傅佩喜 上海鐵路局科研所

動車組智能型轉(zhuǎn)向架的研究

傅佩喜 上海鐵路局科研所

通過在動車組轉(zhuǎn)向架的軸箱、構(gòu)架和車體上安裝加速度傳感器，結(jié)合動車組的實(shí)時(shí)運(yùn)行速度和運(yùn)行區(qū)段位置，利用網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)，同時(shí)檢測各轉(zhuǎn)向架在直線區(qū)段高速運(yùn)行時(shí)有關(guān)部位的振動數(shù)據(jù)，利用計(jì)算機(jī)對實(shí)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析判斷動車組運(yùn)行動力學(xué)性能，從中找出異常數(shù)據(jù)即異常轉(zhuǎn)向架，提升動車組運(yùn)行的安全可靠性，使動車組運(yùn)行安全技術(shù)更上新臺階。從而進(jìn)一步改變目前通過人的認(rèn)知感覺來評判動車組的技術(shù)狀態(tài)問題和發(fā)生異常后才通過移動檢測設(shè)備對動車組的性能進(jìn)行檢測的被動做法。同時(shí)，在檢測數(shù)據(jù)積累與分析的基礎(chǔ)上，研究動車組動力學(xué)性能的變化規(guī)律，構(gòu)建一套動車組動力學(xué)性能跟蹤監(jiān)測評價(jià)系統(tǒng)，使得隨車機(jī)械師、司機(jī)等有關(guān)人員可以實(shí)時(shí)掌握動車組的運(yùn)行性能情況，對動車組運(yùn)行過程中的問題作出及時(shí)果斷正確處理；幫助技術(shù)管理人員，能夠根據(jù)動車組的實(shí)際運(yùn)行性能，更加科學(xué)合理安排動車組的計(jì)劃修和狀態(tài)修；進(jìn)一步促使動車組運(yùn)行管理部門能夠及時(shí)掌握動車組的技術(shù)狀態(tài)，為管理決策提供依據(jù)。

智能型；動車組；轉(zhuǎn)向架；研究

1 前言

當(dāng)今，我國的高速鐵路已經(jīng)走在世界前列。根據(jù)有關(guān)資料，2015年底，我國高速鐵路的總里程達(dá)到1.9萬km，比世界其他國家的總和還多；高速動車組的開行數(shù)量達(dá)到約1900多對，高速動車組的正常運(yùn)行速度為300 km/h以上。高速鐵路的建造能力和高速動車組的制造能力已經(jīng)在世界上遙遙領(lǐng)先，我國已經(jīng)成為高速鐵路大國，并正在向高速鐵路強(qiáng)國發(fā)展。要成為高速鐵路強(qiáng)國，提高高速鐵路安全技術(shù)是重中之重，是一個(gè)永恒的主題。其中，動車組轉(zhuǎn)向架智能化技術(shù)是確保動車組運(yùn)行安全的發(fā)展方向。自2007年7月1日動車組開行以來，動車組轉(zhuǎn)向架輪對軸承軸箱裝置發(fā)生了車輪輪緣磨損、車輪踏面擦傷及剝離、車輪輪輞裂紋、軸箱軸承甩油、軸箱軸承高溫等故障；一系懸掛裝置發(fā)生多起軸箱彈簧折斷、油壓減震器漏油失效等故障；二系懸掛裝置發(fā)生空氣彈簧性能不良、油壓減震器漏油失效、抗側(cè)滾扭桿彈性接點(diǎn)損壞等故障。制動系統(tǒng)發(fā)生了制動盤熱裂紋、制動盤急劇磨損等故障。牽引傳動系統(tǒng)發(fā)生齒輪箱漏油、軸承高溫、聯(lián)軸節(jié)高溫、聯(lián)軸節(jié)折斷等故障。總之，凡是普通車發(fā)生過的故障類型，在動車組上都發(fā)生了。由于大量的動車組白天同時(shí)出庫投入運(yùn)營而晚上回庫進(jìn)行檢修，動車組連續(xù)高速運(yùn)行時(shí)間長，入庫檢修時(shí)間短，給動車組運(yùn)用檢修工作帶來了不少問題。動車組在高速運(yùn)行的情況下，一旦轉(zhuǎn)向架部件發(fā)生故障，那么，危險(xiǎn)性要比普通車更大。由于動車組轉(zhuǎn)向架大量采用新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)，動車所采用傳統(tǒng)的入庫地面檢查作業(yè)方式，很難判斷動車組轉(zhuǎn)向架運(yùn)行技術(shù)性能狀態(tài)及變化趨勢，無法有效控制事故發(fā)生，存在很大的安全隱患。由于我國的動車組開行數(shù)量總量大，動車組運(yùn)行安全問題更加突出，為此，研究智能型動車組轉(zhuǎn)向架具有十分重大的意義。

