车辆轴温智能探测系统的原理及应用

2011-06-19上海铁路局车辆处

上海铁道增刊 2011年2期

陈冬上海铁路局车辆处

1 高速铁路发展概况

1964年10月，世界上诞生了第一条高速铁路—日本东海道新干线(东京~新大阪)，该线最高速度为210 km/h。2007年04月，法国TGV在巴黎~斯特拉斯堡东线铁路上创造了574.8 km/h世界铁路最高试验速度的记录，改变了人们对轮轨系统牵引工具最高速度限制的传统概念。

我国铁路为了适应运输市场的需求，从1997年至2007年04月18日，掀起了6次大规模的提速热潮，越来越多的线路区段从时速不足100 km逐步提高到 120 km、160 km、200 km，京沪、京广、京哈、胶济线部分区段还达到了250 km；第六次大提速后，客运能力增加了18%；货运能力增加了12%。2008年08月开通的京津城际铁路时速更是达到了350 km，成为我国高铁发展的里程碑，为后续的高铁建设提供了样本和技术标准。

2 THDS原理及系统介绍

随着铁路运输向高速、重载方向发展，铁路运输安全压力日益增大，传统的以人工、静态检查为主的铁道车辆安全保障模式无法确保运输安全。在以路网的快速扩充和装备现代化为主线，同时采取全面提高铁路货车运行速度、实现长交路运行、开行长大重载列车等环境下，针对铁路货车安全关键因素，我国采用力学、声学、光学、电子、红外线等监测技术，建立了全路性智能化、网络化车辆运行安全监控系统（5T系统），对运行列车进行动态检测，确保行车安全。

车辆轴温智能探测系统（THDS），也称为“红外线轴温探测系统”，作为车辆运行安全监控系统（5T）的重要组成部分，是探测铁路货车轴承温度，保障行车安全的重要设施。它是利用物体产生红外线辐射，且辐射能量与物体温度成正比的原理，在铁路货物列车正常运行的状态下，实时地对每辆货车的每个轴承温度进行非接触式采集的系统。当货物列车通过红外线轴温探测站时，设备对其进行计轴、测轴距、采集轴承温度和读取车号，自动实现计轴、计辆、车号确定辆序和热轴预报。根据已经掌握的轴温规律和既定的热轴判别模型对轴承进行模式识别和热轴判别，最后自动实现热轴预报和声光报警。通过轴温变化自动分析给出轴承存在故障的危险程度，为货物列车是否继续安全运行提出处置依据，从而确保货物列车运行安全。货物列车走行部如图1所示。

我国铁路自1978年开始推广具备自主知识产权的红外线探测技术以来，从无到有，由弱到强，经过30多年的发展，截止2009年12月底，红外线探测设备总量已安装运行4800多台。全路建立了18个铁路局车辆运行安全中心监测站，负责红外线轴温探测系统报文分析和热轴预报；424个列检复示站，负责对通过本列检作业场的货车热轴进行预报。目前红外线轴温探测系统已经全部覆盖中国铁路近8万公里的营业里程，形成了世界上最大的红外线轴温探测运用网络，也是最先进的铁路货车轴温探测网络。每年防止和避免了大量燃、切轴事故，为铁路运输安全生产做出了突出贡献。

图1 货物列车走行部

THDS包括红外线轴温设备（即轨边设备），列检复示终端设备，铁路局预报终端设备，通信设备、传输通道，预报及管理软件等。红外线轴温探测系统运用工作实行铁道部、铁路局和车辆段三级管理，各级货车运用主管部门负责对红外线轴温探测系统的设置提出主导性意见。红外线轴温探测系统配置车号智能跟踪装置可高质量地实现列车运行的全程跟踪、热轴的准确预报，避免“停错车”、“拔错牙”等事故发生，而且充分利用了铁路系统的基础信息资源。红外线轴温探测系统装置配车号智能跟踪装置如图2所示。

