傅佩喜 上海鐵路局科研所

該項(xiàng)目期望達(dá)到的目標(biāo)：（1）隨車(chē)機(jī)械師、司機(jī)等有關(guān)人員實(shí)時(shí)掌握動(dòng)車(chē)組的運(yùn)行性能情況。（2）為動(dòng)車(chē)組的計(jì)劃修和狀態(tài)修，確保動(dòng)車(chē)組始終具有良好的運(yùn)行性能，提供重要的數(shù)據(jù)依據(jù)。（3）通過(guò)下載有關(guān)車(chē)載檢測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)，跟蹤分析動(dòng)車(chē)組運(yùn)行性能變化趨勢(shì)，做到有效預(yù)防事故發(fā)生。

1 動(dòng)車(chē)組動(dòng)力學(xué)性能的評(píng)價(jià)方法

1.1 常用車(chē)輛動(dòng)力學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)

動(dòng)車(chē)組動(dòng)力學(xué)性能的研究?jī)?nèi)容主要有運(yùn)行平穩(wěn)性及旅客乘坐舒適度、運(yùn)行穩(wěn)定性及安全性和曲線（包括進(jìn)出道岔）通過(guò)性能（如圖1所示）。

圖1 動(dòng)車(chē)組動(dòng)力學(xué)性能的研究?jī)?nèi)容展開(kāi)圖

本課題通過(guò)對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能有關(guān)指標(biāo)的跟蹤檢測(cè)，著重進(jìn)行計(jì)算分析研究動(dòng)車(chē)組運(yùn)行穩(wěn)定性及安全性和運(yùn)行平穩(wěn)性方面的性能變化情況，作為課題研究重點(diǎn)。

1.2 運(yùn)行穩(wěn)定性（安全性）評(píng)價(jià)指標(biāo)

歐洲UIC 518判斷高速動(dòng)車(chē)組失穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)：對(duì)構(gòu)架橫向加速度進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)和采樣，進(jìn)行（3~9）Hz帶通濾波，若加速度峰值有連續(xù)10次以上達(dá)到或超過(guò)極限值8 m/s2時(shí)，則判定轉(zhuǎn)向架橫向失穩(wěn)。

我國(guó)判斷高速動(dòng)車(chē)組失穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)：轉(zhuǎn)向架的橫向失穩(wěn)采用構(gòu)架上的橫向加速度進(jìn)行評(píng)判，條件為濾波（0.5～10）Hz下連續(xù)出現(xiàn)6次以上的橫向加速度值不超過(guò)（8～10）m/s2（與轉(zhuǎn)向架的設(shè)計(jì)相適應(yīng)）。

1.3 運(yùn)行平穩(wěn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)

車(chē)輛運(yùn)行平穩(wěn)性的評(píng)定指標(biāo)，在國(guó)外有幾種。我國(guó)采用的同歐洲各國(guó)采用的相同 ，即斯柏林（Sperling）平穩(wěn)性指標(biāo)。平穩(wěn)性指標(biāo)用W表示。

其中a為振動(dòng)加速度，f為振動(dòng)頻率（Hz），F(xiàn)(f)為頻率修正系數(shù)。函數(shù)F（f）可按下列規(guī)定計(jì)算：

