CN109484432A - 一种电子与机械敏感器融合触发的脱轨探测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及轨道车辆的安全保护装置，特别涉及一种电子与机械敏感器融合触发的脱轨探测装置；其一种电子与机械敏感器融合触发的脱轨探测装置，包括安装在连接板上的稳压阀、脱轨探测器以及脱轨分析单元，所述连接板安装在车辆底部，所述脱轨探测器通过稳压阀连接车辆的供气管。本发明提供一种新的电子与机械敏感器融合触发的脱轨探测装置，采用将机械敏感器、电子敏感器进行融合触发，工作稳定，可靠性高，并且将脱轨信号传递给司机室，由司机进行紧急制动，充分利用了列车原有的制动***，对加装空间要求低；该装置具有较好的稳定性和封闭性，结构简单、组装便捷、价格便宜，能够快速准确地判断列车车辆是否发生脱轨。
Description
技术领域
本发明涉及轨道车辆的安全保护装置，特别涉及一种电子与机械敏感器融合触发的脱轨探测装置。
背景技术
我国自铁路提速以来，列车的安全运行至关重要。由于外部环境变化、车辆或线路状态不佳、车辆偏载、列车编组或机车操纵不当等诸多因素的影响，脱轨成为铁路运输安全的主要危险源之一，在重大事故中的比例高达70％；而且脱轨后如果工作人员没有及时发现，列车将继续行驶，从而引发更多车辆相继脱轨或倾覆，导致事故扩大，造成车辆、货物、轨枕、路基及道旁设备的严重损坏，甚至与邻线列车发生碰撞，轻则运输中断，重则车毁人亡，不仅经济损失巨大，而且社会影响恶劣。
列车脱轨后救援恢复工作是第一要务，现场比较混乱，对产生事故的真正原因很难全面***地分析。国内外在脱轨预测研究方面，由于预测模型不精准、试验参数无法准确控制、极端工况试验难以实现等因素的影响，导致评判算法和准则不能精确地反映脱轨倾向，误报率较高，实用性不强。
因此在列车上加装脱轨探测装置，通过检测运行过程中的异常动态和征兆，在出现脱轨后立即进行紧急制动，以防止产生二次伤害是一种适用的方法。
目前国内外开发了几种脱轨探测装置，在降低脱轨损失、减小脱轨事故对铁路运输的干扰方面起到了一定作用。但随着车型和运行条件的变化，还存在一些不足之处：
1、价格昂贵。我国现有铁路运输的脱轨保护装置造价很高，目前纯机械式脱轨保护装置每辆车加装造价约8万元，考虑到价格因素，普通货运车辆没有加装。国外开发的脱轨探测装置需要许多高价格、高精度的传感器，从成本的观点看不现实。因此在新建铁路的调试或试运行过程中，由于线路状况不太理想，脱轨事件时有发生，施工方无法对车辆进行改装，一般是在列车尾部通过人工目视监控列车的安全运行状况，可靠性、实时性比较差。
2、结构复杂，加工精度高，装配难度大。例如国外某公司研制的脱轨检测器具有4对相配合的阀座和工作腔，相互之间的安装精度很高，而且对尺寸精度、平面度和形位精度也有严格要求，加工、组装非常困难。
3、响应时间有滞后。在已设计的脱轨探测装置中，检测振动加速度的质量块均位于阀座的下方；在发生实际脱轨时，总是工作腔先下沉，直到车体着地后才会发出脱轨信号，导致***反应滞后，延迟了紧急制动和补救时间。
4、可靠性不高，容易产生误操作。对于纯机械式脱轨保护装置，经常发生支管漏泄、拉环变形、丢失、损坏等故障，使脱轨制动装置失效，给行车安全埋下了隐患。此外，车辆短时悬浮运行、钢轨表面微小幅度的凹凸不平顺激扰等因素会导致电子式脱轨探测装置产生误报，影响列车运行的安全性和舒适性。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种新的电子与机械敏感器融合触发的脱轨探测装置，该电子与机械敏感器融合触发的脱轨探测装置结构简单、组装便捷、价格便宜，能够快速准确地判断列车车辆是否发生脱轨。
本发明具体技术方案如下：
