基于傳感技術(shù)的城軌列車非接觸式脫軌檢測系統(tǒng)研究與應(yīng)用

李文濤 王俊偉 楊 航

（蘇州軌道交通集團有限公司機電中心車輛部，江蘇 蘇州 215004）

0 引言

隨著城市軌道交通技術(shù)的發(fā)展，為提高運行效率，國內(nèi)一些大城市已經(jīng)開始建設(shè)全自動無人駕駛地鐵線路，未來地鐵列車發(fā)展的重要方向是全自動無人駕駛列車[1-2]。列車脫軌檢測功能是全自動無人駕駛城軌車輛必備的功能選項。無人駕駛列車需要檢測列車是否處于正常運行狀態(tài)，并將列車狀態(tài)通知車輛控制中心。針對脫軌功能檢測，車輛需及時探知車輛脫軌，并通知車輛施加緊急制動，降低脫軌造成的損失，并將脫軌信息上報給車輛控制中心。出于線路正常運行考慮，脫軌檢測系統(tǒng)應(yīng)能適應(yīng)車輛運行狀態(tài)的復(fù)雜性和線路的復(fù)雜性，而不引起誤報。本文所提到的非接觸式脫軌檢測系統(tǒng)具有及時準(zhǔn)確探知車輛脫軌的特點，并從傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計及系統(tǒng)保證的角度出發(fā)采取了相應(yīng)措施，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1 非接觸脫軌檢測系統(tǒng)組成

非接觸脫軌檢測系統(tǒng)主要由脫軌檢測傳感器、脫軌系統(tǒng)主機、通信控制模塊及其安裝附件組成，系統(tǒng)組成框架如圖1所示。脫軌檢測傳感器負責(zé)感知軌道信息，并將檢測結(jié)果提供給脫軌檢測系統(tǒng)主機。系統(tǒng)主機根據(jù)脫軌檢測傳感器檢測的信號進行綜合判斷，并將判斷結(jié)果提供給車輛，車輛將信息提供給車輛控制中心。

圖1 脫軌檢測系統(tǒng)組成

1.1 脫軌檢測傳感器

脫軌檢測傳感器為大檢測范圍的電渦流接近傳感器，實物如圖2所示，其自身產(chǎn)生電磁場，在被檢測的金屬物體內(nèi)部產(chǎn)生反作用電磁場的渦流，使傳感器內(nèi)部電流參數(shù)發(fā)生變化，因此識別出作為被檢測對象的鐵軌是否在檢測范圍，進而控制傳感器輸出的信息。

圖2 脫軌檢測傳感器實物

作為大檢測范圍的脫軌檢測傳感器，其核心部分由三大部分組成：振蕩器、開關(guān)電路及放大輸出電路。振蕩器的作用是產(chǎn)生一個高頻交變磁場。正常狀態(tài)下，鐵軌作為被檢測對象一直處在傳感器檢測范圍內(nèi)，在鐵軌與脫軌檢測傳感器正對的表面內(nèi)產(chǎn)生渦流，從而導(dǎo)致振蕩衰減，以至停振。振蕩器振蕩及停振的變化被后級放大電路處理并轉(zhuǎn)換成開關(guān)信號，從而達到非接觸式脫軌檢測的目的。

1.2 脫軌檢測系統(tǒng)主機

脫軌檢測系統(tǒng)主機負責(zé)給脫軌檢測供電、收集脫軌檢測傳感器的信號并對信號進行邏輯判斷。主機內(nèi)部集成通信模塊，可以通過該模塊將檢測結(jié)果傳輸給車輛。脫軌檢測系統(tǒng)主機外形圖如圖3所示。

圖3 脫軌檢測系統(tǒng)主機外形

脫軌檢測系統(tǒng)主機可根據(jù)車輛設(shè)備布置的需要安裝在車下；也可使用標(biāo)準(zhǔn)2U機箱，將其安裝在軌道列車車內(nèi)。脫軌檢測系統(tǒng)主機應(yīng)具有一定的防護能力，同時應(yīng)滿足《軌道交通機車車輛設(shè)備沖擊和振動試驗》（GB/T 21563—2018）對軌道車輛設(shè)備的沖擊振動要求。

2 輪軌關(guān)系對脫軌檢測傳感器的要求

軌道車輛脫軌其根本力學(xué)機理是車輛運行時橫向運動失穩(wěn)，造成車輛—軌道系統(tǒng)橫向振動失穩(wěn)[3]，從而引起輪對脫離軌道而不復(fù)位，造成車輛脫軌事故。通常脫軌事故中，輪軌爬軌造成的脫軌次數(shù)最多，鐵路站內(nèi)脫軌事故也多為爬軌脫軌事故[4]，列車在小半徑曲線上低速脫軌的主要形式也是爬軌[5]。輪對發(fā)生爬軌，傳感器應(yīng)能及時感應(yīng)出輪對與軌道間相對位置發(fā)生距離變化，針對此狀態(tài)做出反應(yīng)；而正常的輪對運動造成的與軌道間偏移，傳感器的檢測范圍應(yīng)能正常地包含進去。