2 現(xiàn)役動車組轉(zhuǎn)向架智能化情況

我國范圍內(nèi)正在投入運(yùn)行的動車組有CRH1、CRH2、CRH3和CRH5等類型動車組。目前，在動車組的軸箱軸承和齒輪箱軸承上全面安裝了溫度傳感器，因此，軸箱軸承和齒輪箱軸承的運(yùn)行技術(shù)狀態(tài)得到了有效的控制，起到了很好的安全監(jiān)控作用。

但是，從動車組運(yùn)行動力學(xué)性能實(shí)時(shí)監(jiān)測方面來說，CRH1型動車組有CRH1A、CRH1B和CRH1E等類型，目前在它們上面沒有安裝有關(guān)判斷動力學(xué)性能的振動傳感器。

CRH2型動車組有CRH2A、CRH2B、CRH2C、CRH2E和CRH380A、CRH380AL等類型，其中在 CRH2A、CRH2B、CRH2C、CRH2E型動車組上沒有安裝有關(guān)判斷動力學(xué)性能的振動傳感器，而對CRH380A、CRH380AL型動車組來說，在構(gòu)架上已經(jīng)安裝了有關(guān)判斷動力學(xué)性能的振動傳感器。

CRH3型動車組有 CRH3C、CRH380B、CRH380BG、CRH380BL、CRH380CL等類型,在這些動車組轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架上也已經(jīng)安裝了振動加速度傳感器。

綜上所述，目前投入運(yùn)行的動車組有的安裝了加速度傳感器，有的沒有安裝。在構(gòu)架上安裝了振動加速度傳感器的動車組，可以通過采集和分析加速度數(shù)據(jù)，以判斷動車組的運(yùn)行穩(wěn)定性。但是，因?yàn)橹辉趧榆嚱M轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架上安裝了加速度傳感器，所以無法科學(xué)分析判斷動車組的其他動力學(xué)性能，無法科學(xué)分析判斷動車組轉(zhuǎn)向架重要部件技術(shù)狀態(tài)，無法全面分析動車組運(yùn)行的安全性，無法科學(xué)預(yù)見動車組部件性能的變化趨勢及動車組運(yùn)行的安全可靠性變化趨勢。

隨著動車組運(yùn)營里程和運(yùn)營時(shí)間的不斷增加，動車組零部件的性能會有不同程度的降低，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)沟昧悴考В绻患皶r(shí)進(jìn)行跟蹤檢測及檢修，會引發(fā)安全事件。由于目前在動車組沒有科學(xué)系統(tǒng)安裝振動傳感器等智能化實(shí)時(shí)跟蹤檢測裝置，即使有的動車組安裝了個(gè)別振動傳感器，但是，由于沒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，才去查問有關(guān)數(shù)據(jù)，沒有很好的起到預(yù)防事件發(fā)生的作用。因此，十分必要在動車組上全面科學(xué)系統(tǒng)安裝振動加速度傳感器，有效充分采集到反映動車組動力學(xué)性能的有關(guān)數(shù)據(jù)，成為保證動車組安全運(yùn)行的科學(xué)依據(jù)。

3 智能型動車組轉(zhuǎn)向架加速度傳感器布局方案

動車組動力學(xué)性能監(jiān)測系統(tǒng)由信號采集傳感器、信號傳輸線路和信號分析儀等部分組成。信號采集主要有動車組運(yùn)行速度、振動加速度和GPS位置信號等技術(shù)參數(shù)。