（1）在垂直方向

當(dāng) 0.5〈f〈5.9 次/秒時(shí)，F(xiàn)（f）=0.325f2

當(dāng) 5.9〈f〈20 次/秒時(shí)，F(xiàn)（f）=400/f2

當(dāng) f〉20 次/秒時(shí)，F(xiàn)（f）=1

（2）在橫向

當(dāng) 0.5〈f〈5.4 次/秒時(shí)，F(xiàn)（f）=0.8f2

當(dāng) 5.4〈f〈26 次/秒時(shí)，F(xiàn)（f）=650/f2

當(dāng) f〉26 次/秒時(shí)，F(xiàn)（f）=1

以上的平穩(wěn)性指數(shù)只適用一種頻率一個(gè)振幅的單一振動(dòng)，但實(shí)際上車(chē)輛在線路上運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)是隨機(jī)的，即振動(dòng)頻率都是隨時(shí)間變化的。因此，在計(jì)算車(chē)輛平穩(wěn)性指標(biāo)時(shí)，把實(shí)測(cè)的車(chē)輛振動(dòng)加速度記錄并按頻率分解，進(jìn)行頻譜分析，求出每段頻率范圍的振動(dòng)幅值，然后對(duì)每一頻段計(jì)算各自的平穩(wěn)性指數(shù)Wi，然后再求出全部頻段總的平穩(wěn)性指數(shù)Wtot。

通過(guò)研究現(xiàn)行國(guó)內(nèi)外鐵道車(chē)輛動(dòng)力學(xué)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、指標(biāo)和計(jì)算方法，尤其是《高速動(dòng)車(chē)組整車(chē)試驗(yàn)規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定，我們可以知道，輪對(duì)、構(gòu)架、車(chē)體的振動(dòng)加速度是評(píng)價(jià)動(dòng)車(chē)組蛇行（橫向）穩(wěn)定性、運(yùn)行品質(zhì)的重要依據(jù)。其中，蛇行穩(wěn)定、運(yùn)行品質(zhì)是直接根據(jù)所測(cè)加速度情況來(lái)評(píng)判的。為此，只要在輪對(duì)、構(gòu)架和車(chē)體的合適位置上分別安裝加速度傳感器，就能夠?qū)崟r(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)動(dòng)車(chē)組動(dòng)力學(xué)性能。

2 分析現(xiàn)役動(dòng)車(chē)組動(dòng)力學(xué)性能監(jiān)測(cè)情況

目前，我國(guó)范圍內(nèi)正在投入運(yùn)行的動(dòng)車(chē)組有CRH1、CRH2、CRH3和CRH5等類(lèi)型動(dòng)車(chē)組 ，詳見(jiàn)《全路動(dòng)車(chē)組配屬情況》（如圖2所示）。

圖2 全路動(dòng)車(chē)組配屬情況表

CRH1型動(dòng)車(chē)組又可細(xì)分為CRH1A、CRH1B和CRH1E型動(dòng)車(chē)組，目前在它們上面沒(méi)有安裝有關(guān)判斷動(dòng)力學(xué)性能的振動(dòng)傳感器。

CRH2型動(dòng)車(chē)組又可細(xì)分為 CRH2A、CRH2B、CRH2C、CRH2E和 CRH380A、CRH380AL型動(dòng)車(chē)組，其中在CRH2A、CRH2B、CRH2C、CRH2E型動(dòng)車(chē)組上沒(méi)有安裝有關(guān)判斷動(dòng)力學(xué)性能的振動(dòng)傳感器，而在CRH380A、CRH380AL型動(dòng)車(chē)組，已經(jīng)安裝了有關(guān)判斷動(dòng)力學(xué)性能的振動(dòng)傳感器。

CRH3型動(dòng)車(chē)組又可細(xì)分為 CRH3C、CRH380B、CRH380BG、CRH380BL、CRH380CL型動(dòng)車(chē)組,在這些動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架上已經(jīng)安裝了振動(dòng)加速度傳感器。另外在CRH5A、CRH5G和CRH380D型動(dòng)車(chē)組上也安裝了振動(dòng)加速度傳感器。

安裝了振動(dòng)加速度傳感器動(dòng)車(chē)組，可以通過(guò)采集和分析加速度數(shù)據(jù)，以判斷動(dòng)車(chē)組的運(yùn)行穩(wěn)定性和平穩(wěn)性。在動(dòng)車(chē)組上沒(méi)有安裝有關(guān)加速度傳感器，只能靠機(jī)械師的感知來(lái)人為判斷動(dòng)車(chē)組的振動(dòng)情況，無(wú)法科學(xué)分析動(dòng)車(chē)組運(yùn)行性能的變化情況。

