列车脱轨事故的预测预报技术---列车车辆部分

作者：朱鑫忠

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一.前言

本文是“列车脱轨事故的预测预防技术---铁路轨道部分”一文的续篇。在“列车脱轨事故的预测预防技术---铁路轨道部分”一文中，详细分析了造成列车脱轨事故发生的原因，归纳为：

1.铁路轨道的原因

由于铁路轨道静态、动态不平顺造成列车脱轨事故的发生。

2.列车车辆的原因

在铁路轨道静态、动态平顺良好的条件下，发生列车脱轨事故的原因是：列车重心横向动态严重失去平衡，造成轮轨之间的横向力大于车轮对铁路轨道的轮压造成的。

在明确了列车运行中发生自行脱轨的成因以后，如何时时刻刻随机测量列车重心横向动态平衡问题，成为预防列车运行中发生自行脱轨的关键技术。由于影响列车重心横向动态平衡的因素的复杂性、随机性，造成现有理论根本无法精确计算出列车重心横向动态平衡的时变数据，造成现有测量技术也无法随机监测列车重心横向动态平衡的变化。

二.本文的目的

本文的目的是：如何用测量列车重心横向动态平衡的办法，来破解由于列车车辆的原因造成列车脱轨事故的发生的这个世界性难题。达到预测预报列车脱轨事故发生的目的。

三.基本的方法

在本文中，列车重心横向动态变化数据是依靠荷重传感器、位移传感器测量得到的。通过嵌装在上旁承与下旁承之间的荷重传感器，或者通过安装在车体底架与轴箱导框之间的位移传感器，测量得到列车重心横向动态变化数据。列车重心横向动态变化数据是依靠数据传输装置传输到列车驾驶室的数据显示器里的。列车重心横向动态变化数据是通过数据显示器的运算处理，显示出列车重心横向动态摆动的方向和幅度，达到预测预报列车发生脱轨事故的目的。

四.具体实施步骤

1.传感器的安装

要想得到列车重心横向动态平衡的数据，并通过这些数据得到列车重心横向动态摆动的方向和幅度，达到预测预报列车发生脱轨事故的目的。就必须安装传感器，用传感器来测量得到列车横向重心动态变化数据。由于，国内列车车辆的种类和型号繁多，所以，本文只能按照在线制造中的新车和已经使用的车辆进行分类，分别安装不同形式的传感器。

1.1.在线制造中新车的传感器安装

列车枕梁下部的左右二个上旁承和枕梁中部的上心盘与转向架摇枕上的左右二个下旁承和摇枕中部的下心盘受力较大，负担着全车的重量，并通过心盘将重量传给列车的走行部。左右二个上旁承与对应的下旁承一方面承担一部分车辆的重量，同时肩负着车辆的横向平衡支承作用。因此，在左右二个上旁承与对应下旁承之间嵌装荷重传感器，通过荷重传感器测量左右二个下旁承的载荷量，也就得到了列车的横向重心动态变化数据。这种安装传感器方法比较适合在线制造中的新车。

具体的做法是；以上海望源测控仪表设备有限公司生产的“WPH-2型荷重传感器”为例，在上旁承的接触面上，加工一个荷重传感器的安装孔，安装孔的深度略大于荷重传感器壳体高度，使荷重传感器的测量端露出上旁承的平面。在下旁承的接触面上安装一块高硬度的钢板，其目的是为了防止下旁承的接触面长时间与荷重传感器的测量端的重力接触，造成下旁承的接触面的摩损和变形。同时荷重传感器的测量端也需要要适当加大一点，以便增加与下旁承的接触面，分散测量点的压强。荷重传感器也可以安装在下旁承上，但是，安装在下旁承上的荷重传感器容易积累污垢。

荷重传感器的基本工作原理是；在一块弹性体上帖上电阻应变片，当弹性体受重力变形时，帖在弹性体上的电阻应变片的电阻值会发生变化。从而得到重力变化的数据。二个荷重传感器安装在同一枕梁上的二个上旁承上，测量得到下旁承受到压力而改变的二个电阻值。

1.2.对已经投入运营的列车的传感器安装

如果对已经投入运营的列车安装荷重传感器，那是相当麻烦的事情，首先需要把列车车体与转向架分解开来，把枕梁的上旁承和转向架摇枕上的下旁承卸下来，更换新的上旁承、下旁承，才能安装荷重传感器。这样做，显然太复杂了。比较简单的方法是；用位移传感器测量车体底架与铁路轨道之间的相对距离，通过这个相对距离的变化，测量得到车辆重心横向动态平衡变化数据。在实际应用中，由于各种列车车辆的转向架的结构不同，因此，只要将位移传感器的一端安装固定在车体底架上，位移传感器的另一端安装固定在轴箱导框上，就可以得到车体底架与铁路轨道之间的相对距离数值了。这是因为，铁路轨道与列车轮对，列车轮对与轴箱导框之间是无间隙接触，因此，测量车体底架与轴箱导框之间的距离变化，就是车体底架与铁路轨道之间的距离变化。这种测量方法比较适合已经运营列车的技术改造。

