铁路快捷货车安全监测系统运用技术研究*

苗 勇, 刘 峰, 延九磊, 夏学凝, 丁瑞志

(1 中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所， 北京100081;2 北京纵横机电科技有限公司， 北京 100094)

铁路货车是我国铁路系统中的一个重要组成部分，担负着我国铁路货运的主要任务。随着近年来网络电商和物流业的迅速发展，人们对货运物流量与运输时效性的要求与日俱增，铁路快捷货车是铁路货运车辆今后发展的重要方向[1]。

铁路快捷货车有下列特点:

(1)铁路快捷货车运行速度和运载质量不断提高，轨道激扰频率增加，车轮磨损加剧，车辆稳定问题凸显。

(2)从运用环境来看，铁路货运车辆运行里程长，启动加速与制动工况复杂多变，一旦车辆发生制动不良、缓解不良等将造成更严重后果。

(3) 从物理特性来看，铁路货运车辆满载时车辆总重大，而目前在我国铁路货车运用最广的K2、K5、K6等转向架均不带有减振器等阻尼器件。持续以160 km/h运行，车辆发生异常振动、摆动的现象增多，易发生轮对磨耗、钢簧折断、高温热轴等故障。

快捷货车轴承、制动、防滑器、转向架等关键影响运行安全品质部件缺少安全监测，转向架故障、防滑器故障、制动故障、车轴轴承过热或损坏，甚至可能造成脱轨事故，严重影响货车运行安全。为了确保快捷货车的行车安全，除了定期进行保养维修，及时更换部件外，对列车关键部位进行实时在线监测也极为重要。

1 现状及意义

国外在铁路货车安全监测领域进行了大量卓有成效的研究，例如美国的铁路货车车载检测系统(SMMCS)，德国的移动式远程货车检测及线路设施控制系统(Vicos CTmobile)。

在我国，目前由于受供电条件和安装方式的限制，铁路货车安全监测主要采用地对车监测方式来完成，如采用红外线轴温探测智能跟踪系统、货车运行故障动态图像检测系统等。车载安全监测方面，已有单独针对轴温[2]、转向架[3]等部件的监测研究，但至今还没有针对货车全部重点部件的进行远程实时监测诊断的整套安全监测系统。

国内车载监测系统已经有一定的使用经验，如运用于机车的机车车载安全防火系统(6A 系统)、运用于客车的客车运行安全监控系统(TCDS)。相关的车载信息采集、处理和传输技术已经成熟，为铁路快捷货车车载监测系统的实施提供了技术支持。

2 铁路快捷货车安全监测系统

2.1 系统构架设计

铁路快捷货车车载安全监测系统，根据车载安全监测设备的用电需求设计供电方案，对铁路快捷货车转向架、轴承、制动系统、防滑器等关键部件进行安全监测，且车载安全监测系统能够适应货车运用特点，实现自动组网、实时无线传输故障和报警信息以及将监测的过程数据无线下载，实时数据利用(4G/GPRS)传送至地面监控网页进行监控，安全监测系统主机存储的制动、转向架、轴承及防滑器过程数据在车辆进入装卸站后自动进行无线(WLAN)下载自动进入地面专家系统，综合分析、针对性指导检修，保障列车运行安全。

2.2 冗余发电系统

现有货车车厢大部分没有独立的供电系统，当机车入库后，车厢内的供电中断，设备停止工作；还有一部分车厢安装有单独的电池供电系统，机车启动后，机车内电源向电池进行充电，入库后电池向用电设备进行供电，电池频繁的深度充放电，导致电池的寿命大大缩短。因此，车载安全监测系统的一个重要难题在于，在没有机车供电的情况下如何实现24 h不间断供电。目前，已有轴头发电、风力发电[4]等方面的研究，但均受到运行车速、风速等客观条件约束。因此，设计了光伏轴头冗余发电系统。

图1 铁路快捷货车安全监测系统构架

光伏轴头冗余发电系统由4个部分构成：轴头发电机、太阳能光伏板、冗余供电控制器、蓄电池。

(1)轴头发电机采用24 V永磁发电器，额定转速600 r/min，额定功率200 W。列车在不同运行速度下，轴头发电机输出功率如表1所示。

表1 列车不同速度下轴头发电机输出功率

(2)太阳能电池板选择250 W/24 V的单晶硅太阳能电池板(面积为990 mm×1 640 mm)，单晶硅太阳能电池板相当于多晶硅太阳能电池板来说，优点在于效率比较高，在光照条件良好的条件下可稳定输出大于150 W的输出功率。