隨著動(dòng)車(chē)組運(yùn)營(yíng)里程和運(yùn)營(yíng)時(shí)間的不斷增加，動(dòng)車(chē)組零部件的性能會(huì)有不同程度的降低，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)沟昧悴考В绻患皶r(shí)進(jìn)行跟蹤檢測(cè)及檢修，會(huì)引發(fā)安全事件。由于目前有的動(dòng)車(chē)組沒(méi)有安裝振動(dòng)傳感器等智能化跟蹤檢測(cè)裝置，即使有的動(dòng)車(chē)組安裝了振動(dòng)傳感器，但是，由于沒(méi)有很好跟蹤分析利用這些數(shù)據(jù)，以致只有在發(fā)生運(yùn)行事件后，才去查問(wèn)有關(guān)數(shù)據(jù)，沒(méi)有很好的起到預(yù)防事件發(fā)生的作用。因此，十分必要在動(dòng)車(chē)組上全面科學(xué)系統(tǒng)安裝振動(dòng)加速度傳感器，有效充分采集到反映動(dòng)車(chē)組動(dòng)力學(xué)性能的有關(guān)數(shù)據(jù)，成為保證動(dòng)車(chē)組安全運(yùn)行的科學(xué)依據(jù)。

3 動(dòng)車(chē)組動(dòng)力學(xué)性能監(jiān)測(cè)技術(shù)方案

動(dòng)車(chē)組動(dòng)力學(xué)性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由信號(hào)采集傳感器、信號(hào)傳輸線路和信號(hào)分析儀等部分組成。

信號(hào)采集主要有動(dòng)車(chē)組運(yùn)行速度、振動(dòng)加速度和GPS位置信號(hào)等技術(shù)參數(shù)。

根據(jù)穩(wěn)定性和平穩(wěn)性指標(biāo)評(píng)價(jià)方法，在軸箱上安裝加速度傳感器，可以判斷輪對(duì)軸承軸箱裝置的動(dòng)力學(xué)性能。在構(gòu)架上安裝加速度傳感器，可以判斷轉(zhuǎn)向架一系的動(dòng)力學(xué)性能。在車(chē)體枕梁上布置加速度傳感器，可以判斷轉(zhuǎn)向架二系以及車(chē)體的動(dòng)力學(xué)性能。

為了全面監(jiān)測(cè)動(dòng)車(chē)組動(dòng)力學(xué)性能，根據(jù)動(dòng)車(chē)組的構(gòu)造原理，可以分別在每個(gè)軸箱、構(gòu)架側(cè)梁和車(chē)體枕梁上布置加速度傳感器。

該項(xiàng)目的實(shí)施，存在以下技術(shù)難題：

（1）動(dòng)車(chē)組配電柜內(nèi)空間有限，要求檢測(cè)設(shè)備外形尺寸要小，結(jié)構(gòu)要緊湊。

（2）在轉(zhuǎn)向架上安裝傳感器，安裝比較困難，有很高的安全要求。

（3）為保證較高的數(shù)據(jù)傳輸速度和較好的同步性，從傳感器到數(shù)據(jù)采集模塊使用低噪音同軸電纜連接，電纜從轉(zhuǎn)向架到車(chē)體上部電器柜內(nèi)的走線比較困難。

（4）動(dòng)車(chē)組運(yùn)行性能的評(píng)價(jià)需要列車(chē)速度信號(hào)和線路狀況數(shù)據(jù)，但動(dòng)車(chē)組相對(duì)封閉的配電柜對(duì)GPS信號(hào)的衰減很大，且GPS定位測(cè)速方法對(duì)250 km/h以上的速度等級(jí)實(shí)施難度較大，因此，需要深入研究GPS測(cè)速模塊的設(shè)計(jì)、GPS天線的安裝等問(wèn)題。

