智能型铁道货车脱轨制动停车装置

汤惠新 黄明珊 上海铁路局南京铁路电子仪器厂

车辆脱轨是铁道车辆运行中的重大行车事故。车辆脱轨后由于没能及时发现并采取措施，车辆仍在机车牵引下继续行驶，引发更多车辆相继脱轨或倾覆，从而使脱轨事故扩大，造成车辆、货物、轨枕、路基及道旁设备严重损坏，并对邻线的车辆也构成威胁；特别是在当前我国大部分铁路运行线路客货混用以及动车运行的情况下，车辆脱轨事故可能造成更大的破坏和损失。

为了有效地降低车辆脱轨后的损失，从2005年开始，我们在充分吸收国内外脱轨检测技术的基础上，创新研制开发了适合我国铁路实际运行状况的智能型铁道货车脱轨制动停车装置（以下简称脱停装置)。该装置采用振动分析和智能控制技术，实时跟踪采集货车的振动特征信息，自动进行数据分析和智能判断。当货车一旦脱轨时，其能立即检测到脱轨信号，在0.1～1 s内做出准确判断，打开电磁阀使列车管大量排风，实现整列货车的紧急制动停车，可避免脱轨事故的损失扩大。

1 装置结构

图1 智能型脱停装置连接示意图

智能型脱停装置主要由装置主体、安装支架、连接管路和集成式远心集尘器等组成（详见图1）。其中装置主体由能源供给模块、专用传感器模块、监控处理模块、紧急制动排风阀和壳体等部分组成。

2 主要功能设计

通过对多次脱轨事故资料的综合分析，我们认为要解决脱停问题，首先要在第一时间内准确检测到脱轨的信息，其次必须以最快方式让脱轨列车紧急制动停车。因此脱停装置必须具有以下功能：

（1）能保证脱轨信息采集迅速、准确、可靠;

（2）必须保证在获取脱轨信息后，在最短时间内使列车停车;

（3）必须长时期免维护、防偷盗、抗异物击打、耐高低温、耐潮湿,能长期稳定供给电能,满足货车运行需要;

（4）易于安装和便于既有车改造;

（5）能记录货车脱轨时的特征数据，便于事故分析。

2.1 信号采集功能设计

该装置采用国际先进的高灵敏、高过载、低功耗三维MEMS加速度传感器和高速运算单片机，创新设计了处理分析软件，实现了信号智能监测和自动采集。通过分析车辆垂向、横向、纵向三维振动加速度及振动频率和车体的位移变化，高速进行信息分析和处理，实现了利用多种判据判定车辆是否脱轨。

2.2 货车脱轨后列车紧急停车功能设计

通过采用国际先进的先导式脉冲自保持电磁阀，创新设计小电流高电压、海量储能驱动电磁阀排风技术，电磁阀排风口与列车管同口径，实现对列车管大流量排风，确保在最短时间内使列车紧急制动停车。

2.3 脱停装置使用免维护功能设计

脱停装置外壳采用压铸铝合金和发黑处理，重量轻，强度高，具有抗异物击打、防盗的特点。

脱停装置内部电路结构采用模块化封装，防水防潮、耐腐蚀、耐高低温。电磁阀等关键部件采用耐高低温长寿命材料。

高能电池提供电能可供脱停装置连续工作10年以上，该电池标称容量为17Ah，电池自放电率低于1%/年，电池可在-50℃～＋110℃范围内正常工作，120℃时不泄漏、不爆炸。能保证在货车十年内，无需更换电池。

2.4 装置的优越性

（1）采用高灵敏度、低功耗三轴加速度传感器，采集车体振动频率、加速度和位移等特征信息，进行分析比对和判断处理。

（2）采用低功耗自保持先导式电磁阀，实现停车控制的可靠动作。

（3）采用掉电数据不丢失技术，能记录并导出货车脱轨时的数据。

（4）采用了压力传感技术，风压检测采用节电设计：当车辆闲置或不运行时，装置处于待命状态，当车辆运行时，装置处于工作状态。实现了电池能量的有效利用，延长了装置免维护使用年限。

（5）采用高强度材料和灌封工艺，适应我国铁路南北纬度相差大、温湿度差大的运行环境。

3 模拟试验

3.1 振动台模拟试验

为了试验脱停装置在各种阈值内的动作性能，我们设计制作了模拟振动试验台（详见图2），通过多次模拟试验，脱停装置达到了准确采集振动信号并在设定阈值内准确动作的功能。

图2 振动台模拟振动试验场景

3.2 汽车模拟脱轨试验

图3 汽车模拟脱轨试验场景

为了进一步试验脱停装置在脱轨状态下的性能，我们又用汽车模拟货车脱轨运行在路基和枕木上的方法，进行了多次试验（详见图3），脱停装置能准确采集到模拟脱轨信号并在设定阈值内准确动作。

3.3 货车常态运行试验

为了分析掌握货车常态运行状态下的各种振动频率、振动加速度和位移变化等特征，我们还进行了脱停装置在货车各种运行状态下的装车数据采集试验。具体为货车空重车的支线运行、干线运行、驼峰溜放、煤场翻车机试验，通过大量的试验，我们采集到了货车空重车在运行起步、运行提速、匀速运行、通过道岔、驼峰溜放、煤场翻车机时的各种特征数据，为实车试验提供了充分的准备。

4 实车脱轨试验

在完成各种试验的基础上，我们成功小批量生产制造了10台脱停装置样机。并于2009年7月装车于上海铁路局南京东车辆段的6辆报废车上。

2009年8月14 日，由上海铁路局技术中心、车辆处组织，在南京东车辆段芜湖车间段管线内，进行了机车牵引编组车辆落轨拉动、机车顶推单辆车辆脱轨两项实车试验。部、局领导亲临试验现场，实车试验取得圆满成功。

4.1 脱停装置防误动作试验

预先将试验车辆轮对落轨，车辆在机车牵引下运行，牵引时速从0km到5km，轮对在枕木上滚动前进共8m，产生的振动信号没有达到脱停装置设定的阈值，脱停装置没有动作，此项试验验证了脱停装置的防误动作功能（详见图4）。

图4 防误动作试验场景

4.2 脱停装置准确动作试验

试验车辆轮对预先落轨，车辆在机车牵引下运行，牵引时速从0km加速到15km，轮对在枕木上滚动共13m，产生的振动信号达到了脱停装置设定的阈值，脱停装置及时准确动作（详见图5）。从拉动开始至紧急制动停车时间为6.54s,紧急制动停车距离为5m。

4.3 单车脱轨试验（脱停装置紧急制动）单辆试验车辆由机车顶推，运行时

速达到28km时，试验车辆与机车脱钩滑行，滑行中碰压上脱轨器，试验车辆脱轨，脱停装置及时准确动作。试验车辆碰压脱轨器时速约为26km,车辆碰压脱轨器脱轨至紧急制动排风的距离约8m,紧急制动停车距离约5m。

图5 动作试验场景

图6 脱停装置准确动作

5 结束语

2009年8月25 日，我们将脱停装置样机、电池等送到铁道部产品质量监督检验中心机车车辆检验站进行了各项性能检验，通过检测，样机、电池各项性能全部达标。

智能型货车脱停装置的设计研发，在采用和引进国际先进技术的同时，能结合我国铁路发展的实际情况进行自主创新。其采用的节能设计和可靠的安全设计，能满足铁路货车的实际使用要求，并能在最短时间内使脱轨车辆进行紧急制动，防止脱轨事故的扩大化，保证铁路运输安全。