激光开关式脱轨检测装置设计

2021-08-09李小川龚卫

新型工业化 2021年2期

李小川，龚卫

（中车株洲电力机车有限公司产品研发中心，湖南株洲 412001）

0 引言

随着近年来无人驾驶技术在轨道交通领域的迅速发展和应用，脱轨检测装置等新技术对列车的重要性越来越高[1-2]。脱轨检测装置的作用是检测车辆脱轨状态，并将脱轨信号传送给列车控制系统。如果车辆发生脱轨而脱轨检测装置没有及时检测到脱轨，车辆会在脱轨状态下运行，从而造成极大的经济损失甚至是人员伤亡，如果车辆未发生脱轨，而脱轨检测装置误报脱轨信号，车辆会错误地施加紧急制动，从而对整条线路的正常运营造成不良影响，因此脱轨检测装置的可靠性在一定程度上决定了无人驾驶列车运行的安全性和可靠性。根据工作原理，目前业内现有的脱轨检测装置大致可分为接触式脱轨检测装置、非接触式脱轨检测装置、振动式脱轨检测装置，各种脱轨检测装置各有其优缺点。本文介绍了一种激光开关式脱轨检测装置，可满足无人驾驶技术对脱轨检测的要求。

1 现有脱轨检测装置方案介绍

根据脱轨检测传感器检测脱轨信号的原理，目前业内现有的脱轨检测装置可分为接触式、非接触式和振动式。下面对这三种脱轨检测装置的方案及优缺点进行简要介绍。

1.1 接触式脱轨检测装置

接触式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。每台转向架安装一套脱轨检测传感器，传感器安装在构架中部接近轨道的位置。为检测到脱轨信号，传感器需要横跨整个轨道。车辆正常运行时，脱轨检测传感器随构架一起相对轨道发生小幅度的相对运动，但不与轨道接触。当车辆发生脱轨时，构架相对轨道会向下运动，传感器检测梁会碰撞到轨道。轨道作用在检测梁上的力大于传感器内的弹簧力，从而压缩检测梁和安装支架之间的距离，内部的传感器检测到接近信号，从而触发脱轨报警。接触式脱轨检测传感器总成如图1所示。

图1 接触式脱轨检测传感器总成

接触式脱轨检测传感器的检测梁需要横跨整个轨道，为保证强度，检测梁通常由金属制成，这就意味着整个传感器会较重。而车辆在运行时转向架会产生剧烈的振动，这就需要传感器自身及其安装结构的可靠性非常高，否则传感器发生断裂或脱落，掉落在轨道上，有可能造成列车脱轨等事故。此外由于限界的要求，接触式脱轨检测传感器不能设置的与轨道过于接近，否则容易超限，而设置的过高的话又无法保证车辆脱轨时脱轨传感器与轨道接触，因此该方案的准确性还有待进一步验证[3-4]。

1.2 非接触式脱轨检测装置

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及其附件组成。由于转向架的每条轮对均有可能发生脱轨，所以每台转向架至少需要安装两个脱轨检测探测器，呈对角地安装在轴箱体上。每个脱轨检测探测器内部配备两个感应式接近传感器，时刻监测列车运行下前方铁轨，两个传感器互为冗余降低误触发几率。接近传感器对轨道的位置较敏感，设置地过高或者相对轨道的运动量过大均会影响检测的准确性，因此探测器只能安装在轴箱体上，且需要和轨顶面保持大致平行。由于轨道存在道岔等无轨区域，脱轨检测探测器内必须纵向地布置两个接近传感器，防止列车通过道岔等小距离无轨区时误报脱轨故障。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。脱轨检测探测器在转向架上的安装如图2所示。

