高速鐵路動車組運行狀態地面監測系統的研制

凌烈鵬，李旭偉，柴雪松，馮毅杰，于衛東，謝錦妹

(1.中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081，2.中國鐵道科學研究院機車車輛研究所，北京 100081)

高速鐵路動車組運行狀態地面監測系統的研制

凌烈鵬1，李旭偉1，柴雪松1，馮毅杰1，于衛東2，謝錦妹1

(1.中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081，2.中國鐵道科學研究院機車車輛研究所，北京 100081)

研制了一種高速鐵路動車組運行狀態監測系統。該監測系統包括安裝于軌道上的測試單元、數據采集單元及評判分析軟件等。其工作原理是應用軌道上的測試單元連續測得動車組通過時的輪軌力，根據輪軌力分析動車組的運行狀態及車輪傷損狀況。本文介紹該監測系統的技術方案及關鍵部件的設計與開發。該監測系統在蘭新二線大風專項試驗中得以應用及驗證，并為蘭新二線動車組在大風條件下的運行狀態提供了重要的試驗數據。

動車組 運行狀態 車輪傷損 輪軌力

1 概述

隨著中國高速鐵路的快速發展，動車組運行狀態的監測也日益受到重視。對于動車組走行部的監測主要包括車載監測和地面監測。歐洲和日本在轉向架上裝有監測儀器，用來實時記錄和監測車輛在高速運行過程中是否出現蛇行運動及動力學參數的變化情況。英國AEA客車安裝了傳感器來監測車輛的振動狀態。我國的動車組地面監測系統主要有輪輞探傷、車軸超聲波探傷、不落輪鏇床(車輪踏面跳動)檢測系統以及輪對故障動態檢測系統。

車輛運行品質軌邊動態監測系統(Truck Performance Detection System，TPDS)［1-3］是地對車安全防范預警系統“5T”系統之一，截至2013年底全路安裝并聯網應用超過130臺，在保障鐵路運輸安全以及車輛造修方面發揮了重要作用。TPDS是利用設在有砟軌道上的測力平臺動態監測貨車、客車輪軌間的動力學參數，聯網評判車輛運行狀態，同時還兼有踏面損傷和超偏載報警功能。自2008年以來，車輪踏面損傷、運行狀態不良車輛及超偏載得到了有效控制。全路運行狀態不良車輛報警率下降幅度達83.7%，踏面損傷下降幅度達81.5%。車輛運行狀態及車輪踏面損傷得到顯著改善，使得車輛關鍵部件裂損類故障大幅度下降，如搖枕裂損、側架裂損、制動梁故障等同期下降均超過94%。TPDS的應用為車輛安全奠定了堅實的基礎。踏面損傷年度報警率如圖1所示。

圖1 TPDS踏面損傷報警率年度變化

TPDS設在鐵路正線上，可以監測到部分動車組輪軌間動力學參數，也發現了部分動車組運行狀態不良車輛出現較大橫向力、垂向力交替增減現象。這些車輛在鏇輪后恢復正常，說明地面輪軌力監測系統能夠監測動車組運行狀態。

因此在既有技術基礎上開發一組能夠監測、評判動車組運行狀態的地面監測系統，為動車組的安全運行提供保障十分必要。

2 技術方案

自主知識產權的輪軌力連續測試技術是車輛運行品質動態監測系統TPDS的技術核心，包括輪軌垂向力和輪軌橫向力兩部分的測試。其中輪軌垂向力是采用與“移動垂直力綜合檢測裝置”［2］相同的原理測試，通過鋼軌支點壓力傳感器與鋼軌處剪力傳感器組成綜合的測試區，進行輪軌垂向力的連續測量。輪軌橫向力是根據橫向力作用到鋼軌上的影響線的分布關系來測試，通過標定獲得鋼軌支承點處實際承受橫向荷載的比例，再依據車輪在測試區的位置，由鋼軌支承點處承受橫向荷載的組合而得到車輪通過整個測試區的橫向荷載連續變化情況。圖2為輪軌垂向力和輪軌橫向力測試原理。

圖2 輪軌力測試原理

3 關鍵部件的設計與開發

目前的高速鐵路軌道結構均為無砟軌道結構，整體性和平順性非常好。這有助于輪軌力的測試，可保證測試精度。由于鋼軌底面與軌道板之間空間尺寸有限，既有的二維板式傳感器不能直接應用到無砟軌道結構中，因此需要開發適應于無砟軌道結構的輪軌力測試傳感器，且不能對無砟軌道板進行任何改造。另外，動車組的運行速度非常高，均在200 km/h以上，而動車組的車輪病害及車輛橫向動力學性能在高速條件下才能明顯地得到反映，所以開發高速條件下的輪軌力連續測試系統，將有助于提高動車組車輪踏面損傷、動不平衡等的捕捉率和車輛橫向動力學性能的準確評估。

