車輛軸溫智能探測(cè)系統(tǒng)的原理及應(yīng)用

陳 冬 上海鐵路局車輛處

1 高速鐵路發(fā)展概況

1964年10月，世界上誕生了第一條高速鐵路—日本東海道新干線(東京~新大阪)，該線最高速度為210 km/h。2007年04月，法國(guó)TGV在巴黎~斯特拉斯堡東線鐵路上創(chuàng)造了574.8 km/h世界鐵路最高試驗(yàn)速度的記錄，改變了人們對(duì)輪軌系統(tǒng)牽引工具最高速度限制的傳統(tǒng)概念。

我國(guó)鐵路為了適應(yīng)運(yùn)輸市場(chǎng)的需求，從1997年至2007年04月18日，掀起了6次大規(guī)模的提速熱潮，越來(lái)越多的線路區(qū)段從時(shí)速不足100 km逐步提高到 120 km、160 km、200 km，京滬、京廣、京哈、膠濟(jì)線部分區(qū)段還達(dá)到了250 km；第六次大提速后，客運(yùn)能力增加了18%；貨運(yùn)能力增加了12%。2008年08月開通的京津城際鐵路時(shí)速更是達(dá)到了350 km，成為我國(guó)高鐵發(fā)展的里程碑，為后續(xù)的高鐵建設(shè)提供了樣本和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

2 THDS原理及系統(tǒng)介紹

隨著鐵路運(yùn)輸向高速、重載方向發(fā)展，鐵路運(yùn)輸安全壓力日益增大，傳統(tǒng)的以人工、靜態(tài)檢查為主的鐵道車輛安全保障模式無(wú)法確保運(yùn)輸安全。在以路網(wǎng)的快速擴(kuò)充和裝備現(xiàn)代化為主線，同時(shí)采取全面提高鐵路貨車運(yùn)行速度、實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)交路運(yùn)行、開行長(zhǎng)大重載列車等環(huán)境下，針對(duì)鐵路貨車安全關(guān)鍵因素，我國(guó)采用力學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、電子、紅外線等監(jiān)測(cè)技術(shù)，建立了全路性智能化、網(wǎng)絡(luò)化車輛運(yùn)行安全監(jiān)控系統(tǒng)（5T系統(tǒng)），對(duì)運(yùn)行列車進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)，確保行車安全。

車輛軸溫智能探測(cè)系統(tǒng)（THDS），也稱為“紅外線軸溫探測(cè)系統(tǒng)”，作為車輛運(yùn)行安全監(jiān)控系統(tǒng)（5T）的重要組成部分，是探測(cè)鐵路貨車軸承溫度，保障行車安全的重要設(shè)施。它是利用物體產(chǎn)生紅外線輻射，且輻射能量與物體溫度成正比的原理，在鐵路貨物列車正常運(yùn)行的狀態(tài)下，實(shí)時(shí)地對(duì)每輛貨車的每個(gè)軸承溫度進(jìn)行非接觸式采集的系統(tǒng)。當(dāng)貨物列車通過(guò)紅外線軸溫探測(cè)站時(shí)，設(shè)備對(duì)其進(jìn)行計(jì)軸、測(cè)軸距、采集軸承溫度和讀取車號(hào)，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)計(jì)軸、計(jì)輛、車號(hào)確定輛序和熱軸預(yù)報(bào)。根據(jù)已經(jīng)掌握的軸溫規(guī)律和既定的熱軸判別模型對(duì)軸承進(jìn)行模式識(shí)別和熱軸判別，最后自動(dòng)實(shí)現(xiàn)熱軸預(yù)報(bào)和聲光報(bào)警。通過(guò)軸溫變化自動(dòng)分析給出軸承存在故障的危險(xiǎn)程度，為貨物列車是否繼續(xù)安全運(yùn)行提出處置依據(jù)，從而確保貨物列車運(yùn)行安全。貨物列車走行部如圖1所示。

我國(guó)鐵路自1978年開始推廣具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的紅外線探測(cè)技術(shù)以來(lái)，從無(wú)到有，由弱到強(qiáng)，經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，截止2009年12月底，紅外線探測(cè)設(shè)備總量已安裝運(yùn)行4800多臺(tái)。全路建立了18個(gè)鐵路局車輛運(yùn)行安全中心監(jiān)測(cè)站，負(fù)責(zé)紅外線軸溫探測(cè)系統(tǒng)報(bào)文分析和熱軸預(yù)報(bào)；424個(gè)列檢復(fù)示站，負(fù)責(zé)對(duì)通過(guò)本列檢作業(yè)場(chǎng)的貨車熱軸進(jìn)行預(yù)報(bào)。目前紅外線軸溫探測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)全部覆蓋中國(guó)鐵路近8萬(wàn)公里的營(yíng)業(yè)里程，形成了世界上最大的紅外線軸溫探測(cè)運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)，也是最先進(jìn)的鐵路貨車軸溫探測(cè)網(wǎng)絡(luò)。每年防止和避免了大量燃、切軸事故，為鐵路運(yùn)輸安全生產(chǎn)做出了突出貢獻(xiàn)。

