陆 强 赵寿鑫 王 毅

（中车眉山车辆有限公司 四川眉山 620010）

1 概述

近年来，各国纷纷出台多项针对铁路数字化的措施，提出发展智能铁路以更加安全、高效的运输方式来提升铁路运输的竞争力。如欧盟的Shift2Rail 科技创新项目、德铁的铁路4.0 发展规划、数字化法铁项目、英国数字化铁路发展蓝图等。为了提高铁路货车运输的安全性与稳定性，研究智能货运装备对铁路智能化发展的意义是十分重大的，而智能货运装备的发展与车载供电和监控技术密不可分，随着网络通信技术和控制技术的快速发展，铁路货车监控系统具备从定点监测向智能化全程监测发展的可能。但我国既有铁路货车因缺乏车载供电电源，造成智能化的全程监测技术的普及应用受阻。因此，面对铁路货运日趋严格的安全运输需求，应积极研究铁路货车车载供电和监控技术，选取适宜我国铁路货运发展的技术方向，加快研发适应新时代货运运输需求的新型智能货车。

2 国外铁路货车车载供电和监控技术应用现状

作为全球性的以轨道交通为主题的多元化贸易展览会，2018 年第十二届InnoTrans 全面展示了轨道交通行业新技术与新装备。本节主要介绍五种具备车载供电和监控技术的铁路货车。

2.1 钢卷运输专用车

GREENBRIER 公司生产的钢卷运输专用棚车，其轴重为22.5t，自重21.4t，最大载重68.6t，整车设置五个钢卷装载仓和夹紧装置，可装载钢卷宽度范围800~1700 mm，直径范围800~2700 mm，重量范围17~45t；该车装有PJM 系统（图1），包括轴端发电模块（图2）、GPS 模块、称重模块、信号发射模块、控制盒等。车辆运行时车轴带动轴端发电机发电，同时给蓄电池充电，通过车底设置的控制系统及测重传感器，采集该车各轴载重、车辆位置（GPS）等状态，利用GSM 网络传到地面中心，再向各类人员发出相应命令。如车辆静止装载工况下，装载不平衡时，端墙3 个指示灯显示为黄色；超载时，指示灯显示为红色；正常时，指示灯为蓝色。黄色或红色都为禁止项，需要调整才能上路运行，蓝色时可直接上路运行。

图1 GREENBRIER 钢卷运输专用车

图2 轴端发电模块

2.2 冷藏运输专用关节平车组

德国VTG 公司运用MOLINARI 公司的rCE-Powerpack 电能再生技术，研制了适合在轨距为1435 mm 的线路上运行，可运输符合ISO 标准45ft 的冷藏集装箱的关节平车组，采用Y25 型转向架，通过车载监控控制系统可以实现集装箱精确定位、箱内自动控温与记录、远程控制冷藏车的温度等功能。该车已在瑞士小批量运用。

2.3 活动侧墙棚车

Tatravagonka 公司的Habbiins 4 轴活动侧墙棚车，自重27t，最大载重63t，容积164.2m3，最高运行速度120km/h。该车设置4 扇活动侧墙，活动侧墙采用铝合金焊接结构，可用于金属制品、工业机械、电子、电气机械、饮食品及烟草制品、医药品等高附加值货物运输。为了提高运输货物的品质，减少货损，该车可选装PJM 系统，其中包括轴端发电模块、GPS 模块、称重模块等，可实现对车辆装载、运行情况的实时监控。

2.4 顶盖侧开式棚车

INVEHO 公司展出的4 轴顶盖侧开式棚车，自重22t，最大载重68t，容积50m3，最高运行速度120km/h。该车纵向设置两扇圆弧型车辆顶盖，顶盖采用铝合金焊接结构，车顶开闭机构采用气动控制，顶盖设有两级锁闭装置。该车装有蓄电池模块、信号接收模块等，顶盖的开启可以通过手柄操作，也可以通过手机APP 遥控操作，车辆端部控制箱内安装有蓄电池，但未设置发电系统给蓄电池充电，需要定期更换蓄电池。

