紅外線探測彎道軸溫不準(zhǔn)的原因分析及解決方案

俞成成 上海鐵路局杭州北車輛段

隨著鐵路現(xiàn)代化建設(shè)的飛速發(fā)展，對鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩ぷ魈岢隽诵碌?、更高的要求。在鐵路運(yùn)輸提速、重載的新形勢下，充分發(fā)揮紅外線軸溫探測系統(tǒng)這一現(xiàn)代化的車輛安全保障設(shè)施的作用，及時(shí)、有效地發(fā)現(xiàn)車輛熱軸，防止熱切軸事故的發(fā)生，對保證列車的行車安全，提高運(yùn)輸效益起著重要作用。為進(jìn)一步適應(yīng)這一形勢，滿足鐵路安全生產(chǎn)的需要，大力推進(jìn)車輛安全監(jiān)測技術(shù)的現(xiàn)代化步伐，我們應(yīng)全面加強(qiáng)和規(guī)范紅外線軸溫探測系統(tǒng)的管理檢修運(yùn)用工作。這就對我們紅外線維護(hù)人員提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)和要求，在日常的維護(hù)和檢修中，不僅要保證設(shè)備的正常運(yùn)行不出故障，同時(shí)還要保證紅外線軸溫探測系統(tǒng)的測溫精度。

1 測溫不準(zhǔn)的原因

按照紅外線軸溫探測系統(tǒng)設(shè)備供應(yīng)商的要求和《紅規(guī)》中的相關(guān)規(guī)定，紅外線軸溫探測系統(tǒng)的設(shè)備應(yīng)安裝在線路的直道上面。然而在我們的現(xiàn)場工作中，由于地形等自然環(huán)境的影響，在有些編組站的區(qū)間內(nèi)彎道眾多，很難找到符合要求的直道來安裝設(shè)備，只能安裝在某些彎道上面。但是在彎道上面，由于受離心力、外軌超高、鋼軌磨耗、彎道弧度等因素的影響，列車輪對在彎道運(yùn)行時(shí)會產(chǎn)生向彎道外側(cè)偏移的現(xiàn)象。這時(shí)，紅外線軸溫探測系統(tǒng)會受偏移現(xiàn)象的影響而影響探頭的探測方位和探測角度，從而產(chǎn)生測溫不準(zhǔn)的問題。

2 解決方案

長期以來，紅外線的檢修人員在檢修彎道設(shè)備過程中，一直找不到一個(gè)準(zhǔn)確的探測方位來保證系統(tǒng)的測溫精度，只能憑著維修經(jīng)驗(yàn)和檢測車通過時(shí)的情況來大致估量一下探頭應(yīng)該偏移的角度，不能定量地找出準(zhǔn)確的偏移量，從而更準(zhǔn)確地確定探頭的方位。在一些大的彎道上面，由于受到的離心力較大，列車運(yùn)行產(chǎn)生的輪對偏移量也較大，如果不能找到正確的探測方位，就會產(chǎn)生較大的測溫誤差，只能通過更改探頭的系數(shù)和高低溫端的測溫補(bǔ)償來校正，這樣一來，我們得到的數(shù)據(jù)就會是一個(gè)虛擬溫度，而并不是軸承的真正溫度。因此，有必要通過動(dòng)力學(xué)和幾何運(yùn)算來得到一個(gè)相對準(zhǔn)確的輪對偏移量，確定探頭探照采樣時(shí)起始點(diǎn)的位置，然后再通過測檢車得到的16列波形的數(shù)據(jù)判斷探頭的偏航角情況，從而最終確定紅外線探頭的探測方位。一般情況下，康拓三型機(jī)內(nèi)探為低靶中心、高靶中心，外探為低靶中心、高靶內(nèi)偏三格。由于各個(gè)探點(diǎn)情況不同，所以還要根據(jù)實(shí)際情況做相應(yīng)的調(diào)整。

