激光開關式脫軌檢測裝置設計

李小川，龔衛

（中車株洲電力機車有限公司產品研發中心，湖南 株洲 412001）

0 引言

隨著近年來無人駕駛技術在軌道交通領域的迅速發展和應用，脫軌檢測裝置等新技術對列車的重要性越來越高[1-2]。脫軌檢測裝置的作用是檢測車輛脫軌狀態，并將脫軌信號傳送給列車控制系統。如果車輛發生脫軌而脫軌檢測裝置沒有及時檢測到脫軌，車輛會在脫軌狀態下運行，從而造成極大的經濟損失甚至是人員傷亡，如果車輛未發生脫軌，而脫軌檢測裝置誤報脫軌信號，車輛會錯誤地施加緊急制動，從而對整條線路的正常運營造成不良影響，因此脫軌檢測裝置的可靠性在一定程度上決定了無人駕駛列車運行的安全性和可靠性。根據工作原理，目前業內現有的脫軌檢測裝置大致可分為接觸式脫軌檢測裝置、非接觸式脫軌檢測裝置、振動式脫軌檢測裝置，各種脫軌檢測裝置各有其優缺點。本文介紹了一種激光開關式脫軌檢測裝置，可滿足無人駕駛技術對脫軌檢測的要求。

1 現有脫軌檢測裝置方案介紹

根據脫軌檢測傳感器檢測脫軌信號的原理，目前業內現有的脫軌檢測裝置可分為接觸式、非接觸式和振動式。下面對這三種脫軌檢測裝置的方案及優缺點進行簡要介紹。

1.1 接觸式脫軌檢測裝置

接觸式脫軌檢測裝置主要由脫軌檢測主機、脫軌檢測電氣盒、脫軌檢測傳感器總成及其附件組成。每臺轉向架安裝一套脫軌檢測傳感器，傳感器安裝在構架中部接近軌道的位置。為檢測到脫軌信號，傳感器需要橫跨整個軌道。車輛正常運行時，脫軌檢測傳感器隨構架一起相對軌道發生小幅度的相對運動，但不與軌道接觸。當車輛發生脫軌時，構架相對軌道會向下運動，傳感器檢測梁會碰撞到軌道。軌道作用在檢測梁上的力大于傳感器內的彈簧力，從而壓縮檢測梁和安裝支架之間的距離，內部的傳感器檢測到接近信號，從而觸發脫軌報警。接觸式脫軌檢測傳感器總成如圖1所示。

圖1 接觸式脫軌檢測傳感器總成

接觸式脫軌檢測傳感器的檢測梁需要橫跨整個軌道，為保證強度，檢測梁通常由金屬制成，這就意味著整個傳感器會較重。而車輛在運行時轉向架會產生劇烈的振動，這就需要傳感器自身及其安裝結構的可靠性非常高，否則傳感器發生斷裂或脫落，掉落在軌道上，有可能造成列車脫軌等事故。此外由于限界的要求，接觸式脫軌檢測傳感器不能設置的與軌道過于接近，否則容易超限，而設置的過高的話又無法保證車輛脫軌時脫軌傳感器與軌道接觸，因此該方案的準確性還有待進一步驗證[3-4]。

1.2 非接觸式脫軌檢測裝置

非接觸式脫軌檢測裝置主要由脫軌檢測主機、脫軌檢測前置單元和脫軌檢測探測器及其附件組成。由于轉向架的每條輪對均有可能發生脫軌，所以每臺轉向架至少需要安裝兩個脫軌檢測探測器，呈對角地安裝在軸箱體上。每個脫軌檢測探測器內部配備兩個感應式接近傳感器，時刻監測列車運行下前方鐵軌，兩個傳感器互為冗余降低誤觸發幾率。接近傳感器對軌道的位置較敏感，設置地過高或者相對軌道的運動量過大均會影響檢測的準確性，因此探測器只能安裝在軸箱體上，且需要和軌頂面保持大致平行。由于軌道存在道岔等無軌區域，脫軌檢測探測器內必須縱向地布置兩個接近傳感器，防止列車通過道岔等小距離無軌區時誤報脫軌故障。列車一旦出現脫軌，脫軌檢測裝置將脫軌信號送給車上脫軌檢測前置單元。脫軌檢測探測器在轉向架上的安裝如圖2所示。

圖2 非接觸式脫軌檢測探測器

非接觸式脫軌檢測探測器需要距軌道較近且需要和軌道保持平行，因此傳感器只能安裝在軸箱體上。軸箱體振動劇烈，對傳感器自身及其安裝結構的結構及抗振動性能要求較高。如果傳感器或其安裝結構由于振動而發生斷裂或脫落，也有可能造成車輛脫軌。且軌道交通車輛軸箱定位形式多樣，轉臂式定位是其中一種常見的形式，轉臂定位的軸箱體在車輛運行過程中會由于一系載荷的變化及外部沖擊而繞著車軸發生轉動，因此無法保證傳感器和軌道保持平行。目前高速列車軸箱多采用轉臂式定位，非接觸式脫軌檢測裝置要適應轉臂式定位車輛的安裝要求還需要進一步改進[5-6]。

1.3 振動式脫軌檢測裝置

振動式脫軌檢測是近年來發展起來的新型防脫軌檢測技術，其主要由脫軌檢測傳感器模塊和脫軌檢測控制單元這兩部分組成，具有結構簡單、維護成本低的優點。脫軌檢測控制單元是防脫軌檢測裝置的主控制板，列車內的所有脫軌檢測控制單元均通過列車線相連。振動式脫軌檢測的傳感器模塊安裝在列車的車輪或齒輪箱大齒輪軸上，測量輪軸橫向和垂向加速度信號，以此計算列車的脫軌系數，并根據計算出的脫軌系數判斷車輛是否有脫軌趨勢。其傳感器安裝如圖3所示。