（5）對(duì)所檢測(cè)的數(shù)據(jù)，要區(qū)分是線路等外部因素還是動(dòng)車(chē)組自身因素，對(duì)于計(jì)算方法設(shè)計(jì)有較大難度。

（6）車(chē)種車(chē)型多，不同種類(lèi)的動(dòng)車(chē)組運(yùn)行性能變化規(guī)律有所不同，逐個(gè)開(kāi)展分析研究，工作量相當(dāng)大。

4 系統(tǒng)軟硬件架構(gòu)

動(dòng)車(chē)組運(yùn)行動(dòng)力學(xué)性能檢測(cè)設(shè)備包括三部分：振動(dòng)傳感器、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、終端設(shè)備，如圖3所示。數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)是整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的核心，采用嵌入式設(shè)計(jì)，內(nèi)部包含高性能處理器、數(shù)據(jù)采集模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊、GPS模塊、路由模塊、存儲(chǔ)模塊等。振動(dòng)傳感器至數(shù)據(jù)采集卡采用低噪音同軸電纜連接；路由模塊具有WiFi功能，一方面WiFi作為現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)使用，另一方面WiFi可將數(shù)據(jù)采集任務(wù)配置傳送至終端設(shè)備，并接收車(chē)體、轉(zhuǎn)向架振動(dòng)數(shù)據(jù)分析結(jié)果。嵌入式處理器一直處于待機(jī)狀態(tài)，系統(tǒng)收到上位機(jī)軟件觸發(fā)命令后，開(kāi)始數(shù)據(jù)采集、處理和分析工作，同時(shí)將振動(dòng)信號(hào)及其分析數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)模塊中。

圖3 動(dòng)車(chē)組動(dòng)力學(xué)性能檢測(cè)評(píng)價(jià)系統(tǒng)框圖

檢測(cè)設(shè)備技術(shù)指標(biāo)：

采集通道：4通道（可擴(kuò)展）、24位同步高精度AD轉(zhuǎn)換；

采樣速率：最高可達(dá)52 kS/s；

靈敏度：構(gòu)架100 mV/g；車(chē)體1000 mV/g；

系統(tǒng)接口：WiFi/4G路由；

傳輸速率：最高可達(dá)150 Mbps；

傳輸范圍：最大可達(dá)300 m；

觸發(fā)方式：上位機(jī)軟件觸發(fā)；

系統(tǒng)電源：9～30 V；

工作電流：2～5 mA；

內(nèi)部?jī)?chǔ)存：緩存1 MB，內(nèi)存1 GB，非易失性存儲(chǔ)4 GB；

外部存儲(chǔ)：可移動(dòng)SDHC卡；

工作環(huán)境：溫度-40℃～70℃，濕度10～95%；

沖擊振動(dòng)：軸箱200 g;構(gòu)架50 g；車(chē)體5 g；

防護(hù)等級(jí)：IP40。

4.1 硬件平臺(tái)

動(dòng)車(chē)組運(yùn)行性能檢測(cè)評(píng)價(jià)系統(tǒng)基于高可靠工業(yè)級(jí)平臺(tái)NI CompactRIO（簡(jiǎn)稱(chēng)c-RIO）進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖4所示，主要提供車(chē)體、轉(zhuǎn)向架振動(dòng)及GPS信息的采集、記錄、分析等。設(shè)備具有如下技術(shù)特點(diǎn)：

（1）設(shè)備設(shè)計(jì)制造符合ISO國(guó)際儀器設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，滿(mǎn)足車(chē)載設(shè)備使用要求。