2.5 80ft 平车

Innovativer guterwagen公司生产的80ft平车，适合在轨距为1435mm的线路上运行，可运输符合ISO 标准的20'、26'、30'、40'、45'的集装箱。该车轴重22.5t，自重22.3t，最大载重67.7t，最高运行速度120km/h。端部安装有电力连接电缆，可通过车组中的发电设备给本车上各种类型的集装箱或其他集装器具供电，通过再附加其他监控设施也能实现对车辆综合状态的监控。

3 国外车载供电技术的发展现状

展会展出这五种车型采用了4种车载供电技术：轴端发电机、轴驱发电机、蓄电池供电、外部设备通过电力连接器给货车供电的技术。后两种技术都需要外接供电设备进行充电或供电，不符合当前节能环保型社会应用，因此从未来发展趋势分析轴端或轴驱发电机方案将为主流技术。

3.1 PJM 轴端发电技术

PJM 轴端发电技术的基本思路是不改变转向架结构的基础上，实现轴端发电、蓄电池能量存储、状态监测一体化设计【2】。PJM 轴端发电机既可以适用于轴箱系统转向架，也适用于承载鞍系统转向架。图3 和图4 是适用于轴箱的Y25 转向架安装PJM 系统的一个实例。适用于三大件承载鞍系统PJM 系统见图5。

图3 Y25 转向架安装的PJM 系统

图4 PJM 系统组成

图5三大件承载鞍式转向架PJM 系统

该系统发电原理为将传统轴箱前盖退出，将特制的线圈转子安装在轴承压盖，通过三孔螺栓紧固在车轴上，由此线圈转子与车轴一起转动；特制轴箱前盖，集成线圈定子、小型化蓄电池、GPS 等系统在轴箱端盖上；当车辆运动时，车轴相对于轴箱端盖转动，产生电流给蓄电池充电；蓄电池向其他系统供电维持信号和监测系统的工作。

PJM系统主要的性能如下：

（1）当车辆运行速度大于15km/h时，发电机开始发电。15km/h输出电压10V，120km/h输出电压45V，最高输出功率约25W，平均功率10W。

（2）车辆静止时，蓄电池供电。蓄电池寿命大于6年，在发电机不工作的情形下，蓄电池可连续工作3~4个星期左右。发电机寿命12年。

（3）系统适应温度-20~85摄氏度，具有防静电、防水、防尘及轴承电流保护功能，上述功能均通过相应的TSI试验。

（4）支持GSM/GPRS850/900/1800/1900MHz信号传输，由于是GPS传输，不受天气影响，信号及时准确。

（5）专门软件功能，支持手机、电脑对数据的及时查询和管理。

（6）可根据需要，附加轴温监测、速度监测、位置监测、车轮垂向力监测等各种电子监控设备。 PJM系统的优点是：

（1）尺寸小，功率高，基本能满足各种状态监测传感器的需要；

（2）适用范围广，对转向架无特殊要求，对轴箱或承载鞍结构影响小，不涉及对轴承和转向架的改造，便于装配和换件维修。

（3） 结构简单，便于实现，可靠性高。

3.2 MOLINARI 轴驱发电技术

MOLINARI轴驱发电技术的核心为rCE-Powerpack电能再生，工作原理是通过车轮转动驱动轴端的液压泵工作，液压油驱动安装在底架上的发电机工作产生电能。利用安装在车底架上的蓄电池将电能存储，供冷藏箱等用电，如图6~7。通过安装一些传感器，利用GPS定位、GSM网络传输等技术可实现对电池、车辆信息、冷藏箱信息等的实时监控。

该系统的主要性能如下：rCE-Powerpack电能再生技术能够正常进行电能转化的速度为30km/h～120km/h，再生功率为15kW/h～20kW/h，最大输出功率为27kW/h。每个蓄电池每小时储存能量为9kW，最多可挂载7个，总共63kW。可持续供2个45英尺集装箱（或4个20英尺集装箱）用电3小时。

图6 轴端液压泵

图7 液压发电机和蓄电池箱

MOLINARI轴驱发电技术的优点是该技术发电能力强，车组之间没有连接电缆，不需要对现有车辆结构进行改变，每组车之间的发电系统独立，并可通过轴端装置的改变实现调节液压泵的发电功率等。缺点是体积大，需要车底安装空间大。

