鐵路長(zhǎng)大貨車紅外線軸溫探測(cè)適應(yīng)性分析

鄭向陽(yáng)，劉鵬軍，畢方勇

（北京康拓紅外技術(shù)股份有限公司，北京 100086）

燃軸、熱切軸等事故嚴(yán)重威脅行車安全，一旦發(fā)生將阻礙運(yùn)輸秩序、造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，如何及時(shí)、準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)熱軸，備受關(guān)注。我國(guó)鐵路車輛部門(mén)從上世紀(jì)七十年代開(kāi)始推廣使用紅外線軸溫探測(cè)系統(tǒng)（THDS），在預(yù)報(bào)軸溫、防止熱軸事故、提高列車行車安全保障方面起到了顯著作用。

1 概述

THDS是利用軌邊紅外線探頭，對(duì)通過(guò)車輛的軸箱軸承進(jìn)行非接觸式溫度檢測(cè)，并對(duì)熱軸車輛進(jìn)行跟蹤報(bào)警的安全保障設(shè)施［1］。THDS工作原理：利用安裝在軌邊的紅外輻射測(cè)溫探頭、車輪傳感器及探測(cè)機(jī)房?jī)?nèi)的控制、采集、傳輸系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)采集運(yùn)行列車的軸箱軸承溫度，自動(dòng)識(shí)別車號(hào)、車速、軸距等運(yùn)行信息，并通過(guò)專用網(wǎng)絡(luò)和傳輸通道，將判別結(jié)果及數(shù)據(jù)迅速準(zhǔn)確地傳輸?shù)礁麒F路局監(jiān)測(cè)中心和列車調(diào)度指揮系統(tǒng)［2］。

現(xiàn)用THDS采用雙下探的探測(cè)方式，內(nèi)探、外探相結(jié)合，檢測(cè)列車軸承中心、軸端蓋的溫度安裝在60 kg/m鋼軌上的雙探THDS設(shè)備示意圖如圖1所示。內(nèi)探探頭光學(xué)中心距相鄰鐵軌內(nèi)側(cè)265 mm，仰 角45°，偏 角0°［3］；外探 距 離 內(nèi) 探150 mm，仰 角45°，向鐵軌內(nèi)側(cè)偏角3°。

圖1 雙探THDS與60 kg/m鋼軌的裝配示意圖

THDS經(jīng)過(guò)多年發(fā)展與完善，已經(jīng)與裝用轉(zhuǎn)K1型、轉(zhuǎn)K2型、轉(zhuǎn)K6型等通用轉(zhuǎn)向架的鐵路貨車實(shí)現(xiàn)較好的匹配，在提高軸溫預(yù)測(cè)精度、減少誤報(bào)漏報(bào)事故等方面也取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)步。但在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，我們發(fā)現(xiàn)存在一部分鐵路長(zhǎng)大貨車無(wú)法與現(xiàn)有THDS相匹配，從而導(dǎo)致熱軸漏報(bào)事故?；诖?，文中系統(tǒng)地分析了利用現(xiàn)有THDS對(duì)長(zhǎng)大貨車進(jìn)行軸溫探測(cè)的適應(yīng)性，總結(jié)了鐵路長(zhǎng)大貨車無(wú)法利用THDS準(zhǔn)確預(yù)報(bào)軸溫的原因，提出了THDS軸溫探測(cè)適應(yīng)性的判斷標(biāo)準(zhǔn)。此外，針對(duì)無(wú)法利用THDS進(jìn)行軸溫探測(cè)的鐵路長(zhǎng)大貨車，在理論上建模分析，分別針對(duì)THDS內(nèi)探及外探，提出軸箱設(shè)計(jì)、修改建議，為T(mén)HDS在現(xiàn)存長(zhǎng)大貨車軸溫探測(cè)適應(yīng)性改造及新車型設(shè)計(jì)提供參考。

