某型車轉向架軸溫監測裝置研究

焦芳芳，胡正偉，郭鳳媛

（1.信陽學院 大數據與人工智能學院，河南 信陽 464000；2.中車唐山機車車輛有限公司 產品研發中心，河北 唐山 063035）

0 引 言

隨著經濟科技的快速發展，動車組成為乘客出行的首要選擇，其運行速度高達300 km/h以上，部分線路最高時速已高達350 km/h以上，其運營安全關系著乘客的安全和高鐵事業的可持續發展。列車網絡控制系統作為高速動車組的神經中樞，主要實現列車控制、設備管理、運行信息采集、運行狀態的監視和故障診斷等，從而保證列車安全可靠的運行，并為司機或機械師提供故障處理指南，為檢修維護提供數據支持。本文將介紹某型車轉向架軸溫監測裝置，其對列車運行過程中輪對的軸箱軸承溫度進行監控。

1 軸溫檢測裝置組成

該車型軸溫監測裝置的網絡架構如圖1所示。

圖1 軸溫監測裝置網絡架構圖

各車廂都設置一套軸溫檢測裝置，通過一個車廂地址編碼連接器區分各車軸溫主機。以某個車廂為例，軸溫監測裝置MVB接口圖如圖2所示。

圖2 某車廂MVB接口圖

2 軸溫監測裝置采用的溫度傳感器分布及溫度界面

該車型1-8車轉向架每根軸端設置1個雙通道的PT100溫度傳感器，采集的兩路溫度直接連接到軸溫監測主機1。2/7/4/5車各配置4個齒輪箱和4個牽引電機，每個齒輪箱分別配備4個單通道溫度傳感器（分別為大齒輪車輪側溫度傳感器、大齒輪電機側溫度傳感器、小齒輪車輪側溫度傳感器、小齒輪電機側溫度傳感器），每個牽引電機分別配備3個單通道溫度傳感器（為別為牽引電機驅動端溫度傳感器、牽引電機非驅動端溫度傳感器、牽引電機定子溫度傳感器）。齒輪箱溫度傳感器和牽引電機溫度傳感器直接連接到軸溫監測主機2。軸端溫度傳感器的分布如圖3所示，圖4從左到右分別為軸箱溫度、齒輪箱溫度、電機溫度界面。

圖3 軸端溫度傳感器分布圖

圖4 溫度界面

3 軸溫監測裝置的功能

轉向架軸溫監測是對列車運行過程中輪對的軸箱軸承溫度進行監控，主要功能是采集和保存軸溫數據，并對某些故障進行實時報警或采取相應的列車保護措施。轉向架每根軸端分別設置的雙通道PT100溫度傳感器、齒輪箱溫度傳感器、牽引電機溫度傳感器，將采集的溫度數據周期性發送到列車中央控制單元，由中央控制單元進行評估處理并用于相應的故障診斷，中央控制單元中軸溫監測模塊與其他模塊及軸溫主機、人機交互界面間接口關系如圖5所示。

圖5 軸溫監測模塊接口圖

軸溫監測模塊的功能包括軸溫主機故障判斷、軸溫評估、故障診斷及狀態處理等。

3.1 軸溫主機故障判斷

根據列車網絡控制系統采集到軸溫檢測裝置生命信號的變化情況、軸溫監測裝置故障信息、輸入輸出模塊采集到的軸溫檢測裝置故障的個數情況等判斷軸溫主機是否故障。以判斷1個車軸溫主機是否故障為例，以下任一工況發生且持續一定時間均認為軸溫主機故障：

（1）工況1：以下5個條件至少有3個發生：

條件1：在主機與列車網絡控制系統無通信故障時，軸溫報警主機故障信號為1；條件2：在輸入輸出模塊1正常的情況下，軸溫主機工作故障信號為1；條件3：在輸入輸出模塊1正常的情況下，軸溫主機工作正常信號為0；條件4：在冗余輸入輸出模塊2正常的情況下，軸溫主機工作故障信號為1；條件5：在冗余輸入輸出模塊2正常的情況下，軸溫主機工作正常信號為0。

（2）工況2：在輸入輸出模塊1故障的情況下，以下3個條件至少有2個發生：

條件1：在主機與列車網絡控制系統無通信故障時，軸溫報警主機故障信號為1；條件2：在冗余輸入輸出模塊2正常的情況下，軸溫主機工作故障信號為1；條件3：在冗余輸入輸出模塊2正常的情況下，軸溫主機工作正常信號為0。

（3）工況3：在冗余輸入輸出模塊2故障的情況下，以下3個條件至少有2個發生：

條件1：在主機與列車網絡控制系統無通信故障時，軸溫報警主機故障信號為1；條件2：在輸入輸出模塊1正常的情況下，軸溫主機工作故障信號為1；條件3：在輸入輸出模塊1正常的情況下，軸溫主機工作正常信號為0。

（4）工況4：在輸入輸出模塊1故障且軸溫主機與列車網絡控制系統通信故障的情況下，以下2個條件至少有1個發生：

條件1：在冗余輸入輸出模塊2正常的情況下，軸溫主機工作故障信號為1；條件2：在冗余輸入輸出模塊2正常的情況下，軸溫主機工作正常信號為0。

（5）工況5：在冗余輸入輸出模塊2故障且軸溫主機與列車網絡控制系統通信故障的情況下，以下2個條件至少有1個發生：

條件1：在輸入輸出模塊1正常的情況下，軸溫主機工作故障信號為1；條件2：在輸入輸出模塊1正常的情況下，軸溫主機工作正常信號為0。

（6）工況6：在輸入輸出模塊1故障且冗余輸入輸出模塊2故障時，以下條件發生：

條件1：在主機與列車網絡控制系統無通信故障時，軸溫報警主機故障信號為1。

3.2 軸溫評估

為了更精確的監測列車轉向架軸溫并對轉向架軸溫故障進行實時診斷，須對每個軸溫采集通道進行合理性評估。對于雙通道PT100溫度傳感器采集的軸溫評估分為三步，每一步檢查均以上一步的檢查通過為前提，檢查過程如下：

