鐵路快捷貨車安全監(jiān)測系統(tǒng)運用技術(shù)研究*

苗 勇, 劉 峰, 延九磊, 夏學凝, 丁瑞志

(1 中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所， 北京100081;2 北京縱橫機電科技有限公司， 北京 100094)

鐵路貨車是我國鐵路系統(tǒng)中的一個重要組成部分，擔負著我國鐵路貨運的主要任務(wù)。隨著近年來網(wǎng)絡(luò)電商和物流業(yè)的迅速發(fā)展，人們對貨運物流量與運輸時效性的要求與日俱增，鐵路快捷貨車是鐵路貨運車輛今后發(fā)展的重要方向[1]。

鐵路快捷貨車有下列特點:

(1)鐵路快捷貨車運行速度和運載質(zhì)量不斷提高，軌道激擾頻率增加，車輪磨損加劇，車輛穩(wěn)定問題凸顯。

(2)從運用環(huán)境來看，鐵路貨運車輛運行里程長，啟動加速與制動工況復(fù)雜多變，一旦車輛發(fā)生制動不良、緩解不良等將造成更嚴重后果。

(3) 從物理特性來看，鐵路貨運車輛滿載時車輛總重大，而目前在我國鐵路貨車運用最廣的K2、K5、K6等轉(zhuǎn)向架均不帶有減振器等阻尼器件。持續(xù)以160 km/h運行，車輛發(fā)生異常振動、擺動的現(xiàn)象增多，易發(fā)生輪對磨耗、鋼簧折斷、高溫熱軸等故障。

快捷貨車軸承、制動、防滑器、轉(zhuǎn)向架等關(guān)鍵影響運行安全品質(zhì)部件缺少安全監(jiān)測，轉(zhuǎn)向架故障、防滑器故障、制動故障、車軸軸承過熱或損壞，甚至可能造成脫軌事故，嚴重影響貨車運行安全。為了確?？旖葚涇嚨男熊嚢踩?，除了定期進行保養(yǎng)維修，及時更換部件外，對列車關(guān)鍵部位進行實時在線監(jiān)測也極為重要。

1 現(xiàn)狀及意義

國外在鐵路貨車安全監(jiān)測領(lǐng)域進行了大量卓有成效的研究，例如美國的鐵路貨車車載檢測系統(tǒng)(SMMCS)，德國的移動式遠程貨車檢測及線路設(shè)施控制系統(tǒng)(Vicos CTmobile)。

在我國，目前由于受供電條件和安裝方式的限制，鐵路貨車安全監(jiān)測主要采用地對車監(jiān)測方式來完成，如采用紅外線軸溫探測智能跟蹤系統(tǒng)、貨車運行故障動態(tài)圖像檢測系統(tǒng)等。車載安全監(jiān)測方面，已有單獨針對軸溫[2]、轉(zhuǎn)向架[3]等部件的監(jiān)測研究，但至今還沒有針對貨車全部重點部件的進行遠程實時監(jiān)測診斷的整套安全監(jiān)測系統(tǒng)。

國內(nèi)車載監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)有一定的使用經(jīng)驗，如運用于機車的機車車載安全防火系統(tǒng)(6A 系統(tǒng))、運用于客車的客車運行安全監(jiān)控系統(tǒng)(TCDS)。相關(guān)的車載信息采集、處理和傳輸技術(shù)已經(jīng)成熟，為鐵路快捷貨車車載監(jiān)測系統(tǒng)的實施提供了技術(shù)支持。

2 鐵路快捷貨車安全監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計

鐵路快捷貨車車載安全監(jiān)測系統(tǒng)，根據(jù)車載安全監(jiān)測設(shè)備的用電需求設(shè)計供電方案，對鐵路快捷貨車轉(zhuǎn)向架、軸承、制動系統(tǒng)、防滑器等關(guān)鍵部件進行安全監(jiān)測，且車載安全監(jiān)測系統(tǒng)能夠適應(yīng)貨車運用特點，實現(xiàn)自動組網(wǎng)、實時無線傳輸故障和報警信息以及將監(jiān)測的過程數(shù)據(jù)無線下載，實時數(shù)據(jù)利用(4G/GPRS)傳送至地面監(jiān)控網(wǎng)頁進行監(jiān)控，安全監(jiān)測系統(tǒng)主機存儲的制動、轉(zhuǎn)向架、軸承及防滑器過程數(shù)據(jù)在車輛進入裝卸站后自動進行無線(WLAN)下載自動進入地面專家系統(tǒng)，綜合分析、針對性指導(dǎo)檢修，保障列車運行安全。