本发明提供一种电子与机械敏感器融合触发的脱轨探测装置，包括安装在连接板上的稳压阀、脱轨探测器以及脱轨分析单元，所述连接板安装在车辆底部，所述脱轨探测器通过稳压阀连接车辆的供气管，所述脱轨探测器与所述脱轨分析单元之间通过行程开关信号线和加速度信号线连接，且所述脱轨分析单元通过紧急制动信号线连接司机室。
进一步的改进，所述脱轨探测器包括底座、设于所述底座上的壳体、设于所述壳体内的自复位行程开关、触发簧片、预紧弹簧、质量块以及设于所述底座内的定位气柱和密封垫，所述壳体的侧壁上设有排气口，所述自复位行程开关设于所述壳体内的顶部，所述触发簧片通过固定组件固定在壳体上，所述预紧弹簧的一端连接质量块，另一端连接触发簧片；所述底座上设有与所述壳体内部连通的凹槽以及与所述凹槽连通的工作腔，所述质量块的上部分设于壳体内，下部分设于凹槽内，且与所述凹槽滑动连接，所述质量块设于所述壳体内的部分的长度大于所述凹槽的长度，所述工作腔的底部通过进气通道连接稳压阀，所述定位气柱置于所述质量块下方且设于所述工作腔与所述进气通道的连接处，所述密封垫设于所述定位气柱与所述质量块之间且固定在所述质量块的底部。
进一步的改进，所述自复位行程开关设有两个，且对称位于所述触发簧片的两侧，所述行程开关信号线设有两条，分别与两所述自复位行程开关连接；且所述预紧弹簧设有两个，分别设于所述触发簧片的两侧，两所述预紧弹簧均位于两所述自复位行程开关之间。
进一步的改进，所述脱轨探测器还包括排气通道和节流气垫，所述排气通道的一端与所述工作腔连通，另一端与所述壳体内部连通，所述节流气垫设于所述排气通道的出口处。
进一步的改进，所述底座的侧壁上设有加速度传感器，所述加速度传感器连接所述加速度信号线。
进一步的改进，所述固定组件包括调节螺栓和锁紧螺母，所述调节螺栓穿过所述壳体顶部连接在所述触发簧片的中间位置，所述锁紧螺母设于所述壳体外并旋拧在所述调节螺栓上。
进一步的改进，所述排气口处设有出口阀，所述出口阀包括竖直设置的推杆和挡杆以及设于所述推杆和挡杆之间的阀杆，所述排气口处上下相对设置有两阀座，两所述阀座之间的距离大于所述阀杆的杆径，小于所述推杆和所述挡杆的高度，所述推杆设于所述壳体内，所述挡杆设于所述壳体外，且所述推杆与两所述阀座之间均设有弹簧，两所述弹簧的一端均与所述推杆连接，另一端分别与两所述阀座连接，且两所述弹簧之间平行设置。
进一步的改进，所述壳体的顶部设有与所述壳体固定连接的上盖，所述自复位行程开关设于所述上盖的底部端面上，且所述调节螺栓穿过所述上盖与所述触发簧片连接。
进一步的改进，所述脱轨分析单元包括：
信号接收单元，用于接收自复位行程开关发送的触发信号和加速度传感器发送的垂直振动信号；
信号判断模块，用于判断是否接收到自复位行程开关发送的触发信号，若是，则向信号识别模块发送指令；
信号识别模块，用于对接收的垂直振动信号进行识别，分别计算振动的均值、脉动值以及作用时间，并绘制振动的反应谱；
信号处理模块，用于将振动的均值、脉动值以及作用时间分别与对应阈值进行比较，并判断是否均大于阈值，若是，则向信号管理模块发送指令；
信号管理模块，用于根据反应谱计算车辆的振动作用，并判断计算结果是否大于阈值，若是，则通过紧急制动信号线向司机室发送脱轨信号。
进一步的改进，所述信号管理模块根据如下公式计算车辆的振动作用P：
P＝αW
其中，α为振动影响系数，W为车辆设有连接板处的重量。
本发明的有益效果如下：
本发明提供一种新的电子与机械敏感器融合触发的脱轨探测装置，采用将机械敏感器、电子敏感器进行融合触发，工作稳定，可靠性高，并且将脱轨信号传递给司机室，由司机进行紧急制动，充分利用了列车原有的制动***，对加装空间要求低；该装置具有较好的稳定性和封闭性，结构简单、组装便捷、价格便宜，能够快速准确地判断列车车辆是否发生脱轨。