圖1 貨物列車走行部

THDS包括紅外線軸溫設(shè)備（即軌邊設(shè)備），列檢復(fù)示終端設(shè)備，鐵路局預(yù)報(bào)終端設(shè)備，通信設(shè)備、傳輸通道，預(yù)報(bào)及管理軟件等。紅外線軸溫探測(cè)系統(tǒng)運(yùn)用工作實(shí)行鐵道部、鐵路局和車輛段三級(jí)管理，各級(jí)貨車運(yùn)用主管部門負(fù)責(zé)對(duì)紅外線軸溫探測(cè)系統(tǒng)的設(shè)置提出主導(dǎo)性意見(jiàn)。紅外線軸溫探測(cè)系統(tǒng)配置車號(hào)智能跟蹤裝置可高質(zhì)量地實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行的全程跟蹤、熱軸的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，避免“停錯(cuò)車”、“拔錯(cuò)牙”等事故發(fā)生，而且充分利用了鐵路系統(tǒng)的基礎(chǔ)信息資源。紅外線軸溫探測(cè)系統(tǒng)裝置配車號(hào)智能跟蹤裝置如圖2所示。

紅外線軸溫探測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展主要經(jīng)歷了四個(gè)階段：第一階段以探測(cè)滑動(dòng)軸承為主，采用上探方式，技術(shù)方法是采用描筆記錄儀，得到的結(jié)果是在記錄紙帶上畫出的對(duì)應(yīng)于滑動(dòng)軸承溫度的等高線，通過(guò)人工測(cè)量高度，計(jì)算倍比系數(shù)完成熱軸的預(yù)報(bào)，探測(cè)設(shè)備無(wú)法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、處理和存儲(chǔ)，簡(jiǎn)稱一代機(jī)；第二階段以探測(cè)滾動(dòng)軸承為主，兼顧滑動(dòng)軸承，探測(cè)方式改為下探，采用計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能夠?qū)μ綔y(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)跟蹤預(yù)報(bào)，簡(jiǎn)稱二代機(jī)；第三階段為適應(yīng)鐵路提速發(fā)展，采用光子探測(cè)技術(shù)，并加裝了車號(hào)跟蹤裝置，實(shí)現(xiàn)車號(hào)智能跟蹤和全路聯(lián)網(wǎng)，簡(jiǎn)稱三代機(jī)；第四階段采用雙探結(jié)構(gòu)，全息采集，模式識(shí)別等技術(shù)，提高熱軸預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，更好地適應(yīng)鐵路發(fā)展提速和重載的需求，并統(tǒng)一制式、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，簡(jiǎn)稱四代機(jī)或統(tǒng)型機(jī)。

圖2 紅外線軸溫探測(cè)裝置配車號(hào)

3 THDS熱軸報(bào)警機(jī)制

統(tǒng)型機(jī)（THDS-A型紅外線軸溫探測(cè)系統(tǒng)）采用新型的自適應(yīng)軸溫計(jì)算方法，定量測(cè)溫，軸溫計(jì)算準(zhǔn)確；能夠自動(dòng)適應(yīng)探頭工作狀態(tài)和性能的變化，適應(yīng)探測(cè)器件響應(yīng)率的變化，適應(yīng)探頭光學(xué)系統(tǒng)增益和電路增益的變化，適應(yīng)探頭物鏡保護(hù)膜的變化，彌補(bǔ)探頭的不一致性，保證軸溫計(jì)算準(zhǔn)確。系統(tǒng)采用調(diào)制型致冷式光子探頭和熱敏探頭相結(jié)合的方式，適應(yīng)車速為：客車 5～360 km/h，貨車5～160 km/h；測(cè)溫精度為：靜態(tài)標(biāo)定在溫升40℃時(shí)，誤差不大于±2℃，溫升在70℃時(shí)，誤差不大于±3℃；動(dòng)態(tài)檢測(cè)時(shí)中低溫區(qū)誤差不大于±3℃，中高溫區(qū)誤差不大于±4℃；探測(cè)軸溫范圍為-45℃～+150℃；探頭輸出信噪比為：環(huán)溫25℃時(shí)，對(duì)象溫差5℃條件下，噪聲按峰-峰值計(jì)算信噪比大于12 dB，按有效值計(jì)算信噪比大于25 dB；工作溫度范圍為：室外：-45～+60℃，室內(nèi)：0～40℃。統(tǒng)型機(jī)圖片如圖3所示。

圖3 統(tǒng)型機(jī)

