動車組智能型轉向架的研究

傅佩喜 上海鐵路局科研所

動車組智能型轉向架的研究

傅佩喜 上海鐵路局科研所

通過在動車組轉向架的軸箱、構架和車體上安裝加速度傳感器，結合動車組的實時運行速度和運行區段位置，利用網絡化結構，同時檢測各轉向架在直線區段高速運行時有關部位的振動數據，利用計算機對實測的數據進行比較分析判斷動車組運行動力學性能，從中找出異常數據即異常轉向架，提升動車組運行的安全可靠性，使動車組運行安全技術更上新臺階。從而進一步改變目前通過人的認知感覺來評判動車組的技術狀態問題和發生異常后才通過移動檢測設備對動車組的性能進行檢測的被動做法。同時，在檢測數據積累與分析的基礎上，研究動車組動力學性能的變化規律，構建一套動車組動力學性能跟蹤監測評價系統，使得隨車機械師、司機等有關人員可以實時掌握動車組的運行性能情況，對動車組運行過程中的問題作出及時果斷正確處理；幫助技術管理人員，能夠根據動車組的實際運行性能，更加科學合理安排動車組的計劃修和狀態修；進一步促使動車組運行管理部門能夠及時掌握動車組的技術狀態，為管理決策提供依據。

智能型；動車組；轉向架；研究

1 前言

當今，我國的高速鐵路已經走在世界前列。根據有關資料，2015年底，我國高速鐵路的總里程達到1.9萬km，比世界其他國家的總和還多；高速動車組的開行數量達到約1900多對，高速動車組的正常運行速度為300 km/h以上。高速鐵路的建造能力和高速動車組的制造能力已經在世界上遙遙領先，我國已經成為高速鐵路大國，并正在向高速鐵路強國發展。要成為高速鐵路強國，提高高速鐵路安全技術是重中之重，是一個永恒的主題。其中，動車組轉向架智能化技術是確保動車組運行安全的發展方向。自2007年7月1日動車組開行以來，動車組轉向架輪對軸承軸箱裝置發生了車輪輪緣磨損、車輪踏面擦傷及剝離、車輪輪輞裂紋、軸箱軸承甩油、軸箱軸承高溫等故障；一系懸掛裝置發生多起軸箱彈簧折斷、油壓減震器漏油失效等故障；二系懸掛裝置發生空氣彈簧性能不良、油壓減震器漏油失效、抗側滾扭桿彈性接點損壞等故障。制動系統發生了制動盤熱裂紋、制動盤急劇磨損等故障。牽引傳動系統發生齒輪箱漏油、軸承高溫、聯軸節高溫、聯軸節折斷等故障。總之，凡是普通車發生過的故障類型，在動車組上都發生了。由于大量的動車組白天同時出庫投入運營而晚上回庫進行檢修，動車組連續高速運行時間長，入庫檢修時間短，給動車組運用檢修工作帶來了不少問題。動車組在高速運行的情況下，一旦轉向架部件發生故障，那么，危險性要比普通車更大。由于動車組轉向架大量采用新結構、新技術，動車所采用傳統的入庫地面檢查作業方式，很難判斷動車組轉向架運行技術性能狀態及變化趨勢，無法有效控制事故發生，存在很大的安全隱患。由于我國的動車組開行數量總量大，動車組運行安全問題更加突出，為此，研究智能型動車組轉向架具有十分重大的意義。

2 現役動車組轉向架智能化情況

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。目前，在動車組的軸箱軸承和齒輪箱軸承上全面安裝了溫度傳感器，因此，軸箱軸承和齒輪箱軸承的運行技術狀態得到了有效的控制，起到了很好的安全監控作用。

但是，從動車組運行動力學性能實時監測方面來說，CRH1型動車組有CRH1A、CRH1B和CRH1E等類型，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型動車組有CRH2A、CRH2B、CRH2C、CRH2E和CRH380A、CRH380AL等類型，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，而對CRH380A、CRH380AL型動車組來說，在構架上已經安裝了有關判斷動力學性能的振動傳感器。