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

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

加速度傳感器測點(diǎn)布置方案如下：

（1）在轉(zhuǎn)向架的每位軸箱上安裝二維加速度傳感器，量程±100 g，采樣速率1 kHz，濾波200 Hz。直接測量車輪的技術(shù)狀態(tài)。

（2）在軸箱測點(diǎn)上方構(gòu)架上安裝二維加速度傳感器，量程±20 g，采樣速率1 kHz，濾波200 Hz。測量動車組的運(yùn)行穩(wěn)定性。

（3）在轉(zhuǎn)向架中心1 m范圍以內(nèi)的車體底架上安裝三維加速度傳感器，量程±0.5 g，采樣速率512 Hz，濾波40 Hz。測量車輛二系減振系統(tǒng)的加速度響應(yīng)及車體的垂向、橫向平穩(wěn)性及車輛的縱向沖動情況。

在動車組所有轉(zhuǎn)向架上安裝加速度傳感器，它的最大優(yōu)點(diǎn)是可以利用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，對在不同轉(zhuǎn)向架上同時(shí)采集到的同一部位同一性質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相互比較分析，從而，可以判斷出異常轉(zhuǎn)向架，真正做到防患于未然。

4 轉(zhuǎn)向架技術(shù)狀態(tài)輔助診斷分析系統(tǒng)

根據(jù)車輛動力學(xué)理論，影響車輛運(yùn)行性能的因素很多，但不管怎樣，反映車輛運(yùn)行性能的動力學(xué)、運(yùn)動學(xué)參數(shù)總歸是加速度、作用力、位移、速度以及頻率。因此，只要通過監(jiān)測車輛在運(yùn)行時(shí)的以上一些物理量并進(jìn)行分析，就可以判斷車輛運(yùn)行性能狀況。為此，我們采用二維及三維加速度傳感器檢測軸箱、構(gòu)架和車體的振動情況，計(jì)算車體平穩(wěn)性指標(biāo)，判斷高速動車組是否失穩(wěn)，以及判斷有關(guān)車輛部件的技術(shù)性能狀況。

4.1 動車組動力學(xué)性能的評價(jià)方法

動車組動力學(xué)性能的研究內(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）通過性能。本文以軌道線路性能相對穩(wěn)定的直線區(qū)段為研究參照條件，選擇振動加速度、振動頻率以及相應(yīng)的運(yùn)行速度作為研究參數(shù)，實(shí)時(shí)采樣計(jì)算比較分析判斷動車組運(yùn)行穩(wěn)定性、運(yùn)行平穩(wěn)性及其變化趨勢，以判斷動車組轉(zhuǎn)向架主要部件的技術(shù)性能狀況。

4.2 動車組運(yùn)行性能與轉(zhuǎn)向架各部件之間的相互關(guān)系

根據(jù)車輛動力學(xué)理論，車輛振動形式有：浮沉振動、伸縮振動、搖頭振動、點(diǎn)頭振動、下心滾擺振動和上心滾擺振動等六種振動類型。

4.2.1 影響動車組蛇行運(yùn)動穩(wěn)定性的因素

直接與車體搖頭有關(guān)的因素有轉(zhuǎn)向架與車體之間回轉(zhuǎn)力矩和轉(zhuǎn)向架輪對的縱向定位剛度。影響轉(zhuǎn)向架、車體蛇行運(yùn)動穩(wěn)定性的因素主要有：

（1）輪對縱向定位剛度K1x和橫向定位剛度K1y對轉(zhuǎn)向架蛇行運(yùn)動臨界速度Vcr起著決定性的作用。

（2）抗蛇行運(yùn)動減振器。

（3）車輪踏面的性能狀況。車輪踏面等效斜率λe值越大，轉(zhuǎn)向架、車體蛇行運(yùn)動頻率越高，不利于提高轉(zhuǎn)向架、車體蛇行運(yùn)動穩(wěn)定性。

