鐵道車輛鉤緩裝置“黑匣子”監(jiān)測(cè)技術(shù)方案研究

郭 暉，張 隆 平，秦 浩

(1.中車青島四方車輛研究所有限公司 技術(shù)中心，山東 青島 266031；2.西安市軌道集團(tuán)運(yùn)營(yíng)分公司 技術(shù)部，陜西 西安 710016；3.中車青島四方車輛研究所有限公司 鉤緩事業(yè)部，山東 青島 266031)

列車運(yùn)行中在長(zhǎng)大坡道上的反復(fù)制動(dòng)與緩解，緊急制動(dòng)以及遇到外力沖擊等可能會(huì)引發(fā)鉤緩裝置主要承載零部件形成疲勞源，導(dǎo)致鉤緩裝置零部件的疲勞損壞，使緩沖器性能嚴(yán)重下降。這些損傷僅從外觀檢查上難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)，損傷發(fā)展到一定程度后將產(chǎn)生危及行車安全的嚴(yán)重故障。對(duì)機(jī)車車輛鉤緩裝置的運(yùn)行姿態(tài)實(shí)施運(yùn)行監(jiān)控，對(duì)車鉤沖擊力、緩沖器行程、車鉤轉(zhuǎn)角等特性參數(shù)實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)和顯示，是解決此類故障、提高列車運(yùn)行安全性的有效方法?；诖耍疚膶?duì)重載貨車和普速客車鉤緩裝置“黑匣子”監(jiān)測(cè)技術(shù)方案進(jìn)行研究。

1 鉤緩裝置“黑匣子”監(jiān)測(cè)技術(shù)研究的必要性

貨運(yùn)重載技術(shù)方面以美國(guó)最為領(lǐng)先，萬(wàn)噸級(jí)以上列車最先開行，運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)最為豐富。采用無(wú)間隙牽引桿，減少了約70%的車輛連接間隙，有效降低了列車的縱向沖擊；全列車采用有線控制的ECP制動(dòng)同步技術(shù)；35 t軸重車輛的使用使列車總長(zhǎng)度減少約30%。美國(guó)重載列車的最大運(yùn)行速度僅為40～60 km/h，其列車周轉(zhuǎn)率也遠(yuǎn)低于我國(guó)。由于安全性有保障，美國(guó)重載列車鉤緩裝置中未運(yùn)用“黑匣子”監(jiān)測(cè)技術(shù)。而我國(guó)重載貨車運(yùn)行速度在80 km/h以上，無(wú)線locotrol牽引和制動(dòng)操控存在時(shí)差且易受干擾而導(dǎo)致不穩(wěn)定，長(zhǎng)大坡道多、軸重低(25 t為主)導(dǎo)致列車總長(zhǎng)度長(zhǎng)，牽引桿運(yùn)用數(shù)量少使列車縱向間隙較大，這些原因造成同等牽引重量下列車的安全性要低于美國(guó)。雖然我國(guó)大秦線重載列車也有較高的安全性，但仍偶發(fā)列車脫軌、爬鉤等事故，且部分事故與鉤緩裝置動(dòng)作不良有關(guān)，因而實(shí)施鉤緩裝置數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控技術(shù)有一定的必要性。

客運(yùn)車輛技術(shù)方面，部分動(dòng)車組、地鐵鉤緩裝置采用了一定的監(jiān)控技術(shù)，主要有連掛到位顯示、解鉤到位顯示及端面并緊顯示等。目前，增加了監(jiān)控參數(shù)的全自動(dòng)智能型車鉤正在研發(fā)中。

2 鉤緩裝置“黑匣子”監(jiān)測(cè)技術(shù)方案構(gòu)想

重載貨車和普速客車中的機(jī)車主要采用傳統(tǒng)型自動(dòng)鉤緩裝置，有13型、15型、16型、17型、100型、101型、102型及103型等?？紤]到貨車車輛上存在供電問(wèn)題，故鉤緩裝置“黑匣子”監(jiān)測(cè)技術(shù)方案僅考慮在機(jī)車和客車上實(shí)施。