具体的做法是；以上海盟立自动化科技(上海)有限公司生产的“TEX系列导电塑料直线位移传感器” 为例，分别在列车二边的车体底架和轴箱导框上分别各打一个安装位移传感器的螺丝孔，用螺丝把导电塑料直线位移传感器固定起来。

直线位移传感器实际上一只直线电位器，位移的改变实际是改变电阻的大小。二个直线位移传感器测量分别得到的是二个电阻值。

由于每节车辆有二个走行部组成，因此安装4个荷重传感器或者位移传感器，就可以满足测量列车车辆重心横向动态变化的技术要求。

2.数据传输装置

列车重心横向动态变化数据是依靠数据传输装置传输到列车驾驶室的数据显示器里的。这个数据传输装置传输数据的方式可以采用无线、有线、红外线等等多种方式可供选择。本文介绍一种无线传输方法；本文是采用GSM移动通信无线电话机作为数据传输的工具。在实现GSM移动通信无线电话机无线传输之前，还必须完成以下工作：

2.1.电阻/电压转换电路

荷重传感器、位移传感器二种传感器测量的结果都是以电阻值的变化来表示的。因此，必须将电阻值的变化转换成电压信号的变化，再由电压信号经A/D转换电路转换成数码数据，才能进行数据传输。

电阻/电压转换电路的组成是相当简单，一般只要一只电阻与传感器输出端的等效电阻相串联连接，在电阻与传感器输出端的等效电阻二端施加一个直流电压，在电阻与传感器输出端的等效电阻之间的连接点上便得到列车重心横向动态变化的电压信号。这样就完成了电阻/电压转换工作。

2.2.A/D转换电路

由传感器的测量电阻值转换成电压信号以后，还要用A/D转换电路，将电压信号转换成数码数据。

所要说明的是；能够直接输出数码数据的荷重传感器、位移传感器产品已经有不少品种，如果在实际使用中应用这些具有数码数据输出功能的传感器产品，则上面所述的电阻/电压转换电路、A/D转换电路也就可以省略了。

2.3.GSM移动通信无线电话机（通俗称为手机）

列车重心横向动态平衡变化数据需要传输到列车驾驶室的数据显示器里，本文中采用无线方式传输列车重心横向动态平衡变化数据。即采用GSM移动通信无线电话机作为传输数码数据的工具。

由于数字移动通信网 (GSM) 具备了自动选频与自动接续的功能，避免了相邻GSM移动通信无线电话机之间的无线电干扰。因此，利用公共信息资源，作为本发明的信息传输平台，无疑是一种很好的办法，尤其是数字移动通信网 (GSM) 的全球通，提供世界每一个角落的无线通信服务。有了这种服务，列车调度室可以随时监控所有管辖范围内列车每节车辆的运行情况，对列车司机进行技术指导和监控。

在实际应用中，还需要对GSM移动通信无线电话机进行适当的改进；

2.3.1.改装GSM移动通信无线电话机的结构

改装GSM移动通信无线电话机的结构，以便适应列车的剧烈振动、恶劣的自然环境、防止小偷盗窃等等外部因素的需求。

    2.3.2.加装一个收/发转换电路

收/发转换电路是控制GSM移动通信无线电话机工作状态的控制电路。平时，GSM移动通信无线电话机处在待机状态，当GSM移动通信无线电话机接收到数据显示器发射的工作状态转换信号以后，GSM移动通信无线电话机便进入发射状态，循环发送列车重心横向动态平衡数据的无线电信号。反之，则重返待机状态。这样做的目的是；在列车停运的时候，节省GSM移动通信无线电话机的用电，和占用GSM移动通信网的信道资源。

2.3.3.加装数据传输接口

列车重心横向动态变化的数码数据，需要经过GSM移动通信无线电话机上的数据传输接口，才能通过GSM移动通信无线电话机发射出去。

2.3.4.多个传感器产生的数码数据的传输问题

因为每节车辆安装有4个传感器，每个传感器产生的数码数据可以单独用一个GSM移动通信无线电话机传输，这时，GSM移动通信无线电话机的通信号码就是这个传感器的地址码。传感器的地址码代表着传感器的安装测量位置。

对于多个传感器产生的数码数据的传输，也可以用一个GSM移动通信无线电话机传输，但是，需要在每个传感器产生的数码数据前面增加一个不同的地址码，防止各个数码数据的混淆，这时，GSM移动通信无线电话机的通信号码就是这辆车辆的车号。不同的地址码代表各自传感器测量的位置。

