基于車輛運行安全監控系統預報車輛抱閘故障的分析與探討

俞成成 中國鐵路上海局集團有限公司杭州北車輛段

1 問題提出

鐵路貨車運行安全監控系統主要包含車輛軸溫智能探測系統（THDS）、貨車故障軌旁圖像檢測系統（TFDS）、鐵道車輛運行品質軌旁動態監測系統（TPDS）、鐵道車輛滾動軸承故障軌旁聲學診斷系統（TADS）和貨車輪對尺寸動態監測系統（TWDS），是利用智能化、網絡化和信息化技術，對貨車車輛運行狀態進行動態實時監控，綜合分析判斷貨車運行故障和安全隱患的技術裝備，為車輛運行安全提供了重要的設備保障。

《鐵路車輛安全管理規則》指出貨車的行車安全防范重點應突出“防冷熱切軸、防部件斷裂、防配件脫落、防車脫軌、防列車分離、防制動放飏和防制動抱閘”，簡稱“貨車七防”。隨著鐵路裝備技術的不斷發展，貨車運行安全監控系統為保證貨車運行安全和運輸秩序提供了強有力的保障，發揮了重要作用。如“防冷熱切軸”有THDS 和TADS 系統提供設備保障，“防部件斷裂”、“防配件脫落”和“防列車分離”有 TFDS 系統提供設備保障，“防車輛脫軌”有TPDS 系統和TWDS 系統提供設備保障。然而“防制動抱閘”這個危害貨車運行安全的首要防范重點卻沒有安全監控系統提供直接的設備保障。因此如何利用既有監控設備來預報車輛抱閘，是亟須解決的問題。

2 THDS系統預報車輛抱閘故障

2.1 THDS系統的工作原理

THDS 系統是利用物體產生紅外輻射原理，通過設在軌邊的紅外探測器，檢測車輛運行中軸承發出的紅外輻射能量大小，實現車輛軸溫的測量。通過檢測軸承溫度突變，來發現軸承故障，防止貨車熱切軸。

2.2 THDS系統預報車輛抱閘故障分析

在THDS系統預報的熱軸中我們發現，有些預報的車輛，分解軸承并沒有發現故障，經分析，是由于車輛抱閘引起的車輪踏面溫度迅速上升后輻射到紅外探測器上，導致探測的軸承溫度升高。這種軸溫有明顯的特征：

（1）輛軸溫或者同一轉向架軸溫明顯高于全列軸溫，并且軸溫為全列軸溫的前幾大值。連續跟蹤前方幾個探測站的軸溫數據，都在前幾大值中。這是由于車輛發生抱閘，會造成輛或一個轉向架的閘瓦與車輪踏面接觸，產生摩擦熱。例如：2019 年 09 月 27 日，局管內滬昆線喬上上行 THDS 探測站預報36906 次機后24 位左4 溫升最大值，且八個軸位溫度都比較高，經現場檢查確認該車人力制動機緊固，為抱閘車輛見圖1。

圖1 抱閘車輛全列軸溫對比

2019年11月23 日，上海局管內宣杭線喬發宣下行THDS探測站預報49017次列車機后9位左4溫升最大值，且八個軸位溫度都比較高，經現場檢查確認該車人力制動機緊固，為抱閘車輛。

（2）THDS 系統軸承溫度采集過程：由車輪觸發3 號磁鋼信號后，開始采集，采集長度固定，探頭起初掃描車底架，之后掃描到軸承形成波形上升沿，當軸承完全進入探頭視場后，形成波形平頂部分，再從軸承掃描到車底架形成波形的下降沿，最后掃描到車底架，探測32 點波形見圖2。正常的軸承溫度波形是光滑的，將抱閘車輛的軸溫預報波形與正常的軸溫預報波形作對比，可以看出，當車輛發生輕微抱閘時，其預報的軸溫波形和正常波形差別不大。但是當車輛發生嚴重抱閘時，其波形則會呈現起點抬起和波形波動性加大等特征，表現為多出現峰尖、拐點、凹凸，波形無平滑過渡、離散等現象，見圖3、圖4。

2.3 THDS系統對現場發現車輛抱閘故障作用

通過分析可以看出，THDS 系統預報的兩側軸承溫升最大值和抱閘軸溫的異常波形對列檢現場檢查發現車輛抱閘故障有很大的指導幫助。雖然2018 年中國鐵路總公司新印發的《鐵路貨車運用維修規程》取消了列檢作業場的溫升最大值預報要求，但“溫升最大值”在發現車輛抱閘故障這方面還是有一定作用的。列檢作業場可以將“溫升最大值”的預報作為防車輛抱閘的一項重要措施，要求當到達或中轉列車進入列檢作業場時，列檢值班員必須通過查看THDS 系統將該列車的軸承溫升最大值預報給現場檢車員，要求現場檢車員對該車的基礎制動系統和空氣制動系統進行重點的檢查，以提高車輛抱閘故障的發現率。同時對該輛車的其它軸承溫升對比和軸溫波形進行分析，如果是類似抱閘的異常波形，也可以將這個信息預報給現場檢車員，以引起現場檢車員的足夠重視。通過這一舉措的實施，杭州北車輛段喬司運用車間2019 年至2020 年上半年共計發現車輛抱閘故障22件，其中人力制動機緊固17 件、基礎制動杠桿別勁2 件、人力制動機轉軸脫出1件、閘調器故障1件、制動機故障1件。