(3)蓄电池为24 V/40 Ah铅酸电池，能够满足30 W设备连续工作24 h。

(4)光伏轴头冗余发电系统控制器能够安全高效地控制发电机和光伏组件对蓄电池进行充电。同时，提供了电机过转速、过电压、过电流限制，一旦电机超过设定的上限转速、上限电压或上限电流，控制器自动启动PWM智能卸载，从而保护发电机。当电机电压低于蓄电池电压时，控制器自动启动升压模块，将电机电压提升到充电电压，此时电机进行升压充电；当电机电压高于蓄电池电压时，为了获取最大功率，控制器自动启动降压模块，对电机的输出电压进行降压充电，其工作原理如图2所示。

图2 冗余发电系统控制器工作原理图

实现不同环境下的稳定供电：

(1)当列车在光照条件良好环境中以大于50 km/h运行时，由车轴带动轴头发电机发电，给车载设备供电，同时给蓄电池充电。与此同时，太阳能电池板也处于工作状态，给车载设备供电，同时给蓄电池充电。同时，冗余供电控制器根据发电机和太阳能光伏板的输出电压分配给两者对车载监测系统的供电功率。

(2)当列车在光照条件良好环境中处于停车状态或以低于50 km/h的速度运行时，轴头发电机的输出电压很低，主要由太阳能电池板对车载设备进行供电，同时对蓄电池进行充电。

(3)当列车在光照条件较差环境中以大于50 km/h运行时，太阳能电池板输出电压过低，主要由轴头发电机对车载设备进行供电，同时对蓄电池进行充电。

(4)当列车光照条件较差环境以低于50 km/h的速度运行时，太阳能电池和发电机的输出电压都较低，此时车载设备的供电主要由蓄电池提供。蓄电池采用铅酸电池，储存能量大，能够满足车载设备24 h的供电所需能量。当列车提速运行或者光照恢复后，轴头发电机或太阳板能够在为设备供电的同时快速补充蓄电池的能量。车载用电设备采取低功耗设计，其最大功率为50 W，低功耗状态功率为10 W，综合工况估计平均功耗不大于30 W。

车载光伏轴头冗余发电系统在货车运行过程中提供稳定的能量来源同时为蓄电池充电，以备夜间停车状态下功能设备用电安全,在最恶劣的环境中(车辆停运且无光的条件下)，设备依靠蓄电池供电，可以连续运行24 h，且太阳能是清洁能源，在货车停止运行时有光条件下提供能量来源，符合节能环保的理念。

2.3 车载监测子系统

快捷货车安全监测系统由安装于各个车辆的车厢级主机及传感器、列车网络线(双绞屏蔽线)、识别线、无线天线等组成，安全监测各节点信号利用车辆LonWorks网络进行传输，将各车厢监测信息发送至首尾车安全监测系统主机(含无线传输功能)进行无线传输。各车厢利用组网识别线进行自动编组，首尾车安全监测系统主机无线传输功能采用冗余热备模式。

(1)制动监测

制动监测节点在车下安装制动缸压力传感器、列车管压力传感器及副风缸压力传感器，由车厢级主机制动板卡采集信息对车辆制动系统的工作状态和故障进行监测诊断，通过Lonworks网络传输至首尾车安全监测系统列车级主机进行列车级故障诊断。

(2)转向架监测

转向架节点在车下一端转向架及车体、二端转向架及车体分别安装加速度传感器，诊断车辆转向架垂向、横向振动状态和车体垂向、横向振动状态，并通过Lonworks网络传输至首尾车安全监测系统列车级主机。

(3)轴温监测

轴温监测节点每辆车由8个温度传感器和1个环温传感器组成，分别监测车辆8个轴箱温度及诊断和环温，由车厢级主机轴温板卡采集本车厢轴报器的信息，通过Lonworks网络传输至首尾车安全监测系统列车级主机。

(4)防滑器监测

防滑器信息由车厢级主机防滑板卡从防滑器采集。

图3 车载监测结构

3 结束语

针对快捷货车运行特点及需求，设计了一套铁路快捷货车安全监测系统，对其转向架、轴承、制动系统、防滑器等关键部件进行状态监测，并配备光伏轴头冗余发电系统，以保证监测平台在在最恶劣的环境中(车辆停运且无光的条件下)可以连续运行24 h。该系统一方面可有效保障铁路快捷的运行安全，另一方面积累大量列车运行数据，可据此挖掘车辆运行信息来指导车辆维修和设备运维，对快捷铁路货车安全监测的发展至关重要。