基于城際動車組軸溫實時檢測系統的優化設計

文/劉志堅 賴威任 范遠政

0 引言

本研究針對線上運行城際車輛增加軸溫實時檢測系統的工作原理，及在實際運作過程中存在的問題，進行了優化設計。為避免造成意外發生，要進一步完善運行車輛軸溫實時檢測系統，保證系統有效地對運行過程中的軸溫進行實時監控，并在軸溫檢測過程中發現異常情況后能快速進行反應，一方面通過動車組車輛信息控制裝置(MON)告知司機異常軸溫的發生位置，同時在列車的安全環路中起到保護作用，讓運行中的列車停下來。對車輛軸溫實時檢測系統優化設計，不僅提高作業人員對故障進行分析診斷的能力，同時提高了產品質量，更好地保證車輛能更安全、可靠、順利地在線上進行運營。

1 軸溫保護系統概述

現運行的城際列車具有兩套軸溫保護系統。其中一套為進口2型車的軸溫監控系統，對車輛整個轉向架軸溫進行監控：根據內置的熔斷式電阻對設定溫度進行監控，當整個機構的溫度傳遞到該溫感電阻，使其熔斷觸發車輛報警系統并對車輛進行緊急制動。但是由于它不進行相對應異常軸溫溫度顯示，軸溫異常也是對轉向架整個結構的報警，不利于線上機械師對其異常位置的查找，延緩故障排除時間，影響鐵路運營。

另一套是軸溫實時檢測系統，是在原有的軸溫系統的基礎上，在轉向架上各個位置增加溫度傳感器，增加軸溫實時檢測傳感器的位置分別是在拖車每軸兩端，動車每軸兩端、小齒輪箱電機側、小齒輪箱車輪側、大齒輪箱電機側、大齒輪箱車輪側、電機定子、傳動端軸承、非傳動端軸承處，對軸溫進行實時監控。當監控到各位置軸溫傳感器溫度超過預警溫度后，車輛報出軸溫預警；當各位置軸溫傳感器溫度超過報警溫度后，車輛報出軸溫報警，并在緊急控制回路 154線中串入軸溫監控系統及軸溫實時檢測系統常開觸點。當軸溫實時檢測系統報警且軸溫監控報出“軸溫 1”或“軸溫 2”故障時，觸發列車緊急制動。

2 車輛軸溫實時檢測系統設備介紹

2.1 系統簡介

動車組軸溫報警系統的主要功能是通過溫度傳感器采集列車軸箱、齒輪箱以及牽引電機的溫度信息，由車上溫度檢測單元（TDU）將采集到的溫度信息進行處理，并將溫度信息及報警信息發送給車輛網絡控制系統（MON），系統的運行原理見圖1。

圖1 軸溫觸發緊急制動原理

2.2 系統原理說明

動車 組軸溫報警系統由溫度傳感器、溫度檢測單元（TDU）組成，見圖2。

溫度檢測單元（TDU）通過檢測傳感器傳送來的電阻阻值，經內部程序運算后得到被測設備的溫度，通過電流環通信端口把溫度值發送到車輛網絡控制系統（MON），用于MON監控屏顯示。

圖2 動車組軸溫報警系統原理架構

溫度檢測單元（TDU）將內部程序運算后得到的被測設備溫度與被測設備預設的溫度報警值進行比對，超過報警值時，將溫度報警狀態通過電流環通信端口輸出給車輛網絡控制系統(MON)，用于溫度報警顯示。

3 車輛軸溫實時檢測系統優化設計

3.1 優化設計概述

某動車組的軸溫實時檢測系統從2015年8月開始裝車運用，在運用過程中發現問題后，立即組織系統供應商和公司相關部門對問題進行分析，并制定解決措施；針對解決措施組織地面試驗，對試驗結果進行評審后，選取1～2列車進行現車驗證，通過工序評定后進行現車改進?？偨Y發生的問題，整改及驗證項點主要為以下3項：

（1）軸溫檢測裝置傳輸不良。

軸溫屏蔽報警車輛由于軟件看門狗異常動作，導致發生多起軸溫檢測裝置傳輸不良（651）故障。軸溫控車車輛軸溫軟件已優化，暫未發生此類故障。

（2）電源板故障。

CRH2/380A型系列動車組由于電源板內電源模塊輸入濾波缺陷，導致發生多起電源板故障。軸溫控車車輛電源板新造出廠已優化，暫未發生此類故障。

（3）軸溫主機故障導致緊急制動。

4 0 1 0/4 0 11安監故障，對故障原因進行排查及分析，采取優化控車邏輯等措施解決該問題。

3.2 軸溫檢測裝置傳輸不良的優化設計過程

（1）故障現象

動車組運營中軸溫未放開報警車輛發生多起軸溫檢測裝置傳輸不良（651）故障，原因為軟件看門狗異常動作導致。2015年1標車軸溫控車車輛軸溫軟件已優化，目前未發生此類故障。

（2）原因分析

軸溫軟件中看門狗異常動作時，看門狗變量未初始化清零，偶發情況下導致軸溫主機軟件運行異常，軸溫主機與MON通信中斷，最終導致軸溫檢測裝置傳輸不良故障，見圖3、圖4。

圖3 車輛軸溫實時檢測系統偶發看門狗復位故障(通信指示燈異常)