GSM移动通信无线电话机循环发射的串行数码数据是：（地址码1 + 传感器1的数码数据）+（地址码2 + 传感器2的数码数据）+（地址码3 + 传感器3的数码数据）（地址码4 + 传感器4的数码数据）。

由于每节车辆经常有重新编组的可能，因此采用每节车辆为一个单元，用一个GSM移动通信无线电话机传输4个传感器产生的数码数据。这样，任何车辆的重新编组，对本系统没有任何影响。应该说；这种方式是最经济、最实用、最方便的方案。

2.4.电源

电源供给荷重传感器、位移传感器、数据传输装置的全部用电需求。最好的供电方式是蓄电池与发电机相结合。有了发电机就可以免除给蓄电池充电的麻烦，有了蓄电池就可以确保实际应用中，保证列车停运状态的荷重传感器、位移传感器、数据传输装置的正常工作。用来指导货物装载，使车辆重心横向静态保持平衡，这点对防止列车脱轨有着重要意义。

由于GSM移动通信无线电话机消耗的功率不大，蓄电池的容量有数安倍/小时，就可以满足正常工作需要了。发电机也只要微型的，发电机的能源由车辆的走行部的任何转动部件传动。

3.数据显示器

安装在列车驾驶室里的数据显示器，肩负着发送无线电信号使GSM移动通信无线电话机进入发射状态指令，接收、读解、运算GSM移动通信无线电话机发射的数码数据，显示出列车重心横向动态摆动的方向和幅度，达到预测预报列车发生脱轨事故的目的。

3.1.列车静止状态数据显示器显示的内容

3.1.1.显示出每节车辆静止状态空载时的静态重心数据，一般讲，每节车辆测量的数据应该是大致相同的。

3.1.2.显示出每节车辆装载货物状态的静态重心数据，静态重心数据的显示很重要，它可以指导货物的装载重心尽量保持平衡，防止偏载太厉害造成列车脱轨事故的发生。

3.2.列车运行状态数据显示器显示的内容

第一种方法是；文字显示出每节车辆重心横向动态摆动的方向和幅度。当摆动幅度超出允许范围时，发出报警信息。提醒司机及时采取应焦急措施，防止列车脱轨事故的发生。

第二种方法是；只显示摆动幅度超出允许范围的车辆的重心横向动态摆动的方向和幅度的文字数据。在允许范围内的车辆的重心横向动态摆动的方向和幅度不进行显示。

第三种方法是；在文字显示的同时，结合显示列车图形，通过列车图形的摆动来显示列车重心横向动态摆动的方向和幅度，这样就更加形象动人。

所要说明的是；荷重传感器、位移传感器测量得到的数据都是相对数据，不是绝对数据，这些数据仅仅只能表示列车重心横向动态变化的程度。其中的根本原因是；列车车底架承担着车体及装载货物的全部重量，全部重量主要是通过上心盘、下心盘将重量传给走行部的。上旁承、下旁承主要的任务是支承车体的平衡，上旁承、下旁承仅仅承担一部分重量。这就是荷重传感器、位移传感器测量得到的数据都是相对数据的原因。

无论左右二个传感器测量得到的数据有多大，只要二个数据相减的结果趋向零，就说明列车重心横向动态基本平衡。反之，若二个数据相减的结果离零越来越远，则说明列车重心横向动态越来越不平衡，列车车辆的摆动幅度越来越大。通过二个数据相减的结果的正、负值，来判断列车摆动的方向。

3.3.列车调度室数据显示器显示的内容

列车调度室里的数据显示器同样可以接收GSM移动通信无线电话机发射的列车重心横向动态变化的数据，对运行状态的列车进行实时监控。

五.本文的意义

1.指导货物的装载重心尽量保持平衡，从源头开始治理列车脱轨事故的发生。

2.随时监控列车重心横向动态摆动的方向和幅度。有效的防止列车脱轨事故的发生，消除了危害铁路运输安全的最大安全隐患。

本文详细分析了列车运行中发生自行脱轨事故的原因，应用成熟的传感器技术、GSM移动通信技术，破解了这个100多年来一直是学术界公认的世界性难题，开出了医治列车脱轨这个铁路运输的“癌症”的良方。本文的实施无疑可以大大提供我国铁路运输的质量，减少大量的人员财产的损失。本文尤其对高速铁路的安全运营有着重大意义。

应用传感器测量列车重心横向动态平衡的数据，并通过这些数据得到列车重心横向动态摆动的方向和幅度的方法，用来列车脱轨事故的预测预报技术，已经申请了中国专利，以保护中国人的创造发明。