（4）二系回轉(zhuǎn)復(fù)原力矩對抑制車體蛇行運(yùn)動非常有效，同時(shí)也提高了轉(zhuǎn)向架蛇行運(yùn)動臨界速度Vcr。

（5）二系橫向阻尼對車體蛇行運(yùn)動穩(wěn)定性影響較大，但過大的阻尼系數(shù)對車體的平穩(wěn)性是不利的。

（6）橫向控制桿性能。

4.2.2 影響動車組車體浮沉振動穩(wěn)定性的主要因素

（1）一系彈簧垂向剛度及性能。

（2）一系垂向油壓減振器阻尼特性。（3）二系垂向油壓減振器阻尼特性。

（4）二系彈簧垂向剛度及性能，即空氣彈簧及空重車閥、差壓閥、高度調(diào)整閥的動態(tài)性能狀況。

（5）車輪踏面的性能狀況。

4.2.3 影響動車組車體滾擺振動的主要因素

（1）抗側(cè)滾扭桿的性能。

（2）空氣彈簧及空重車閥、差壓閥、高度調(diào)整閥的動態(tài)性能狀況。

（3）一系彈簧垂向剛度及性能。

（4）一系垂向油壓減振器阻尼特性。

（5）二系垂向油壓減振器阻尼特性。

（6）二系彈簧垂向剛度及性能。

依據(jù)以上分析，通過實(shí)時(shí)檢測到的轉(zhuǎn)向架各部位的加速度、頻率和速度等技術(shù)參數(shù)，我們可以計(jì)算分析、比較判斷動車組有關(guān)部件的技術(shù)性能狀態(tài)。例如，采樣到安裝在某位軸箱上的垂向振動加速度大小超過某一數(shù)值，而且振動頻率很有規(guī)律，那么基本上可以判斷是車輪擦傷故障或車輪不圓度故障。又例如，采樣到安裝在某位構(gòu)架上的垂向振動加速度頻率大小異常，那么，很有可能是一系油壓減振器等部件有故障。這種故障現(xiàn)象與部件技術(shù)狀態(tài)之間的對應(yīng)關(guān)系，需要深入研究探索，建立智能化計(jì)算判斷故障專家?guī)臁?/p>

5 系統(tǒng)軟硬件架構(gòu)

動車組運(yùn)行動力學(xué)性能檢測設(shè)備包括三部分：振動傳感器、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、終端設(shè)備，如圖1所示。數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)是整個(gè)檢測系統(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、WTB總線模塊、MTB總線模塊、存儲模塊等。振動傳感器至數(shù)據(jù)采集卡采用低噪音同軸電纜連接，車體、轉(zhuǎn)向架振動數(shù)據(jù)分析結(jié)果通過WTB總線模塊發(fā)送給列車運(yùn)行控制系統(tǒng)。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，開始數(shù)據(jù)采集、處理和分析工作，同時(shí)將振動信號及其分析數(shù)據(jù)存儲在存儲模塊中。

圖1 動車組動力學(xué)性能檢測評價(jià)系統(tǒng)框圖

車載檢測設(shè)備技術(shù)指標(biāo)：

采集通道：32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；車體1000 mV/g；

系統(tǒng)接口：WTB總線 、MTB總線；

觸發(fā)方式：上位機(jī)軟件觸發(fā)；

系統(tǒng)電源：DC110 V；

內(nèi)部儲存：緩存1 MB，內(nèi)存1 GB，非易失性存儲4 GB；

外部存儲：可移動SDHC卡；

工作環(huán)境：溫度-40℃～70℃，濕度（10～95）%；

沖擊振動：軸箱200 g；構(gòu)架50 g；車體5 g；

5.1 硬件平臺

動車組運(yùn)行性能檢測評價(jià)系統(tǒng)基于高可靠工業(yè)級平臺NI CompactRIO（簡稱c-RIO）進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要提供車體、轉(zhuǎn)向架振動及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國際儀器設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，滿足車載設(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)滿足環(huán)境要求的非易失性存儲，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，可多臺設(shè)備級聯(lián)組成分布式測試系統(tǒng)，可擴(kuò)展全面檢測動車組運(yùn)行振動情況。

（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)對話界面。

動車組動力學(xué)性能數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)組成如圖2所示，選擇32個(gè)模擬輸入通道；ADC分辨率為24位；ADC類型為帶模擬預(yù)濾波；采用同步采樣模式。

圖2 數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)組成框圖

5.2 軟件架構(gòu)

5.2.1 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，對采集任務(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)，縮短開發(fā)周期，節(jié)約開發(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、測點(diǎn)的增加和修改等。