图2 非接触式脱轨检测探测器

非接触式脱轨检测探测器需要距轨道较近且需要和轨道保持平行，因此传感器只能安装在轴箱体上。轴箱体振动剧烈，对传感器自身及其安装结构的结构及抗振动性能要求较高。如果传感器或其安装结构由于振动而发生断裂或脱落，也有可能造成车辆脱轨。且轨道交通车辆轴箱定位形式多样，转臂式定位是其中一种常见的形式，转臂定位的轴箱体在车辆运行过程中会由于一系载荷的变化及外部冲击而绕着车轴发生转动，因此无法保证传感器和轨道保持平行。目前高速列车轴箱多采用转臂式定位，非接触式脱轨检测装置要适应转臂式定位车辆的安装要求还需要进一步改进[5-6]。

1.3 振动式脱轨检测装置

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，其主要由脱轨检测传感器模块和脱轨检测控制单元这两部分组成，具有结构简单、维护成本低的优点。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，测量轮轴横向和垂向加速度信号，以此计算列车的脱轨系数，并根据计算出的脱轨系数判断车辆是否有脱轨趋势。其传感器安装如图3所示。

图3 振动式脱轨检测装置传感器安装

目前走行部故障诊断系统在轨道交通领域广泛应用。振动式脱轨检测的主要优点在于其功能可集成到走行部故障诊断系统里，基本无需增加额外的设备。其缺点在于是根据振动信号算出的脱轨系数来判断车辆是否有脱轨的风险，而目前业内对脱轨系数和车辆实际脱轨状态之间的关系还没有准确的结论。实时检测出来的脱轨系数和车辆实际的脱轨趋势或脱轨状态之间存在较大的差异，因此其判断的准确性难以保证[7-8]。

2 激光开关式脱轨检测装置的构成及布置

2.1 激光开关式脱轨检测装置的构成

针对现有脱轨检测装置的缺点设计了激光开关式脱轨检测装置。激光开关式脱轨检测装置主要由控制及分析主机、采集盒、激光开关式传感器等组成。每列车（以6编组地铁为例）包含6台控制及分析主机，每个主机下设置4个采集盒，每个采集盒连接1套激光开关式传感器（每套激光开关式传感器包含2个探头）。其结构如图4所示。

图4 激光开关式脱轨检测装置系统结构

控制及分析主机设置在车厢电气柜内，负责与TCMS通信、电源转换、设备自诊断、开启/切除功能单元、分析信号逻辑等功能。控制与分析主机内设电源模块、逻辑处理模块、通信模块、接口模块、驱动模块。

采集盒设置在转向架附近的车体底架上，内设2组光电传感器，其中光电传感器与探头组件连接。

激光开关式传感器主要由激光发射器和激光接收器两部分组成，并分别位于两条钢轨的外侧，距离轨顶面的高度约120mm。每台转向架设置1套或2套激光开关式传感器（安装2套时，激光开关式传感器尽量接近轮对；安装1套时，激光开关式传感器设置在转向架中部），传感器采用对射方式（即一端发射激光，另一端接收激光），要求对射范围内无明显异物阻挡。激光发射器和激光接收器仅由机械保持架和柔性光纤头组成。具有结构简单，可靠性高的特点。

2.2 激光开关式脱轨检测装置工作原理

当车辆正常运行时，由于传感器对射范围内无异物阻挡，激光接收器能正常地接收到激光发射器发出的激光。当车辆发生脱轨时，激光束将被轨道打断，激光接收器无法接收到激光发射器发出的激光，由此触发脱轨报警。脱轨检测装置在转向架上的设备安装如图5所示。

图5 激光开关式传感器在转向架上的安装示意图

2.3 激光开关式传感器安装分析

为准确地检测脱轨，接近传感器距轨顶面应尽可能低。考虑转向架的运动特性：一系弹簧极限压缩量为40mm，下部限界60mm，两次传感器高度调整周期之间车轮的单边磨耗量为6mm，接近传感器发射器及接收器头部半径为9mm，安装误差取5mm，则激光束距轨顶面的初始高度为120±5mm。由于转向架结构的限制，激光束距转向架中心的纵向距离为650mm，如图6所示。