CN101028823A - 列车脱轨事故的预测预报技术 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铁路交通安全技术，是一种列车脱轨事故的预测预报技术。在铁路轨道静态、动态平顺良好的情况下，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的。因此，时刻随机监测列车重心横向动态变化，成为预防列车脱轨事故发生的关键技术。本发明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，该数据传输到列车驾驶室的数据显示器里，通过运算处理显示出列车重心横向动态摆动的方向和幅度，达到预防列车发生脱轨事故的目的。本发明解决了列车装载中的货物重心平衡问题和运行中的重心横向动态平衡问题，有效防止了列车脱轨事故的发生。

Description

列车脱轨事故的预测预报技术

一.技术领域

本发明涉及一种铁路交通安全技术，是一种列车脱轨事故的预测预报技术。

二.背景技术

1.列车脱轨是危害铁路运输安全的最严重的安全隐患

铁路运输是国民经济的大动脉，列车脱轨是危害铁路运输安全的最严重的安全隐患之一。据统计，1988年10年间，我国全路重大、大事故中，列车脱轨约占总事故的70％，其比例之高，在国际上罕见，国内前所末有，造成的人员财产损失惊人。

2.造成列车脱轨的原因

列车运行中发生自行脱轨的原因是错综复杂的。除了地震、洪水、龙卷风、沙尘暴等等自然灾害以外，大致可以归纳为轮、轨二大类：

2.1.铁路轨道的原因

铁路轨道的静态不平顺和铁路轨道的动态不平顺，是造成列车运行中发生自行脱轨事故的主要原因之一。中国专利技术“高速铁路轨道安全自动测量监控技术”就是专门针对铁路轨道的静态平顺性和铁路轨道的动态平顺性进行自动测量监控的技术。有了这套技术，就可以确保铁路轨道的安全运营。

2.2.列车的原因

在铁路轨道静态平顺和动态平顺良好的情况下，发生列车运行中自行脱轨事故的根本原因：是列车重心横向动态严重失去平衡，使轮轨之间的横向力大于轮压时造成的。

3.列车重心横向动态严重失去平衡的原因分析

3.1.娘胎里的毛病

由于，轮轨式铁路运输方式的轮轨关系的复杂性和随机性，由于轮轨系统构造特点，决定了只要采用这一方式的交通系统，其构造特点、技术特点和运营条件就决定了，会有一定概率发生列车在运行中的自行脱轨的可能。也就是说，这类事故的起因，是由系统本身的特性所决定，在某种意义上说是娘胎里造成，是无可避免的。

3.2.在理论上对列车发生脱轨的机理认识不足，缺乏预防列车脱轨的方法和技术手段。

由于车轮与钢轨之间的缝隙是瞬时变化的，以至于不能列出轮轨之间的衔接条件，至使无法得到这个时变系统方程的唯一解；引起这个时变系统横向振动的激振源到底是什么不清楚；这种情况下，由于时变系统随机分析问题没有解决，导致脱轨研究中的理论和试验不相符，大量的事实无法得到圆满解释的根本原因。

中国工程院院士、著名桥隧专家、中南大学曾庆元教授，发明的“车桥及车轨时变系统横向振动计算中的根本问题与列车脱轨能量随机分析理论”，摆脱了从轮轨接触的力学状态进行分析的惯常模式，提出用随机能量分析作为支点，建立脱轨分析理论，运用他自己提出的弹性系统动力学总势能不变值原理及形成矩阵的“对号入座”法则，建立列车——轨道(桥梁)时变系统脱轨振动方程，并运用了一套创新性的计算方法和自己设计的计算软件，提出了新的防脱轨能量标准。

曾氏定理，采用随机能量分析的方法，对预防列车脱轨发生有一定作用。但是，正如曾氏文章中所说的那样，造成列车脱轨的原因是多种多样的，是千变万化的时变系统。曾氏定理并没有解决这个时变系统的随机监测问题。

3.3.车辆的原因

3.3.1.车辆装载不均衡，旅客或货物偏载严重，由于车辆装载重心的静态不平衡，从而影响到各车轮的配载不均衡。或者是车辆装载的货物固定不牢靠，在列车运行中货物发生严重的位移或者倾倒，严重影响到列车重心横向动态平衡。

3.3.2.列车不同的运行速度产生不同的惯性，对车辆脱轨有着不同的影响，当车辆通过曲线时，不同的运行速度生产不同的离心力。这些都是影响列车重心横向动态平衡的主要侧向作用力。

3.3.3.反向运行，即机车推进时，车辆之间的车钩作用力是压缩力，使前后转向架侧向力增大，同时有可能使车辆向上撅起，使其车轮减载。

3.3.4.车辆配置不合理。通常，我们往往把重载车辆放在列车的中前部，而列车尾部往往顺便梢挂一些空车皮。这样更容易引起列车尾部发生龙甩尾的事故。

3.4.自然灾害的原因

高速列车运行中的阻力，空气阻力占主要成分，列车运行时受到的空气阻力与车速的平方成正比，随着列车速度的不断提高，空气阻力急剧增大。空气阻力的急剧增大，会产生许多空气动力现象。因此，强烈的侧风、龙卷风、沙尘暴更是加剧列车发生自行脱轨的一个重要原因。另外，列车交会时产生的空气压力波，也是列车发生自行脱轨的一个重要原因。