2 鐵路長(zhǎng)大貨車THDS軸溫探測(cè)適應(yīng)性分析

根據(jù)長(zhǎng)大貨車轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)及THDS內(nèi)、外探的布置方式，將全路在用的80種長(zhǎng)大貨車車型、15種轉(zhuǎn)向架分為3類：雙探測(cè)溫、單探測(cè)溫、無(wú)法測(cè)溫。其中，6種車型（4種轉(zhuǎn)向架）能利用THDS雙探測(cè)溫；41種車型（7種轉(zhuǎn)向架）僅能利用THDS單探（外探）測(cè)溫；33種車型（6種轉(zhuǎn)向架）無(wú)法利用THDS測(cè)溫，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 長(zhǎng)大貨車THDS軸溫探測(cè)適應(yīng)性統(tǒng)計(jì)

2.1 內(nèi)探軸溫探測(cè)分析及軸箱改造建議

THDS內(nèi)探用于采集軸承中心附近的溫度，內(nèi)探測(cè)溫不受密封罩過(guò)熱及陽(yáng)光干擾等影響［4］。當(dāng)承載結(jié)構(gòu)為承載鞍時(shí)，如D15A、D17A、D26A采用的轉(zhuǎn)K1型、轉(zhuǎn)K2型、轉(zhuǎn)K6型轉(zhuǎn)向架，軸承底部暴露，THDS內(nèi)探測(cè)溫模型也是基于此設(shè)計(jì)的如圖2（a）所示。以軸承中心為原點(diǎn)建立的內(nèi)探測(cè)溫模型示意圖如圖2（b）所示，圖中虛線所示為軸承上部被承載鞍覆蓋區(qū)域，紅色箭頭為內(nèi)探光學(xué)中心線。當(dāng)列車沿-x方向運(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò)THDS設(shè)備時(shí)，∠AOB對(duì)應(yīng)的軸承外圈表面溫度被THDS內(nèi)探采集，由內(nèi)探仰角計(jì)算得到∠AOB=135°，采樣長(zhǎng)度LAC=0.85D（D為軸承外圈直徑）。

圖2 承載鞍結(jié)構(gòu)內(nèi)探測(cè)溫模型

當(dāng)承載結(jié)構(gòu)為軸箱時(shí)如圖3（a）所示，D2、D10采用的4E軸焊接構(gòu)架式、3D軸構(gòu)架式轉(zhuǎn)向架，軸承位于軸箱內(nèi)部，THDS內(nèi)探采集軸箱表面溫度，無(wú)法直接表征軸承本身的溫度。此外，對(duì)于某些裝用包板式轉(zhuǎn)向架的貨車，雖然采用承載鞍結(jié)構(gòu)，但軸承下方設(shè)置有連接拉板（如D38車型采用的4軸包板式轉(zhuǎn)向架），同樣遮擋內(nèi)探視野。因此，軸箱承載或軸承下方設(shè)置連接拉板，均無(wú)法利用THDS內(nèi)探測(cè)溫。在該情況下，若要利用THDS內(nèi)探測(cè)溫，則需在軸箱或連接拉板底部設(shè)置探測(cè)孔。文中僅討論在軸箱上設(shè)置探測(cè)孔的改造方案，如圖3（b）所示，圖中虛線框?yàn)檩S箱結(jié)構(gòu)，紅色箭頭為內(nèi)探光學(xué)中心線?！螮OH為以軸承中心為原點(diǎn)，以y軸為對(duì)稱軸，在軸箱底部設(shè)置的探測(cè)孔。理論計(jì)算軸箱底部探測(cè)孔的最小角度，以兼顧軸箱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及THDS內(nèi)探測(cè)溫需求。

按照THDS內(nèi)探遮擋測(cè)溫模型的要求，采樣長(zhǎng)度不小于標(biāo)準(zhǔn)模型采樣長(zhǎng)度的一半，見(jiàn)圖3（b），設(shè)THDS內(nèi)探所能探測(cè)的紅外線輻射為∠BOD所對(duì)應(yīng)的區(qū)域，則采樣長(zhǎng)度LAC≥0.425D。由此，可以得到式（1）：