2.1 監(jiān)測(cè)參數(shù)選擇

鉤緩裝置運(yùn)動(dòng)姿態(tài)中，核心運(yùn)動(dòng)參數(shù)主要有：車鉤力、緩沖器行程、車鉤轉(zhuǎn)角及車鉤沖擊加速度，通過(guò)監(jiān)測(cè)這些參數(shù)可識(shí)別出車鉤載荷超限、緩沖器性能下降情況，據(jù)此設(shè)置報(bào)警信號(hào)，可對(duì)這些故障做到早識(shí)別、早報(bào)警、早處理。車鉤鎖銷回位情況、運(yùn)行中的異動(dòng)情況和車鉤互高差變化情況是影響車鉤連掛可靠性的主要因素，對(duì)其實(shí)施監(jiān)控后可以識(shí)別出虛(假)落鎖故障，判斷車鉤是否存在意外開鉤的傾向，以便及時(shí)采取措施，避免事故的發(fā)生。

2.2 監(jiān)測(cè)方式

2.2.1 傳感器監(jiān)測(cè)

根據(jù)監(jiān)測(cè)參數(shù)要求，需要力、位移、加速度及轉(zhuǎn)角等傳感器。由于車下環(huán)境惡劣，存在風(fēng)沙、灰塵等顆粒物污染，需選擇防水、防塵、抗振型傳感器，并以非接觸式傳感器為主。

2.2.1.1傳感器種類和形式

(1) 位移傳感器。以前的縱向動(dòng)力學(xué)測(cè)試中使用的是直線式和接線式位移傳感器。隨著超聲波和激光測(cè)距技術(shù)的日益成熟和廣泛應(yīng)用，“黑匣子”監(jiān)測(cè)技術(shù)原計(jì)劃優(yōu)先選用超聲波傳感器和激光測(cè)距傳感器，直線式位移傳感器作為備用。但經(jīng)環(huán)境試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，超聲波傳感器受環(huán)境風(fēng)速等影響較嚴(yán)重，難以適應(yīng)車下環(huán)境，決定以激光測(cè)距傳感器和直線式位移傳感器為主?？蛇x種類如圖1所示，有直線式、拉線式、激光式、超聲波式等位移傳感器。

圖1 位移傳感器可選種類

(2) 加速度傳感器。加速度傳感器多為小型化壓電式產(chǎn)品，已有很多運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，精度也可滿足要求，選擇較容易，常用的壓電式加速度傳感器如圖2所示。

圖2 壓電式加速度傳感器

(3) 力傳感器。既有鉤緩裝置中沒(méi)有給力傳感器提供任何安裝空間，近幾十年來(lái)的縱向動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)均采用在車鉤鉤體上粘貼應(yīng)變片方式測(cè)力，但這只能作為臨時(shí)措施，因車鉤需經(jīng)常拆下檢修，檢修中應(yīng)變片極易損壞。考慮“黑匣子”長(zhǎng)期應(yīng)用的特點(diǎn)，只有采用模塊化傳感器才能解決檢修時(shí)傳感器容易損壞的問(wèn)題。分析鉤緩裝置結(jié)構(gòu)，決定對(duì)前從板適當(dāng)加工后將力傳感器鑲嵌進(jìn)去，但由于標(biāo)準(zhǔn)傳感器的安裝均需較大空間，且前從板加工空間受限，因此采用自制力傳感器。自制力傳感器及其與前從板集成方式見(jiàn)圖3，對(duì)于其他不同形式從板，集成傳感器位置和方式不變。