附图说明
图1为实施例1电子与机械敏感器融合触发的脱轨探测装置的结
构示意图；
图2为实施例2脱轨探测器的剖视图；
图3为实施例3脱轨探测器的剖视图；
图4为实施例4脱轨探测器的剖视图；
图5为实施例5脱轨探测器的剖视图；
图6为实施例6脱轨探测器的剖视；
图7为实施例7脱轨探测器的剖视；
图8为实施例8脱轨分析单元的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图和以下实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
本发明实施例1提供一种电子与机械敏感器融合触发的脱轨探测装置，如图1所示，包括安装在连接板1上的稳压阀2、脱轨探测器3以及脱轨分析单元4，所述连接板1安装在车辆底部，所述脱轨探测器3通过稳压阀2连接车辆的供气管5，所述脱轨探测器3与所述脱轨分析单元4之间通过行程开关信号线6和加速度信号线7连接，且所述脱轨分析单元4通过紧急制动信号线8连接司机室。本实施例中整个装置采用封闭式结构，安装在车厢底部的中间位置。
本发明提供一种新的电子与机械敏感器融合触发的脱轨探测装置，采用将机械敏感器、电子敏感器进行融合触发，工作稳定，可靠性高，并且将脱轨信号传递给司机室，由司机进行紧急制动，充分利用了列车原有的制动***，对加装空间要求低；该装置具有较好的稳定性和封闭性，结构简单、组装便捷、价格便宜，能够快速准确地判断列车车辆是否发生脱轨。
实施例2
一种电子与机械敏感器融合触发的脱轨探测装置，如图2所示，与实施例1不同的是：所述脱轨探测器3包括底座301、设于所述底座301上的壳体302、设于所述壳体302内的自复位行程开关303、触发簧片304、预紧弹簧305、质量块306以及设于所述底座301内的定位气柱307和密封垫308，所述壳体302的侧壁上设有排气口309，所述自复位行程开关303设于所述壳体302内的顶部，所述触发簧片304通过固定组件固定在壳体302上，所述预紧弹簧305的一端连接质量块306，另一端连接触发簧片304；所述底座301上设有与所述壳体302内部连通的凹槽310以及与所述凹槽310连通的工作腔311，所述质量块306的上部分设于壳体302内，下部分设于凹槽310内，且与所述凹槽310滑动连接，所述质量块306设于所述壳体302内的部分的长度大于所述凹槽310的长度，所述工作腔311的底部通过进气通道312连接稳压阀2，所述定位气柱307置于所述质量块306下方且设于所述工作腔311与所述进气通道312的连接处，所述密封垫308设于所述定位气柱307与所述质量块306之间且固定在所述质量块306的底部。
本实施例中所述自复位行程开关303设有两个，且对称位于所述触发簧片304的两侧，所述行程开关信号线6设有两条，分别与两所述自复位行程开关303连接；且所述预紧弹簧305设有两个，分别设于所述触发簧片304的两侧，两所述预紧弹簧305均位于两所述自复位行程开关303之间。本实施例中设置两个自复位行程开关以降低触发簧片和预紧弹簧安装后方向误差、位置误差的影响，提高脱轨探测的可靠性；自复位行程开关的触发信号与车辆向下加速运动的幅值和作用时间相关，只有达到设定目标值时，才会将脱轨信号发送出去，以免产生误报。
本实施例脱轨探测器的整个机械装置只有1个工作腔、1对配合面，结构简单，组装容易，并且可以根据车型和运行状态对信号的敏感度进行调整，适应性强，成本低；检测重力加速度的质量块位于工作腔的上方，脱轨发生后稳压阀能够立即将高压空气输入工作腔，发出脱轨信号，响应迅速，降低了二次伤害；整个装置采用封闭结构，使用寿命长，避免了零部件变形、丢失对工作性能的影响。
工作原理：
