動車組動力學性能跟蹤監測技術研究

傅佩喜 上海鐵路局科研所

該項目期望達到的目標：（1）隨車機械師、司機等有關人員實時掌握動車組的運行性能情況。（2）為動車組的計劃修和狀態修，確保動車組始終具有良好的運行性能，提供重要的數據依據。（3）通過下載有關車載檢測設備數據，跟蹤分析動車組運行性能變化趨勢，做到有效預防事故發生。

1 動車組動力學性能的評價方法

1.1 常用車輛動力學評價指標

動車組動力學性能的研究內容主要有運行平穩性及旅客乘坐舒適度、運行穩定性及安全性和曲線（包括進出道岔）通過性能（如圖1所示）。

圖1 動車組動力學性能的研究內容展開圖

本課題通過對車輛動力學性能有關指標的跟蹤檢測，著重進行計算分析研究動車組運行穩定性及安全性和運行平穩性方面的性能變化情況，作為課題研究重點。

1.2 運行穩定性（安全性）評價指標

歐洲UIC 518判斷高速動車組失穩標準：對構架橫向加速度進行實時連續監測和采樣，進行（3~9）Hz帶通濾波，若加速度峰值有連續10次以上達到或超過極限值8 m/s2時，則判定轉向架橫向失穩。

我國判斷高速動車組失穩標準：轉向架的橫向失穩采用構架上的橫向加速度進行評判，條件為濾波（0.5～10）Hz下連續出現6次以上的橫向加速度值不超過（8～10）m/s2（與轉向架的設計相適應）。

1.3 運行平穩性評價指標

車輛運行平穩性的評定指標，在國外有幾種。我國采用的同歐洲各國采用的相同 ，即斯柏林（Sperling）平穩性指標。平穩性指標用W表示。

其中a為振動加速度，f為振動頻率（Hz），F(f)為頻率修正系數。函數F（f）可按下列規定計算：

（1）在垂直方向

當 0.5〈f〈5.9 次/秒時，F（f）=0.325f2

當 5.9〈f〈20 次/秒時，F（f）=400/f2

當 f〉20 次/秒時，F（f）=1

（2）在橫向

當 0.5〈f〈5.4 次/秒時，F（f）=0.8f2

當 5.4〈f〈26 次/秒時，F（f）=650/f2

當 f〉26 次/秒時，F（f）=1

以上的平穩性指數只適用一種頻率一個振幅的單一振動，但實際上車輛在線路上運行時的振動是隨機的，即振動頻率都是隨時間變化的。因此，在計算車輛平穩性指標時，把實測的車輛振動加速度記錄并按頻率分解，進行頻譜分析，求出每段頻率范圍的振動幅值，然后對每一頻段計算各自的平穩性指數Wi，然后再求出全部頻段總的平穩性指數Wtot。

通過研究現行國內外鐵道車輛動力學評價標準、指標和計算方法，尤其是《高速動車組整車試驗規范》中的相關規定，我們可以知道，輪對、構架、車體的振動加速度是評價動車組蛇行（橫向）穩定性、運行品質的重要依據。其中，蛇行穩定、運行品質是直接根據所測加速度情況來評判的。為此，只要在輪對、構架和車體的合適位置上分別安裝加速度傳感器，就能夠實時跟蹤監測動車組動力學性能。

2 分析現役動車組動力學性能監測情況

目前，我國范圍內正在投入運行的動車組有CRH1、CRH2、CRH3和CRH5等類型動車組 ，詳見《全路動車組配屬情況》（如圖2所示）。

圖2 全路動車組配屬情況表

CRH1型動車組又可細分為CRH1A、CRH1B和CRH1E型動車組，目前在它們上面沒有安裝有關判斷動力學性能的振動傳感器。

CRH2型動車組又可細分為 CRH2A、CRH2B、CRH2C、CRH2E和 CRH380A、CRH380AL型動車組，其中在CRH2A、CRH2B、CRH2C、CRH2E型動車組上沒有安裝有關判斷動力學性能的振動傳感器，而在CRH380A、CRH380AL型動車組，已經安裝了有關判斷動力學性能的振動傳感器。

CRH3型動車組又可細分為 CRH3C、CRH380B、CRH380BG、CRH380BL、CRH380CL型動車組,在這些動車組轉向架的構架上已經安裝了振動加速度傳感器。另外在CRH5A、CRH5G和CRH380D型動車組上也安裝了振動加速度傳感器。

安裝了振動加速度傳感器動車組，可以通過采集和分析加速度數據，以判斷動車組的運行穩定性和平穩性。在動車組上沒有安裝有關加速度傳感器，只能靠機械師的感知來人為判斷動車組的振動情況，無法科學分析動車組運行性能的變化情況。