3.1 輪軌力測試傳感器

輪軌力測試傳感器要能夠測試出輪軌力傳遞到扣件位置的垂向力和橫向力。目前在無砟軌道上的扣件形式主要有WJ-7型［4］、WJ-8型［5］等，根據這些扣件的結構特點，在不改變其安裝方式的前提下，項目組開發出了適用于WJ-7型和WJ-8型扣件的GT-1型和GT-2型高鐵傳感器。所開發的高鐵傳感器除了具備相應扣件鐵墊板的基本功能，可直接代替鐵墊板外，還具有垂向和橫向同時測力功能。為了減少彈條扣壓力的影響，在彈條處增加墊片傳感器，根據彈條扣壓力及彈條前肢距離換算出彈條作用到鋼軌上的垂向作用力，從而準確計算出輪軌垂向力傳遞到扣件節點處的垂向力。圖3是單節點扣件處垂向力和橫向力的測試原理圖。由圖3可知，單節點處垂向力P=R-T1-T2，橫向力H=H1+H2。圖4是適用于WJ-7型扣件的GT-1型高鐵傳感器的靜態組裝圖。

圖3 單節點扣件處垂向力、橫向力測試原理

圖4 GT-1型高鐵傳感器靜態組裝

3.2 數據采集儀

電磁干擾是信號采集、調理一個長期的難點，特別是對采用應變式測試的鐵路線路與車輛相互作用輪軌力的檢測領域更是如此。鐵路現場的電磁干擾十分復雜，既有傳導干擾又有輻射干擾，干擾源既有自然干擾源又有人為干擾源。

動車、客車車輛上安裝有大量的機電設備或其他通信、輸電線路、照明器具等。這些對動車、客車車輛正常運行和保障安全起著不可或缺的作用，但也會對安裝于地面的TPDS設備產生較強的電磁干擾。

TPDS系統的輪軌力測試傳感器，屬于毫伏級小信號的應變式測量，需要經過信號傳輸和信號調理單元的放大、濾波、整形后再進行數據采集處理。動車、客車電氣電子設備產生的較強的電磁干擾，輕則造成干擾信號混入應變檢測信號中使采集的數據失真，直接影響到檢測系統的正確評判，重則造成將干擾信號誤認為合理信號致使車輛的計軸判輛發生錯誤，直接影響到系統的正常持續工作?？蛙囂っ鎿p傷正常及電磁干擾典型波形如圖5所示，動車組電磁干擾波形如圖6所示。

圖5 客車踏面損傷正常及電磁干擾典型波形

圖6 動車組正常及電磁干擾TPDS監測原始波形

針對電磁干擾問題，近年來鐵科院鐵建所進行了大量的技術攻關，對傳感器應變信號采集、信號傳輸過程、信號放大及調理單元、信號整形濾波系統、數字信號的計算機處理全過程進行了全新的、多層次的干擾消除設計，并綜合使用了屏蔽、接地、布線、濾波和磁環抑制技術。同時，對供電系統和接地系統也進行了改進，實現了動車、客車運行條件下抗電磁干擾的TPDS系統的升級。升級后經室內試驗和現場試運用，完全滿足在動車、客車運行條件下的檢測要求。

升級后的數據采集儀采用了通用的插卡式設計，方便檢修及更換，如圖7所示。

圖7 數據采集儀及抗電磁干擾插卡式調理單元

3.3 數據采集監測軟件

數據采集監測軟件主要包括動態測量、數據回放、設備測試3個主功能模塊。該數據采集監測軟件采用VC++進行開發，其軟件系統結構如圖8所示。

圖8 TPDS數據采集監測軟件系統框架結構

該數據采集監測軟件可實現數據連續采集、實時統計分析、信號波形顯示、被測參數自動輸出、設備狀態自檢等綜合系統功能。該軟件充分利用了VC++開發平臺和W indows視窗所提供的良好的操作環境，集曲線、圖形按鈕、數據顯示于一體。實時監測及數據采集軟件主界面如圖9所示。

圖9 實時監測及數據采集軟件主界面

圖10 動車組傾覆系數地面測試方案

圖11 GT-2型高鐵傳感器及其現場安裝

4 應用實例

為了配合蘭新二線大風試驗，利用地面測試系統監測動車組運行的傾覆系數，在蘭新高鐵百里風區安裝了一套雙測試平臺的動車組監測系統。

4.1 實施方案

動車組傾覆系數的監測需要在同一時刻監測到每輛車8個車輪的輪重，并根據各個輪重計算出傾覆系數。為了確保測試數據的準確性，需要保證每次測試的數據能夠覆蓋一個輪周。大風專項試驗的監測車型為CRH2-061，現場軌道結構為Ⅰ型雙塊式軌道板，扣件類型為WJ-8型，鋼軌支點間距為650 mm。采用的方案為:在軌道扣件處連續布置測試傳感器，共設置2個測試平臺，中心間距17.550 m，每個測試平臺由3個測試區組成，總長度5.850 m，實現對CRH2-061型動車各輪動力學參數的同步測量，并確保同步測試的數據量達到一個輪周。圖10為動車組傾覆系數地面測試方案。