圖3 自制力傳感器及其與前從板集成方式

(4) 轉(zhuǎn)角傳感器。轉(zhuǎn)角傳感器分為接觸式和非接觸式，安裝時(shí)均需在車鉤上打固定樁或?qū)鞲衅鞯囊徊糠止潭ㄔ谲囥^上，這給車鉤檢修帶來(lái)不便，也使傳感器存在安全隱患，因此采用間接測(cè)量方式測(cè)量車鉤轉(zhuǎn)角。如圖4所示，擺動(dòng)量放大桿固定在鉤尾銷上，通過(guò)位移傳感器測(cè)出經(jīng)擺動(dòng)量放大桿放大后的鉤尾銷擺動(dòng)量，再根據(jù)幾何關(guān)系換算出車鉤轉(zhuǎn)角。

圖4 鉤尾銷擺動(dòng)量測(cè)量方案

2.2.1.2傳感器安裝

傳感器安裝原則為：

(1) 不同車型可通用。

(2) 拆裝鉤緩裝置時(shí)方便提前拆下傳感器，或拆裝鉤緩裝置時(shí)不易損壞傳感器。

(3) 對(duì)既有機(jī)車車輛的鉤緩裝置和牽引梁相關(guān)零部件的加工或改造工程不太大。

根據(jù)上述原則設(shè)計(jì)的傳感器布置如圖5所示。各傳感器的安裝均可在既有零部件基礎(chǔ)上稍加改造完成，改造的零部件僅有前從板和鉤尾銷，依靠銑(或鉆)孔、平面加工等簡(jiǎn)單工序即可完成這2個(gè)零部件的改造，而且在既有車上的安裝過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單。在檢修拆卸鉤緩裝置及其零部件時(shí)可先把傳感器拆下保存，避免傳感器損壞。另外，裝車時(shí)將對(duì)傳感器設(shè)置保護(hù)罩，以避免沙塵侵入而損壞傳感器。

圖5 傳感器布置

2.2.2 攝像頭監(jiān)測(cè)

針對(duì)車鉤鎖銷回位情況及運(yùn)行中異動(dòng)情況的監(jiān)測(cè)，為檢修方便而不能將傳感器固定在鉤頭上，同時(shí)考慮到車鉤在橫向、縱向均有±80 mm以上的移動(dòng)量，由于移動(dòng)量太大，普通傳感器難以全面跟蹤，因此采用攝像頭跟蹤的非接觸式監(jiān)測(cè)方法。車鉤互高差變化情況也因同樣原因選擇攝像頭監(jiān)測(cè)。圖6為上作用車鉤攝像頭及監(jiān)控項(xiàng)點(diǎn)示意圖。圖6中攝像頭1針對(duì)上作用車鉤，監(jiān)視上鎖銷回位情況及鉤舌搭接量，攝像頭2針對(duì)上作用車鉤監(jiān)視下鎖銷回位情況。

圖6 上作用車鉤攝像頭及監(jiān)控項(xiàng)點(diǎn)示意圖

2.3 數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)

2.3.1 系統(tǒng)工作原理及組成

對(duì)于列車運(yùn)行中傳感器輸出的鉤緩裝置運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，有多種成熟的數(shù)據(jù)采集與記錄裝置可供選擇，也可用A/D轉(zhuǎn)換板卡自行裝配專門的數(shù)據(jù)記錄裝置。數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)的工作原理如圖7所示。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)卡(硬盤)置于車下的“黑匣子”內(nèi)，需要時(shí)可通過(guò)網(wǎng)線連通手提電腦將數(shù)據(jù)讀取并顯示。對(duì)于新造機(jī)車車輛，網(wǎng)線也可直接連通到室內(nèi)的電腦，安裝軟件即可實(shí)時(shí)顯示鉤緩裝置運(yùn)動(dòng)參數(shù)。數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)組成如圖8所示。

圖7 數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)的工作原理

圖8 數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)組成

數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)還具有下列功能：

(1) 自帶鋰離子電池(需要車上提供充電電源)。停電情況下鋰離子電池可維持“黑匣子”12 h連續(xù)工作。

(2) 配置北斗定位模塊。記錄數(shù)據(jù)時(shí)同步記錄事件發(fā)生地的經(jīng)度、緯度，便于追蹤異常事件發(fā)生地點(diǎn)。

