红外线探测弯道轴温不准的原因分析及解决方案

俞成成 上海铁路局杭州北车辆段

随着铁路现代化建设的飞速发展，对铁路运输的安全工作提出了新的、更高的要求。在铁路运输提速、重载的新形势下，充分发挥红外线轴温探测系统这一现代化的车辆安全保障设施的作用，及时、有效地发现车辆热轴，防止热切轴事故的发生，对保证列车的行车安全，提高运输效益起着重要作用。为进一步适应这一形势，满足铁路安全生产的需要，大力推进车辆安全监测技术的现代化步伐，我们应全面加强和规范红外线轴温探测系统的管理检修运用工作。这就对我们红外线维护人员提出了更高的标准和要求，在日常的维护和检修中，不仅要保证设备的正常运行不出故障，同时还要保证红外线轴温探测系统的测温精度。

1 测温不准的原因

按照红外线轴温探测系统设备供应商的要求和《红规》中的相关规定，红外线轴温探测系统的设备应安装在线路的直道上面。然而在我们的现场工作中，由于地形等自然环境的影响，在有些编组站的区间内弯道众多，很难找到符合要求的直道来安装设备，只能安装在某些弯道上面。但是在弯道上面，由于受离心力、外轨超高、钢轨磨耗、弯道弧度等因素的影响，列车轮对在弯道运行时会产生向弯道外侧偏移的现象。这时，红外线轴温探测系统会受偏移现象的影响而影响探头的探测方位和探测角度，从而产生测温不准的问题。

2 解决方案

长期以来，红外线的检修人员在检修弯道设备过程中，一直找不到一个准确的探测方位来保证系统的测温精度，只能凭着维修经验和检测车通过时的情况来大致估量一下探头应该偏移的角度，不能定量地找出准确的偏移量，从而更准确地确定探头的方位。在一些大的弯道上面，由于受到的离心力较大，列车运行产生的轮对偏移量也较大，如果不能找到正确的探测方位，就会产生较大的测温误差，只能通过更改探头的系数和高低温端的测温补偿来校正，这样一来，我们得到的数据就会是一个虚拟温度，而并不是轴承的真正温度。因此，有必要通过动力学和几何运算来得到一个相对准确的轮对偏移量，确定探头探照采样时起始点的位置，然后再通过测检车得到的16列波形的数据判断探头的偏航角情况，从而最终确定红外线探头的探测方位。一般情况下，康拓三型机内探为低靶中心、高靶中心，外探为低靶中心、高靶内偏三格。由于各个探点情况不同，所以还要根据实际情况做相应的调整。

3 红外线轴温探测系统的探头采样情况

铁路沿线目前采用的各种红外线设备的探头大都和轨面成45°的仰角，偏航角大致有两种情况，其中包括内探和外探。在外探情况下探头的偏角大约为6°左右，内探时探头偏角一般为0°。现在区间探测一般为内探方式，列检所、编组站内探测则采用外探方式（如图1所示）。由于外探情况下探照点偏外，探测车辆轴箱时探照点扫描线从滚动轴承外圈外侧端开始扫描，在列车的运行过程中，由于轴承的滚动和探测角度向轮对一侧偏，将在轴承上形成一条环绕轴承表面的螺旋线（如图2所示），所以外探时探头的方位就显得尤为重要。因为探头的偏角是一个固定值，在轴承上的探照点的位置一定要比较准确，偏外则探头采集到的探照点数据不够，偏内采集的数据也不够真实，我们以下讨论探照点的偏移量主要是以外探情况为主要研究对象，内探的情况则是类似于外探。

红外线轴温探测系统探头扫描到轴箱的时候，通过调制器来采集样点。设列车的最高速度为360km/h，即100m/s，设轴箱直径为250mm，探头探测角度α为45°，则探头扫描轴箱的时间为：

根据红外线探测的经验，轴箱波形的采样至少为12个点，因此其调制采样频率为

通常情况下我们取调制频率为3.25kHz。

图1 外探和内探时的探头位置示意图

图2 探头扫描轴箱形成的螺旋示意图

4 列车弯道运行时轴箱的偏移量计算

列车在弯道上运行时，引起轴箱偏移的原因主要有四个，向心力引起的横向蠕滑，外轨超高引起车体倾斜产生的负向偏移量，弯道弧度引起的偏移量，外轨磨耗产生的偏移量。在运算过程中，由于弯道弧度引起的偏移量非常微小，这里做简化运算，忽略不计，所以其余三者引起的偏移量的和就是弯道上轴箱产生的总的偏移量。