隨著動車組運營里程和運營時間的不斷增加，動車組零部件的性能會有不同程度的降低，嚴重時甚至會使得零部件失效，如果不及時進行跟蹤檢測及檢修，會引發安全事件。由于目前有的動車組沒有安裝振動傳感器等智能化跟蹤檢測裝置，即使有的動車組安裝了振動傳感器，但是，由于沒有很好跟蹤分析利用這些數據，以致只有在發生運行事件后，才去查問有關數據，沒有很好的起到預防事件發生的作用。因此，十分必要在動車組上全面科學系統安裝振動加速度傳感器，有效充分采集到反映動車組動力學性能的有關數據，成為保證動車組安全運行的科學依據。

3 動車組動力學性能監測技術方案

動車組動力學性能監測系統由信號采集傳感器、信號傳輸線路和信號分析儀等部分組成。

信號采集主要有動車組運行速度、振動加速度和GPS位置信號等技術參數。

根據穩定性和平穩性指標評價方法，在軸箱上安裝加速度傳感器，可以判斷輪對軸承軸箱裝置的動力學性能。在構架上安裝加速度傳感器，可以判斷轉向架一系的動力學性能。在車體枕梁上布置加速度傳感器，可以判斷轉向架二系以及車體的動力學性能。

為了全面監測動車組動力學性能，根據動車組的構造原理，可以分別在每個軸箱、構架側梁和車體枕梁上布置加速度傳感器。

該項目的實施，存在以下技術難題：

（1）動車組配電柜內空間有限，要求檢測設備外形尺寸要小，結構要緊湊。

（2）在轉向架上安裝傳感器，安裝比較困難，有很高的安全要求。

（3）為保證較高的數據傳輸速度和較好的同步性，從傳感器到數據采集模塊使用低噪音同軸電纜連接，電纜從轉向架到車體上部電器柜內的走線比較困難。

（4）動車組運行性能的評價需要列車速度信號和線路狀況數據，但動車組相對封閉的配電柜對GPS信號的衰減很大，且GPS定位測速方法對250 km/h以上的速度等級實施難度較大，因此，需要深入研究GPS測速模塊的設計、GPS天線的安裝等問題。

（5）對所檢測的數據，要區分是線路等外部因素還是動車組自身因素，對于計算方法設計有較大難度。

（6）車種車型多，不同種類的動車組運行性能變化規律有所不同，逐個開展分析研究，工作量相當大。

4 系統軟硬件架構

動車組運行動力學性能檢測設備包括三部分：振動傳感器、數據采集處理系統、終端設備，如圖3所示。數據采集處理系統是整個檢測系統的核心，采用嵌入式設計，內部包含高性能處理器、數據采集模塊、電源轉換模塊、GPS模塊、路由模塊、存儲模塊等。振動傳感器至數據采集卡采用低噪音同軸電纜連接；路由模塊具有WiFi功能，一方面WiFi作為現場調試時使用，另一方面WiFi可將數據采集任務配置傳送至終端設備，并接收車體、轉向架振動數據分析結果。嵌入式處理器一直處于待機狀態，系統收到上位機軟件觸發命令后，開始數據采集、處理和分析工作，同時將振動信號及其分析數據存儲在存儲模塊中。

圖3 動車組動力學性能檢測評價系統框圖

檢測設備技術指標：

采集通道：4通道（可擴展）、24位同步高精度AD轉換；

采樣速率：最高可達52 kS/s；

靈敏度：構架100 mV/g；車體1000 mV/g；

系統接口：WiFi/4G路由；

傳輸速率：最高可達150 Mbps；

傳輸范圍：最大可達300 m；

觸發方式：上位機軟件觸發；

系統電源：9～30 V；

工作電流：2～5 mA；

內部儲存：緩存1 MB，內存1 GB，非易失性存儲4 GB；

外部存儲：可移動SDHC卡；

工作環境：溫度-40℃～70℃，濕度10～95%；

沖擊振動：軸箱200 g;構架50 g；車體5 g；

防護等級：IP40。

4.1 硬件平臺

動車組運行性能檢測評價系統基于高可靠工業級平臺NI CompactRIO（簡稱c-RIO）進行設計，如圖4所示，主要提供車體、轉向架振動及GPS信息的采集、記錄、分析等。設備具有如下技術特點：