当车辆出现脱轨时，车厢将会猛烈下沉，除了质量块之外，其它部件均会随着车厢快速下沉；质量块在惯性力的作用下瞬时保持原有位置，质量块、定位气柱会发生分离，高压空气通过稳压阀后进入工作腔，推动质量块向上运动；同时触发簧片、质量块之间的相对间隔减小，预紧弹簧被压缩，推动质量块向下运动；在惯性力、高压空气向上推力、预紧弹簧向下推力的综合作用下，质量块将发生向上的相对运动，导致触发簧片向上翘起，当翘起幅度达到一定程度时，就会触发自复位行程开关，向脱轨分析单元发送车辆脱轨的触发信号。
实施例3
一种电子与机械敏感器融合触发的脱轨探测装置，如图3所示，与实施例2不同的是：所述脱轨探测器3还包括排气通道313和节流气垫314，所述排气通道313的一端与所述工作腔311连通，另一端与所述壳体302内部连通，所述节流气垫314设于所述排气通道313的出口处。
本实施例中当列车在运行过程中由于钢轨不平顺产生瞬时的垂向加速度时，会导致质量块和定位气柱之间出现短暂分离，瞬时的分离并未将质量块大位移地抬起分离，只有质量块小位移的抬升，导致微量的空气进入工作腔，此时节流气垫起主要作用，将高压气体排入大气，并不会导致工作腔体与高压气通道全面贯通，且也未触发行程开关，因此，不会报警。
实施例4
一种电子与机械敏感器融合触发的脱轨探测装置，如图4所示，与实施例1不同的是：所述底座301的侧壁上设有加速度传感器315，所述加速度传感器315连接所述加速度信号线7。
本实施例中加速度传感器将机械装置、电子元件检测的冗余信息传递给脱轨分析单元，通过分析振动的均值、脉动值、反应谱和作用时间来自动判断列车是否脱轨，提高了可靠性；加速度传感器可以选用压电式、压阻式、电容式等不同类型的敏感单元进行竖直方向振动信号的探测。
实施例5
一种电子与机械敏感器融合触发的脱轨探测装置，如图5所示，与实施例1不同的是：所述固定组件包括调节螺栓316和锁紧螺母317，所述调节螺栓316穿过所述壳体302顶部连接在所述触发簧片304的中间位置，所述锁紧螺母317设于所述壳体302外并旋拧在所述调节螺栓316上。
本实施例中调整螺栓、锁紧螺母能够调整预紧弹簧的压缩量，使质量块在相同振动条件下可以输出不同的位移，以适用于不同类型的车辆，并且便于仿真测试和验证。
实施例6
一种电子与机械敏感器融合触发的脱轨探测装置，如图6所示，与实施例1不同的是：所述排气口309处设有出口阀，所述出口阀包括竖直设置的推杆318和挡杆319以及设于所述推杆318和挡杆319之间的阀杆320，所述排气口309处上下相对设置有两阀座321，两所述阀座321之间的距离大于所述阀杆320的杆径，小于所述推杆318和所述挡杆319的高度，所述推杆318设于所述壳体302内，所述挡杆319设于所述壳体302外，且所述推杆318与两所述阀座321之间均设有弹簧322，两所述弹簧322的一端均与所述推杆318连接，另一端分别与两所述阀座321连接，且两所述弹簧322之间平行设置。
本实施例中设置出口阀是为了避免大气中的气体自排气口处进入脱轨探测器从而影响脱轨探测器的探测精度及使用寿命；以图6为例，当需要排气时，高压空气推动推杆向右移动，从而带动挡杆向右移动，此时，挡杆与阀座分开，高压气体排出，当高压气体排放完毕后，推杆在弹簧作用力的推动下向左移动，使得挡杆恢复原位，挡杆与阀座紧密贴合，将排气口封闭，避免了外界气体的进入。
实施例7
一种电子与机械敏感器融合触发的脱轨探测装置，如图7所示，与实施例1不同的是：所述壳体302的顶部设有与所述壳体302固定连接的上盖323，所述自复位行程开关303设于所述上盖323的底部端面上，且所述调节螺栓316穿过所述上盖323与所述触发簧片304连接。
本实施例中设置上盖是为了便于壳体内和底座内零部件的安装以及维修，由于脱轨探测器中各部件设置简单，因此，只需打开上盖即可对壳体内和底座内的零部件进行检修；上盖与壳体之间通过螺栓等进行固定。