综合以上列车运行中发生自行脱轨的所有成因，归纳为一点，即列车运行中发生自行脱轨的根本原因是；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。

4.历史的错误结论

4.1.错误的结论

历史错误结论是；列车运行中发生自行脱轨的原因是轮轨之间的横向力大于车轮轮重造成的。

4.2.正确的结论

正确的结论是：列车运行中发生自行脱轨的原因是列车重心横向动态严重失去平衡，使轮轨之间的横向力大于轮压时造成的。

4.3.造成历史错误结论的原因

4.3.1.列车静态与动态状态条件下，列车车轮对铁路轨道的压力不同。

4.3.1.1.列车在静态状态：列车车轮的轮重等于列车车轮对铁路轨道的轮压。

4.3.1.2.列车在动态状态：列车车轮的轮重不等于列车车轮对铁路轨道的轮压。

列车车轮的轮重在列车装载货物完毕以后，它的轮重就确定了。而列车车轮对轨道的轮压是随着风向、风速、列车的行驶速度、离心力、惯性、货物对侧壁的压力等等外因不断变化的。当列车的重心横向动态失去平衡时，就会发生对称的同一轮对的左右轮压发生改变。列车构架在动应力下的破坏和在静应力下的破坏机理是不同的，列车的危险大多出现在动应力超值情况下引起的。

4.3.2.分析方法的错误

把行驶状态的列车车轮对铁路轨道的轮压与列车静态状态的车轮轮重进行比较，这种动态作用力和静态作用力的对比，显然有失对等。由于对比条件不对等，当然得出的结论也就不可能正确了。由于把不变的轮重替代变化的轮压，造成了分析错误。轮重与轮压虽然只是一字之差，产生的结果是截然不同的。

4.4.历史错误的危害

由于过去对列车运行中发生自行脱轨原因的认识错误，导致铁路轨道的设计、施工、运营、养护中，种下了不安全的隐患。因此，今天我们来纠正错误的历史结论和错误的分析方法，对今后的铁路建设，有着重大的意义。尤其对高速铁路的建设更是关系重大。

三.发明内容

在铁路轨道静态、动态平顺良好的情况下，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，使轮轨之间的横向力大于轮压时造成的。

本发明是通过测量列车重心横向动态变化数据的方法，来达到预测预报列车脱轨事故的发生的。时时刻刻随机测量列车重心横向动态变化，成为预防列车脱轨事故发生的关键技术。

本发明的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，达到预测预报防止列车发生脱轨事故的目的。

四.附图说明

附图1：数据传输装置工作原理方框图

图中：1.传感器；2.电阻/电压转换电路；3.A/D转换电路；4.GSM移动通信无线电话机；5.收/发转换电路；6.电源。

五.具体实施方式

下面通过以下实施例，来进一步详细描述本发明的具体实施方式。

1.传感器(1)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，本发明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。本实施例介绍一种无线传输方法；本实施是采用GSM移动通信无线电话机(4)作为数据传输的工具。附图1：数据传输装置工作原理方框图。显示了这个数据传输装置的工作过程。

在实现GSM移动通信无线电话机(4)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(2)

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(3)转换成数码数据，才能进行数据传输。

电阻/电压转换电路(2)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(3)

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(3)，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(2)、A/D转换电路(3)也就可以省略了。

2.3.GSM移动通信无线电话机(4)(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，本实施例，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(4)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(4)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(4)进行适当的改进；

2.3.1.改装GSM移动通信无线电话机(4)的外壳，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(5)

收/发转换电路(5)是控制GSM移动通信无线电话机(4)工作状态的控制电路。平时，GSM移动通信无线电话机(4)处在待机状态，当GSM移动通信无线电话机(4)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(4)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(4)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(4)上的数据传输接口，才能通过GSM移动通信无线电话机(4)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(4)传输，这时，GSM移动通信无线电话机(4)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(4)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(4)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(4)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(4)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(6)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(4)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(4)进入发射状态指令，接收、读解、运算GSM移动通信无线电话机(4)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(4)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。

4.本发明的意义

4.1.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。

4.2.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。

本发明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。本发明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。本发明尤其对高速铁路的安全运营有着重大意义。

Claims (4)

1.一种列车脱轨事故的预测预报技术；它是由荷重传感器、位移传感器、数据传输装置、数据显示器组成；其特征在于：本发明是通过测量列车重心横向动态变化数据的方法，来达到预测预报列车脱轨事故的发生的。

2.根据权利要求1所述的列车脱轨事故的预测预报技术；其特征在于：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。

3.根据权利要求1所述的列车脱轨事故的预测预报技术；其特征在于：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。

4.根据权利要求1所述的列车脱轨事故的预测预报技术；其特征在于：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。

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