CRH3型動車組有 CRH3C、CRH380B、CRH380BG、CRH380BL、CRH380CL等類型,在這些動車組轉向架的構架上也已經安裝了振動加速度傳感器。

綜上所述，目前投入運行的動車組有的安裝了加速度傳感器，有的沒有安裝。在構架上安裝了振動加速度傳感器的動車組，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。但是，因為只在動車組轉向架的構架上安裝了加速度傳感器，所以無法科學分析判斷動車組的其他動力學性能，無法科學分析判斷動車組轉向架重要部件技術狀態，無法全面分析動車組運行的安全性，無法科學預見動車組部件性能的變化趨勢及動車組運行的安全可靠性變化趨勢。

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。由于目前在動車組沒有科學系統安裝振動傳感器等智能化實時跟蹤檢測裝置，即使有的動車組安裝了個別振動傳感器，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 智能型動車組轉向架加速度傳感器布局方案

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。

加速度傳感器測點布置方案如下：

（1）在轉向架的每位軸箱上安裝二維加速度傳感器，量程±100 g，采樣速率1 kHz，濾波200 Hz。直接測量車輪的技術狀態。

（2）在軸箱測點上方構架上安裝二維加速度傳感器，量程±20 g，采樣速率1 kHz，濾波200 Hz。測量動車組的運行穩定性。

（3）在轉向架中心1 m范圍以內的車體底架上安裝三維加速度傳感器，量程±0.5 g，采樣速率512 Hz，濾波40 Hz。測量車輛二系減振系統的加速度響應及車體的垂向、橫向平穩性及車輛的縱向沖動情況。

在動車組所有轉向架上安裝加速度傳感器，它的最大優點是可以利用網絡系統，對在不同轉向架上同時采集到的同一部位同一性質數據進行相互比較分析，從而，可以判斷出異常轉向架，真正做到防患于未然。

4 轉向架技術狀態輔助診斷分析系統

根據車輛動力學理論，影響車輛運行性能的因素很多，但不管怎樣，反映車輛運行性能的動力學、運動學參數總歸是加速度、作用力、位移、速度以及頻率。因此，只要通過監測車輛在運行時的以上一些物理量并進行分析，就可以判斷車輛運行性能狀況。為此，我們采用二維及三維加速度傳感器檢測軸箱、構架和車體的振動情況，計算車體平穩性指標，判斷高速動車組是否失穩，以及判斷有關車輛部件的技術性能狀況。

4.1 動車組動力學性能的評價方法

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。本文以軌道線路性能相對穩定的直線區段為研究參照條件，選擇振動加速度、振動頻率以及相應的運行速度作為研究參數，實時采樣計算比較分析判斷動車組運行穩定性、運行平穩性及其變化趨勢，以判斷動車組轉向架主要部件的技術性能狀況。

