CTCS3-300T列控車載應答器天線安裝問題的研究與探討

賈云光

（1.北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路軌道交通運行控制系統工程技術研究中心，北京 100073）

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CTCS3-300T列控車載應答器天線安裝問題的研究與探討

賈云光1，2

（1.北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路軌道交通運行控制系統工程技術研究中心，北京 100073）

重點分析應答器天線安裝導致的BSA問題，通過對CRH2型車及CRH3型車安裝對比分析，轉向架振動分析以及實驗測試，從而為高速列車在應答器天線安裝方面提供經驗和幫助。

CTCS3-300T；應答器天線安裝；轉向架；BSA

CTCS3-300T應答器天線主要用于激活和接收地面應答器信息，針對不同的列車類型安裝位置不同。本文通過對比安裝于車體和轉向架兩種方式對應答器傳輸系統的可靠性影響進行研究，提出應答器天線安裝的改進方向，并對已經完成的應答器天線的安裝提出一些建議。

1　背景介紹

CTCS3-300T應答器傳輸系統由3部分組成：BTM、D電纜和應答器天線（CAU）。應答器天線主要是用于發射和接收來自地面應答器信號，屬于應答器傳輸系統的一部分［1］，如圖1所示。應答器天線將從應答器接收的信號通過多芯同軸電纜（D電纜）轉發給應答器傳輸模塊（BTM）。

當前，CTCS3-300T列控車載設備出現的故障中，BSA（Balise Service Available應答器服務可用性，BSA是表示應答器傳輸通道是否可用的標志）臨時性故障占了較大比重。

1.1BSA 原理介紹

在列車運行過程中，BTM通過運行測試檢查應答器傳輸通道是否可用，當運行測試連續失敗達到一定次數時，判斷為應答器傳輸通道不可用即臨時性BSA故障。

BTM通過D電纜向CAU發起運行測試請求（FH或FL），CAU通過D電纜返回3.95 MHz和4.52 MHz左右短時脈沖，以此判斷通道的可用性，如圖2所示，表示列車運行過程中BTM所進行了的FH及FL測試，其中：

當FL或FH連續4次計數失敗時，報運行測試失敗，當僅失敗1次而下次測試通過時，則重新開始計數；

在運行過程中，27 MHz功率總是開啟，并一直在進行運行測試，當遇到應答器時，運行測試停止。

由此可知，臨時BSA故障的可能原因：1）物理通道的不可用；2）電磁兼容性問題導致。關于電磁兼容問題導致BSA故障問題本文不進行討論，只針對物理安裝上導致可能性進行探討和研究。

1.2BSA故障問題介紹

通過對比一段時間內CRH2系列車型及CRH3系車型的BSA故障統計數據發現，CRH3系列車型的故障率遠高于CRH2系列車型。表1是統計的2014年1-6月份，BTM故障情況的統計，其中BSA故障情況如下。

表1　CRH2型車與CRH3型車BSA故障對比

因兩種車型使用的設備均相同，為了找到原因，對兩種設備的安裝方式進行對比。

1.3安裝情況調查及應答器天線安裝要求

CTCS3-300T列控車載設備CAU天線的安裝主要有兩種情況：1）安裝在列車的轉向架上，主要是CRH3系列車型；2）安裝在列車的車體上，主要是CRH2系列車型。

CTCS3-300T列車車載設備的安裝規范針對CAU天線的安裝要求，主要針對安裝高度、橫向偏移、偏航角、俯仰角、傾斜角等方面，對于具體車型安裝詳細細節并未提出要求。而從滿足規范的角度看，安裝在列車車體的橫向偏移量要大于轉向架的橫向偏移，因此，從安裝高度和橫向偏移的角度來考慮應答器天線安裝，無疑轉向架是最好的安裝方式，但實際運營中帶來的效果正好相反。

2　CRH3型車與CRH2型車CAU天線安裝方式對比

為了更好的研究兩種安裝方式的差別，需要將兩種安裝做詳細的對比分析。

2.1安裝位置的對比分析

CRH3型車安裝位置位于轉向架構架上，轉向架屬于列車的走行部結構，安裝在列車輪對上，列車車體安裝在轉向架上，從而能夠實現列車轉向及在彎道上運行，同時通過列車上的懸掛裝置和減震設備，降低來自因列車輪軌剛性接觸帶來摩擦振動及其他振動。CRH2型車安裝于車體上。安裝對比如圖3所示。

