铁路长大货车红外线轴温探测适应性分析

郑向阳，刘鹏军，毕方勇

（北京康拓红外技术股份有限公司，北京 100086）

燃轴、热切轴等事故严重威胁行车安全，一旦发生将阻碍运输秩序、造成巨大的经济损失。因此，如何及时、准确地预报热轴，备受关注。我国铁路车辆部门从上世纪七十年代开始推广使用红外线轴温探测系统（THDS），在预报轴温、防止热轴事故、提高列车行车安全保障方面起到了显著作用。

1 概述

THDS是利用轨边红外线探头，对通过车辆的轴箱轴承进行非接触式温度检测，并对热轴车辆进行跟踪报警的安全保障设施［1］。THDS工作原理：利用安装在轨边的红外辐射测温探头、车轮传感器及探测机房内的控制、采集、传输系统，动态采集运行列车的轴箱轴承温度，自动识别车号、车速、轴距等运行信息，并通过专用网络和传输通道，将判别结果及数据迅速准确地传输到各铁路局监测中心和列车调度指挥系统［2］。

现用THDS采用双下探的探测方式，内探、外探相结合，检测列车轴承中心、轴端盖的温度安装在60 kg/m钢轨上的双探THDS设备示意图如图1所示。内探探头光学中心距相邻铁轨内侧265 mm，仰 角45°，偏 角0°［3］；外探 距 离 内 探150 mm，仰 角45°，向铁轨内侧偏角3°。

图1 双探THDS与60 kg/m钢轨的装配示意图

THDS经过多年发展与完善，已经与装用转K1型、转K2型、转K6型等通用转向架的铁路货车实现较好的匹配，在提高轴温预测精度、减少误报漏报事故等方面也取得了实质性的进步。但在实际运营中，我们发现存在一部分铁路长大货车无法与现有THDS相匹配，从而导致热轴漏报事故。基于此，文中系统地分析了利用现有THDS对长大货车进行轴温探测的适应性，总结了铁路长大货车无法利用THDS准确预报轴温的原因，提出了THDS轴温探测适应性的判断标准。此外，针对无法利用THDS进行轴温探测的铁路长大货车，在理论上建模分析，分别针对THDS内探及外探，提出轴箱设计、修改建议，为THDS在现存长大货车轴温探测适应性改造及新车型设计提供参考。

2 铁路长大货车THDS轴温探测适应性分析

根据长大货车转向架结构及THDS内、外探的布置方式，将全路在用的80种长大货车车型、15种转向架分为3类：双探测温、单探测温、无法测温。其中，6种车型（4种转向架）能利用THDS双探测温；41种车型（7种转向架）仅能利用THDS单探（外探）测温；33种车型（6种转向架）无法利用THDS测温，结果见表1。

表1 长大货车THDS轴温探测适应性统计

2.1 内探轴温探测分析及轴箱改造建议

THDS内探用于采集轴承中心附近的温度，内探测温不受密封罩过热及阳光干扰等影响［4］。当承载结构为承载鞍时，如D15A、D17A、D26A采用的转K1型、转K2型、转K6型转向架，轴承底部暴露，THDS内探测温模型也是基于此设计的如图2（a）所示。以轴承中心为原点建立的内探测温模型示意图如图2（b）所示，图中虚线所示为轴承上部被承载鞍覆盖区域，红色箭头为内探光学中心线。当列车沿-x方向运动经过THDS设备时，∠AOB对应的轴承外圈表面温度被THDS内探采集，由内探仰角计算得到∠AOB=135°，采样长度LAC=0.85D（D为轴承外圈直径）。

图2 承载鞍结构内探测温模型

当承载结构为轴箱时如图3（a）所示，D2、D10采用的4E轴焊接构架式、3D轴构架式转向架，轴承位于轴箱内部，THDS内探采集轴箱表面温度，无法直接表征轴承本身的温度。此外，对于某些装用包板式转向架的货车，虽然采用承载鞍结构，但轴承下方设置有连接拉板（如D38车型采用的4轴包板式转向架），同样遮挡内探视野。因此，轴箱承载或轴承下方设置连接拉板，均无法利用THDS内探测温。在该情况下，若要利用THDS内探测温，则需在轴箱或连接拉板底部设置探测孔。文中仅讨论在轴箱上设置探测孔的改造方案，如图3（b）所示，图中虚线框为轴箱结构，红色箭头为内探光学中心线。∠EOH为以轴承中心为原点，以y轴为对称轴，在轴箱底部设置的探测孔。理论计算轴箱底部探测孔的最小角度，以兼顾轴箱结构强度及THDS内探测温需求。

按照THDS内探遮挡测温模型的要求，采样长度不小于标准模型采样长度的一半，见图3（b），设THDS内探所能探测的红外线辐射为∠BOD所对应的区域，则采样长度LAC≥0.425D。由此，可以得到式（1）：

图3 轴箱结构内探测温模型

式中：k为内探光束轮廓参数，与内探中心到轴承距离及探头视场角相关；d为轴承中心与轴箱底面距离。

常用的货车滚动轴承如353130B、197726、197730等［5］，其外圈直径D=230～270 mm，THDS内探遮挡模型中采样长度LAC=115 mm，k=25，由式（1）可计算得到不同轴箱尺寸d所对应的探测孔最小角度∠EOH，如图4所示。