（1）最大值檢查。列車靜止時軸溫低于80 ℃，非靜止時低于260 ℃。為了避免因列車臨時停車等靜止情況造成采集的軸溫偏高而引起的故障誤報，其中列車靜止條件下最大值檢查要求列車靜止時間大于2小時。

（2）軸溫變化率檢查。正常情況下，軸溫變化率在（-20，+20)℃/s之內，溫度輸出值可實時追蹤輸入值。為了檢測該通道軸溫信號跳變是否超限，檢測過程較為復雜，檢測的原則是第一步檢查正常的情況下，在10分鐘內若該通道軸溫信號跳變的次數不超過4次（本時刻該通道軸溫信號的值與上一時刻的差值超出軸溫變化率正負響應值，則認為該通道軸溫信號發生1次跳變），則認為該通道軸溫變化率檢查正常。

（3）平均值檢查。平均值檢查時的參考平均值為所在車同側軸溫平均值。平均值檢測的原則是第二步檢查正常的情況下，該通道軸溫與所在車同側軸溫平均值的差值在（-15，+15） ℃范圍內，則認為平均值檢查正常。平均值檢查僅在列車靜止且參考平均值有效時進行，若參考平均值無效或列車運行過程中始終認為第三步檢查正常。

若該通道已通過第三步檢查，或僅通過第二步檢查且同一溫度傳感器的冗余通道也沒有通過第三步檢查，則認為該通道軸溫合理性評估通過，否則該通道軸溫合理性評估不通過。雙通道軸溫評估流程如圖6所示。

圖6 雙通道軸溫評估流程圖

對于單通道溫度傳感器采集的軸溫評估需要經過最大值檢查、軸溫變化率檢查、平均值檢查來判斷。只是每步檢查不以上一步檢查通過為前提，且平均值檢查不需參考冗余通道的平均值檢查相對比較簡單。

3.3 故障診斷

（1）溫度傳感器故障。若某溫度傳感器的兩個通道的合理性評估都沒有通過，則認為該溫度傳感器故障。當列車中央控制單元檢測到列車內存在轉向架軸溫傳感器故障時，列車限速200 km/h運行，同時在人機交互界面報出相應故障提示。若當前列車速度超過限速值，將自動封鎖牽引；若5分鐘后列車速度仍超過限速值，將自動施加強迫制動。當列車速度低于限速值時，牽引封鎖和施加的制動指令將消失。

（2）軸溫超溫預警。發生轉向架軸溫超溫預警，中央控制單元僅內部記錄用于檢修維護，不進行限速或故障提示，故障消失后可自動復位。轉向架軸溫超溫預警分為以下幾種情況：

1）溫度傳感器的兩個通道的軸溫均高于100 ℃，或超出同側溫度平均值30 ℃；

2）僅一個通道軸溫出現超溫，且延時半分鐘后仍然存在；

3）僅一個通道軸溫出現超溫，且僅一個通道合理性評估通過。

（3）過暖運行。發生轉向架過暖運行時，中央控制單元僅在人機交互界面提示司機限速200 km/h，不自動封鎖牽引或施加制動。故障消失后，需通過按鈕或服務軟件進行才可復位。在雙通道溫度傳感器兩個通道中至少有一個溫度值超過120 ℃時，發生轉向架過暖運行分為以下幾種情況：

1）溫度傳感器的兩個通道的軸溫均高于120 ℃，或超出同側溫度平均值50 ℃；

2）僅一個通道軸溫高于120 ℃或超出同側平均溫度50 ℃時，延時半分鐘后仍然存在；

3）僅一個通道軸溫高于120 ℃或超出同側平均溫度50 ℃時，且僅一個通道合理性評估通過。

（4）過熱運行。發生轉向架過熱運行時，中央控制單元在人機交互界面提示司機限速40 km/h，自動封鎖牽引并施加強迫制動。故障消失后，需通過按鈕或服務軟件進行才可復位。在雙通道溫度傳感器兩個通道中至少有一個溫度值超過140 ℃時，發生轉向架過暖運行分為以下幾種情況：

1）溫度傳感器的兩個通道軸溫均高于140 ℃，或超出同側溫度平均值65 ℃；

2）僅一個通道軸溫高于140 ℃或超出同側平均溫度65 ℃時，延時半分鐘后仍然存在；

3）僅一個通道軸溫高于140 ℃或超出同側平均溫度65 ℃時，且僅一個通道合理性評估通過。

3.4 狀態處理

各車軸溫主機正常、軸溫主機故障、軸溫主機通信故障等狀態會形成狀態字，通過列車總線發送給人機交互界面并在其上顯示。以1個車為例，軸溫主機正常其狀態字為3；軸溫主機故障其狀態字為2；軸溫主機通信故障其狀態字為1。

4 結 論

轉向架是動車組的重要組成部分，其運行穩定性對動車組安全運營起著至關重要的作用。本文介紹了某型車轉向架軸溫監測裝置，對軸溫監測裝置中軸溫評估流程及故障診斷進行詳細描述，對生產調試及售后維修人員有一定的指導意義。