凌烈鵬，李旭偉，柴雪松，馮毅杰，于衛(wèi)東，謝錦妹

(1.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081，2.中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所，北京 100081)

高速鐵路動車組運(yùn)行狀態(tài)地面監(jiān)測系統(tǒng)的研制

凌烈鵬1，李旭偉1，柴雪松1，馮毅杰1，于衛(wèi)東2，謝錦妹1

(1.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081，2.中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所，北京 100081)

研制了一種高速鐵路動車組運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。該監(jiān)測系統(tǒng)包括安裝于軌道上的測試單元、數(shù)據(jù)采集單元及評判分析軟件等。其工作原理是應(yīng)用軌道上的測試單元連續(xù)測得動車組通過時的輪軌力，根據(jù)輪軌力分析動車組的運(yùn)行狀態(tài)及車輪傷損狀況。本文介紹該監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)方案及關(guān)鍵部件的設(shè)計與開發(fā)。該監(jiān)測系統(tǒng)在蘭新二線大風(fēng)專項(xiàng)試驗(yàn)中得以應(yīng)用及驗(yàn)證，并為蘭新二線動車組在大風(fēng)條件下的運(yùn)行狀態(tài)提供了重要的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

動車組 運(yùn)行狀態(tài) 車輪傷損 輪軌力

1 概述

隨著中國高速鐵路的快速發(fā)展，動車組運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測也日益受到重視。對于動車組走行部的監(jiān)測主要包括車載監(jiān)測和地面監(jiān)測。歐洲和日本在轉(zhuǎn)向架上裝有監(jiān)測儀器，用來實(shí)時記錄和監(jiān)測車輛在高速運(yùn)行過程中是否出現(xiàn)蛇行運(yùn)動及動力學(xué)參數(shù)的變化情況。英國AEA客車安裝了傳感器來監(jiān)測車輛的振動狀態(tài)。我國的動車組地面監(jiān)測系統(tǒng)主要有輪輞探傷、車軸超聲波探傷、不落輪鏇床(車輪踏面跳動)檢測系統(tǒng)以及輪對故障動態(tài)檢測系統(tǒng)。

車輛運(yùn)行品質(zhì)軌邊動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)(Truck Performance Detection System，TPDS)［1-3］是地對車安全防范預(yù)警系統(tǒng)“5T”系統(tǒng)之一，截至2013年底全路安裝并聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用超過130臺，在保障鐵路運(yùn)輸安全以及車輛造修方面發(fā)揮了重要作用。TPDS是利用設(shè)在有砟軌道上的測力平臺動態(tài)監(jiān)測貨車、客車輪軌間的動力學(xué)參數(shù)，聯(lián)網(wǎng)評判車輛運(yùn)行狀態(tài)，同時還兼有踏面損傷和超偏載報警功能。自2008年以來，車輪踏面損傷、運(yùn)行狀態(tài)不良車輛及超偏載得到了有效控制。全路運(yùn)行狀態(tài)不良車輛報警率下降幅度達(dá)83.7%，踏面損傷下降幅度達(dá)81.5%。車輛運(yùn)行狀態(tài)及車輪踏面損傷得到顯著改善，使得車輛關(guān)鍵部件裂損類故障大幅度下降，如搖枕裂損、側(cè)架裂損、制動梁故障等同期下降均超過94%。TPDS的應(yīng)用為車輛安全奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。踏面損傷年度報警率如圖1所示。

圖1 TPDS踏面損傷報警率年度變化

TPDS設(shè)在鐵路正線上，可以監(jiān)測到部分動車組輪軌間動力學(xué)參數(shù)，也發(fā)現(xiàn)了部分動車組運(yùn)行狀態(tài)不良車輛出現(xiàn)較大橫向力、垂向力交替增減現(xiàn)象。這些車輛在鏇輪后恢復(fù)正常，說明地面輪軌力監(jiān)測系統(tǒng)能夠監(jiān)測動車組運(yùn)行狀態(tài)。

因此在既有技術(shù)基礎(chǔ)上開發(fā)一組能夠監(jiān)測、評判動車組運(yùn)行狀態(tài)的地面監(jiān)測系統(tǒng)，為動車組的安全運(yùn)行提供保障十分必要。

