的軸溫波形和正常波形差別不大。但是當(dāng)車輛發(fā)生嚴(yán)重抱閘時(shí)，其波形則會(huì)呈現(xiàn)起點(diǎn)抬起和波形波動(dòng)性加大等特征，表現(xiàn)為多出現(xiàn)峰尖、拐點(diǎn)、凹凸，波形無(wú)平滑過(guò)渡、離散等現(xiàn)象，見(jiàn)圖3、圖4。

2.3 THDS系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)車輛抱閘故障作用

通過(guò)分析可以看出，THDS 系統(tǒng)預(yù)報(bào)的兩側(cè)軸承溫升最大值和抱閘軸溫的異常波形對(duì)列檢現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)車輛抱閘故障有很大的指導(dǎo)幫助。雖然2018 年中國(guó)鐵路總公司新印發(fā)的《鐵路貨車運(yùn)用維修規(guī)程》取消了列檢作業(yè)場(chǎng)的溫升最大值預(yù)報(bào)要求，但“溫升最大值”在發(fā)現(xiàn)車輛抱閘故障這方面還是有一定作用的。列檢作業(yè)場(chǎng)可以將“溫升最大值”的預(yù)報(bào)作為防車輛抱閘的一項(xiàng)重要措施，要求當(dāng)?shù)竭_(dá)或中轉(zhuǎn)列車進(jìn)入列檢作業(yè)場(chǎng)時(shí)，列檢值班員必須通過(guò)查看THDS 系統(tǒng)將該列車的軸承溫升最大值預(yù)報(bào)給現(xiàn)場(chǎng)檢車員，要求現(xiàn)場(chǎng)檢車員對(duì)該車的基礎(chǔ)制動(dòng)系統(tǒng)和空氣制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行重點(diǎn)的檢查，以提高車輛抱閘故障的發(fā)現(xiàn)率。同時(shí)對(duì)該輛車的其它軸承溫升對(duì)比和軸溫波形進(jìn)行分析，如果是類似抱閘的異常波形，也可以將這個(gè)信息預(yù)報(bào)給現(xiàn)場(chǎng)檢車員，以引起現(xiàn)場(chǎng)檢車員的足夠重視。通過(guò)這一舉措的實(shí)施，杭州北車輛段喬司運(yùn)用車間2019 年至2020 年上半年共計(jì)發(fā)現(xiàn)車輛抱閘故障22件，其中人力制動(dòng)機(jī)緊固17 件、基礎(chǔ)制動(dòng)杠桿別勁2 件、人力制動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸脫出1件、閘調(diào)器故障1件、制動(dòng)機(jī)故障1件。

3 TFDS系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)車輛抱閘故障

3.1 TFDS系統(tǒng)的工作原理

TFDS 系統(tǒng)是利用軌邊高速攝像頭，對(duì)運(yùn)行貨車進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)貨車運(yùn)行故障的安全監(jiān)控設(shè)備。其主要檢測(cè)貨車車輛的走行部、制動(dòng)梁、懸吊件、枕簧、大部件、鉤緩等安全關(guān)鍵部位，重點(diǎn)防范制動(dòng)梁脫落事故，防范搖枕、側(cè)架、鉤緩大部件裂損、折斷，防范枕簧丟失和竄出等危及行車安全的隱患，其多數(shù)時(shí)候并不能直觀的檢查出車輛抱閘故障。

3.2 TFDS系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)車輛抱閘故障分析

TFDS 系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，動(dòng)態(tài)檢車員通過(guò)對(duì)人力制動(dòng)機(jī)、閘缸鏈、閘瓦等部件的重點(diǎn)檢查，可以發(fā)現(xiàn)一些疑似抱閘的故障跡象見(jiàn)圖5。

圖5 TFDS發(fā)現(xiàn)抱閘故障實(shí)例

TFDS動(dòng)態(tài)檢車發(fā)現(xiàn)車輛抱閘的具體方法：

（1）看閘瓦與踏面的狀態(tài)。抱閘車輛轉(zhuǎn)向架的各閘瓦一般都會(huì)與踏面密貼，并且各閘瓦與踏面之間都有比較明顯的閘瓦熔渣，車輪踏面上還會(huì)伴有一定的粘堆現(xiàn)象。

（2）看各基礎(chǔ)制動(dòng)部件狀態(tài)。一是看人力制動(dòng)機(jī)鏈條是否處于拉直狀態(tài)，呈明顯的“銳角”型；二是看閘缸鏈?zhǔn)欠裉幱诶睜顟B(tài)，制動(dòng)缸前杠桿與制動(dòng)缸活塞推桿夾角是否有明顯的角度變化，是否呈直角或鈍角；三是看人力制動(dòng)機(jī)拉桿與托架間的距離關(guān)系，正常情況下人力制動(dòng)機(jī)拉桿軸端鏈條滑輪與托架之間的距離較小，距離異常過(guò)大則有抱閘可能。

（3）看制動(dòng)缸鞲鞴?fàn)顟B(tài)。這一條不太好判別，因TFDS 探測(cè)站的選址問(wèn)題，很多列車通過(guò)探測(cè)時(shí)都會(huì)進(jìn)行制動(dòng)調(diào)速，但如果整列車制動(dòng)缸鞲鞴都處于緩解狀態(tài)，只有極個(gè)別車輛制動(dòng)缸鞲鞴處于制動(dòng)狀態(tài)，那一定是抱閘車輛。