实施例8
一种电子与机械敏感器融合触发的脱轨探测装置，如图8所示，与实施例1不同的是：所述脱轨分析单元4包括：
信号接收单元401，用于接收自复位行程开关303发送的触发信号和加速度传感器315发送的垂直振动信号；
信号判断模块402，用于判断是否接收到自复位行程开关303发送的触发信号，若是，则向信号识别模块403发送指令；
信号识别模块403，用于对接收的垂直振动信号进行识别，分别计算振动的均值、脉动值以及作用时间，并绘制振动的反应谱；
信号处理模块404，用于将振动的均值、脉动值以及作用时间分别与对应阈值进行比较，并判断是否均大于阈值，若是，则向信号管理模块405发送指令；
信号管理模块405，用于根据反应谱计算车辆的振动作用，并判断计算结果是否大于阈值，若是，则通过紧急制动信号线8向司机室发送脱轨信号。
本实施例中所述信号管理模块404根据如下公式计算车辆的振动作用P：
P＝αW
其中，α为振动影响系数，W为车辆设有连接板1处的
重量。
本实施例中脱轨分析单元通过融合处理两种信号来作出是否脱轨的判断，首先判断是否接收到自复位行程开关发送的触发信号，若是，则判断加速度传感器发送的垂直振动信号，否则不发送脱轨报警，接着通过垂直振动信号判断振动的均值、脉动值、反应谱和作用时间，只有在均值、脉动值、反应谱和作用时间均到达对应的阈值时，向司机室发送脱轨信号进行报警，复合判断加速度信号和行程开关信号，可以提高判断的准确率；当列车出现爬轨脱轨时，高压气体不断地通入到工作腔后，会形成压力并且逐渐增大，当这种压力超出一定限值时，就会触发大位移推动质量块，触发行程开关，复位行程开关和加速度传感器同时向脱轨分析单元发送信号。
以上所述实施例仅仅是本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种电子与机械敏感器融合触发的脱轨探测装置，其特征在于，包括安装在连接板(1)上的稳压阀(2)、脱轨探测器(3)以及脱轨分析单元(4)，所述连接板(1)安装在车辆底部，所述脱轨探测器(3)通过稳压阀(2)连接车辆的供气管(5)，所述脱轨探测器(3)与所述脱轨分析单元(4)之间通过行程开关信号线(6)和加速度信号线(7)连接，且所述脱轨分析单元(4)通过紧急制动信号线(8)连接司机室。
2.根据权利要求1所述的电子与机械敏感器融合触发的脱轨探测装置，其特征在于，所述脱轨探测器(3)包括底座(301)、设于所述底座(301)上的壳体(302)、设于所述壳体(302)内的自复位行程开关(303)、触发簧片(304)、预紧弹簧(305)、质量块(306)以及设于所述底座(301)内的定位气柱(307)和密封垫(308)，所述壳体(302)的侧壁上设有排气口(309)，所述自复位行程开关(303)设于所述壳体(302)内的顶部，所述触发簧片(304)通过固定组件固定在壳体(302)上，所述预紧弹簧(305)的一端连接质量块(306)，另一端连接触发簧片(304)；所述底座(301)上设有与所述壳体(302)内部连通的凹槽(310)以及与所述凹槽(310)连通的工作腔(311)，所述质量块(306)的上部分设于壳体(302)内，下部分设于凹槽(310)内，且与所述凹槽(310)滑动连接，所述质量块(306)设于所述壳体(302)内的部分的长度大于所述凹槽(310)的长度，所述工作腔(311)的底部通过进气通道(312)连接稳压阀(2)，所述定位气柱(307)置于所述质量块(306)下方且设于所述工作腔(311)与所述进气通道(312)的连接处，所述密封垫(308)设于所述定位气柱(307)与所述质量块(306)之间且固定在所述质量块(306)的底部。