（2）系統(tǒng)內(nèi)嵌高性能PowerPC處理器和VxWorks實(shí)時(shí)系統(tǒng)。

（3）系統(tǒng)內(nèi)嵌資源豐富的FPGA硬件邏輯芯片。

（4）系統(tǒng)內(nèi)置調(diào)理、隔離、電源等模塊，支持AC/DC供電，具備較強(qiáng)的抗電磁干擾能力。

（5）設(shè)備具有系統(tǒng)時(shí)鐘，設(shè)備采集和記錄數(shù)據(jù)時(shí)可調(diào)用該時(shí)鐘。

（6）系統(tǒng)滿(mǎn)足環(huán)境要求的非易失性存儲(chǔ)，斷電不丟數(shù)據(jù)。

（7）記錄介質(zhì)可方便拆卸，方便在計(jì)算機(jī)上讀取數(shù)據(jù)、回放數(shù)據(jù)。

（8）系統(tǒng)支持聯(lián)機(jī)、脫機(jī)工作方式，可多臺(tái)設(shè)備級(jí)聯(lián)組成分布式測(cè)試系統(tǒng)，可擴(kuò)展全面檢測(cè)動(dòng)車(chē)組運(yùn)行振動(dòng)情況。

（9）平均故障間隔時(shí)間（MTBF）≥ 6 000 h。

（10）使用WINDOWS XP/NT操作系統(tǒng)，提供人機(jī)對(duì)話界面。

圖4 c-RIO系統(tǒng)工作原理圖

動(dòng)車(chē)組動(dòng)力學(xué)性能數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)組成如圖5所示，選擇4個(gè)模擬輸入通道；ADC分辨率為24位；ADC類(lèi)型為帶模擬預(yù)濾波；采用同步采樣模式。

4.2 軟件架構(gòu)

4.2.1 嵌入式采集軟件

利用 LabVIEW、LabVIEW Real-Time Module、LabVIEW FPGA Module，定義標(biāo)準(zhǔn)化的軟件框架、調(diào)用模塊化的VI庫(kù)，對(duì)采集任務(wù)模塊化與規(guī)范化，兼顧效率優(yōu)化和功能拓展等需求，快速建立定制化的數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)，縮短開(kāi)發(fā)周期，節(jié)約開(kāi)發(fā)成本。同時(shí)，軟件的高標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化便于系統(tǒng)的拓展，如硬件的更新、測(cè)點(diǎn)的增加和修改等（見(jiàn)圖6）。

圖6 嵌入式數(shù)據(jù)采集軟件結(jié)構(gòu)

4.2.2 PC人機(jī)界面

上位機(jī)通過(guò)TCP/IP向采集終端發(fā)送控制指令，接收采集的車(chē)體、轉(zhuǎn)向架振動(dòng)數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）配置動(dòng)車(chē)組振動(dòng)采集任務(wù)。

（2）設(shè)定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模式，控制采集開(kāi)始或停止，顯示采集進(jìn)度。

（3）顯示采集終端所有通道信號(hào)的瞬時(shí)值、最大值、最小值、平均值及RMS值等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

（4）對(duì)應(yīng)顯示動(dòng)車(chē)組位置、速度及時(shí)間數(shù)據(jù)。

（5）顯示車(chē)體、轉(zhuǎn)向架振動(dòng)信號(hào)頻譜分析及相關(guān)性分析結(jié)果。

（6）對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)合同，將二進(jìn)制文件轉(zhuǎn)換并合并為txt文件，供數(shù)據(jù)備份。

5 系統(tǒng)應(yīng)用方法及預(yù)期效果

跟蹤檢測(cè)的方法：GPS定位，選擇某直線區(qū)段，線路技術(shù)狀態(tài)比較穩(wěn)定區(qū)段，動(dòng)車(chē)組基本以250 km/h以上速度運(yùn)行，由于道床剛度穩(wěn)定，鋼軌型面穩(wěn)定，可以忽略線路技術(shù)狀態(tài)變化問(wèn)題。隨著動(dòng)車(chē)組的運(yùn)行，在使用壽命不同階段，振動(dòng)性能數(shù)據(jù)變化情況。動(dòng)車(chē)組運(yùn)行性能是在靜態(tài)很難判斷好壞的，只有在動(dòng)態(tài)情況根據(jù)檢測(cè)到的有關(guān)數(shù)據(jù)才能做出準(zhǔn)確判斷。