4 TFDS和THDS系統(tǒng)聯(lián)合檢查發(fā)現(xiàn)抱閘故障

在日常的TFDS 動(dòng)態(tài)檢車過(guò)程中可以通過(guò)TFDS 和THDS系統(tǒng)的聯(lián)合檢查進(jìn)一步提高動(dòng)態(tài)檢車中抱閘故障的發(fā)現(xiàn)率。比如可以引入TFDS 動(dòng)態(tài)班組長(zhǎng)THDS 預(yù)報(bào)情況的質(zhì)量復(fù)查機(jī)制，要求TFDS動(dòng)態(tài)班組長(zhǎng)必須通過(guò)本地THDS復(fù)示探測(cè)站查看當(dāng)班所有到達(dá)或中轉(zhuǎn)列車的軸承溫升最大值預(yù)報(bào)情況，當(dāng)本地預(yù)報(bào)作業(yè)列車的左右側(cè)軸承溫升最大值為同一車輛時(shí)，必須對(duì)該輛車的閘瓦與踏面狀態(tài)、基礎(chǔ)制動(dòng)狀態(tài)和制動(dòng)缸鞲鞴?fàn)顟B(tài)進(jìn)行全面復(fù)核，以進(jìn)一步提高動(dòng)態(tài)檢車中抱閘故障的發(fā)現(xiàn)率。杭州北車輛段喬司運(yùn)用車間自2019 年7 月引入這一復(fù)核機(jī)制以來(lái)，截至2020 年6 月TFDS 動(dòng)態(tài)檢車共計(jì)發(fā)現(xiàn)車輛抱閘故障8件，充分發(fā)揮了TFDS系統(tǒng)在防車輛抱閘中的作用。

5 熱輪探測(cè)技術(shù)預(yù)報(bào)車輛抱閘故障

由于THDS 系統(tǒng)畢竟不是專門針對(duì)車輛抱閘的設(shè)備，受自然環(huán)境、線路條件、運(yùn)輸組織等各種條件的影響和限制，其疑似抱閘預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率還比較低。紅外熱輪探測(cè)裝置是建立在THDS 探測(cè)系統(tǒng)的平臺(tái)上，利用紅外測(cè)溫技術(shù)來(lái)探測(cè)列車車輪的溫度見(jiàn)圖6。根據(jù)溫度分一級(jí)、二級(jí)兩個(gè)等級(jí)對(duì)抱閘車輛進(jìn)行報(bào)警預(yù)報(bào)，進(jìn)而識(shí)別抱閘故障車輛，實(shí)現(xiàn)貨車制動(dòng)抱閘實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖6 熱輪探測(cè)裝置系統(tǒng)構(gòu)成

相比于THDS 系統(tǒng)的疑似抱閘預(yù)報(bào)功能，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）準(zhǔn)確預(yù)報(bào)熱輪。對(duì)異常制動(dòng)（手閘未放、輕出閘等）引起的熱輪準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，保障車輛的安全運(yùn)行。

（2）減少由于抱閘引起的熱軸誤報(bào)。利用熱輪探測(cè)數(shù)據(jù)的綜合分析，過(guò)濾因抱閘引起的熱軸誤報(bào)，大大提高熱軸預(yù)報(bào)兌現(xiàn)率。

（3）減少區(qū)間誤攔誤停。通過(guò)精確的輪溫探測(cè)，可使調(diào)度、維護(hù)等部門及時(shí)了解車輛運(yùn)行情況，避免區(qū)間的誤攔，保障列車運(yùn)行的暢通。

（4）準(zhǔn)確得出冷輪所在位置預(yù)報(bào)。可確定制動(dòng)不良或關(guān)門車的車輛。

（5）通過(guò)冷輪預(yù)報(bào)，可有效防止長(zhǎng)大列車因關(guān)門或異常故障引起的制動(dòng)力不足而引發(fā)的事故，更好的保證行車安全。

6 車輛抱閘故障攔停建議

目前貨車車輛制動(dòng)抱閘故障的途中安全信息主要通過(guò)車站外勤值班員或列車司機(jī)發(fā)現(xiàn)有冒火星、車輪發(fā)紅、車輪異響等，其中冒火星占絕大多數(shù)。但由于造成車輪冒火星的因素有很多，如車輛通過(guò)道岔、制動(dòng)調(diào)速、零星熔渣等都會(huì)造成車輪冒火星，因此極易造成抱閘故障信息誤報(bào)。2019年杭州北車輛段管內(nèi)途中制動(dòng)抱閘的安全信息共計(jì)46件，其中冒火花34 件，司機(jī)會(huì)同車站檢查無(wú)異常放行22 件。誤報(bào)給運(yùn)輸組織造成了干擾，同時(shí)也讓車輛部門在安全管控上極為被動(dòng)。因此提出抱閘故障攔停機(jī)制建議：

（1）進(jìn)一步完善THDS 系統(tǒng)疑似抱閘預(yù)報(bào)模型和增加紅外熱輪探測(cè)裝置，通過(guò)安全監(jiān)控設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛運(yùn)行抱閘故障的實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)。

（2）充分發(fā)揮集團(tuán)公司紅外線調(diào)度員的作用，建立干預(yù)機(jī)制。在車站外勤值班員預(yù)報(bào)冒火星時(shí)，可以將信息報(bào)給紅外線調(diào)度員，由紅外線調(diào)度員根據(jù)車輛軸溫進(jìn)行分析，如果預(yù)報(bào)車輛符合抱閘車輛軸溫特征，則前方站攔停檢查，如不符合則可以運(yùn)行至下一列檢作業(yè)場(chǎng)檢查。這樣會(huì)大大減少抱閘故障誤報(bào)，減少對(duì)運(yùn)輸?shù)母蓴_。