图4 不同的轴承外径，探测孔最小角度∠EOH与轴箱尺寸d的关系

综上分析，当铁路长大货车转向架采用轴箱结构或轴承下方设置了连接拉板，因为其遮挡探测光路，均无法利用THDS内探测温。参照式（1），如果在轴箱底部设置探测窗口，则采用轴箱承载的转向架可使用THDS内探监测轴温；对于在轴承下方设置连接拉板的转向架，设置探测窗口可能导致连接强度降低，则只能使用THDS外探进行轴温探测。

2.2 外探轴温探测分析及轴箱设计建议

THDS外探是通过扫描滚动轴承的端盖位置进行轴温探测，同时也兼顾客车轴箱，经过多年的研究与应用，热轴判别模式已经比较成熟。

目前对于绝大部分铁路车辆，THDS外探可以扫描其轴端盖并准确预报温度，然而存在部分长大货车，如D25A等，轴箱尺寸较大，轴箱侧面加强筋等结构遮挡THDS外探光路，导致无法准确预报轴端盖处温度，存在引发漏报事故的风险。

文中提出了THDS外探遮挡边界（LOB）的概念，用于快速判断某型号长大货车转向架与现有THDS外探测温的适应性，该方法同样适用于其他铁路车辆。LOB：即在轨面上高h处，在垂直铁轨方向上不遮挡外探视野的最大长度如图5所示。

图5 THDS外探遮挡边界示意图

根据探头光束轮廓、THDS外探位置及方位角，推导出60 kg/m钢轨上外探LOB计算公式为式（2）：

式中：k'为外探光束轮廓参数，与外探中心到端盖中心距离及探头视场角相关；h=（车轮直径-轴承外径）/2。以标准货车车轮及353130B轴承为例，由式（2）计算得到LOB=2 181±1 mm。

在理论上，对称2个轴箱外侧面的距离即为轴颈中心距（L1）与轴箱宽度（L2）之和，因此，对于某类型的长大货车转向架而言，当L1+L2＞LOB时，外探视野被遮挡，反之则外探可正常扫描轴端盖。根据该关系，可以快速判断THDS外探的测温适应性。

常用货车车轴的轴颈中心距为标准值（1 956 mm或1 981 mm），因此，轴箱宽度（L2）对THDS外探轴温探测适应性有决定性的影响。在长大货车转向架轴箱设计之初，通过优化轴箱宽度可使该型号长大货车满足THDS外探测温需求。

按照式（2）计算的LOB为理论值，在实际中，若L1+L2=LOB，THDS外探光路依然存在被遮挡的可能，这是因为钢轨与轮缘之间存在游间，且轴箱存在装配误差（±3 mm）。列车在线路上蛇行运动时，稳态下蛇行运动满足正弦函数规律［6］。游间过小会增大轮轨磨耗和运行阻力，游间过大又会增加车辆蛇行运动的幅度，我国规定车辆轮游间正常值为14 mm。

列车以正弦函数规律蛇行运动通过THDS探测站，其横向位移近似服从均匀分布，利用均匀分布概率密度计算得到的装配偏差与THDS外探遮挡概率之间的关系如图6所示，其中装配偏差负值代表轴箱中心位于轴径中心线之间，装配偏差正值代表轴箱中心位于轴径中心线之外，装配偏差0代表轴箱中心恰好与该侧轴径中心线重合。可见当L1+L2=LOB时，单侧THDS外探被遮挡的概率大于27%；而当L1+L2=LOB-20时，列车的蛇行运动、轴箱装配误差均不会遮挡THDS的外探光路。

图6 装配偏差与THDS外探遮挡概率的关系

综上分析，通过计算遮挡边界，结合轮对类型及轴箱尺寸，可快速判断是否能利用THDS外探对长大货车进行轴温探测，该方法同样适用于其他类型铁路车辆；轴箱宽度对长大货车THDS外探轴温探测适应性有决定性影响，考虑列车蛇行运动及轴箱装配偏差，建议轴箱设计宽度与轴径中心距之和小或等于（LOB-20）mm，以确保列车运行时，外探光路不被遮挡。

3 总结

文中分析了利用THDS对长大货车进行轴温探测的适应性。首先，通过统计将现存的长大货车分为3类：双探测温、单探测温、无法测温。其次，提出了THDS轴温探测适应性判断标准，对于内探，采用轴箱承载或轴承下方存在连接拉板结构，均无法利用内探测温；对于外探，提出遮挡边界（LOB）的概念及计算方法，结合轴箱宽度及轮对类型，可快速判断THDS外探轴温探测的适应性。此外，对于无法利用THDS内探测温的车型，提出了轴箱改造建议，即在轴箱底部设置探测孔；对于无法利用THDS外探测温的车型，提出轴箱宽度的设计建议。通过理论建模给出了轴箱底部探测孔最小角度及轴箱宽度的计算公式，为我国现存长大货车THDS轴温探测适应性改造及未来新型长大货车的设计提供参考。