由于地面測點選擇在百里風區距離核心區7 km處的高路堤處，方圓百里為戈壁灘，現場無直接的供電、網絡接口，因此供電采用太陽能設備，數據傳輸采用沿線的聯通3G網絡無線傳輸，實施遠程數據傳輸及設備狀態監控。

4.2 現場實施

圖11為GT-2型高鐵傳感器及其現場安裝，安裝方式與WJ-8型扣件一致，將GT-2型高鐵傳感器替代WJ-8型扣件的鐵墊板，其余扣件部件均為WJ-8型扣件的標準件。由于增加墊片傳感器的安裝，需將S2型螺旋道釘更換為S3型螺旋道釘，在一人保護墊片傳感器線纜前提下，可直接采用電動扭力扳手進行安裝，與既有的扣件養護維修模式一致。

圖12是現場安裝后的測試平臺、室外機柜及傳感器，在測試平臺來車方向設有開機磁鋼，可實現數據實時自動采集、處理、上傳及遠程監控。

4.3 試驗數據分析

在蘭新二線新疆段聯調聯試期間利用百里風區大風條件，采用綜合檢測車CRH2-061進行了大風條件下高速動車組運行狀態地面監測專項試驗。其中，2014年8月17日地面TPDS監測到的動車組列車傾覆指標如表1所示。從表中可知大風專項試驗地面TPDS實測車輛傾覆系數最大值為0.13，小于相應的限值，說明在現有線路條件下25 m/s左右的風速未對動車組CRH2-061C的動力學穩定性(安全性)造成明顯影響。

圖12 現場測試平臺、室外機柜及傳感器

表1 蘭新二線下行線試驗過程中各趟動車組傾覆指標統計

5 結論與建議

自主知識產權的輪軌力連續測試技術應用在車輛運行品質動態監測系統TPDS上已十分成熟。在開發出適用于高速運行、無砟軌道結構條件下的輪軌力測試傳感器、數據采集系統等關鍵部件后，該測試方法可直接應用于高速鐵路動車組輪軌力的連續測試。其效果在蘭新二線大風專項試驗中得到了驗證。

本文的動車組運行狀態地面監測系統還處于初期研制階段，針對無砟軌道結構和動車組車輛結構的特點還有很多需研究完善之處，主要有以下幾個方面:

1)優化在無砟軌道結構上的安裝，測試平臺相關部件逐步進行標準化。

2)推進本監測系統在有多種動車組車型的既有運營線上的應用，進一步積累現場測試數據，并對有異常的有效測試數據進行復查，驗證動車組的狀態及車輪狀況。

3)建立適用于本監測系統的動車組運行狀態地面評估技術及車輪扁疤、擦傷、剝離、失圓、動不平衡等損傷的評判模型和標準。

［1］馮毅杰，張格明.車輛運行狀態地面安全監測系統研制的新進展［J］.中國鐵道科學，2002，24(6):138-142.

［2］鐵道部科學研究院.軌道負荷、車輛狀態安全監測新系統［R］.北京:鐵道部科學研究院，1998.

［3］劉瑞揚，王毓民.鐵路貨車運行狀態地面安全監測系統(TPDS)原理及應用［M］.北京:中國鐵道出版社，2008.

［4］中華人民共和國鐵道部.科技基［2007］207號WJ-7型扣件暫行技術條件［S］.北京:中國鐵道出版社，2009.

［5］中華人民共和國鐵道部.科技基［2007］207號WJ-8型扣件暫行技術條件［S］.北京:中國鐵道出版社，2009.

Research and manufacture of ground monitoring system for supervising high speed railway EMU(Electric Multiple Units)running state

LING Liepeng1，LI Xuwei1，CHAI Xuesong1，FENG Yijie1，YU Weidong2，XIE Jinmei1
(1.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2.Locomotive and Car Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

A running state monitoring system of high speed railway EMU was introduced in this paper，which includes the testing devices on the track，data acquisition devices and evaluation analysis software.This monitoring system can analyze running state and wheel defects of EM U by consecutive wheel-rail force acquired from testing devices on the track when high speed railway EMU passing through.The technical scheme and key parts design and development were presented，which have been applied and verified in the gale special test of Lanzhou-Xinjiang No.2 railway line，and provide important experiment data for EM U running state in windy conditions.

EMU;Running state;Wheel defects;Wheel-rail force

U238;U211.5

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.01.16

1003-1995(2015)01-0071-06

(責任審編 李付軍)

2014-11-10;

2014-11-20

中國鐵路總公司科技研究開發計劃課題(2013J008-D)

凌烈鵬(1983—)，男，安徽懷寧人，助理研究員，碩士。