智能型鐵道貨車脫軌制動停車裝置

湯惠新 黃明珊 上海鐵路局南京鐵路電子儀器廠

車輛脫軌是鐵道車輛運行中的重大行車事故。車輛脫軌后由于沒能及時發現并采取措施，車輛仍在機車牽引下繼續行駛，引發更多車輛相繼脫軌或傾覆，從而使脫軌事故擴大，造成車輛、貨物、軌枕、路基及道旁設備嚴重損壞，并對鄰線的車輛也構成威脅；特別是在當前我國大部分鐵路運行線路客貨混用以及動車運行的情況下，車輛脫軌事故可能造成更大的破壞和損失。

為了有效地降低車輛脫軌后的損失，從2005年開始，我們在充分吸收國內外脫軌檢測技術的基礎上，創新研制開發了適合我國鐵路實際運行狀況的智能型鐵道貨車脫軌制動停車裝置（以下簡稱脫停裝置)。該裝置采用振動分析和智能控制技術，實時跟蹤采集貨車的振動特征信息，自動進行數據分析和智能判斷。當貨車一旦脫軌時，其能立即檢測到脫軌信號，在0.1～1 s內做出準確判斷，打開電磁閥使列車管大量排風，實現整列貨車的緊急制動停車，可避免脫軌事故的損失擴大。

1 裝置結構

圖1 智能型脫停裝置連接示意圖

智能型脫停裝置主要由裝置主體、安裝支架、連接管路和集成式遠心集塵器等組成（詳見圖1）。其中裝置主體由能源供給模塊、專用傳感器模塊、監控處理模塊、緊急制動排風閥和殼體等部分組成。

2 主要功能設計

通過對多次脫軌事故資料的綜合分析，我們認為要解決脫停問題，首先要在第一時間內準確檢測到脫軌的信息，其次必須以最快方式讓脫軌列車緊急制動停車。因此脫停裝置必須具有以下功能：

（1）能保證脫軌信息采集迅速、準確、可靠;

（2）必須保證在獲取脫軌信息后，在最短時間內使列車停車;

（3）必須長時期免維護、防偷盜、抗異物擊打、耐高低溫、耐潮濕,能長期穩定供給電能,滿足貨車運行需要;

（4）易于安裝和便于既有車改造;

（5）能記錄貨車脫軌時的特征數據，便于事故分析。

2.1 信號采集功能設計

該裝置采用國際先進的高靈敏、高過載、低功耗三維MEMS加速度傳感器和高速運算單片機，創新設計了處理分析軟件，實現了信號智能監測和自動采集。通過分析車輛垂向、橫向、縱向三維振動加速度及振動頻率和車體的位移變化，高速進行信息分析和處理，實現了利用多種判據判定車輛是否脫軌。

2.2 貨車脫軌后列車緊急停車功能設計

通過采用國際先進的先導式脈沖自保持電磁閥，創新設計小電流高電壓、海量儲能驅動電磁閥排風技術，電磁閥排風口與列車管同口徑，實現對列車管大流量排風，確保在最短時間內使列車緊急制動停車。

2.3 脫停裝置使用免維護功能設計

脫停裝置外殼采用壓鑄鋁合金和發黑處理，重量輕，強度高，具有抗異物擊打、防盜的特點。

脫停裝置內部電路結構采用模塊化封裝，防水防潮、耐腐蝕、耐高低溫。電磁閥等關鍵部件采用耐高低溫長壽命材料。

高能電池提供電能可供脫停裝置連續工作10年以上，該電池標稱容量為17Ah，電池自放電率低于1%/年，電池可在-50℃～＋110℃范圍內正常工作，120℃時不泄漏、不爆炸。能保證在貨車十年內，無需更換電池。

2.4 裝置的優越性

（1）采用高靈敏度、低功耗三軸加速度傳感器，采集車體振動頻率、加速度和位移等特征信息，進行分析比對和判斷處理。

（2）采用低功耗自保持先導式電磁閥，實現停車控制的可靠動作。

（3）采用掉電數據不丟失技術，能記錄并導出貨車脫軌時的數據。

（4）采用了壓力傳感技術，風壓檢測采用節電設計：當車輛閑置或不運行時，裝置處于待命狀態，當車輛運行時，裝置處于工作狀態。實現了電池能量的有效利用，延長了裝置免維護使用年限。