脫軌檢測傳感器的垂向檢測范圍除包含車輛運行造成的高低運動外，還應(yīng)包含車輛載重、輪緣磨耗等因素造成的垂向位移，傳感器的垂向檢測范圍至少距軌面60 mm；新車空車狀態(tài)下，傳感器下表面距軌面的高度距離在45～50 mm。

脫軌檢測傳感器的橫向檢測距離也應(yīng)包含輪對在軌道上正常橫向偏移、輪緣磨損、軌道磨損、輪軌間正常的偏差以及轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的扭轉(zhuǎn)等?；谏鲜鲆蛩氐目紤]，脫軌檢測傳感器既需要有足夠的垂向檢測范圍，也應(yīng)具有足夠的橫向檢測范圍，以滿足車輛構(gòu)架正常的橫向運動和垂向運動。基于電渦流傳感器的特性，隨著檢測高度的增加，其橫向檢測距離也變小。當(dāng)輪緣完全爬到軌上時，在此種高度狀態(tài)下，輪對橫向力幾乎為零，脫軌系數(shù)已超限界值，車輛輪對處于即將完全脫離軌道的狀態(tài)。此時，輪對垂向高度位移和橫向偏移均已超出傳感器的檢測范圍，傳感器應(yīng)及時報出感應(yīng)信息。脫軌檢測傳感器橫向—垂向檢測范圍如圖4所示。

圖4 脫軌檢測傳感器橫向—垂向檢測范圍

3 脫軌檢測傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計及系統(tǒng)布置

脫軌檢測傳感器結(jié)構(gòu)形式如圖5所示，采用雙探測磁芯的結(jié)構(gòu)設(shè)計，雙探測磁芯同時工作，僅當(dāng)兩個磁芯均檢測不到鋼軌時，傳感器才向系統(tǒng)主機提供檢測不到鋼軌信號。此種結(jié)構(gòu)設(shè)計增加了傳感器的可靠性，能夠避免車輛通過道岔的有害空間而產(chǎn)生誤報信號的狀況。

圖5 脫軌檢測傳感器結(jié)構(gòu)形式

由于線路的原因以及車輛運行狀態(tài)的復(fù)雜性，造成車輛脫軌的因素較多，但脫軌的結(jié)果毫無疑問均為轉(zhuǎn)向架的輪對脫離軌道，因此脫軌檢測系統(tǒng)將一節(jié)車輛的單個轉(zhuǎn)向架視為一個檢測對象單元，每臺轉(zhuǎn)向架對角布置安裝兩個脫軌檢測傳感器[6]，也可以選擇根據(jù)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架端頭布置設(shè)備的需要，將傳感器布置在構(gòu)架同一端上，通常的布置方式如圖6所示。

圖6 脫軌檢測傳感器布置方式

4 脫軌檢測的邏輯判斷及輸出

在各類鐵路交通事故中，脫軌事故因危害大、影響廣而備受關(guān)注，所以鐵路行業(yè)對這類多發(fā)性事故十分重視[7]。因此，系統(tǒng)應(yīng)能真實判斷車輛在軌道上的狀態(tài)，而不能因脫軌檢測系統(tǒng)自身故障或其他原因而誤報脫軌信息。由于鐵路行業(yè)對脫軌事故的重視，即使是誤報脫軌，也會對車輛尤其是在無人駕駛車輛采取一定的檢查措施，從而影響到線路的正常運營。因此，系統(tǒng)采用單架雙傳感器的布置方式，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

脫軌檢測系統(tǒng)采取同架雙傳感器布置的方式，因此系統(tǒng)判定車輛的脫軌邏輯如表1所示。

表1 系統(tǒng)對脫軌狀態(tài)的邏輯判斷

5 試驗驗證

在已經(jīng)正常載客運行的某條線路中共有18個站點，線路總里程53 km，最小曲線半徑為R250 m，軌道超高120 mm。在此線路中進行實車正常運行驗證，脫軌檢測系統(tǒng)沒有誤報出脫軌信息。

為配合車輛救援演練，使用復(fù)軌機移動車輛單個轉(zhuǎn)向架脫離軌道，在抬升構(gòu)架高度后，剛移出軌道，系統(tǒng)就及時向車輛提供了脫軌信息，驗證了系統(tǒng)的有效性。

6 結(jié)語

隨著無人駕駛技術(shù)的日趨成熟，無人駕駛列車在將來的軌道交通領(lǐng)域?qū)⒄紦?jù)越來越大的比例，脫軌檢測的技術(shù)應(yīng)用也必須滿足無人駕駛列車的需要。本文介紹的非接觸式脫軌檢測系統(tǒng)具有精確檢測、反應(yīng)及時的優(yōu)點，并從傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計以及系統(tǒng)構(gòu)成和邏輯判斷上提升了系統(tǒng)的可靠性，該系統(tǒng)在將來的無人駕駛列車中必然得到廣泛的應(yīng)用。