圖3 振動式脫軌檢測裝置傳感器安裝

目前走行部故障診斷系統在軌道交通領域廣泛應用。振動式脫軌檢測的主要優點在于其功能可集成到走行部故障診斷系統里，基本無需增加額外的設備。其缺點在于是根據振動信號算出的脫軌系數來判斷車輛是否有脫軌的風險，而目前業內對脫軌系數和車輛實際脫軌狀態之間的關系還沒有準確的結論。實時檢測出來的脫軌系數和車輛實際的脫軌趨勢或脫軌狀態之間存在較大的差異，因此其判斷的準確性難以保證[7-8]。

2 激光開關式脫軌檢測裝置的構成及布置

2.1 激光開關式脫軌檢測裝置的構成

針對現有脫軌檢測裝置的缺點設計了激光開關式脫軌檢測裝置。激光開關式脫軌檢測裝置主要由控制及分析主機、采集盒、激光開關式傳感器等組成。每列車（以6編組地鐵為例）包含6臺控制及分析主機，每個主機下設置4個采集盒，每個采集盒連接1套激光開關式傳感器（每套激光開關式傳感器包含2個探頭）。其結構如圖4所示。

圖4 激光開關式脫軌檢測裝置系統結構

控制及分析主機設置在車廂電氣柜內，負責與TCMS通信、電源轉換、設備自診斷、開啟/切除功能單元、分析信號邏輯等功能。控制與分析主機內設電源模塊、邏輯處理模塊、通信模塊、接口模塊、驅動模塊。

采集盒設置在轉向架附近的車體底架上，內設2組光電傳感器，其中光電傳感器與探頭組件連接。

激光開關式傳感器主要由激光發射器和激光接收器兩部分組成，并分別位于兩條鋼軌的外側，距離軌頂面的高度約120mm。每臺轉向架設置1套或2套激光開關式傳感器（安裝2套時，激光開關式傳感器盡量接近輪對；安裝1套時，激光開關式傳感器設置在轉向架中部），傳感器采用對射方式（即一端發射激光，另一端接收激光），要求對射范圍內無明顯異物阻擋。激光發射器和激光接收器僅由機械保持架和柔性光纖頭組成。具有結構簡單，可靠性高的特點。

2.2 激光開關式脫軌檢測裝置工作原理

當車輛正常運行時，由于傳感器對射范圍內無異物阻擋，激光接收器能正常地接收到激光發射器發出的激光。當車輛發生脫軌時，激光束將被軌道打斷，激光接收器無法接收到激光發射器發出的激光，由此觸發脫軌報警。脫軌檢測裝置在轉向架上的設備安裝如圖5所示。

圖5 激光開關式傳感器在轉向架上的安裝示意圖

2.3 激光開關式傳感器安裝分析

為準確地檢測脫軌，接近傳感器距軌頂面應盡可能低。考慮轉向架的運動特性：一系彈簧極限壓縮量為40mm，下部限界60mm，兩次傳感器高度調整周期之間車輪的單邊磨耗量為6mm，接近傳感器發射器及接收器頭部半徑為9mm，安裝誤差取5mm，則激光束距軌頂面的初始高度為120±5mm。由于轉向架結構的限制，激光束距轉向架中心的縱向距離為650mm，如圖6所示。

圖6 激光開關式傳感器位置示意圖

我國城市軌道交通正線常用的鋼軌為60軌，60軌的全高為176mm。當轉向架一條輪對脫軌，另一條輪對還在軌道上時，脫軌輪對附近的接近傳感器及激光束相對軌道的下降量約為133mm，大于激光束的安裝高度，此時激光束被軌道隔斷，接近傳感器接受器接受不到激光，從而觸發脫軌報警，如圖7所示。

圖7 輪對脫軌示意圖

3 脫軌檢測裝置的電氣與信號系統

電氣系統主要起到信號傳輸與處理的作用，目前列車障礙物和脫軌檢測裝置電氣系統大都采用總線控制方式，所有傳感器信號經過主機的處理送入列車TCMS、EB回路，并與列車車輛MVB、維護以太網相連接，其主電路圖如圖8所示。

圖8 脫軌檢測裝置主電路圖

4 激光開關式脫軌檢測裝置的操作及維護

脫軌檢測裝置屬于上電自啟動設備，除調試狀態特設的操作外，正常運行情況下無需任何操作，其維護工作主要涉及以下幾方面。

（1）光纖頭是否松動，距軌頂面高度是否適合；

（2）光纖頭表面是否有異物覆蓋，并作必要的清潔工作；

（3）光纖頭是否有按預設的標記線對齊，以確保發射端與接收端對齊；

（4）采集盒上的攝像頭表面清潔；

（5）采集盒本身及線纜的安裝是否松動；

（6）控制與分析主機外觀是否明顯異常、或者有故障指示。

5 結語

隨著無人駕駛技術以軌道交通領域日益廣泛的使用，脫軌檢測裝置也越來越受到重視，不同類型的脫軌檢測裝置不斷出現[9]。本文介紹了一種激光開關式脫軌檢測裝置的原理、結構型式，相對于目前已使用的脫軌檢測裝置具安裝方便、便于維護、成本低、重量輕等優點，希望對無人駕駛技術的發展有所幫助。