THDS-BS型、THDS-A型紅外線軸溫探測系統外探方位角調整方法優化

王超偉

（廣深鐵路股份有限公司，廣州 510450）

THDS-BS型、THDS-A型紅外線軸溫探測系統是目前鐵路貨物列車最常用的紅外線軸溫探測系統（以下簡稱THDS設備）。該系統采用“雙下探”的探測方式，即利用內外2個紅外掃描器（以下簡稱探頭）對軸承中心和外部溫度進行測溫［1］。

1 探頭方位角的標定與檢測

1.1 探頭方位角標定

由于THDS設備探頭位置有一定仰角和偏角，因此需要定期對探頭進行方位角標定以保證探測精度。標定時，首先在探頭上安裝激光器，再通過激光照射在長短2個校準靶上的光點位置來判斷探頭方位角是否準確，如圖1所示［2-3］。

圖1 方位角標定時校準靶位置

1.2 方位角檢測

為保證THDS設備測溫的準確性，根據鐵總運［2015］301號文件要求“鐵路局須定期利用紅外線軸溫探測設備動態檢測車對沿線各紅外軸溫探測設備進行檢測，原則上干線每2個月、支線每3個月一次”［4］。

紅外線軸溫探測設備動態檢測車（以下簡稱檢測車）上安裝有方位尺，其底部為發熱體，前部為玻璃鋼板制成的Z字窗口擋板。當探頭從方位尺窗口1、2、3或者1、4、3掃描通過時，探頭將探測到3個高溫。通過測量3個高溫出現的時間就能判斷地面THDS設備的探頭方位角是否準確［5］，如圖2所示。

圖2 方位尺與方位波形示意圖

2 問題與分析

探頭方位角的標定是通過固定校準架和校準靶來實現的，這種方式是建立在直行的鋼軌基礎上。而現實中部分THDS設備受地域限制安裝在彎道上，這就導致了該方式不能準確標定探測方位角。如何準確標定這些設備的方位角成為工作難點。

3 思路與對策

彎道影響的因素很多，主要有軌道曲率、軌面高度差、坡度以及軌距偏差等［6］。這些數據由各工務段各工區掌握，而且標準浮動大，很難獲知具體數值。鋼軌磨耗緩慢，在一定時間內彎道的參數變化不大，THDS設備安裝完成后其探頭探測路徑是穩定的。因此，可利用定期運行的檢測車數據，分析找出檢測波形與設備探頭探測角度之間的關系，從而實現方位角的精確標定。

3.1 檢測車波形分析

檢測車波形可以通過檢測車報文和復示站復示軟件查看，其波形如圖3所示。

圖3 紅外線檢測報告外探方位尺波形圖

由圖3可知方位尺波形的x軸被均分為31份，用于分別記錄方位尺各峰值出現的位置。根據檢測車評分標準，THDS設備探頭角度的準確性標準見表1［5］。

表1 THDS探測設備探頭角度評判標準

3.2 分析方位尺

方位尺為標準件，其尺寸和安裝位置固定。對其結構進行建模分析，如圖4所示。其中A、C分別代表Z字窗口擋板的垂直邊，B代表Z字窗口擋板的斜邊。

圖4 方位尺數據建模示意圖

假設探測線路為AC直線，則峰值分別出現在A、B、C 3處。其中AC的距離是固定的373 mm。因此，可將波形與實際方位尺相匹配，從而找到波形偏差對應的實際尺寸。

3.3 校準靶分析

校準靶與校準架也是標準件，其尺寸和位置如圖5所示。由于方位尺與鋼軌是通過輪對連接，因此在同一個檢測車時，探頭與方位尺的位置是基本固定的，此時可采用數據換算，通過波形偏差計算出校準靶上需要偏移的刻度，幫助現場一次性調整到位。

圖5 校準靶和校準架尺寸位置示意圖

3.4 偏差的分析

由于偏差的量無法通過測量獲知，因此可利用檢測車進行對比計算得出。即先按照標準方法進行標定，在檢測車檢測后，通過對比檢測數據與標準數據之間的差異計算出該探點準確的偏差。