3 TFDS系統發現車輛抱閘故障

3.1 TFDS系統的工作原理

TFDS 系統是利用軌邊高速攝像頭，對運行貨車進行動態檢測，及時發現貨車運行故障的安全監控設備。其主要檢測貨車車輛的走行部、制動梁、懸吊件、枕簧、大部件、鉤緩等安全關鍵部位，重點防范制動梁脫落事故，防范搖枕、側架、鉤緩大部件裂損、折斷，防范枕簧丟失和竄出等危及行車安全的隱患，其多數時候并不能直觀的檢查出車輛抱閘故障。

3.2 TFDS系統發現車輛抱閘故障分析

TFDS 系統的實際運用過程中，動態檢車員通過對人力制動機、閘缸鏈、閘瓦等部件的重點檢查，可以發現一些疑似抱閘的故障跡象見圖5。

圖5 TFDS發現抱閘故障實例

TFDS動態檢車發現車輛抱閘的具體方法：

（1）看閘瓦與踏面的狀態。抱閘車輛轉向架的各閘瓦一般都會與踏面密貼，并且各閘瓦與踏面之間都有比較明顯的閘瓦熔渣，車輪踏面上還會伴有一定的粘堆現象。

（2）看各基礎制動部件狀態。一是看人力制動機鏈條是否處于拉直狀態，呈明顯的“銳角”型；二是看閘缸鏈是否處于拉直狀態，制動缸前杠桿與制動缸活塞推桿夾角是否有明顯的角度變化，是否呈直角或鈍角；三是看人力制動機拉桿與托架間的距離關系，正常情況下人力制動機拉桿軸端鏈條滑輪與托架之間的距離較小，距離異常過大則有抱閘可能。

（3）看制動缸鞲鞴狀態。這一條不太好判別，因TFDS 探測站的選址問題，很多列車通過探測時都會進行制動調速，但如果整列車制動缸鞲鞴都處于緩解狀態，只有極個別車輛制動缸鞲鞴處于制動狀態，那一定是抱閘車輛。

4 TFDS和THDS系統聯合檢查發現抱閘故障

在日常的TFDS 動態檢車過程中可以通過TFDS 和THDS系統的聯合檢查進一步提高動態檢車中抱閘故障的發現率。比如可以引入TFDS 動態班組長THDS 預報情況的質量復查機制，要求TFDS動態班組長必須通過本地THDS復示探測站查看當班所有到達或中轉列車的軸承溫升最大值預報情況，當本地預報作業列車的左右側軸承溫升最大值為同一車輛時，必須對該輛車的閘瓦與踏面狀態、基礎制動狀態和制動缸鞲鞴狀態進行全面復核，以進一步提高動態檢車中抱閘故障的發現率。杭州北車輛段喬司運用車間自2019 年7 月引入這一復核機制以來，截至2020 年6 月TFDS 動態檢車共計發現車輛抱閘故障8件，充分發揮了TFDS系統在防車輛抱閘中的作用。

5 熱輪探測技術預報車輛抱閘故障

由于THDS 系統畢竟不是專門針對車輛抱閘的設備，受自然環境、線路條件、運輸組織等各種條件的影響和限制，其疑似抱閘預報的準確率還比較低。紅外熱輪探測裝置是建立在THDS 探測系統的平臺上，利用紅外測溫技術來探測列車車輪的溫度見圖6。根據溫度分一級、二級兩個等級對抱閘車輛進行報警預報，進而識別抱閘故障車輛，實現貨車制動抱閘實時監控。

圖6 熱輪探測裝置系統構成

相比于THDS 系統的疑似抱閘預報功能，其具有以下優點：

（1）準確預報熱輪。對異常制動（手閘未放、輕出閘等）引起的熱輪準確預報，保障車輛的安全運行。

（2）減少由于抱閘引起的熱軸誤報。利用熱輪探測數據的綜合分析，過濾因抱閘引起的熱軸誤報，大大提高熱軸預報兌現率。

（3）減少區間誤攔誤停。通過精確的輪溫探測，可使調度、維護等部門及時了解車輛運行情況，避免區間的誤攔，保障列車運行的暢通。

（4）準確得出冷輪所在位置預報。可確定制動不良或關門車的車輛。

（5）通過冷輪預報，可有效防止長大列車因關門或異常故障引起的制動力不足而引發的事故，更好的保證行車安全。

6 車輛抱閘故障攔停建議

目前貨車車輛制動抱閘故障的途中安全信息主要通過車站外勤值班員或列車司機發現有冒火星、車輪發紅、車輪異響等，其中冒火星占絕大多數。但由于造成車輪冒火星的因素有很多，如車輛通過道岔、制動調速、零星熔渣等都會造成車輪冒火星，因此極易造成抱閘故障信息誤報。2019年杭州北車輛段管內途中制動抱閘的安全信息共計46件，其中冒火花34 件，司機會同車站檢查無異常放行22 件。誤報給運輸組織造成了干擾，同時也讓車輛部門在安全管控上極為被動。因此提出抱閘故障攔停機制建議：

（1）進一步完善THDS 系統疑似抱閘預報模型和增加紅外熱輪探測裝置，通過安全監控設備實現對車輛運行抱閘故障的實時預報。

（2）充分發揮集團公司紅外線調度員的作用，建立干預機制。在車站外勤值班員預報冒火星時，可以將信息報給紅外線調度員，由紅外線調度員根據車輛軸溫進行分析，如果預報車輛符合抱閘車輛軸溫特征，則前方站攔停檢查，如不符合則可以運行至下一列檢作業場檢查。這樣會大大減少抱閘故障誤報，減少對運輸的干擾。