3 紅外線軸溫探測系統(tǒng)的探頭采樣情況

鐵路沿線目前采用的各種紅外線設(shè)備的探頭大都和軌面成45°的仰角，偏航角大致有兩種情況，其中包括內(nèi)探和外探。在外探情況下探頭的偏角大約為6°左右，內(nèi)探時(shí)探頭偏角一般為0°。現(xiàn)在區(qū)間探測一般為內(nèi)探方式，列檢所、編組站內(nèi)探測則采用外探方式（如圖1所示）。由于外探情況下探照點(diǎn)偏外，探測車輛軸箱時(shí)探照點(diǎn)掃描線從滾動(dòng)軸承外圈外側(cè)端開始掃描，在列車的運(yùn)行過程中，由于軸承的滾動(dòng)和探測角度向輪對一側(cè)偏，將在軸承上形成一條環(huán)繞軸承表面的螺旋線（如圖2所示），所以外探時(shí)探頭的方位就顯得尤為重要。因?yàn)樘筋^的偏角是一個(gè)固定值，在軸承上的探照點(diǎn)的位置一定要比較準(zhǔn)確，偏外則探頭采集到的探照點(diǎn)數(shù)據(jù)不夠，偏內(nèi)采集的數(shù)據(jù)也不夠真實(shí)，我們以下討論探照點(diǎn)的偏移量主要是以外探情況為主要研究對象，內(nèi)探的情況則是類似于外探。

紅外線軸溫探測系統(tǒng)探頭掃描到軸箱的時(shí)候，通過調(diào)制器來采集樣點(diǎn)。設(shè)列車的最高速度為360km/h，即100m/s，設(shè)軸箱直徑為250mm，探頭探測角度α為45°，則探頭掃描軸箱的時(shí)間為：

根據(jù)紅外線探測的經(jīng)驗(yàn)，軸箱波形的采樣至少為12個(gè)點(diǎn)，因此其調(diào)制采樣頻率為

通常情況下我們?nèi)≌{(diào)制頻率為3.25kHz。

圖1 外探和內(nèi)探時(shí)的探頭位置示意圖

圖2 探頭掃描軸箱形成的螺旋示意圖

4 列車彎道運(yùn)行時(shí)軸箱的偏移量計(jì)算

列車在彎道上運(yùn)行時(shí)，引起軸箱偏移的原因主要有四個(gè)，向心力引起的橫向蠕滑，外軌超高引起車體傾斜產(chǎn)生的負(fù)向偏移量，彎道弧度引起的偏移量，外軌磨耗產(chǎn)生的偏移量。在運(yùn)算過程中，由于彎道弧度引起的偏移量非常微小，這里做簡化運(yùn)算，忽略不計(jì)，所以其余三者引起的偏移量的和就是彎道上軸箱產(chǎn)生的總的偏移量。

4.1 由外軌超高引起的軸箱偏移

軌道和機(jī)車車輛的輪對，分別是近于剛體的構(gòu)筑物和近于剛體的機(jī)械裝置。為了保證機(jī)車車輛通過曲線時(shí)保持平衡，必須將軌道的外側(cè)鋼軌設(shè)置適當(dāng)?shù)某撸ㄟ^列車車體的傾斜而得到的重力水平分力與其慣性力(離心力)相平衡。通過力學(xué)計(jì)算，當(dāng)超高h(yuǎn)=11.8V2/R時(shí)，軌道內(nèi)、外側(cè)鋼軌所受壓力相等，其中的V取彎道區(qū)間內(nèi)通過列車的平均速度。由于超高的設(shè)置，列車在彎道運(yùn)行時(shí)車軸會產(chǎn)生一定角度的傾斜，這種傾斜會引起軸箱向內(nèi)側(cè)偏移，進(jìn)而產(chǎn)生負(fù)向的偏移量，如圖3所示。

圖3 超高傾斜引起的偏移示意圖

圖中h為彎道設(shè)置的超高量，ΔS為軸箱傾斜引起的偏移量。鐵路貨運(yùn)列車目前的主流車軸為RD2型車軸，查詢《鐵路貨車輪軸組裝檢修及管理規(guī)則》可知車軸的各項(xiàng)尺寸如圖4所示，可以算出：