3.3 两种车载供电技术的对比

上述2种发电技术虽然都采用轴端安装方式，但是发电功率相差巨大，运用工况也完全不同。PJM发电方式主要用于信息采集，信号传递作用，采用小功率发电机即可满足要求，其结构相对简单，运用较广，其中PJM系统在2014年Innotrans展上也有展出；MOLINARI轴驱发电方式除了信息采集，信号传递作用外，还可为冷藏集装箱等大功率用电设备供电，采用的大功率发电机、轴端液压泵、蓄电池尺寸都较大，其结构复杂。

4 我国铁路货车车载供电和监控技术的发展启示

当前我国铁路货车缺乏车载供电设备，无法对轴温检测装置、电子防滑器、电控制动装置等设备供电，不能实现车载监控和控制。只能采用常规的地面监测，该方式导致设备成本高、维护不方便，而且难以实时在线监测车辆的运行状态。因此货车车载供电问题严重限制了货车技术的发展，并且在重载和快捷运输发展的背景下，货车的安全性能要求势必更加严格，对供电系统和智能监控的需求更加迫切。

4.1 货车供电技术的选择

货车供电系统的特点：（1）货车的功能为运货，无需安装与乘坐舒适性相关的设备，如空调、通风、取暖等设备，因此对功率的要求很低；（2）由于货车的工作环境通常比较恶劣，且检修期较长，因此，对货车供电系统性能的稳定性、可靠性要求高；（3）货车由于编组非常频繁，具有很大的随机性，因此，大规模釆用线缆集中供电方式的工作量很大，基本不可能实现。（4）目前货车保有量非常巨大，为安装供电系统而对现有车辆进行较大的改造时间成本和经济成本太高【3】。依据以上特点，货车供电系统无法直接借鉴客车的发电车供电和接触网供电方式。从国外最新货车车载供电技术发展启示，利用货车车轴旋转自发电的模式是经济环保的，发电功率也从几十瓦到20千瓦不等，适应于对供电功率有不同需求的各型货车。如大部分货车仅需要安装一些监控保护设备及通讯设备，可采用PJM轴端发电技术；而如冷藏集装箱、冷藏车等需要为大功率设备提供电源时，可采用MOLINARI轴驱发电技术。

4.2 监控技术发展方向

货车监测运用方向应主要包括：安全监测、货物状态监测。

安全监测是货车监测的重要组成部分，有利于提高货车行驶的安全性。其监测范围包括铁路货车的平稳性和稳定性、载重测量及偏载预警、轴温监测、制动缸压力监测、手制动机状态监测、转向架弹簧监测和脱轨监测【4】。监测值可通过无线网实时发给本车的货车信息处理模块，并将监测值与设定范围作对比，超标则报警，从而实现对货车性能远程监控的目的。

货物状态监测主要具有实时位置及状态查询、轨迹回放、报警、大数据管理等功能。如我国冷藏货物运输装备车可以先进的电子信息控制技术作为支撑，向全程温度智能监控及控制方向发展，如采用射频识别技术、无线通信技术、GPS 技术及温度传感技术等，实现实时监控及控制，以保障货物的生鲜度和质量。附加值相对高的铁路快捷运输货物，可通过GPS 技术实现实时追踪，预估抵达时间等，让客户对货物运输有时效性、快速性及高品质的体验。对于铁路危化品运输，可通过车载供电电源给传感器供电，实时获取危险品和车辆状态信息如行车速度、 车辆异常振动、 物品所处环境温度、 有毒气体聚集浓度、 运输车辆位置信息等，有力保障危化品的物品质量和运输安全等问题。

5 结束语

随着世界经济的快速发展，人们对安全、快捷、环保的交通运输需求越来越高。近年来我国铁路货车车辆技术水平和竞争力不断提高，但与Innotrans2018 轨道交通产品和技术展示的货车相比，我国铁路货车车载供电和监控技术的运用大大落后于国外铁路货车。因此，在由传统铁路货车向智能化铁路货车发展过程中，我国应研发或借鉴现有的技术诸如轴端发电、轴驱发电，满足货车的用电需求，并通过铁路货车车载在线监控技术来提高铁路货车的运输安全，实现货车的智能化。