(3) 異常情況報(bào)警功能。當(dāng)緩沖器失效引發(fā)加速度迅速升高，或因列車異常操控等原因引發(fā)沖擊力異常后系統(tǒng)將自動(dòng)報(bào)警，以便司乘人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況。

(4) 利用北斗定位功能，通過(guò)軟件同時(shí)測(cè)速。事后讀取數(shù)據(jù)可以完整復(fù)原列車運(yùn)行速度和各監(jiān)測(cè)指標(biāo)的關(guān)系圖。

2.3.2 “黑匣子”安裝方式

傳感器的數(shù)據(jù)線與“黑匣子”連通后，將“黑匣子”固定在車體牽引梁適當(dāng)部位即可，不同車型間有少量差異。以100型車鉤為例，設(shè)置與鉤尾框托板螺栓配合的專用固定座，先將“黑匣子”固定在固定座上，然后通過(guò)鉤尾框托板螺栓將固定座固定到牽引梁上，如圖9所示。對(duì)于既有機(jī)車車輛，“黑匣子”以增配形式安裝；對(duì)于新造車輛，“黑匣子”可與車載電氣或監(jiān)控裝置集成在一起，達(dá)到整車技術(shù)升級(jí)的目的。

圖9 “黑匣子”安裝固定方式及其專用固定座

對(duì)于帶有壓潰管等其他吸能裝置的機(jī)車車輛，或需要監(jiān)控鉤緩裝置其他零部件時(shí)，可增設(shè)監(jiān)控傳感器，使“黑匣子”具有更加多元化的功能。

3 鉤緩裝置“黑匣子”技術(shù)方案可靠性論證

3.1 傳感器安裝與防護(hù)的可靠性

以往的動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)中，傳感器僅需滿足臨時(shí)或短期應(yīng)用，因此，傳感器的安裝均為臨時(shí)措施。縱向沖擊力的測(cè)試采用鉤身粘貼應(yīng)變片的方法，位移傳感器固定在緩沖器上(圖10)，加速度傳感器粘接固定在鉤體或緩沖器上。這些臨時(shí)措施只能滿足短期應(yīng)用的需要，遇有檢修時(shí)很容易損壞傳感器。

圖10 以往動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)中位移傳感器的安裝方式

本文設(shè)計(jì)的鉤緩裝置“黑匣子”技術(shù)方案中，傳感器采用了獨(dú)立的模塊式安裝方法，該安裝方式能適用不同形式的鉤緩裝置，還便于采取加裝外防護(hù)擋板或防護(hù)殼等專門防護(hù)措施，同時(shí)方便拆卸，不受鉤緩裝置零部件檢修的影響，避免了傳感器損壞，有較高的工作工靠性。

3.2 數(shù)據(jù)采集設(shè)備的可靠性

數(shù)據(jù)采集設(shè)備初步選型時(shí)，已考慮到能適應(yīng)GB/T 6587—2012《電子測(cè)量?jī)x器通用規(guī)范》規(guī)定的Ⅲ級(jí)惡劣環(huán)境：耐沖擊加速度100g、環(huán)境溫度-40～60 °C、絕緣等級(jí)IP65,同時(shí)具備防沙塵、防水功能，具有很高的車下環(huán)境適應(yīng)性，從而保證了設(shè)備工作可靠性與穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的鉤緩裝置運(yùn)行姿態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的“黑匣子”監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在多年線路實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上改進(jìn)了沖擊力、緩沖器行程及車鉤轉(zhuǎn)角等特性參數(shù)傳感器的安裝方式。鉤緩裝置“黑匣子”監(jiān)測(cè)技術(shù)方案既可適用于既有軌道運(yùn)輸裝備，又可與新造機(jī)車車輛的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)整合成一體，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和易用性，而且實(shí)施快速，安裝簡(jiǎn)便，運(yùn)用可靠，可有效提高列車運(yùn)行安全性，建議盡快投入研制及裝車試用。