3.5 對策綜述

經過分析，最終的對策如下：

（1）在標準狀態下進行數據建模，確定位置關系。

（2）利用2次檢測車的數據對比找出方位角偏差。

（3）用偏差修正標定標準，提高標定準確性。

4 實施方法

4.1 數據建模分析

根據檢測車的波形，將方位尺AC位置根據檢測報告1、3峰峰距進行等距分割。

設A、B峰距lAB為ε，B、C峰距lBC為θ，則

設x軸的單位距離為α，y軸的單位距離為β，如圖4所示，單位距離α為式（2）：

單位距離β為式（3）：

方位尺位置尺寸如圖6所示，由圖6可知，方位尺發熱體與軸承中心間的垂直距離為230 mm，Z字窗體擋板離軸承中心的垂直距離為255 mm。根據鐵路客車運用維修規程，客車輪對輪輞厚度≥25 mm，原型為65 mm［7］，故客車輪對直徑為835~915 mm。

圖6 方位尺位置尺寸示意圖

THDS設備探頭安裝在軌面下方，距離軌面約140 mm。對探頭方向光路進行簡化建模，如圖7所示。

圖7 外探光路數據建模示意圖

由圖5可知lHL=535+140=675（mm），分別對輪對尺寸的極限位置分布進行計算：

（1）由圖6可知，當輪徑為915 mm時，lJE=915÷2-230+140=367.5（mm）。

有式（4）：

（2）同理，當輪徑為835 mm時，lJE=835÷2-230+140=327.5 mm，有式（5）：

由上可知，當知道1、3峰峰距，即可計算出激光光點在校準靶的偏移量。

4.2 對ε，θ的數據分析

由于方位尺的長度是固定的，因此1、3峰峰距與車速有關系，通過對以往的檢測車數據進行分析，按照速度區間進行分區取峰距平均數見表2。

表2 速度外探峰距對應均值表

由此可見，ε+θ可取24計算。

由式（3）和式（4）可知式（6）：

根據評判標準，1、2峰間隔減1、3峰峰距的一半<2.5時為優秀，即為式（7）：

由公式（6）可知，當第2峰的位置不在（9.5，14.5）區間以內時，需要調整標定時后靶激光點位置。

由公式（7）可知，當第2峰移動1格時，長校準靶上移動量γ為9.84~11.22 mm。

由于校準靶刻度單位為4 mm，則需要移動2.4~2.8格。為了便于現場掌握，取其中值2.5格，即波形單位與校準靶單位換算比例為1∶2.5。

5 現場驗證與應用

5.1 京廣線飛來峽探測站驗證

飛來峽探測站處于彎道，維修人員根據經驗將左側校準靶光點向外偏移3.5格，如圖8所示。

圖8 飛來峽上行設備標定光點位置

2018年7月25日，檢測車對飛來峽上行THDS設備進行檢測后，其動檢波形情況如圖9所示。

圖9 2018年7月25日飛來峽上行探測站外探方位波形

對圖9分析發現，若采用標準的標定方法將光點移動到中心位置時，按照1∶2.5的比例，2峰的位置將前移動1.4格，即為16.6，此時1、2峰峰距ε為12.6，仍然在區間（9.5，14.5）內，屬于優秀標準，因此要求班組不用改變標定方法。

2018年9月17日，檢測車對飛來峽上行THDS設備再次進行檢測如圖10所示，發現此時2峰位置調整為16，與計算結果基本一致。

圖10 2018年9月17日飛來峽上行探測站外探方位波形

5.2 京廣線連江口探測站驗證

連江口探測站在彎道上，維修人員根據經驗將左右兩側校準靶光點向外偏移3.5格，如圖11所示。

圖11 連江口上行探測站光點位置

2018年7月25日，檢測車對連江口上行THDS設備進行檢測后，其動檢波形情況如圖12所示。

圖12 2018年7月25日連江口上行探測站外探方位波形

按照上述分析，若采用標準的標定方法將光點移動到中心位置時，按照1∶2.5的比例，左側2峰的位置將后移動1.4格，即為17.4，此時峰距ε=13.6，仍然在區間（9.5，14.5）內，屬于優秀標準。同理，右側2峰的位置將后移動1.4格，即為15.4，此時1、2峰峰距ε=11.4，仍然在區間（9.5，14.5）內，屬于優秀標準。

因此要求班組不用改變標定方法。2018年9月17日檢測車對連江口上行探測站進行檢測，外探方位波形如圖13所示，左側2峰位置調整為18，右側2峰位置為16，與實際計算效果一致。

圖13 2018年9月17日連江口上行探測站外探方位波形

6 結語

雖然鐵路線路的實際情況非常復雜，但是通過借助定期固定穩定運行的檢測車，分析外探波形圖中1、2、3峰位置，并按照1∶2.5的比例調整光點位置，實現2峰位置的改變，能快速準確地調整好外探方位角，提高設備測溫精度。此方法推廣開后，大幅減少了維修人員調整方位角的難度，得到了維修人員的肯定與認可。