圖3 軸箱結(jié)構(gòu)內(nèi)探測(cè)溫模型

式中：k為內(nèi)探光束輪廓參數(shù)，與內(nèi)探中心到軸承距離及探頭視場(chǎng)角相關(guān)；d為軸承中心與軸箱底面距離。

常用的貨車滾動(dòng)軸承如353130B、197726、197730等［5］，其外圈直徑D=230～270 mm，THDS內(nèi)探遮擋模型中采樣長(zhǎng)度LAC=115 mm，k=25，由式（1）可計(jì)算得到不同軸箱尺寸d所對(duì)應(yīng)的探測(cè)孔最小角度∠EOH，如圖4所示。

圖4 不同的軸承外徑，探測(cè)孔最小角度∠EOH與軸箱尺寸d的關(guān)系

綜上分析，當(dāng)鐵路長(zhǎng)大貨車轉(zhuǎn)向架采用軸箱結(jié)構(gòu)或軸承下方設(shè)置了連接拉板，因?yàn)槠湔趽跆綔y(cè)光路，均無(wú)法利用THDS內(nèi)探測(cè)溫。參照式（1），如果在軸箱底部設(shè)置探測(cè)窗口，則采用軸箱承載的轉(zhuǎn)向架可使用THDS內(nèi)探監(jiān)測(cè)軸溫；對(duì)于在軸承下方設(shè)置連接拉板的轉(zhuǎn)向架，設(shè)置探測(cè)窗口可能導(dǎo)致連接強(qiáng)度降低，則只能使用THDS外探進(jìn)行軸溫探測(cè)。

2.2 外探軸溫探測(cè)分析及軸箱設(shè)計(jì)建議

THDS外探是通過(guò)掃描滾動(dòng)軸承的端蓋位置進(jìn)行軸溫探測(cè)，同時(shí)也兼顧客車軸箱，經(jīng)過(guò)多年的研究與應(yīng)用，熱軸判別模式已經(jīng)比較成熟。

目前對(duì)于絕大部分鐵路車輛，THDS外探可以掃描其軸端蓋并準(zhǔn)確預(yù)報(bào)溫度，然而存在部分長(zhǎng)大貨車，如D25A等，軸箱尺寸較大，軸箱側(cè)面加強(qiáng)筋等結(jié)構(gòu)遮擋THDS外探光路，導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)報(bào)軸端蓋處溫度，存在引發(fā)漏報(bào)事故的風(fēng)險(xiǎn)。

文中提出了THDS外探遮擋邊界（LOB）的概念，用于快速判斷某型號(hào)長(zhǎng)大貨車轉(zhuǎn)向架與現(xiàn)有THDS外探測(cè)溫的適應(yīng)性，該方法同樣適用于其他鐵路車輛。LOB：即在軌面上高h(yuǎn)處，在垂直鐵軌方向上不遮擋外探視野的最大長(zhǎng)度如圖5所示。

圖5 THDS外探遮擋邊界示意圖

根據(jù)探頭光束輪廓、THDS外探位置及方位角，推導(dǎo)出60 kg/m鋼軌上外探LOB計(jì)算公式為式（2）：

式中：k'為外探光束輪廓參數(shù)，與外探中心到端蓋中心距離及探頭視場(chǎng)角相關(guān)；h=（車輪直徑-軸承外徑）/2。以標(biāo)準(zhǔn)貨車車輪及353130B軸承為例，由式（2）計(jì)算得到LOB=2 181±1 mm。

在理論上，對(duì)稱2個(gè)軸箱外側(cè)面的距離即為軸頸中心距（L1）與軸箱寬度（L2）之和，因此，對(duì)于某類型的長(zhǎng)大貨車轉(zhuǎn)向架而言，當(dāng)L1+L2＞LOB時(shí)，外探視野被遮擋，反之則外探可正常掃描軸端蓋。根據(jù)該關(guān)系，可以快速判斷THDS外探的測(cè)溫適應(yīng)性。

常用貨車車軸的軸頸中心距為標(biāo)準(zhǔn)值（1 956 mm或1 981 mm），因此，軸箱寬度（L2）對(duì)THDS外探軸溫探測(cè)適應(yīng)性有決定性的影響。在長(zhǎng)大貨車轉(zhuǎn)向架軸箱設(shè)計(jì)之初，通過(guò)優(yōu)化軸箱寬度可使該型號(hào)長(zhǎng)大貨車滿足THDS外探測(cè)溫需求。