微型監(jiān)測(cè)設(shè)備由二維加速度傳感器、信號(hào)采集接口、計(jì)算單元、信號(hào)儲(chǔ)存單元、電源和信號(hào)讀出接口等組成。具有定時(shí)打開(kāi)微型監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行工作，采集時(shí)間設(shè)定功能，或GPS功能，具有動(dòng)車(chē)組運(yùn)行速度記錄功能。微型監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝在車(chē)體的設(shè)備室里。通過(guò)有關(guān)技術(shù)設(shè)計(jì)，一旦動(dòng)車(chē)組通過(guò)某一設(shè)定的地點(diǎn)，微型監(jiān)測(cè)設(shè)備就會(huì)自動(dòng)開(kāi)始采集和計(jì)算分析有關(guān)反映動(dòng)車(chē)組運(yùn)行性能的技術(shù)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)某一設(shè)定的時(shí)間后也會(huì)自動(dòng)停止采集。一旦某個(gè)技術(shù)參數(shù)超過(guò)設(shè)定的門(mén)檻值，微型監(jiān)測(cè)設(shè)備就會(huì)發(fā)送信息到指定的用戶(hù)手機(jī)端。工程技術(shù)人員可以定期下載微型監(jiān)測(cè)設(shè)備的檢測(cè)記錄數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算分析動(dòng)車(chē)組運(yùn)行性能的變化情況，為及時(shí)維護(hù)檢修動(dòng)車(chē)組提供重要技術(shù)依據(jù)。如何真正做到全過(guò)程動(dòng)車(chē)組運(yùn)行安全實(shí)時(shí)控制。目前，可先通過(guò)研制動(dòng)車(chē)組運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)辨識(shí)儀來(lái)測(cè)量構(gòu)架、車(chē)體的振動(dòng)加速度，據(jù)此來(lái)評(píng)價(jià)動(dòng)車(chē)組的蛇行穩(wěn)定和運(yùn)行品質(zhì)。在積累大量數(shù)據(jù)檢測(cè)分析計(jì)算的情況下，我們可以根據(jù)大量所測(cè)振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)，總結(jié)其變化規(guī)律，推斷動(dòng)車(chē)組可能發(fā)生故障的部位及形式。

主要功能及作用：一是可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架、車(chē)體振動(dòng)加速度的頻譜分析；實(shí)現(xiàn)動(dòng)車(chē)組振動(dòng)加速度最大值、平均值、功率譜、預(yù)測(cè)值等分析；實(shí)現(xiàn)動(dòng)車(chē)組平穩(wěn)性指標(biāo)和安全性指標(biāo)計(jì)算；實(shí)現(xiàn)動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架、車(chē)體振動(dòng)加速度相關(guān)性分析；實(shí)現(xiàn)動(dòng)車(chē)組失穩(wěn)特征分析；初步實(shí)現(xiàn)動(dòng)車(chē)組車(chē)體、轉(zhuǎn)向架故障辨識(shí)與診斷。二是可以作為機(jī)械師日常工作的一種檢查手段，以判斷動(dòng)車(chē)組當(dāng)前的運(yùn)行技術(shù)性能，也可以作為跟蹤檢測(cè)分析動(dòng)車(chē)組運(yùn)行技術(shù)性能變化情況的智能記錄分析判斷儀器；可以分析比較動(dòng)車(chē)組在三、四、五級(jí)修前后運(yùn)行技術(shù)性能變化情況檢測(cè)儀器；可以作為領(lǐng)導(dǎo)添乘檢查監(jiān)測(cè)的基本裝備和必要手段；可以作為對(duì)動(dòng)車(chē)組安排修程計(jì)劃制定的依據(jù)。