2 技術(shù)方案

自主知識產(chǎn)權(quán)的輪軌力連續(xù)測試技術(shù)是車輛運(yùn)行品質(zhì)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)TPDS的技術(shù)核心，包括輪軌垂向力和輪軌橫向力兩部分的測試。其中輪軌垂向力是采用與“移動垂直力綜合檢測裝置”［2］相同的原理測試，通過鋼軌支點(diǎn)壓力傳感器與鋼軌處剪力傳感器組成綜合的測試區(qū)，進(jìn)行輪軌垂向力的連續(xù)測量。輪軌橫向力是根據(jù)橫向力作用到鋼軌上的影響線的分布關(guān)系來測試，通過標(biāo)定獲得鋼軌支承點(diǎn)處實(shí)際承受橫向荷載的比例，再依據(jù)車輪在測試區(qū)的位置，由鋼軌支承點(diǎn)處承受橫向荷載的組合而得到車輪通過整個測試區(qū)的橫向荷載連續(xù)變化情況。圖2為輪軌垂向力和輪軌橫向力測試原理。

圖2 輪軌力測試原理

3 關(guān)鍵部件的設(shè)計與開發(fā)

目前的高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)均為無砟軌道結(jié)構(gòu)，整體性和平順性非常好。這有助于輪軌力的測試，可保證測試精度。由于鋼軌底面與軌道板之間空間尺寸有限，既有的二維板式傳感器不能直接應(yīng)用到無砟軌道結(jié)構(gòu)中，因此需要開發(fā)適應(yīng)于無砟軌道結(jié)構(gòu)的輪軌力測試傳感器，且不能對無砟軌道板進(jìn)行任何改造。另外，動車組的運(yùn)行速度非常高，均在200 km/h以上，而動車組的車輪病害及車輛橫向動力學(xué)性能在高速條件下才能明顯地得到反映，所以開發(fā)高速條件下的輪軌力連續(xù)測試系統(tǒng)，將有助于提高動車組車輪踏面損傷、動不平衡等的捕捉率和車輛橫向動力學(xué)性能的準(zhǔn)確評估。

3.1 輪軌力測試傳感器

輪軌力測試傳感器要能夠測試出輪軌力傳遞到扣件位置的垂向力和橫向力。目前在無砟軌道上的扣件形式主要有WJ-7型［4］、WJ-8型［5］等，根據(jù)這些扣件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在不改變其安裝方式的前提下，項(xiàng)目組開發(fā)出了適用于WJ-7型和WJ-8型扣件的GT-1型和GT-2型高鐵傳感器。所開發(fā)的高鐵傳感器除了具備相應(yīng)扣件鐵墊板的基本功能，可直接代替鐵墊板外，還具有垂向和橫向同時測力功能。為了減少彈條扣壓力的影響，在彈條處增加墊片傳感器，根據(jù)彈條扣壓力及彈條前肢距離換算出彈條作用到鋼軌上的垂向作用力，從而準(zhǔn)確計算出輪軌垂向力傳遞到扣件節(jié)點(diǎn)處的垂向力。圖3是單節(jié)點(diǎn)扣件處垂向力和橫向力的測試原理圖。由圖3可知，單節(jié)點(diǎn)處垂向力P=R-T1-T2，橫向力H=H1+H2。圖4是適用于WJ-7型扣件的GT-1型高鐵傳感器的靜態(tài)組裝圖。

圖3 單節(jié)點(diǎn)扣件處垂向力、橫向力測試原理

圖4 GT-1型高鐵傳感器靜態(tài)組裝

3.2 數(shù)據(jù)采集儀

電磁干擾是信號采集、調(diào)理一個長期的難點(diǎn)，特別是對采用應(yīng)變式測試的鐵路線路與車輛相互作用輪軌力的檢測領(lǐng)域更是如此。鐵路現(xiàn)場的電磁干擾十分復(fù)雜，既有傳導(dǎo)干擾又有輻射干擾，干擾源既有自然干擾源又有人為干擾源。

動車、客車車輛上安裝有大量的機(jī)電設(shè)備或其他通信、輸電線路、照明器具等。這些對動車、客車車輛正常運(yùn)行和保障安全起著不可或缺的作用，但也會對安裝于地面的TPDS設(shè)備產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾。

TPDS系統(tǒng)的輪軌力測試傳感器，屬于毫伏級小信號的應(yīng)變式測量，需要經(jīng)過信號傳輸和信號調(diào)理單元的放大、濾波、整形后再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理。動車、客車電氣電子設(shè)備產(chǎn)生的較強(qiáng)的電磁干擾，輕則造成干擾信號混入應(yīng)變檢測信號中使采集的數(shù)據(jù)失真，直接影響到檢測系統(tǒng)的正確評判，重則造成將干擾信號誤認(rèn)為合理信號致使車輛的計軸判輛發(fā)生錯誤，直接影響到系統(tǒng)的正常持續(xù)工作。客車踏面損傷正常及電磁干擾典型波形如圖5所示，動車組電磁干擾波形如圖6所示。