按照式（2）計(jì)算的LOB為理論值，在實(shí)際中，若L1+L2=LOB，THDS外探光路依然存在被遮擋的可能，這是因?yàn)殇撥壟c輪緣之間存在游間，且軸箱存在裝配誤差（±3 mm）。列車在線路上蛇行運(yùn)動(dòng)時(shí)，穩(wěn)態(tài)下蛇行運(yùn)動(dòng)滿足正弦函數(shù)規(guī)律［6］。游間過(guò)小會(huì)增大輪軌磨耗和運(yùn)行阻力，游間過(guò)大又會(huì)增加車輛蛇行運(yùn)動(dòng)的幅度，我國(guó)規(guī)定車輛輪游間正常值為14 mm。

列車以正弦函數(shù)規(guī)律蛇行運(yùn)動(dòng)通過(guò)THDS探測(cè)站，其橫向位移近似服從均勻分布，利用均勻分布概率密度計(jì)算得到的裝配偏差與THDS外探遮擋概率之間的關(guān)系如圖6所示，其中裝配偏差負(fù)值代表軸箱中心位于軸徑中心線之間，裝配偏差正值代表軸箱中心位于軸徑中心線之外，裝配偏差0代表軸箱中心恰好與該側(cè)軸徑中心線重合?？梢?jiàn)當(dāng)L1+L2=LOB時(shí)，單側(cè)THDS外探被遮擋的概率大于27%；而當(dāng)L1+L2=LOB-20時(shí)，列車的蛇行運(yùn)動(dòng)、軸箱裝配誤差均不會(huì)遮擋THDS的外探光路。

圖6 裝配偏差與THDS外探遮擋概率的關(guān)系

綜上分析，通過(guò)計(jì)算遮擋邊界，結(jié)合輪對(duì)類型及軸箱尺寸，可快速判斷是否能利用THDS外探對(duì)長(zhǎng)大貨車進(jìn)行軸溫探測(cè)，該方法同樣適用于其他類型鐵路車輛；軸箱寬度對(duì)長(zhǎng)大貨車THDS外探軸溫探測(cè)適應(yīng)性有決定性影響，考慮列車蛇行運(yùn)動(dòng)及軸箱裝配偏差，建議軸箱設(shè)計(jì)寬度與軸徑中心距之和小或等于（LOB-20）mm，以確保列車運(yùn)行時(shí)，外探光路不被遮擋。

3 總結(jié)

文中分析了利用THDS對(duì)長(zhǎng)大貨車進(jìn)行軸溫探測(cè)的適應(yīng)性。首先，通過(guò)統(tǒng)計(jì)將現(xiàn)存的長(zhǎng)大貨車分為3類：雙探測(cè)溫、單探測(cè)溫、無(wú)法測(cè)溫。其次，提出了THDS軸溫探測(cè)適應(yīng)性判斷標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于內(nèi)探，采用軸箱承載或軸承下方存在連接拉板結(jié)構(gòu)，均無(wú)法利用內(nèi)探測(cè)溫；對(duì)于外探，提出遮擋邊界（LOB）的概念及計(jì)算方法，結(jié)合軸箱寬度及輪對(duì)類型，可快速判斷THDS外探軸溫探測(cè)的適應(yīng)性。此外，對(duì)于無(wú)法利用THDS內(nèi)探測(cè)溫的車型，提出了軸箱改造建議，即在軸箱底部設(shè)置探測(cè)孔；對(duì)于無(wú)法利用THDS外探測(cè)溫的車型，提出軸箱寬度的設(shè)計(jì)建議。通過(guò)理論建模給出了軸箱底部探測(cè)孔最小角度及軸箱寬度的計(jì)算公式，為我國(guó)現(xiàn)存長(zhǎng)大貨車THDS軸溫探測(cè)適應(yīng)性改造及未來(lái)新型長(zhǎng)大貨車的設(shè)計(jì)提供參考。