ΔS1為外側(cè)的偏移量，ΔS2為內(nèi)側(cè)偏移量。

圖4 滾動(dòng)軸承車軸型式和基本尺寸

4.2 由彎道向心力引起的軸箱偏移量

列車在彎道上行駛的時(shí)候，受三個(gè)力的作用（忽略摩擦力），分別是重力，軌道對列車的支持力和離心力。受力情況如圖5所示：

圖5 彎道上行駛列車的整體受力圖

綜上，我們只要計(jì)算出直道上列車輪緣和鋼軌內(nèi)側(cè)的游間δ的大小，就能夠確定彎道上有向心力引起的橫向偏移量的大小，向外側(cè)為正，向內(nèi)側(cè)就取負(fù)值。圖6所示為輪對和鋼軌內(nèi)側(cè)產(chǎn)生游間δ的示意圖，其中d為輪緣厚度，L1為輪對內(nèi)側(cè)距，L則為鋼軌內(nèi)側(cè)距，所以就有輪緣和鋼軌內(nèi)側(cè)的游間δ為：

查詢有關(guān)《鐵路貨車輪軸組裝檢修及管理規(guī)則》，可得以上公式中各種變量的值，L1=1353mm；d取原型和長修限度下的平均值；鋼軌內(nèi)側(cè)距為L=1435，所以

圖6 輪對和鋼軌內(nèi)側(cè)產(chǎn)生游間δ的示意圖

4.3 因外軌磨耗產(chǎn)生的偏移量

前文說到列車在彎道上行駛的過程中，由于離心力的作用輪對會產(chǎn)生向彎道外側(cè)偏移的現(xiàn)象，所以就會對外側(cè)鋼軌產(chǎn)生磨耗。對于既有線上的大彎道而言，這種磨耗有的時(shí)候會相當(dāng)嚴(yán)重。磨耗的產(chǎn)生會使列車輪對向彎道外側(cè)偏移，進(jìn)而產(chǎn)生因外軌磨耗產(chǎn)生的偏移量，在這里稱之為δ'。這種偏移量因線路狀況而不同，對于這種額外產(chǎn)生的偏移量，我們在做日常維護(hù)的時(shí)候可以注意其每個(gè)月不同的變化量，在做月檢的對探頭方位的時(shí)候把這個(gè)偏移量考慮進(jìn)去。

4.4 軸箱總偏移量的計(jì)算

綜上所述，列車產(chǎn)生軸箱偏移的原因有三個(gè)，每個(gè)原因產(chǎn)生的偏移量都能測量或者計(jì)算出來，總的偏移量也就是以上三者之和，所以就能得到總偏移的公式：

外側(cè)偏移量為：

內(nèi)側(cè)偏移量為：

以上兩式中的各種參數(shù)前文中都有明確的解釋，具體的數(shù)值在《鐵路貨車輪軸組裝檢修及管理規(guī)則》中可以查詢到，所以在已知彎道半徑的大小和通過彎道的列車平均速度時(shí)，以上兩式中的偏移量大小都可以算出來。

5 結(jié)束語

本文提出如何解決紅外線軸溫探測系統(tǒng)彎道上測溫不準(zhǔn)的問題，主要通過對探測方位的研究，分析了造成彎道上探測方位不準(zhǔn)的原因，即主要是由于列車的軸箱發(fā)生了偏移。并且進(jìn)一步深入探討造成軸箱產(chǎn)生偏移的各種原因，對每個(gè)因素都進(jìn)行了定量的分析，從而最終推出了軸箱偏移量的計(jì)算公式。

在紅外線的日常維護(hù)中，對探測方位的校正是通過激光瞄準(zhǔn)器和對光架來確定探頭方位的。在外探時(shí)，激光通常打在低靶的中心位置，打在高靶片內(nèi)三格的位置；內(nèi)探時(shí)，激光都是打在低靶和高靶的中心位置，以上都是直道上紅外線軸溫探測系統(tǒng)的探測方位的情況。在彎道上校正探測方位的時(shí)候，通常高靶上的一格大約等于2.5mm，所以通過本文推導(dǎo)出來的公式先算出軸箱的偏移量，在直道高靶激光點(diǎn)的基礎(chǔ)上確定彎道上高靶激光點(diǎn)的位置，再由比例關(guān)系就可得到低靶激光點(diǎn)的位置，從而最終確定探頭的探測方位。

本文在分析造成軸箱偏移原因的時(shí)候，忽略了因彎道弧度產(chǎn)生的偏移量，相對于鐵路彎道上百米的半徑而言，這種偏移量很小，在誤差范圍內(nèi)可以忽略不計(jì)。