圖5 客車踏面損傷正常及電磁干擾典型波形

圖6 動車組正常及電磁干擾TPDS監(jiān)測原始波形

針對電磁干擾問題，近年來鐵科院鐵建所進(jìn)行了大量的技術(shù)攻關(guān)，對傳感器應(yīng)變信號采集、信號傳輸過程、信號放大及調(diào)理單元、信號整形濾波系統(tǒng)、數(shù)字信號的計算機(jī)處理全過程進(jìn)行了全新的、多層次的干擾消除設(shè)計，并綜合使用了屏蔽、接地、布線、濾波和磁環(huán)抑制技術(shù)。同時，對供電系統(tǒng)和接地系統(tǒng)也進(jìn)行了改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了動車、客車運(yùn)行條件下抗電磁干擾的TPDS系統(tǒng)的升級。升級后經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場試運(yùn)用，完全滿足在動車、客車運(yùn)行條件下的檢測要求。

升級后的數(shù)據(jù)采集儀采用了通用的插卡式設(shè)計，方便檢修及更換，如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)采集儀及抗電磁干擾插卡式調(diào)理單元

3.3 數(shù)據(jù)采集監(jiān)測軟件

數(shù)據(jù)采集監(jiān)測軟件主要包括動態(tài)測量、數(shù)據(jù)回放、設(shè)備測試3個主功能模塊。該數(shù)據(jù)采集監(jiān)測軟件采用VC++進(jìn)行開發(fā)，其軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 TPDS數(shù)據(jù)采集監(jiān)測軟件系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

該數(shù)據(jù)采集監(jiān)測軟件可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)連續(xù)采集、實(shí)時統(tǒng)計分析、信號波形顯示、被測參數(shù)自動輸出、設(shè)備狀態(tài)自檢等綜合系統(tǒng)功能。該軟件充分利用了VC++開發(fā)平臺和W indows視窗所提供的良好的操作環(huán)境，集曲線、圖形按鈕、數(shù)據(jù)顯示于一體。實(shí)時監(jiān)測及數(shù)據(jù)采集軟件主界面如圖9所示。

圖9 實(shí)時監(jiān)測及數(shù)據(jù)采集軟件主界面

圖10 動車組傾覆系數(shù)地面測試方案

圖11 GT-2型高鐵傳感器及其現(xiàn)場安裝

4 應(yīng)用實(shí)例

為了配合蘭新二線大風(fēng)試驗(yàn)，利用地面測試系統(tǒng)監(jiān)測動車組運(yùn)行的傾覆系數(shù)，在蘭新高鐵百里風(fēng)區(qū)安裝了一套雙測試平臺的動車組監(jiān)測系統(tǒng)。

4.1 實(shí)施方案

動車組傾覆系數(shù)的監(jiān)測需要在同一時刻監(jiān)測到每輛車8個車輪的輪重，并根據(jù)各個輪重計算出傾覆系數(shù)。為了確保測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要保證每次測試的數(shù)據(jù)能夠覆蓋一個輪周。大風(fēng)專項(xiàng)試驗(yàn)的監(jiān)測車型為CRH2-061，現(xiàn)場軌道結(jié)構(gòu)為Ⅰ型雙塊式軌道板，扣件類型為WJ-8型，鋼軌支點(diǎn)間距為650 mm。采用的方案為:在軌道扣件處連續(xù)布置測試傳感器，共設(shè)置2個測試平臺，中心間距17.550 m，每個測試平臺由3個測試區(qū)組成，總長度5.850 m，實(shí)現(xiàn)對CRH2-061型動車各輪動力學(xué)參數(shù)的同步測量，并確保同步測試的數(shù)據(jù)量達(dá)到一個輪周。圖10為動車組傾覆系數(shù)地面測試方案。

由于地面測點(diǎn)選擇在百里風(fēng)區(qū)距離核心區(qū)7 km處的高路堤處，方圓百里為戈壁灘，現(xiàn)場無直接的供電、網(wǎng)絡(luò)接口，因此供電采用太陽能設(shè)備，數(shù)據(jù)傳輸采用沿線的聯(lián)通3G網(wǎng)絡(luò)無線傳輸，實(shí)施遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸及設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控。

4.2 現(xiàn)場實(shí)施

圖11為GT-2型高鐵傳感器及其現(xiàn)場安裝，安裝方式與WJ-8型扣件一致，將GT-2型高鐵傳感器替代WJ-8型扣件的鐵墊板，其余扣件部件均為WJ-8型扣件的標(biāo)準(zhǔn)件。由于增加墊片傳感器的安裝，需將S2型螺旋道釘更換為S3型螺旋道釘，在一人保護(hù)墊片傳感器線纜前提下，可直接采用電動扭力扳手進(jìn)行安裝，與既有的扣件養(yǎng)護(hù)維修模式一致。