4.1 由外轨超高引起的轴箱偏移

轨道和机车车辆的轮对，分别是近于刚体的构筑物和近于刚体的机械装置。为了保证机车车辆通过曲线时保持平衡，必须将轨道的外侧钢轨设置适当的超高，通过列车车体的倾斜而得到的重力水平分力与其惯性力(离心力)相平衡。通过力学计算，当超高h=11.8V2/R时，轨道内、外侧钢轨所受压力相等，其中的V取弯道区间内通过列车的平均速度。由于超高的设置，列车在弯道运行时车轴会产生一定角度的倾斜，这种倾斜会引起轴箱向内侧偏移，进而产生负向的偏移量，如图3所示。

图3 超高倾斜引起的偏移示意图

图中h为弯道设置的超高量，ΔS为轴箱倾斜引起的偏移量。铁路货运列车目前的主流车轴为RD2型车轴，查询《铁路货车轮轴组装检修及管理规则》可知车轴的各项尺寸如图4所示，可以算出：

ΔS1为外侧的偏移量，ΔS2为内侧偏移量。

图4 滚动轴承车轴型式和基本尺寸

4.2 由弯道向心力引起的轴箱偏移量

列车在弯道上行驶的时候，受三个力的作用（忽略摩擦力），分别是重力，轨道对列车的支持力和离心力。受力情况如图5所示：

图5 弯道上行驶列车的整体受力图

综上，我们只要计算出直道上列车轮缘和钢轨内侧的游间δ的大小，就能够确定弯道上有向心力引起的横向偏移量的大小，向外侧为正，向内侧就取负值。图6所示为轮对和钢轨内侧产生游间δ的示意图，其中d为轮缘厚度，L1为轮对内侧距，L则为钢轨内侧距，所以就有轮缘和钢轨内侧的游间δ为：

查询有关《铁路货车轮轴组装检修及管理规则》，可得以上公式中各种变量的值，L1=1353mm；d取原型和长修限度下的平均值；钢轨内侧距为L=1435，所以

图6 轮对和钢轨内侧产生游间δ的示意图

4.3 因外轨磨耗产生的偏移量

前文说到列车在弯道上行驶的过程中，由于离心力的作用轮对会产生向弯道外侧偏移的现象，所以就会对外侧钢轨产生磨耗。对于既有线上的大弯道而言，这种磨耗有的时候会相当严重。磨耗的产生会使列车轮对向弯道外侧偏移，进而产生因外轨磨耗产生的偏移量，在这里称之为δ'。这种偏移量因线路状况而不同，对于这种额外产生的偏移量，我们在做日常维护的时候可以注意其每个月不同的变化量，在做月检的对探头方位的时候把这个偏移量考虑进去。

4.4 轴箱总偏移量的计算

综上所述，列车产生轴箱偏移的原因有三个，每个原因产生的偏移量都能测量或者计算出来，总的偏移量也就是以上三者之和，所以就能得到总偏移的公式：

外侧偏移量为：

内侧偏移量为：

以上两式中的各种参数前文中都有明确的解释，具体的数值在《铁路货车轮轴组装检修及管理规则》中可以查询到，所以在已知弯道半径的大小和通过弯道的列车平均速度时，以上两式中的偏移量大小都可以算出来。

5 结束语

本文提出如何解决红外线轴温探测系统弯道上测温不准的问题，主要通过对探测方位的研究，分析了造成弯道上探测方位不准的原因，即主要是由于列车的轴箱发生了偏移。并且进一步深入探讨造成轴箱产生偏移的各种原因，对每个因素都进行了定量的分析，从而最终推出了轴箱偏移量的计算公式。

在红外线的日常维护中，对探测方位的校正是通过激光瞄准器和对光架来确定探头方位的。在外探时，激光通常打在低靶的中心位置，打在高靶片内三格的位置；内探时，激光都是打在低靶和高靶的中心位置，以上都是直道上红外线轴温探测系统的探测方位的情况。在弯道上校正探测方位的时候，通常高靶上的一格大约等于2.5mm，所以通过本文推导出来的公式先算出轴箱的偏移量，在直道高靶激光点的基础上确定弯道上高靶激光点的位置，再由比例关系就可得到低靶激光点的位置，从而最终确定探头的探测方位。

本文在分析造成轴箱偏移原因的时候，忽略了因弯道弧度产生的偏移量，相对于铁路弯道上百米的半径而言，这种偏移量很小，在误差范围内可以忽略不计。