3.根据权利要求2所述的电子与机械敏感器融合触发的脱轨探测装置，其特征在于，所述自复位行程开关(303)设有两个，且对称位于所述触发簧片(304)的两侧，所述行程开关信号线(6)设有两条，分别与两所述自复位行程开关(303)连接；且所述预紧弹簧(305)设有两个，分别设于所述触发簧片(304)的两侧，两所述预紧弹簧(305)均位于两所述自复位行程开关(303)之间。
4.根据权利要求3所述的电子与机械敏感器融合触发的脱轨探测装置，其特征在于，所述脱轨探测器(3)还包括排气通道(313)和节流气垫(314)，所述排气通道(313)的一端与所述工作腔(311)连通，另一端与所述壳体(302)内部连通，所述节流气垫(314)设于所述排气通道(313)的出口处。
5.根据权利要求4所述的电子与机械敏感器融合触发的脱轨探测装置，其特征在于，所述底座(301)的侧壁上设有加速度传感器(315)，所述加速度传感器(315)连接所述加速度信号线(7)。
6.根据权利要求5所述的电子与机械敏感器融合触发的脱轨探测装置，其特征在于，所述固定组件包括调节螺栓(316)和锁紧螺母(317)，所述调节螺栓(316)穿过所述壳体(302)顶部连接在所述触发簧片(304)的中间位置，所述锁紧螺母(317)设于所述壳体(302)外并旋拧在所述调节螺栓(316)上。
7.根据权利要求6所述的电子与机械敏感器融合触发的脱轨探测装置，其特征在于，所述排气口(309)处设有出口阀，所述出口阀包括竖直设置的推杆(318)和挡杆(319)以及设于所述推杆(318)和挡杆(319)之间的阀杆(320)，所述排气口(309)处上下相对设置有两阀座(321)，两所述阀座(321)之间的距离大于所述阀杆(320)的杆径，小于所述推杆(318)和所述挡杆(319)的高度，所述推杆(318)设于所述壳体(302)内，所述挡杆(319)设于所述壳体(302)外，且所述推杆(318)与两所述阀座(321)之间均设有弹簧(322)，两所述弹簧(322)的一端均与所述推杆(318)连接，另一端分别与两所述阀座(321)连接，且两所述弹簧(322)之间平行设置。
8.根据权利要求6所述的电子与机械敏感器融合触发的脱轨探测装置，其特征在于，所述壳体(302)的顶部设有与所述壳体(302)固定连接的上盖(323)，所述自复位行程开关(303)设于所述上盖(323)的底部端面上，且所述调节螺栓(316)穿过所述上盖(323)与所述触发簧片(304)连接。
9.根据权利要求5所述的电子与机械敏感器融合触发的脱轨探测装置，其特征在于，所述脱轨分析单元(4)包括：
信号接收单元(401)，用于接收自复位行程开关(303)发送的触发信号和加速度传感器(315)发送的垂直振动信号；
信号判断模块(402)，用于判断是否接收到自复位行程开关(303)发送的触发信号，若是，则向信号识别模块(403)发送指令；
信号识别模块(403)，用于对接收的垂直振动信号进行识别，分别计算振动的均值、脉动值以及作用时间，并绘制振动的反应谱；
信号处理模块(404)，用于将振动的均值、脉动值以及作用时间分别与对应阈值进行比较，并判断是否均大于阈值，若是，则向信号管理模块(405)发送指令；
信号管理模块(405)，用于根据反应谱计算车辆的振动作用，并判断计算结果是否大于阈值，若是，则通过紧急制动信号线(8)向司机室发送脱轨信号。
10.根据权利要求9所述的电子与机械敏感器融合触发的脱轨探测装置，其特征在于，所述信号管理模块(404)根据如下公式计算车辆的振动作用P：
P＝αW
其中，α为振动影响系数，W为车辆设有连接板(1)处的重量。
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