動車組DNRA檢測及診斷邏輯優化的研究

2023-01-04 11:58:00左文龍李富平

鐵道機車車輛 2022年6期

左文龍，李富平

（中車長春軌道客車股份有限公司，長春 130062）

隨著高速動車組的快速發展，高速動車組已經成為人們所熟知的交通工具，在交通運輸領域占據著越來越重要的地位。高速動車組的逐漸普及，更加凸顯出提高車組安全性能、降低車組故障率的重要作用。文中結合動車組運營過程中出現的真實故障，分析高速動車組DNRA系統存在的問題并提出優化方案。

1 速度傳感器檢測原理

高速動車組軸端速度傳感器按照如下工作原理進行列車速度信號采集。

1.1 軸承結構

WSCQDL02G軸端速度傳感器主要依據磁敏元件進行軸轉速測量。高速動車組軸上安裝了永磁體（磁環），軸端速度傳感器根據永磁體在傳感器表面的移動，來檢測軸的轉速。高速動車組軸承結構如圖1所示。

圖1 高速動車組軸承照片

1.2 傳感器測速原理

軸端速度傳感器電纜包含2個磁敏元件，速度傳感器在0～4 kHz范圍內運行，磁敏元件的輸出與周圍的磁場關系如圖2所示。

從圖2中可以看出，當磁敏元件接觸到S極時，輸出為高電平；當磁敏元件接觸到N極時，輸出為低電平。當軸上N、S極連續從傳感器表面經過時，就會生成方波信號（低電平7 mA，高電平14 mA），軸承旋轉1周，會輸出80個方波信號。

圖2 磁敏元件的輸入輸出特性

1.3 速度傳感器主要技術參數

為深入研究速度傳感器的基本結構，掌握速度傳感的內部元器件性能，對傳感器內部元器件的主要性能技術參數進行分析，具體見表1。

表1 速度傳感器主要技術參數

2 動車組軸抱死故障樣本測試分析

動車組軸抱死故障對運營運輸秩序產生較大影響。經統計90%的軸抱死故障在更換了軸端集成傳感器后故障消除。此次選取24起軸抱死故障為樣本，研究傳感器故障的原因。

24起軸抱死故障樣本具體分類如下：

（1）最初發生軸抱死故障的14條樣本，全部返回傳感器供應商處進行常規檢測，被測傳感器均達到標準要求，且輸出波形與標準件比對正常。

（2）為探究軸抱死故障的真實原因，對后續發生軸抱死故障的10條樣本進行分類試驗，其中4條樣本進行現車測試，6條樣本進行常規測試及高溫振動試驗。

2.1 001A車現車測試

最初的4起軸抱死故障均發生在華中地區，故障傳感器在地面試驗臺測試時輸出波形均正常。為查找動車組在運行途中出現軸抱死的真實故障原因，先后2次在華中地區001A車組上，通過現車檢測進行研究。

為避免一次性安裝太多故障傳感器對動車組的正常運營造成影響，故將最初的4條故障傳感器分成2批，分別進行現車測試。

2.1.1 第一批測試

按照測試方案，將故障傳感器分別安裝在001A車組2軸的3位軸頭和4位軸頭。安裝故障傳感器后，001A車組在線運行時再次出現軸抱死故障。通過對采集到數據的分析，安裝在4位軸頭的傳感器在動車組運行時存在輸出波形失真的現象。

用傳感器測試設備分別采集3位軸頭和4位軸頭速度傳感器的輸出波形，如圖3～圖5所示。

圖3 第一批3位軸頭速度傳感器的輸出波形

圖5 第一批4位軸頭速度傳感器輸出異常段的波形

2.1.2 第二批測試

用另外2條故障傳感器繼續進行第二批波形測試，傳感器測試設備分別采集3位軸頭和4位軸頭速度傳感器的輸出波形，通過波形分析，3位軸頭和4位軸頭的速度傳感器存在波形輸出失真的現象，具體輸出波形如圖6、圖7所示。

圖6 第二批3位軸頭速度傳感器的輸出波形圖

圖7 第二批4位軸頭速度傳感器的輸出波形圖

根據2批傳感器在工作時的輸出波形分析，除1條輸出波形正常以外，其余3條傳感器輸出的波形均存在異常情況，初步分析軸抱死發生的故障原因為速度傳感器輸出異常波形。

2.2 地面模擬測試

圖4 第一批4位軸頭速度傳感器的輸出波形圖

由于前期發生故障后更換的傳感器在地面進行阻值測試、絕緣測試、耐壓測試和輸出波形測試均未發現異常。為進一步分析速度傳感器是否真實存在故障，模擬列車運行工況的高溫振動試驗進行深入分析測量。

2.2.1 常規測試

在進行高溫振動試驗前，對所有測試的傳感器進行了常規檢查，包括外觀檢查、絕緣測試（DC 500 V，500 MΩ）、耐壓測試（AC 800 V，60 s）、輸出波形測試，被測傳感器均達到了標準要求，且輸出波形與標準件比對正常。如圖8所示。

