转向架防脱轨检测装置技术方案研究

(中车株洲电力机车有限公司产品研发中心，湖南 株洲 412001)

1 概述

随着近年来信息技术的发展无人驾驶技术研究方兴未艾，列车防脱轨检测装置是无人驾驶列车的一项重要配置，其系统性能决定了车辆运行的安全性和可靠性，对于减少列车脱轨损失具有重要意义。

2 防脱轨检测装置布置

列车脱轨必然是转向架上的轮对脱离轨道，列车脱轨可能发生在任何转向架，故要求所有转向架均需安装防脱轨检测装置，最好的布置方案是所有车轮侧均布置防脱轨检测装置。但是，防脱轨检测装置现阶段高昂的价格，阻碍了防脱轨检测装置普及和应用。此外、轮对之间属于刚性连接，当一侧车轮脱轨时另一侧车轮也必将脱轨。所以基于应用可靠性和安全性之间的平衡，防脱轨检测装置一般在转向架上成对角线安装，保证每一轴均能有效检测到列车脱轨。

3 防脱轨检测装置的结构型式

3.1 接触式防脱轨检测装置

接触式防脱轨检测装置主要由脱轨检测主机、脱轨检测电气盒、脱轨检测传感器总成及其附件组成。脱轨检测传感器总成为系统的传感检测执行器件，安装在车辆转向架上，当车辆发生脱轨时传感器检测梁脱轨碰撞梁下降碰撞到铁轨，垂向力大于弹簧力，碰撞梁与支架距离压缩，传感器检测到接近信号触发脱轨报警。传感器检测到信号发生给脱轨检测电器盒，如图1所示。

脱轨检测电器盒通过航空插头和电缆连接到列车2个脱轨检测传感器总成，收集各个传感器的报警信息后，并通过1根脱轨信号线和1条通信电缆把报警信息传给脱轨检测主机。脱轨检测主机安装于车辆内部电气柜，其与脱轨检测电器盒通讯，获取状态和故障信息，通过一组常闭触点串联到列车的紧急制动环路内；主机内部设置通讯模块，实现与车辆网络通信，传递状态和故障信息给车辆和列车控制中心进行声光报警提示。

图1 脱轨传感器总成

3.2 非接触式防脱轨检测装置

非接触式脱轨检测装置主要由脱轨检测主机、脱轨检测前置单元和脱轨检测探测器三部分组成。列车每台转向架对角安装2个脱轨检测探测器(如图2所示)，负责列车脱轨检测。每个脱轨检测探测器内部配备2个感应式接近传感器，时刻监测列车运行下前方铁轨，2个传感器互为冗余降低误触发几率。与此同时，列车必须经过道岔等无轨区域，电感应式脱轨检测装置必须采用纵向双传感器布置，增加纵向探测距离，防止列车通过道岔等小距离无轨区时列车误报脱轨故障。列车一旦出现脱轨，脱轨检测装置将脱轨信号送给车上脱轨检测前置单元。

脱轨检测前置单元和脱轨检测主机安装于车体内部，1个脱轨检测前置单元对应接收1台转向架上两个脱轨检测装置的脱轨信号。再将收集的脱轨信息、设备信息等数据通过CAN通信上传给车上脱轨检测主机。如脱轨检测主机接收到脱轨信号，判断为列车脱轨，触发列车紧急制动。每列车安装共2台脱轨检测主机，结构形式上采用标准1U机箱，分别安装在列车两头司机室中。脱轨检测主机负责障碍物检测部分和脱轨检测部分的信号收集、逻辑处理等工作，同时将相关信息处理后发送给列车TCMS及ATC。

图2 脱轨检测探测器

感应式脱轨检测装置虽具有准确度高、方便维护的特点。但是感应式传感器有效探测高度一般不大于20 mm，限制脱轨检测装置的安装位置。为避免车辆沉浮运动使得传感器与铁轨磕碰，探测器的必须安装转向架簧下部件，巨大的轮轨冲击振动使探测器需经受列车最恶劣工况的挑战。

3.3 振动式防脱轨检测装置

振动式脱轨检测是近年来发展起来的新型防脱轨检测技术，其具有结构简单、维护成本低的优点。其主要有脱轨检测传感器模块和脱轨检测控制单元这两部分组成。脱轨检测控制单元是防脱轨检测装置的主控制板，列车内的所有脱轨检测控制单元均通过列车线相连。振动式脱轨检测的传感器模块安装在列车的车轮或齿轮箱大齿轮轴上，测量轮轴X向和Z向加速度信号，以次计算列车的脱轨系数。其工作逻辑如图3所示。

图3 振动式脱轨检测装置逻辑判断图

防脱轨检测装置检测到列车脱轨或存在极大的列车脱轨风险，则脱轨检测装置控制单元会立即向TCMS发送“检测到脱轨”信号，然后中断紧急安全回路对整个列车启动紧急制动。如果该防脱轨检测装置发生故障，则可以将每个脱轨检测控制单元与列车应急安全隔离回路旁路。此外，脱轨检测的旁路功能也可以由驾驶员在驾驶室上手动操作，将防脱轨检测装置启用停止检测功能。

4 防脱轨检测装置的电气与信号系统

电气系统主要起到信号传输与处理的作用，目前列车防脱轨检测装置电气系统大都采用总线控制方式，所有传感器信号经过主机的处理送入列车TCMS、EB回路，并与列车车辆MVB、维护以太网相连接，其主电路图如图4所示。

图4 脱轨检测装置主电路图

自动无人驾驶系统比有人驾驶系统具有更多的冗余和备用方式，防脱轨检测装置也不例外，探测器、信号传输与控制均使用双路控制。在故障情况下，系统可以在冗余设备之间自由切换，而完全不影响信号系统对列车的安全控制。

5 结语

本文主要介绍了当前主流应用列车脱轨检测装置的安装原则、结构型式、工作原理、功能实现方式，为城市轨道交通防脱轨检测装置的选型与设计提供依据。随着无人驾驶技术的发展，对车辆和乘客的安全要求将会越来越严苛，自动化辅助产品的可靠性也必将随之提升，防脱轨检测装置的设计选型显得尤为重要。目前，防脱轨检测装置已经在上海地铁、香港地铁等城市的地铁系统应用。