THDS對(duì)鐵路貨車滾動(dòng)軸承的熱軸故障分三級(jí)進(jìn)行報(bào)警，分別為激熱（溫升達(dá)到 80℃）、強(qiáng)熱（溫升達(dá)到 60℃）、微熱（溫升達(dá)到50℃）。軸承在發(fā)生故障后，由于軸承潤(rùn)滑不良，產(chǎn)生比正常運(yùn)轉(zhuǎn)熱要高得許多的熱量，反映在軸承的溫升或溫度上是通常運(yùn)轉(zhuǎn)熱的數(shù)倍，稱之為熱軸。根據(jù)熱軸的嚴(yán)重程度，結(jié)合多年來(lái)軸溫探測(cè)的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定預(yù)報(bào)等級(jí)為激熱、強(qiáng)熱、微熱：激熱表示軸承發(fā)生了嚴(yán)重故障，軸承溫度非常高，如果不立即停車就有可能切軸進(jìn)而造成列車顛覆；強(qiáng)熱表示軸承發(fā)生了較為嚴(yán)重的故障，軸承溫度比較高，還可以繼續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間，為了不影響運(yùn)輸，可以到前方站停車檢查。微熱，就是軸溫相對(duì)較高，但是已經(jīng)有熱軸的征兆，所以需要重點(diǎn)關(guān)注，監(jiān)視運(yùn)行到下一站后是否繼續(xù)升高，以決定是否攔停處理。微熱設(shè)置為多級(jí)，預(yù)報(bào)微熱跟蹤時(shí)，如果熱級(jí)有升級(jí)，按強(qiáng)熱對(duì)待。根據(jù)對(duì)探測(cè)軸溫?cái)?shù)據(jù)及熱軸數(shù)據(jù)的大量統(tǒng)計(jì)分析，并比照熱軸處理結(jié)果，可確定熱軸預(yù)報(bào)標(biāo)準(zhǔn)。在不同的地區(qū)、不同的線路和不同的季節(jié)有不同的熱軸預(yù)報(bào)標(biāo)準(zhǔn)，以達(dá)到更符合實(shí)際的熱軸預(yù)報(bào)結(jié)果（見(jiàn)表 1）。

表1 熱軸預(yù)報(bào)標(biāo)準(zhǔn)示例（℃）

注：（1）溫升：軸溫與環(huán)溫之差；（2）列溫升差：溫升與一列車同側(cè)統(tǒng)計(jì)平均溫升之差；（3）輛溫升差：溫升與該輛車同側(cè)統(tǒng)計(jì)平均溫升之差。

紅外線軸溫探測(cè)系統(tǒng)自應(yīng)用以來(lái)，發(fā)現(xiàn)了大量的軸承故障，避免了多起燃軸切軸事故。2008年7月至2009年6月，探測(cè)列車73 017 980列，2 612 619 897輛，10 436 799 950軸。預(yù)報(bào)強(qiáng)激熱燃軸4 808次，攔停1 509次，甩車945次，換輪775次。激熱案例如2008年2月25日04：54：00時(shí)刻，太原鐵路局管內(nèi)大秦線撫寧北下行THDS報(bào)警溫升109℃，預(yù)報(bào)的軸承位置是201輛3軸右側(cè)。從波形上看，熱軸所在的波形沒(méi)有怎么經(jīng)歷上升的過(guò)程就達(dá)到最高值了。波形平頂很寬是因?yàn)闇厣芨?，探頭的輸出已經(jīng)達(dá)到極限，飽和了。這是因?yàn)槌休d鞍也已經(jīng)很熱了，所以對(duì)應(yīng)車底架承載鞍上的波形的點(diǎn)也很高，并且很快就達(dá)到飽和。具體分解情況為：側(cè)架、U型副構(gòu)架鞍、軸承前蓋變色；軸承外圈上部和上部滾子、保持架組件磨沒(méi)，下部滾子、保持架組件粘結(jié)；密封罩磨沒(méi)；U型副構(gòu)架鞍座落在軸頸內(nèi)圈上，軸承外圈下部在軸承擋鍵處，防松片變形，施封鎖斷裂；軸頸變形。

4 THDS的重要性

車輛軸溫智能探測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)成為我國(guó)鐵路必不可少的行車安全設(shè)備，在保障行車運(yùn)輸安全方面發(fā)揮了巨大作用，每年防止熱軸和熱切軸事故多起，挽回了大量的經(jīng)濟(jì)損失，為我國(guó)鐵路運(yùn)輸安全做出了巨大的貢獻(xiàn)。并形成了世界上最大的紅外線運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)甚至是最先進(jìn)的紅外線軸溫探測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

5 THDS的發(fā)展方向

紅外線設(shè)備的小型化、集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化將是貨車軸溫探測(cè)技術(shù)未來(lái)的發(fā)展方向，另外傳感器的性能提高也是未來(lái)的發(fā)展方向之一。

我們相信，未來(lái)車輛軸溫智能探測(cè)系統(tǒng)必將為鐵路運(yùn)輸安全生產(chǎn)作出更大的貢獻(xiàn)。