圖8 傳感器性能測試

2.2.2 高溫振動試驗

高溫工況最高達到80℃，振動工況按照IEC 61373標準中的3類A級（車軸安裝）進行測試。此次測試的樣件共計6條，其中第4條為未發生故障的傳感器。

在高溫振動試驗中，所有傳感器的輸出波形均受到影響，具體如下：

（1）測試件1

測試件1為更換的故障傳感器，在持續的高溫、振動的環境中，出現了輸出頻率發生跳變的現象，如圖9、圖10所示。

圖9 測試件1通道2頻率變低

圖10 測試件通道2頻率變高

（2）測試件2和測試件3

測試件2和測試件3同樣為動車組更換的故障傳感器，在持續的高溫、振動的環境中，當溫度達到66℃左右時，通道1出現輸出信號保持在高電平不變的現象，具體如圖11所示。

圖11 測試件2和3通道1輸出波形

（3）測試件4

測試件4為未發生故障的傳感器，在測試過程中輸出波形未出現異常。

（4）測試件6和測試件7

測試件6和測試件7為在東北地區發生軸抱死故障中的疑似故障傳感器。在測試過程中，也出現了與測試件1相同的現象，即輸出波形的頻率增大或變小。

3 問題分析

3.1 環境溫度分析

通過動車組遠程傳輸系統對在線運行動車組的軸箱溫度進行監控和分析發現，部分車輛傳感器工作的環境溫度達到78～80℃，持續時間可達2.5 h，甚至達3 h。

結合試驗室模擬高溫、振動工況下傳感器輸出波形異常的測試結果推斷，傳感器工作狀態異常造成動車組誤報軸抱死故障與高溫存在一定的關聯性，因此，華中地區動車組發生誤報軸抱死故障的頻率明顯高的原因跟傳感器長期在高溫振動的環境中使用有關。

3.2 試驗數據分析

（1）現車測試結果分析

根據在001A車上現車測試的2批共4條傳感器的數據分析，動車組在運行中只有1條傳感器輸出波形正常，其余3條傳感器輸出的波形均存在異常情況，且動車組均出現誤報軸抱死的現象。因此，速度傳感器的異常波形輸出造成列車誤報軸抱死故障。

（2）地面模擬測試結果分析

為找到傳感器輸出異常的原因，在地面試驗中，分別在普通工況和模擬實際運行的工況下對傳感器進行測試，測試結果表明，在普通工況下，傳感器波形輸出正常，但在高溫（66℃）和振動（IEC 61373中3類A級）工況下，傳感器的輸出波形發生了異常。

（3）傳感器故障原因分析

速度傳感器的主要測速芯片工作的環境溫度為-40～+85℃之間，但根據實際運行情況，部分傳感器實際長期處于高溫工況中，最高溫度可以達到80℃，長時間的高溫、振動工況會造成傳感器工作不穩定，降低現有測速芯片的壽命，傳感器輸出信號的頻率和幅值發生變化，導致傳感器采集的速度與軸實際的速度產生偏差，偏差達到軸抱死檢測閾值時，動車組發生誤報軸抱死故障。

3.3 軸抱死檢測邏輯分析[1]

速度傳感器將每個軸端軸頭的速度信號發送給BCU，BCU的DNRA模塊對速度信號進行整合分析，計算出2種結果：“速度信號斷路”、“輸出狀態信號異常”。

BCU與MPU之間進行通訊［2］，并將DNRA計算的結果傳輸，最后MPU根據傳輸的結果進行判斷并輸出相關的執行指令，MPU的檢測邏輯如圖12所示。

圖12 現有診斷邏輯示意圖

由上圖可知，誤報軸抱死故障的原因主要有以下方面：

（1）BCU無通訊故障，但采集軸端速度的MB04B板卡通道故障無法采集正確的軸旋轉速度時，會報出軸抱死故障。

（2）當同軸的2個軸端軸頭任一速度傳感器出現“速度信號斷路”、“輸出狀態信號異常”情況時會報出軸抱死故障。

（3）當BCU與MPU之間的通訊出現異常，導致MPU錯誤接收到BCU檢測的軸抱死信號時會報出軸抱死故障。

通過分析該判斷邏輯，由于動車組原始的故障導向安全設計理念，同軸的一個軸端傳感器故障時就會報出軸抱死診斷信息，另一軸端傳感器的冗余采集并沒有得到有效的利用，造成軸抱死故障率較高，因此通過采集和對比同軸2個軸端傳感器的狀態值判斷軸的旋轉狀態可有效降低軸抱死故障發生的頻率。

3.4 傳感器技術條件分析

根據動車組裝用的傳感器技術條件要求，速度傳感器的主要測速芯片工作的環境溫度為-40～+85℃之間，而實際部分車組的運行環境溫度較高，動車組在長期高溫、振動工況下運行時，傳感器的使用壽命縮短，傳感器輸出信號的幅值和頻率發生變化，導致傳感器采集的速度與軸實際的速度產生偏差。因此通過提高傳感器的耐高溫性能和抗干擾能力，能夠有效地保證傳感器的速度值輸出穩定和可靠。