通過對轉向架的了解，可以得出安裝車體上將有利于減少輪軌振動帶來的影響。而安裝在轉向架的CAU天線將受到更嚴重的沖擊振動，關于沖擊振動對BSA故障影響將在下節分析。

2.2安裝防護

1）CRH3車的CAU天線防護

CRH3型車的CAU天線周圍采用塑料材料對CAU天線四周進行防護。該種安裝的缺點是，防護不夠嚴密，天線電纜容易遭到風壓振動沖擊以及雨雪進入。

2） CRH2型車的天線防護

防護較好，四周完全防護，微凹陷于車體內，風雪都不容易進入，電纜也不會因風壓變動而遭受沖擊。

目前一般應答器天線的防水防塵等級為IP67，關于IP等級的測試一般是在靜態進行的。而對列車在250 km/h以上鐵路運行時，該IP等級是否滿足運行要求，目前國際上還沒有很好的經驗。從國內運行的經驗來看，安裝在轉向架上無疑對IP等級提出了更高的要求。

2.3轉向架安裝帶來的電纜安裝問題

如圖4所示，在CRH3型車中，天線安裝于轉向架上，這給天線電纜的安裝帶來問題。由于轉向架與車體之間是相對移動的，因此，CAU天線電纜會隨著轉向架與車體之間的相對位移而導致電纜的不斷彎曲。通過在車輛廠內彎道試驗可以發現，列車在轉彎時，預留電纜會被拉伸，而在反向轉彎時，電纜則彎曲。

如圖5所示，當轉向架轉向時，D電纜將進行一次拉伸。

3　應答器天線安裝于轉向架上的振動問題分析

3.1轉向架振動情況的介紹及分析

隨著列車的提速，國內列車正常運營速度已經達到310 km/h，而速度的提高，則會增加外界的激擾頻率。如公式（1）所示：

車輪轉動頻率f=（V/3.6）/（∏D）（D為輪軸直徑） （1）

根據參考文獻［4］中對輪軌引起的振動進行分析研究，可知輪軸振動中，輪對旋轉頻率經過軸箱懸掛以后不僅未得到抑制和衰減，反而在構架系統的振動能量中得到加強，這表明高速時構架振動頻率受輪對轉動頻率影響明顯。其振動頻率一般在0～50 Hz范圍內較為集中，而車體主要在0～2 Hz范圍內的低頻振動為主。而從CAU天線在CRH3型車的安裝位置來看正好位于轉向架構架部分，其振動能量反而更強。

3.2轉向架振動導致BSA故障的分析

圖6是D電纜與CAU天線的插頭連接器。

當兩個插頭連接好，遇到高頻振動時會發生什么，某個針腳會不會發生短時斷開連接？實際上由于機械連接在制造中根據圖紙總是存在適當公差以保證安裝時適度的過盈配合。但正是這種公差范圍帶來的不一致性會導致插頭連接處以及插針連接處存在或大或小的間隙，這種間隙極有可能在高頻振動下帶來瞬間的接觸缺陷，從而導致連接器連接的瞬間失效引起BSA故障。

在1.1節BSA原理中提到，運行測試中BSA執行一次的周期為25 ms左右，而構架在0～50 Hz范圍內能量比較集中，那么40 Hz振動頻率的周期正好25 ms。一旦發生連續性40 Hz的振動可能導致運行測試連續若干次失敗。

4　實驗室沖擊振動模擬測試

為了驗證列車振動對CAU天線造成的影響，在室內進行了振動試驗。測試過程選用了兩根D電纜，其中一根電纜的A線（最粗的線）與CAU接觸不良，用手晃動電纜時，接觸時好時壞。