圖4 車輛軸溫實時檢測系統通過修改軸溫軟件試驗結果

地面對通信回路進行信號脈沖群模擬試驗，非控車軸溫軟件看門狗動作異常導致通信收發數據功能卡滯，偶發軸溫傳輸不良故障。

（3）整改措施

在軸溫軟件中增加對看門狗變量“apt_int”初始化清零功能，即在軸溫軟件中增加“apt_int=0”語句（見圖5）。影響：軸溫通信軟件模塊中斷約12s（MON傳輸不良故障判斷時間30s）后恢復正常工作，不會導致網絡報出軸溫檢測裝置傳輸不良（651）故障警告，軸溫主機預警、報警等軟件模塊正常工作。

圖5 動車組軸溫傳輸時序

3.3 電源板故障的優化設計

（1）故障現象

軸溫主機在列車運行過程中發生多起電源板硬件故障，均為電源板上物色負載點（POL）模塊中芯片損壞。

（2）原因分析

POL模塊2中芯片正常工作電壓為12V，通過地面試驗，軸溫主機啟動過程中電源板中POL2模塊中心輸入電壓偏高（18.3V），超出芯片承受最大工作電壓16.5V，原POL模塊輸入電路濾波效果不佳，見圖6。

圖6 動車組軸溫主機POL模塊電路原理

（3）整改措施

原12V輸入濾波電路中濾波電容距離芯片輸入端較遠，濾波效果較差。通過在芯片D1（TPS56221）Vin和GND之間增加濾波電容，改善啟動輸入電壓應力，提高濾波效果，見圖7。

圖7 動車組軸溫主機濾波電容整改前后對比

在POL模塊芯片輸入端增加濾波電容，改善POL模塊輸入濾波效果，改造實物對比，如圖8、9所示。

圖8 動車組軸溫主機原電容放置PCB背面，距芯片輸入端較遠

圖9 動車組軸溫主機靠近芯片輸入端增加濾波電容

3.4 軸溫控車的邏輯優化設計

（1）問題描述

實時軸溫與熔斷式軸溫串聯后串入列車緊急制動回路，當發生溫度報警時，斷開緊急制動回路，觸發列車緊急制動停車，見圖10。

圖10 動車組軸溫控車串聯模式

（2）工作原理

軸溫主機檢測各部位溫度值，當達到溫度報警條件時，斷開報警觸點，緊急制動回路154線失電，觸發列車緊急制動；或是當軸溫主機電源板故障導致報警繼電器觸點斷開，當CPU板、通信板（報警繼電器在通信板上）出現故障時，報警繼電器觸點可能斷開。一旦報警繼電器觸點斷開，會觸發列車緊急制動停車。

4 整改措施

為避免軸溫主機故障導致緊急制動停車，保證列車正常運營，制定以下措施。

4.1 臨時措施

a .軸溫主機通信板上故障繼電器常閉觸點與報警繼電器常開觸點并聯輸出。

b .優化軸溫軟件，增加軸溫主機報警繼電器狀態記錄。

c .邏輯分析

軸溫主機正常，故障繼電器得電（常閉觸點斷開），報警繼電器得電（常開觸點閉合），見圖11。

圖11 動車組軸溫主機正常工作邏輯

當檢測到溫度報警時，報警繼電器失電（常開觸點斷開），緊急制動回路失電觸發列車制動停車，見圖12。

圖12 動車組軸溫主機報警邏輯

4.2 最終措施

a .車輛增加繼電器

通過軸溫主機報警觸點、故障觸點控制外部繼電器，將故障繼電器(TDUFR)的常閉觸點和報警繼電器(TDR)的常開觸點并聯后，串入緊急制動回路，同時通過車輛繼電器，將軸溫主機硬件板卡與列車緊急制動電路隔離，見圖13。

b .網絡系統變更

網絡的終端裝置采集軸溫主機故障繼電器（TDUFR）的常開觸點，用于現車判斷軸溫檢測裝置故障（795）的觸發條件，同時在出庫信息畫面中記錄，如圖14所示。

圖13 動車組軸溫主機報警工作原理

圖14 動車組軸溫主機故障信息（一）

列車網絡系統顯示屏增加軸溫檢測傳感器故障(800)，同時在出庫信息畫面中記錄，如圖15所示。

圖15 動車組軸溫主機故障信息（二）

c.軸溫檢測溫度報警故障

發生軸溫檢測溫度報警（265）故障時，在運行狀態畫面彈出，同時在診斷模式下進行故障記錄。本次僅變更彈出故障詳情，故障檢測條件及其他顯示不變，見圖16。

圖16 動車組軸溫主機故障信息（三）

d.軸溫檢測裝置傳輸不良故障

發生軸溫檢測裝置傳輸不良（651） 故障時，在運行狀態畫面彈出，并在出庫信息畫面顯示， 同時在診斷模式下進行故障記錄。本次僅變更彈出故障詳情，故障檢測條件及其他顯示不變更，見圖17。

圖17 動車組軸溫主機故障信息（四）

5 結語

綜上，通過車輛軸溫實時檢測系統的優化設計后，提高了列車運行的穩定性，節約了維修成本，減少了軸溫實時檢測系統誤報故障的機率，大大提高了行車安全的準確性。

要使軸溫實時檢測系統可以適應在更多車型上，并且可以安全可靠地發揮作用，僅僅靠改進優化仍遠遠不夠，需要在其他各個方面繼續努力改進。本研究基于車輛軸溫實時檢測系統的優化設計方案，只是適用目前線上運行速度在200km～300km的城際動車組上，對于其他車型的車輛仍未進行相應功能驗證，這是今后進一步研究的方向。