圖12是現(xiàn)場安裝后的測試平臺、室外機(jī)柜及傳感器，在測試平臺來車方向設(shè)有開機(jī)磁鋼，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時自動采集、處理、上傳及遠(yuǎn)程監(jiān)控。

4.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

在蘭新二線新疆段聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間利用百里風(fēng)區(qū)大風(fēng)條件，采用綜合檢測車CRH2-061進(jìn)行了大風(fēng)條件下高速動車組運(yùn)行狀態(tài)地面監(jiān)測專項(xiàng)試驗(yàn)。其中，2014年8月17日地面TPDS監(jiān)測到的動車組列車傾覆指標(biāo)如表1所示。從表中可知大風(fēng)專項(xiàng)試驗(yàn)地面TPDS實(shí)測車輛傾覆系數(shù)最大值為0.13，小于相應(yīng)的限值，說明在現(xiàn)有線路條件下25 m/s左右的風(fēng)速未對動車組CRH2-061C的動力學(xué)穩(wěn)定性(安全性)造成明顯影響。

圖12 現(xiàn)場測試平臺、室外機(jī)柜及傳感器

表1 蘭新二線下行線試驗(yàn)過程中各趟動車組傾覆指標(biāo)統(tǒng)計

5 結(jié)論與建議

自主知識產(chǎn)權(quán)的輪軌力連續(xù)測試技術(shù)應(yīng)用在車輛運(yùn)行品質(zhì)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)TPDS上已十分成熟。在開發(fā)出適用于高速運(yùn)行、無砟軌道結(jié)構(gòu)條件下的輪軌力測試傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等關(guān)鍵部件后，該測試方法可直接應(yīng)用于高速鐵路動車組輪軌力的連續(xù)測試。其效果在蘭新二線大風(fēng)專項(xiàng)試驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。

本文的動車組運(yùn)行狀態(tài)地面監(jiān)測系統(tǒng)還處于初期研制階段，針對無砟軌道結(jié)構(gòu)和動車組車輛結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)還有很多需研究完善之處，主要有以下幾個方面:

1)優(yōu)化在無砟軌道結(jié)構(gòu)上的安裝，測試平臺相關(guān)部件逐步進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

2)推進(jìn)本監(jiān)測系統(tǒng)在有多種動車組車型的既有運(yùn)營線上的應(yīng)用，進(jìn)一步積累現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，并對有異常的有效測試數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)查，驗(yàn)證動車組的狀態(tài)及車輪狀況。

3)建立適用于本監(jiān)測系統(tǒng)的動車組運(yùn)行狀態(tài)地面評估技術(shù)及車輪扁疤、擦傷、剝離、失圓、動不平衡等損傷的評判模型和標(biāo)準(zhǔn)。

［1］馮毅杰，張格明.車輛運(yùn)行狀態(tài)地面安全監(jiān)測系統(tǒng)研制的新進(jìn)展［J］.中國鐵道科學(xué)，2002，24(6):138-142.

［2］鐵道部科學(xué)研究院.軌道負(fù)荷、車輛狀態(tài)安全監(jiān)測新系統(tǒng)［R］.北京:鐵道部科學(xué)研究院，1998.

［3］劉瑞揚(yáng)，王毓民.鐵路貨車運(yùn)行狀態(tài)地面安全監(jiān)測系統(tǒng)(TPDS)原理及應(yīng)用［M］.北京:中國鐵道出版社，2008.

［4］中華人民共和國鐵道部.科技基［2007］207號WJ-7型扣件暫行技術(shù)條件［S］.北京:中國鐵道出版社，2009.

［5］中華人民共和國鐵道部.科技基［2007］207號WJ-8型扣件暫行技術(shù)條件［S］.北京:中國鐵道出版社，2009.

Research and manufacture of ground monitoring system for supervising high speed railway EMU(Electric Multiple Units)running state

LING Liepeng1，LI Xuwei1，CHAI Xuesong1，F(xiàn)ENG Yijie1，YU Weidong2，XIE Jinmei1
(1.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2.Locomotive and Car Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

A running state monitoring system of high speed railway EMU was introduced in this paper，which includes the testing devices on the track，data acquisition devices and evaluation analysis software.This monitoring system can analyze running state and wheel defects of EM U by consecutive wheel-rail force acquired from testing devices on the track when high speed railway EMU passing through.The technical scheme and key parts design and development were presented，which have been applied and verified in the gale special test of Lanzhou-Xinjiang No.2 railway line，and provide important experiment data for EM U running state in windy conditions.

EMU;Running state;Wheel defects;Wheel-rail force

U238;U211.5

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.01.16

1003-1995(2015)01-0071-06

(責(zé)任審編 李付軍)

2014-11-10;

2014-11-20

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃課題(2013J008-D)

凌烈鵬(1983—)，男，安徽懷寧人，助理研究員，碩士。