CAU與D電纜連接測試過程如下。

1） 將D電纜CAU端安裝好，BTM端剪斷，A-B線間和E-F線間分別施加12 V直流電源；

2） 將CAU內部連接器附近的4根導線剪斷并引出，如圖7所示。

3） 對應A-B的線間和對應E-F的線間分別焊接200 Ω電阻，并用示波器探頭夾住電阻兩端，設置下降沿觸發，觸發電平為6 V；

按垂向長壽命試驗轉向架處振動參數進行振動試驗，持續時間5 min，觀察電壓波形。

測試結果：

a.兩根電纜的E-F線在振動過程中波形未出現明顯變化，說明接觸情況良好。

b.問題電纜的A-B線在振動過程中電壓波形出現跳變，接觸時好時壞。另一根電纜A-B線波形未出現變化，接觸良好。

通過此次實驗室測試得出如下結論：

1） CAU與D電纜的連接在長期的振動過程中存在接觸不可靠的現象。

2） A線作為D電纜中最粗的一根線，在長期的振動拉扯過程中承受主要的力，導致觸點部分活動量比其他觸點活動量大，最先出現觸點松動及接觸不良的現象。另外，A口觸點顏色發黑也一定程度上驗證了觸點松動的現象。觸點與針腳從分離到接觸的瞬間，很可能出現瞬間放電現象，從而導致觸點變黑。

3） A線作為TX，單端信號，斷線會導致27 MHz發送能量暫斷。如果暫斷時間很短（如us級）對PS和TX板上的監督估計不會有影響，如果暫斷時間長，監督會報錯。

5　改進方向及建議措施

通過前述探討和分析， CAU天線安裝對于BTM臨時BSA故障確實存在較大影響，因此，好的安裝方式可以在一定程度上大幅減少該類故障的發生。為此，筆者結合多年的總結和研究對CAU安裝提出一些改進和建議。

5.1CAU天線優選安裝位置建議

D電纜與CAU天線之間的連接不可避免，因此只要CAU天線安裝在轉向架上就不可避免存在振動導致相關自檢故障。再加上輪軌系統的振動是首先作用于轉向架，這方面的改進有限。

因此，避開轉向架安裝是最好的CAU天線安裝方式。建議在應答器的安裝過程中盡量采用安裝于車體這種安裝方式。

5.2轉向架安裝方式的改進方向及建議措施

對于已經安裝在轉向架上的設備，只能尋求改進或者更優化減緩這方面的影響。

1） 電纜固定

通過固定在CAU端D電纜附近進行D電纜的固定，減少因電纜擺動以及空氣風壓振動導致接觸不良。

2） 插頭防護

對D電纜與CAU天線連接處的連接器進行防護，以減少插頭之間的振動。

3） D電纜分段安裝解決建議

借鑒速度傳感器在轉向架軸端的安裝方式，提出一種解決轉向架安裝天線的方法，具體方法如下：將D電纜分成兩段，連接CAU端的一段D電纜與CAU天線做成一體，取消連接器，另一端則安裝于車體。

6　結束語

通過對CAU天線的安裝與研究，目前對于新車型的安裝已采用車體的安裝方式，通過統計發現效果良好。

對轉向架的安裝方式，目前部分措施已經在所有CTCS3-300T的安裝車輛上進行了實施，BSA臨時故障在一定程度上得到遏制，效果良好。

［1］ Subset ERTMS/ETCS Class 1 FFFIS for Eurobalise［S］.2007.

［2］中華人民共和國鐵道部.GB/T 25119-2010 軌道交通 機車車輛電子裝置［S］.北京：中國標準出版社，2011.

［3］中華人民共和國鐵道部.GB/T 21563-2008 軌道交通 機車車輛設備 沖擊和振動試驗［S］.北京：中國標準出版社，2008.

［4］任尊松，劉志明.高速動車組振動傳遞及頻率［J］.機械工程學報，2013，（8）：1-7.

The paper analyze mainly BSA failures caused by the installation of balise antennas. Through comparison among the balise antenna installation of CRH2 and CRH3， bogie vibration analysis and lab tests， the paper gives some installation experiences and helps for installing balise antennas of high-speed trains in the future.

CTCS3-300T； balise antenna installation； bogie； BSA

10.3969/j.issn.1673-4440.2016.02.005

2014-07-30）