2.2 冗余發(fā)電系統(tǒng)

現(xiàn)有貨車車廂大部分沒有獨立的供電系統(tǒng)，當機車入庫后，車廂內(nèi)的供電中斷，設(shè)備停止工作；還有一部分車廂安裝有單獨的電池供電系統(tǒng)，機車啟動后，機車內(nèi)電源向電池進行充電，入庫后電池向用電設(shè)備進行供電，電池頻繁的深度充放電，導(dǎo)致電池的壽命大大縮短。因此，車載安全監(jiān)測系統(tǒng)的一個重要難題在于，在沒有機車供電的情況下如何實現(xiàn)24 h不間斷供電。目前，已有軸頭發(fā)電、風力發(fā)電[4]等方面的研究，但均受到運行車速、風速等客觀條件約束。因此，設(shè)計了光伏軸頭冗余發(fā)電系統(tǒng)。

圖1 鐵路快捷貨車安全監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)架

光伏軸頭冗余發(fā)電系統(tǒng)由4個部分構(gòu)成：軸頭發(fā)電機、太陽能光伏板、冗余供電控制器、蓄電池。

(1)軸頭發(fā)電機采用24 V永磁發(fā)電器，額定轉(zhuǎn)速600 r/min，額定功率200 W。列車在不同運行速度下，軸頭發(fā)電機輸出功率如表1所示。

表1 列車不同速度下軸頭發(fā)電機輸出功率

(2)太陽能電池板選擇250 W/24 V的單晶硅太陽能電池板(面積為990 mm×1 640 mm)，單晶硅太陽能電池板相當于多晶硅太陽能電池板來說，優(yōu)點在于效率比較高，在光照條件良好的條件下可穩(wěn)定輸出大于150 W的輸出功率。

(3)蓄電池為24 V/40 Ah鉛酸電池，能夠滿足30 W設(shè)備連續(xù)工作24 h。

(4)光伏軸頭冗余發(fā)電系統(tǒng)控制器能夠安全高效地控制發(fā)電機和光伏組件對蓄電池進行充電。同時，提供了電機過轉(zhuǎn)速、過電壓、過電流限制，一旦電機超過設(shè)定的上限轉(zhuǎn)速、上限電壓或上限電流，控制器自動啟動PWM智能卸載，從而保護發(fā)電機。當電機電壓低于蓄電池電壓時，控制器自動啟動升壓模塊，將電機電壓提升到充電電壓，此時電機進行升壓充電；當電機電壓高于蓄電池電壓時，為了獲取最大功率，控制器自動啟動降壓模塊，對電機的輸出電壓進行降壓充電，其工作原理如圖2所示。

圖2 冗余發(fā)電系統(tǒng)控制器工作原理圖

實現(xiàn)不同環(huán)境下的穩(wěn)定供電：

(1)當列車在光照條件良好環(huán)境中以大于50 km/h運行時，由車軸帶動軸頭發(fā)電機發(fā)電，給車載設(shè)備供電，同時給蓄電池充電。與此同時，太陽能電池板也處于工作狀態(tài)，給車載設(shè)備供電，同時給蓄電池充電。同時，冗余供電控制器根據(jù)發(fā)電機和太陽能光伏板的輸出電壓分配給兩者對車載監(jiān)測系統(tǒng)的供電功率。

(2)當列車在光照條件良好環(huán)境中處于停車狀態(tài)或以低于50 km/h的速度運行時，軸頭發(fā)電機的輸出電壓很低，主要由太陽能電池板對車載設(shè)備進行供電，同時對蓄電池進行充電。

(3)當列車在光照條件較差環(huán)境中以大于50 km/h運行時，太陽能電池板輸出電壓過低，主要由軸頭發(fā)電機對車載設(shè)備進行供電，同時對蓄電池進行充電。