（5）采用高強度材料和灌封工藝，適應我國鐵路南北緯度相差大、溫濕度差大的運行環境。

3 模擬試驗

3.1 振動臺模擬試驗

為了試驗脫停裝置在各種閾值內的動作性能，我們設計制作了模擬振動試驗臺（詳見圖2），通過多次模擬試驗，脫停裝置達到了準確采集振動信號并在設定閾值內準確動作的功能。

圖2 振動臺模擬振動試驗場景

3.2 汽車模擬脫軌試驗

圖3 汽車模擬脫軌試驗場景

為了進一步試驗脫停裝置在脫軌狀態下的性能，我們又用汽車模擬貨車脫軌運行在路基和枕木上的方法，進行了多次試驗（詳見圖3），脫停裝置能準確采集到模擬脫軌信號并在設定閾值內準確動作。

3.3 貨車常態運行試驗

為了分析掌握貨車常態運行狀態下的各種振動頻率、振動加速度和位移變化等特征，我們還進行了脫停裝置在貨車各種運行狀態下的裝車數據采集試驗。具體為貨車空重車的支線運行、干線運行、駝峰溜放、煤場翻車機試驗，通過大量的試驗，我們采集到了貨車空重車在運行起步、運行提速、勻速運行、通過道岔、駝峰溜放、煤場翻車機時的各種特征數據，為實車試驗提供了充分的準備。

4 實車脫軌試驗

在完成各種試驗的基礎上，我們成功小批量生產制造了10臺脫停裝置樣機。并于2009年7月裝車于上海鐵路局南京東車輛段的6輛報廢車上。

2009年8月14 日，由上海鐵路局技術中心、車輛處組織，在南京東車輛段蕪湖車間段管線內，進行了機車牽引編組車輛落軌拉動、機車頂推單輛車輛脫軌兩項實車試驗。部、局領導親臨試驗現場，實車試驗取得圓滿成功。

4.1 脫停裝置防誤動作試驗

預先將試驗車輛輪對落軌，車輛在機車牽引下運行，牽引時速從0km到5km，輪對在枕木上滾動前進共8m，產生的振動信號沒有達到脫停裝置設定的閾值，脫停裝置沒有動作，此項試驗驗證了脫停裝置的防誤動作功能（詳見圖4）。

圖4 防誤動作試驗場景

4.2 脫停裝置準確動作試驗

試驗車輛輪對預先落軌，車輛在機車牽引下運行，牽引時速從0km加速到15km，輪對在枕木上滾動共13m，產生的振動信號達到了脫停裝置設定的閾值，脫停裝置及時準確動作（詳見圖5）。從拉動開始至緊急制動停車時間為6.54s,緊急制動停車距離為5m。

4.3 單車脫軌試驗（脫停裝置緊急制動）單輛試驗車輛由機車頂推，運行時

速達到28km時，試驗車輛與機車脫鉤滑行，滑行中碰壓上脫軌器，試驗車輛脫軌，脫停裝置及時準確動作。試驗車輛碰壓脫軌器時速約為26km,車輛碰壓脫軌器脫軌至緊急制動排風的距離約8m,緊急制動停車距離約5m。

圖5 動作試驗場景

圖6 脫停裝置準確動作

5 結束語

2009年8月25 日，我們將脫停裝置樣機、電池等送到鐵道部產品質量監督檢驗中心機車車輛檢驗站進行了各項性能檢驗，通過檢測，樣機、電池各項性能全部達標。

智能型貨車脫停裝置的設計研發，在采用和引進國際先進技術的同時，能結合我國鐵路發展的實際情況進行自主創新。其采用的節能設計和可靠的安全設計，能滿足鐵路貨車的實際使用要求，并能在最短時間內使脫軌車輛進行緊急制動，防止脫軌事故的擴大化，保證鐵路運輸安全。