5.2.2 PC人機(jī)界面

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

（1）配置動車組振動采集任務(wù)。

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

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

（4）對應(yīng)顯示動車組位置、速度及時(shí)間數(shù)據(jù)。

（5）顯示輪對、車體、轉(zhuǎn)向架振動信號頻譜分析及相關(guān)性分析結(jié)果。

（6）對采集的數(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。

6 系統(tǒng)應(yīng)用方法及預(yù)期效果

動車組動力學(xué)性能是在靜態(tài)很難判斷好壞的，只有在動態(tài)情況根據(jù)檢測到的數(shù)據(jù)才能做出科學(xué)判斷。

動車組動力學(xué)性能檢測系統(tǒng)可以定位或按照運(yùn)行圖定時(shí)自動開機(jī)檢測：選擇某直線區(qū)段，線路技術(shù)狀態(tài)比較穩(wěn)定區(qū)段，動車組基本以250 km/h左右速度運(yùn)行，由于道床剛度穩(wěn)定，鋼軌型面穩(wěn)定，動車組各轉(zhuǎn)向架的運(yùn)行條件基本一致，可以忽略線路技術(shù)狀態(tài)變化問題。從動車組的投入運(yùn)行開始，在使用壽命不同階段，檢測計(jì)算分析振動性能數(shù)據(jù)變化情況。

監(jiān)測設(shè)備由加速度傳感器、信號采集接口、計(jì)算單元、信號儲存單元、電源和信號讀出接口等組成?？梢詫?shí)現(xiàn)動車組轉(zhuǎn)向架、車體振動加速度的頻譜分析；實(shí)現(xiàn)動車組振動加速度最大值、平均值、功率譜、預(yù)測值等分析；實(shí)現(xiàn)動車組平穩(wěn)性指標(biāo)和安全性指標(biāo)計(jì)算；實(shí)現(xiàn)動車組轉(zhuǎn)向架、車體振動加速度相關(guān)性分析；實(shí)現(xiàn)動車組失穩(wěn)特征分析；初步實(shí)現(xiàn)動車組車體、轉(zhuǎn)向架故障辨識與診斷。具有采集時(shí)間設(shè)定功能，或以設(shè)定地理位置觸發(fā)工作功能。監(jiān)測設(shè)備安裝在車體的設(shè)備室里，通過有關(guān)技術(shù)設(shè)計(jì)，一旦動車組通過某一設(shè)定的地點(diǎn)，監(jiān)測設(shè)備就會自動開始采集和計(jì)算分析有關(guān)反映動車組運(yùn)行性能的技術(shù)數(shù)據(jù)，經(jīng)過某一設(shè)定的時(shí)間后也會自動停止采集。一旦某個(gè)技術(shù)參數(shù)超過設(shè)定的門檻值，監(jiān)測設(shè)備就會發(fā)出警告信息。監(jiān)測設(shè)備可以記錄積累統(tǒng)計(jì)分析歷史記錄數(shù)據(jù)，計(jì)算分析動車組運(yùn)行性能的變化情況，研究性能變化規(guī)律，推斷動車組可能發(fā)生故障的部位及形式，為動車組計(jì)劃修和狀態(tài)修提供重要技術(shù)依據(jù)。

7 結(jié)束語

其實(shí)，真正的智能型動車組轉(zhuǎn)向架，應(yīng)該在動車組轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵部位的各個(gè)主要節(jié)點(diǎn)上按照該部件可能會發(fā)生的主要故障情形相應(yīng)安裝加速度、溫度、速度、位移、壓力等傳感器系統(tǒng)及圖像處理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測動車組運(yùn)行動力學(xué)性能、制動性能和動力傳動性能，從而實(shí)現(xiàn)動車組轉(zhuǎn)向架的全面智能化，以全面提升動車組運(yùn)行的安全可靠性，使動車組技術(shù)更上新臺階。

[1]《車輛動力學(xué)》.王福天.1995年.

[2]《客車運(yùn)行狀態(tài)便攜式檢測裝置》.鐵道部科學(xué)研究院課題組.2002年.

責(zé)任編輯：王 華

來稿日期：2016-08-10