4.2 動車組運行性能與轉向架各部件之間的相互關系

根據車輛動力學理論，車輛振動形式有：浮沉振動、伸縮振動、搖頭振動、點頭振動、下心滾擺振動和上心滾擺振動等六種振動類型。

4.2.1 影響動車組蛇行運動穩定性的因素

直接與車體搖頭有關的因素有轉向架與車體之間回轉力矩和轉向架輪對的縱向定位剛度。影響轉向架、車體蛇行運動穩定性的因素主要有：

（1）輪對縱向定位剛度K1x和橫向定位剛度K1y對轉向架蛇行運動臨界速度Vcr起著決定性的作用。

（2）抗蛇行運動減振器。

（3）車輪踏面的性能狀況。車輪踏面等效斜率λe值越大，轉向架、車體蛇行運動頻率越高，不利于提高轉向架、車體蛇行運動穩定性。

（4）二系回轉復原力矩對抑制車體蛇行運動非常有效，同時也提高了轉向架蛇行運動臨界速度Vcr。

（5）二系橫向阻尼對車體蛇行運動穩定性影響較大，但過大的阻尼系數對車體的平穩性是不利的。

（6）橫向控制桿性能。

4.2.2 影響動車組車體浮沉振動穩定性的主要因素

（1）一系彈簧垂向剛度及性能。

（2）一系垂向油壓減振器阻尼特性。（3）二系垂向油壓減振器阻尼特性。

（4）二系彈簧垂向剛度及性能，即空氣彈簧及空重車閥、差壓閥、高度調整閥的動態性能狀況。

（5）車輪踏面的性能狀況。

4.2.3 影響動車組車體滾擺振動的主要因素

（1）抗側滾扭桿的性能。

（2）空氣彈簧及空重車閥、差壓閥、高度調整閥的動態性能狀況。

（3）一系彈簧垂向剛度及性能。

（4）一系垂向油壓減振器阻尼特性。

（5）二系垂向油壓減振器阻尼特性。

（6）二系彈簧垂向剛度及性能。

依據以上分析，通過實時檢測到的轉向架各部位的加速度、頻率和速度等技術參數，我們可以計算分析、比較判斷動車組有關部件的技術性能狀態。例如，采樣到安裝在某位軸箱上的垂向振動加速度大小超過某一數值，而且振動頻率很有規律，那么基本上可以判斷是車輪擦傷故障或車輪不圓度故障。又例如，采樣到安裝在某位構架上的垂向振動加速度頻率大小異常，那么，很有可能是一系油壓減振器等部件有故障。這種故障現象與部件技術狀態之間的對應關系，需要深入研究探索，建立智能化計算判斷故障專家庫。

5 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1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、WTB總線模塊、MTB總線模塊、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，車體、轉向架振動數據分析結果通過WTB總線模塊發送給列車運行控制系統。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1 動車組動力學性能檢測評價系統框圖

車載檢測設備技術指標：

采集通道：32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：WTB總線 、MTB總線；

觸發方式：上位機軟件觸發；

系統電源：DC110 V；

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；

5.1 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，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。

動車組動力學性能數據采集模塊結構組成如圖2所示，選擇32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。

圖2 數據采集模塊結構組成框圖

5.2 軟件架構

5.2.1 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。

5.2.2 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）顯示輪對、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。

6 系統應用方法及預期效果

動車組動力學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數據才能做出科學判斷。

動車組動力學性能檢測系統可以定位或按照運行圖定時自動開機檢測：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左右速度運行，由于道床剛度穩定，鋼軌型面穩定，動車組各轉向架的運行條件基本一致，可以忽略線路技術狀態變化問題。從動車組的投入運行開始，在使用壽命不同階段，檢測計算分析振動性能數據變化情況。

監測設備由加速度傳感器、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。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。具有采集時間設定功能，或以設定地理位置觸發工作功能。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，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，監測設備就會發出警告信息。監測設備可以記錄積累統計分析歷史記錄數據，計算分析動車組運行性能的變化情況，研究性能變化規律，推斷動車組可能發生故障的部位及形式，為動車組計劃修和狀態修提供重要技術依據。

7 結束語

其實，真正的智能型動車組轉向架，應該在動車組轉向架的關鍵部位的各個主要節點上按照該部件可能會發生的主要故障情形相應安裝加速度、溫度、速度、位移、壓力等傳感器系統及圖像處理系統，實時監測動車組運行動力學性能、制動性能和動力傳動性能，從而實現動車組轉向架的全面智能化，以全面提升動車組運行的安全可靠性，使動車組技術更上新臺階。

[1]《車輛動力學》.王福天.1995年.

[2]《客車運行狀態便攜式檢測裝置》.鐵道部科學研究院課題組.2002年.

責任編輯：王 華

來稿日期：2016-08-10