（1）設備設計制造符合ISO國際儀器設備標準，滿足車載設備使用要求。

（2）系統內嵌高性能PowerPC處理器和VxWorks實時系統。

（3）系統內嵌資源豐富的FPGA硬件邏輯芯片。

（4）系統內置調理、隔離、電源等模塊，支持AC/DC供電，具備較強的抗電磁干擾能力。

（5）設備具有系統時鐘，設備采集和記錄數據時可調用該時鐘。

（6）系統滿足環境要求的非易失性存儲，斷電不丟數據。

（7）記錄介質可方便拆卸，方便在計算機上讀取數據、回放數據。

（8）系統支持聯機、脫機工作方式，可多臺設備級聯組成分布式測試系統，可擴展全面檢測動車組運行振動情況。

（9）平均故障間隔時間（MTBF）≥ 6 000 h。

（10）使用WINDOWS XP/NT操作系統，提供人機對話界面。

圖4 c-RIO系統工作原理圖

動車組動力學性能數據采集模塊結構組成如圖5所示，選擇4個模擬輸入通道；ADC分辨率為24位；ADC類型為帶模擬預濾波；采用同步采樣模式。

4.2 軟件架構

4.2.1 嵌入式采集軟件

利用 LabVIEW、LabVIEW Real-Time Module、LabVIEW FPGA Module，定義標準化的軟件框架、調用模塊化的VI庫，對采集任務模塊化與規范化，兼顧效率優化和功能拓展等需求，快速建立定制化的數據采集記錄系統，縮短開發周期，節約開發成本。同時，軟件的高標準化和模塊化便于系統的拓展，如硬件的更新、測點的增加和修改等（見圖6）。

圖6 嵌入式數據采集軟件結構

4.2.2 PC人機界面

上位機通過TCP/IP向采集終端發送控制指令，接收采集的車體、轉向架振動數據，并實現以下功能：

（1）配置動車組振動采集任務。

（2）設定數據存儲模式，控制采集開始或停止，顯示采集進度。

（3）顯示采集終端所有通道信號的瞬時值、最大值、最小值、平均值及RMS值等統計數據。

（4）對應顯示動車組位置、速度及時間數據。

（5）顯示車體、轉向架振動信號頻譜分析及相關性分析結果。

（6）對采集的數據進行數據合同，將二進制文件轉換并合并為txt文件，供數據備份。

5 系統應用方法及預期效果

跟蹤檢測的方法：GPS定位，選擇某直線區段，線路技術狀態比較穩定區段，動車組基本以250 km/h以上速度運行，由于道床剛度穩定，鋼軌型面穩定，可以忽略線路技術狀態變化問題。隨著動車組的運行，在使用壽命不同階段，振動性能數據變化情況。動車組運行性能是在靜態很難判斷好壞的，只有在動態情況根據檢測到的有關數據才能做出準確判斷。

微型監測設備由二維加速度傳感器、信號采集接口、計算單元、信號儲存單元、電源和信號讀出接口等組成。具有定時打開微型監測設備進行工作，采集時間設定功能，或GPS功能，具有動車組運行速度記錄功能。微型監測設備安裝在車體的設備室里。通過有關技術設計，一旦動車組通過某一設定的地點，微型監測設備就會自動開始采集和計算分析有關反映動車組運行性能的技術數據，經過某一設定的時間后也會自動停止采集。一旦某個技術參數超過設定的門檻值，微型監測設備就會發送信息到指定的用戶手機端。工程技術人員可以定期下載微型監測設備的檢測記錄數據，進行計算分析動車組運行性能的變化情況，為及時維護檢修動車組提供重要技術依據。如何真正做到全過程動車組運行安全實時控制。目前，可先通過研制動車組運行狀態監測辨識儀來測量構架、車體的振動加速度，據此來評價動車組的蛇行穩定和運行品質。在積累大量數據檢測分析計算的情況下，我們可以根據大量所測振動加速度數據，總結其變化規律，推斷動車組可能發生故障的部位及形式。

主要功能及作用：一是可以實現動車組轉向架、車體振動加速度的頻譜分析；實現動車組振動加速度最大值、平均值、功率譜、預測值等分析；實現動車組平穩性指標和安全性指標計算；實現動車組轉向架、車體振動加速度相關性分析；實現動車組失穩特征分析；初步實現動車組車體、轉向架故障辨識與診斷。二是可以作為機械師日常工作的一種檢查手段，以判斷動車組當前的運行技術性能，也可以作為跟蹤檢測分析動車組運行技術性能變化情況的智能記錄分析判斷儀器；可以分析比較動車組在三、四、五級修前后運行技術性能變化情況檢測儀器；可以作為領導添乘檢查監測的基本裝備和必要手段；可以作為對動車組安排修程計劃制定的依據。