(4)當列車光照條件較差環(huán)境以低于50 km/h的速度運行時，太陽能電池和發(fā)電機的輸出電壓都較低，此時車載設(shè)備的供電主要由蓄電池提供。蓄電池采用鉛酸電池，儲存能量大，能夠滿足車載設(shè)備24 h的供電所需能量。當列車提速運行或者光照恢復(fù)后，軸頭發(fā)電機或太陽板能夠在為設(shè)備供電的同時快速補充蓄電池的能量。車載用電設(shè)備采取低功耗設(shè)計，其最大功率為50 W，低功耗狀態(tài)功率為10 W，綜合工況估計平均功耗不大于30 W。

車載光伏軸頭冗余發(fā)電系統(tǒng)在貨車運行過程中提供穩(wěn)定的能量來源同時為蓄電池充電，以備夜間停車狀態(tài)下功能設(shè)備用電安全,在最惡劣的環(huán)境中(車輛停運且無光的條件下)，設(shè)備依靠蓄電池供電，可以連續(xù)運行24 h，且太陽能是清潔能源，在貨車停止運行時有光條件下提供能量來源，符合節(jié)能環(huán)保的理念。

2.3 車載監(jiān)測子系統(tǒng)

快捷貨車安全監(jiān)測系統(tǒng)由安裝于各個車輛的車廂級主機及傳感器、列車網(wǎng)絡(luò)線(雙絞屏蔽線)、識別線、無線天線等組成，安全監(jiān)測各節(jié)點信號利用車輛LonWorks網(wǎng)絡(luò)進行傳輸，將各車廂監(jiān)測信息發(fā)送至首尾車安全監(jiān)測系統(tǒng)主機(含無線傳輸功能)進行無線傳輸。各車廂利用組網(wǎng)識別線進行自動編組，首尾車安全監(jiān)測系統(tǒng)主機無線傳輸功能采用冗余熱備模式。

(1)制動監(jiān)測

制動監(jiān)測節(jié)點在車下安裝制動缸壓力傳感器、列車管壓力傳感器及副風缸壓力傳感器，由車廂級主機制動板卡采集信息對車輛制動系統(tǒng)的工作狀態(tài)和故障進行監(jiān)測診斷，通過Lonworks網(wǎng)絡(luò)傳輸至首尾車安全監(jiān)測系統(tǒng)列車級主機進行列車級故障診斷。

(2)轉(zhuǎn)向架監(jiān)測

轉(zhuǎn)向架節(jié)點在車下一端轉(zhuǎn)向架及車體、二端轉(zhuǎn)向架及車體分別安裝加速度傳感器，診斷車輛轉(zhuǎn)向架垂向、橫向振動狀態(tài)和車體垂向、橫向振動狀態(tài)，并通過Lonworks網(wǎng)絡(luò)傳輸至首尾車安全監(jiān)測系統(tǒng)列車級主機。

(3)軸溫監(jiān)測

軸溫監(jiān)測節(jié)點每輛車由8個溫度傳感器和1個環(huán)溫傳感器組成，分別監(jiān)測車輛8個軸箱溫度及診斷和環(huán)溫，由車廂級主機軸溫板卡采集本車廂軸報器的信息，通過Lonworks網(wǎng)絡(luò)傳輸至首尾車安全監(jiān)測系統(tǒng)列車級主機。

(4)防滑器監(jiān)測

防滑器信息由車廂級主機防滑板卡從防滑器采集。

圖3 車載監(jiān)測結(jié)構(gòu)

3 結(jié)束語

針對快捷貨車運行特點及需求，設(shè)計了一套鐵路快捷貨車安全監(jiān)測系統(tǒng)，對其轉(zhuǎn)向架、軸承、制動系統(tǒng)、防滑器等關(guān)鍵部件進行狀態(tài)監(jiān)測，并配備光伏軸頭冗余發(fā)電系統(tǒng)，以保證監(jiān)測平臺在在最惡劣的環(huán)境中(車輛停運且無光的條件下)可以連續(xù)運行24 h。該系統(tǒng)一方面可有效保障鐵路快捷的運行安全，另一方面積累大量列車運行數(shù)據(jù)，可據(jù)此挖掘車輛運行信息來指導(dǎo)車輛維修和設(shè)備運維，對快捷鐵路貨車安全監(jiān)測的發(fā)展至關(guān)重要。