开发列车脱轨检测系统

在一个联合项目之间米兰理工大学Alpha Caesar Srl是一种列车脱轨探测系统(TD2S)，它可以通过提供“正在进行的脱轨”的早期预警来减少脱轨造成的损失。这可以使司机减少脱轨空间，从而减轻损害。该开发项目旨在设计一种侵入性尽可能小的系统。

图1

TD2S系统有几个目标，包括:

• 检测钩上的异常拉伸应力
• 警告司机有任何脱轨
• 将事件与控制手术室通信，以进行紧急响应
• 根据钩上的异常应力进行地理参照
• 地理参照基础设施缺陷
• 历史化/记录数据。

TD2S系统

在其第一个原型配置中，TD2S系统完全独立于机车车辆车载系统，包括:

• 钩的牵引杆上有一对传感器
• 机车顶部的天线用于数据传输和GPS接收
• 加速度计和倾角计(IMU)安装在机车轮对的衬套上
• 驾驶室里的一对声光信号
• 一种用于检测脱轨、甚至远程发出警报和传输数据的控制单元。

TD2S系统已经建立，可能与机车的车载系统和传感器集成。该集成最终将允许对自动制动(可由驾驶员抑制)起作用，并将数据记录在机车服务器上。

图2

TD2S系统要求，在机车的挂钩上，用环形载荷传感器替换减震器组分区垫圈，并插入一个新的，适当修改分配垫圈。

在脱轨事件中，没有与钩上牵引应力演变有关的历史数据。俄罗斯布良斯克国立技术大学对车辆脱轨时整个车队的钩应力进行了数值模拟。因此，我们假设轮对与枕木和压舱物的突然撞击增加了对钩的牵引力;想象每个睡眠者都重复这种现象，直到车队停止。

图3:铁路车辆脱轨的数值模拟-布良斯克国立技术大学

基于对以下四个特征参数的分析，我们假设了一种能够检测脱轨的算法:

1. 增加峰值牵引力的定义
2. 我们所期望的钩处剩余力随时间的变化大于脱轨开始时的力阈值
3. 直线角系数的变化率，表示脱轨开始时应力的增加
4. 直线角系数的变化率，表示牵引峰值出口处应力的减小。

脱轨试验

脱轨测试活动于2021年4月在RFI的博洛尼亚圣多纳托工厂进行。116号轨道由RFI提供用于脱轨测试，117号轨道用于停放和干预救援车，为回收脱轨转向架做准备。

图4

脱轨测试包括使车队最后一节车厢的最后一个转向架脱轨，该车队由以下人员组成:

• 由于缺少电气化，负责牵引车队的柴油机车
• 牵引位置装有TD2S系统的电力机车
• 两个空的防护罩车厢用来保护电力机车
• 一辆空的拆除车，最后一辆车的两个车轴已经脱轨。

两个脱轨的车轴各重5.5吨。

脱轨发生在18km/h左右，脱轨车队被推到30km/h(测试轨道上允许的最大速度)，然后停止。

图5

脱轨使用了一个特别设计的脱轨器来最好地模拟脱轨条件。测试条件对TD2S系统来说是最现实的，也是最难识别的。

满载货车只会增加脱轨阶段的工作量，提高TD2S系统对其的识别能力。

脱轨试验分析

图6a和6b所示的图表比较了三次自由运行，脱轨运行用红色突出显示。图6a(吨)为钩上牵引力绝对值的变化趋势，图6b为牵引力变化系数的变化趋势。

图6

很明显，与分析的自由运行相比，与脱轨运行相关的脱轨系数明显更高。

TD2S对脱轨的识别不依赖于牵引质量，而是依赖于其他记录参数(加速度、速度、努力、脱轨系数、IMU姿态)的趋势。

图6 b

脱轨测试取得了优异的结果，并得到了欧盟铁路署(ERA)的高度赞赏，他们与我们一起分析了获得的结果。

进一步的脱轨模拟

在脱轨试验后，进一步的模拟与数据记录在两年的正常运行运费机车的维修。

在模拟判据方面，采用荷载叠加原理。

我们在运行过程中检测到的应力值(图7原始应力-左上角图)加上在博洛尼亚进行的脱轨试验中检测到的与前钩相关的脱轨应力值(图7脱轨应力-中心图)。

图7

得到的结果如图7模拟应力(右上图)所示。增加的脱轨应力用黄色突出显示。

图7还显示了重新计算后的脱轨指示器。与偏差相关的指示器值(用黄色突出显示)明显高于原始应力值，并且很容易识别。

分析是在所有可能的牵引条件下进行的，包括滑行、制动和加速，以及钩上牵引力的所有最大值和最小值。

与模拟脱轨相对应的脱轨指示器的值总是清楚可识别的。

在所有分析的配置中，TD2S系统都能识别脱轨。

公羊的分析

还进行了与TD2S系统相关的可靠性、可用性、可维护性和安全性(RAMS)分析。该分析对于定义TD2S系统随时间变化的SIL安全程度具有重要意义。

表1

表2

表3

在我们的案例中，无法达到表1所示的SIL 4值，因为停止列车和确保线路安全的操作是人为因素的函数。只有在后面这些过程(列车停靠和铁路交通重组)完全自动化的情况下，才能实现SIL 4。