红外线轴温探测系统的发展主要经历了四个阶段：第一阶段以探测滑动轴承为主，采用上探方式，技术方法是采用描笔记录仪，得到的结果是在记录纸带上画出的对应于滑动轴承温度的等高线，通过人工测量高度，计算倍比系数完成热轴的预报，探测设备无法进行数据分析、处理和存储，简称一代机；第二阶段以探测滚动轴承为主，兼顾滑动轴承，探测方式改为下探，采用计算机和网络技术，能够对探测数据进行分析和处理，并进行数据存储，实现联网跟踪预报，简称二代机；第三阶段为适应铁路提速发展，采用光子探测技术，并加装了车号跟踪装置，实现车号智能跟踪和全路联网，简称三代机；第四阶段采用双探结构，全息采集，模式识别等技术，提高热轴预报的准确性，更好地适应铁路发展提速和重载的需求，并统一制式、统一标准，简称四代机或统型机。

图2 红外线轴温探测装置配车号

3 THDS热轴报警机制

统型机（THDS-A型红外线轴温探测系统）采用新型的自适应轴温计算方法，定量测温，轴温计算准确；能够自动适应探头工作状态和性能的变化，适应探测器件响应率的变化，适应探头光学系统增益和电路增益的变化，适应探头物镜保护膜的变化，弥补探头的不一致性，保证轴温计算准确。系统采用调制型致冷式光子探头和热敏探头相结合的方式，适应车速为：客车 5～360 km/h，货车5～160 km/h；测温精度为：静态标定在温升40℃时，误差不大于±2℃，温升在70℃时，误差不大于±3℃；动态检测时中低温区误差不大于±3℃，中高温区误差不大于±4℃；探测轴温范围为-45℃～+150℃；探头输出信噪比为：环温25℃时，对象温差5℃条件下，噪声按峰-峰值计算信噪比大于12 dB，按有效值计算信噪比大于25 dB；工作温度范围为：室外：-45～+60℃，室内：0～40℃。统型机图片如图3所示。

图3 统型机

THDS对铁路货车滚动轴承的热轴故障分三级进行报警，分别为激热（温升达到 80℃）、强热（温升达到 60℃）、微热（温升达到50℃）。轴承在发生故障后，由于轴承润滑不良，产生比正常运转热要高得许多的热量，反映在轴承的温升或温度上是通常运转热的数倍，称之为热轴。根据热轴的严重程度，结合多年来轴温探测的经验，设定预报等级为激热、强热、微热：激热表示轴承发生了严重故障，轴承温度非常高，如果不立即停车就有可能切轴进而造成列车颠覆；强热表示轴承发生了较为严重的故障，轴承温度比较高，还可以继续运行一段时间，为了不影响运输，可以到前方站停车检查。微热，就是轴温相对较高，但是已经有热轴的征兆，所以需要重点关注，监视运行到下一站后是否继续升高，以决定是否拦停处理。微热设置为多级，预报微热跟踪时，如果热级有升级，按强热对待。根据对探测轴温数据及热轴数据的大量统计分析，并比照热轴处理结果，可确定热轴预报标准。在不同的地区、不同的线路和不同的季节有不同的热轴预报标准，以达到更符合实际的热轴预报结果（见表 1）。

表1 热轴预报标准示例（℃）

注：（1）温升：轴温与环温之差；（2）列温升差：温升与一列车同侧统计平均温升之差；（3）辆温升差：温升与该辆车同侧统计平均温升之差。

红外线轴温探测系统自应用以来，发现了大量的轴承故障，避免了多起燃轴切轴事故。2008年7月至2009年6月，探测列车73 017 980列，2 612 619 897辆，10 436 799 950轴。预报强激热燃轴4 808次，拦停1 509次，甩车945次，换轮775次。激热案例如2008年2月25日04：54：00时刻，太原铁路局管内大秦线抚宁北下行THDS报警温升109℃，预报的轴承位置是201辆3轴右侧。从波形上看，热轴所在的波形没有怎么经历上升的过程就达到最高值了。波形平顶很宽是因为温升很高，探头的输出已经达到极限，饱和了。这是因为承载鞍也已经很热了，所以对应车底架承载鞍上的波形的点也很高，并且很快就达到饱和。具体分解情况为：侧架、U型副构架鞍、轴承前盖变色；轴承外圈上部和上部滚子、保持架组件磨没，下部滚子、保持架组件粘结；密封罩磨没；U型副构架鞍座落在轴颈内圈上，轴承外圈下部在轴承挡键处，防松片变形，施封锁断裂；轴颈变形。