李 前，徐艷暉，閆科超

(中車大同電力機車有限公司 研究院，山西 大同 037038)

為確保機車運行的安全，機車上配備了由微機處理收集及反饋的安全防護設(shè)備。在國外，高速列車早已實現(xiàn)了對全列車的自動診斷。機車基本都配備了機車微機監(jiān)控系統(tǒng)，在動車和既有列車上都裝設(shè)了進行數(shù)據(jù)采集和自我診斷的微機處理系統(tǒng)，對轉(zhuǎn)向架、制動系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)和車頂高壓部等關(guān)鍵位置進行數(shù)據(jù)監(jiān)測，通過機車網(wǎng)絡(luò)快速傳送到微機處理器，然后利用無線信號將列車運轉(zhuǎn)狀況及時傳送到各所屬部門，提早為動車和機車維修以及更換相關(guān)部件做準(zhǔn)備。

我國機車在車載監(jiān)控方面已發(fā)展了很長時間，機車安全信息系統(tǒng)、機車狀態(tài)信息系統(tǒng)和機車監(jiān)測信息系統(tǒng)上的種類繁多。目前我國機車上的主要安全監(jiān)控系統(tǒng)有LKJ列車運行監(jiān)控系統(tǒng)、列車運行狀態(tài)信息系統(tǒng)(LAIS)、ATP車載防護設(shè)備、機車車載安全監(jiān)測系統(tǒng)(6A系統(tǒng))、機車遠(yuǎn)程監(jiān)測及實時診斷系統(tǒng)(CMD系統(tǒng))[1]。

6A系統(tǒng)是一種安全監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)含有列車供電監(jiān)測、高壓絕緣監(jiān)測、機車視頻監(jiān)測、遠(yuǎn)程防火監(jiān)測、制動監(jiān)測、轉(zhuǎn)向架車載監(jiān)測六大監(jiān)測子系統(tǒng)于一體。該系統(tǒng)解決了現(xiàn)有機車上行車安全監(jiān)測設(shè)備不統(tǒng)型的問題，能實現(xiàn)行車數(shù)據(jù)實時監(jiān)測、儲存和下載的功能。

1 列車供電監(jiān)測

列車供電監(jiān)測子系統(tǒng)由列車供電監(jiān)測板卡、漏電流檢測模塊、連接器、線纜組成。該子系統(tǒng)通過監(jiān)測列車供電線路對地漏電流值，實時監(jiān)測列車供電的漏電、負(fù)荷情況。

2 高壓絕緣監(jiān)測

高壓絕緣監(jiān)測子系統(tǒng)由高壓絕緣檢測箱、連接器、線纜組成。該監(jiān)測子系統(tǒng)在司機升弓前，通過測量高壓設(shè)備對地的漏電流等，檢測機車車頂高壓設(shè)備的絕緣狀態(tài)。

3 機車視頻監(jiān)測

自動視頻監(jiān)控及記錄子系統(tǒng)由攝像頭、視頻采集板卡1(AV1)、視頻采集板卡2(AV2)、視頻處理板卡(AV3)、連接器、電纜組成。該子系統(tǒng)通過在車前后端、司機室、機械間、電器間等多個部位安裝攝像頭，對視頻情況進行記錄，通過中央處理平臺與防火監(jiān)控子系統(tǒng)進行聯(lián)動，火災(zāi)發(fā)生時可自動切換至火情發(fā)生區(qū)域的視頻圖像。

4 遠(yuǎn)程防火監(jiān)測

一般防火監(jiān)測系統(tǒng)的探測設(shè)備主要有光電感煙探測器、典型感溫探測器、火焰探測器、感溫線纜等設(shè)備。6A系統(tǒng)的遠(yuǎn)程防火監(jiān)測主要設(shè)備為光電感煙探測器，該設(shè)備是利用火災(zāi)煙霧對光產(chǎn)生吸收和散射作用來探測火災(zāi)的一種裝置，通過對散發(fā)在空氣中較高溫度的混合氣溶膠，即未完全燃燒的液、固分解生成物與冷凝物微小顆粒進行探測報警。遠(yuǎn)程防火監(jiān)測子系統(tǒng)的應(yīng)用，及時避免了多起較嚴(yán)重的火災(zāi)事故。通過6A機車車載監(jiān)測系統(tǒng)的遠(yuǎn)程防火監(jiān)測子系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，把線下定期檢查轉(zhuǎn)移到了線上實時監(jiān)測。

5 制動監(jiān)測

制動監(jiān)測子系統(tǒng)中的停放制動監(jiān)測設(shè)備主要是停放制動非正常施加監(jiān)測功能的獨立模塊，由制動監(jiān)測主板、監(jiān)測子板、壓力變送器、連接器、線纜組成。把列車管壓力值發(fā)送給制動監(jiān)測子板卡，結(jié)合車載微機系統(tǒng)提供或觸點傳遞的彈停制動閥被隔離信息，監(jiān)測機車運行過程中停放制動異常施加狀態(tài)，并把結(jié)果通過制動主板卡發(fā)送給中央處理平臺[2]。通過6A機車車載監(jiān)測系統(tǒng)的制動監(jiān)測子系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，把部分制動系統(tǒng)故障的處置形式從事后處置轉(zhuǎn)移到了提前干預(yù)，并且利用CMD系統(tǒng)實現(xiàn)了從回段線下故障定位到途中線上故障實時定位的功能。

6 轉(zhuǎn)向架車載監(jiān)測

轉(zhuǎn)向架車載監(jiān)測子系統(tǒng)主要是對運行過程中的機車轉(zhuǎn)向架進行在線檢測，當(dāng)前主要采用的是溫度和振動監(jiān)測的方式判斷故障情況。

6.1 軸承故障監(jiān)測

軸承是轉(zhuǎn)向架中最常見和最易損壞的部件之一，在使用過程中的故障形式主要有疲勞剝落、磨損、塑性變形、腐蝕、斷裂、膠合[3]。

目前，用于軸承故障監(jiān)測和診斷的方法有很多。采用振動和溫度的監(jiān)測方法，可以監(jiān)測的故障類型有疲勞剝落、裂紋、壓痕、磨損、電蝕、擦傷、燒傷、銹蝕、保持架破損、蠕變等，該監(jiān)測方法的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在：(1)可以監(jiān)測出各種類型軸承的異常現(xiàn)象；(2)在故障初期就可以發(fā)現(xiàn)異常，并可在旋轉(zhuǎn)中測定；(3)由于振動信號發(fā)自軸承本身，所以不需要特別的信號源；(4)信號監(jiān)測和處理比較簡單。

軸承中所產(chǎn)生的振動是隨機的，含有滾動體的傳輸振動。其主要頻率成分為軸承的特征頻率，內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)頻率fi、保持架旋轉(zhuǎn)頻率fc、滾子有轉(zhuǎn)頻率fb、保持架通過(內(nèi)圈)頻率fci、滾子通過內(nèi)圈頻率fBi、滾子通過外圈頻率fBo可根據(jù)軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)計算：

fi=f=N/60

(1)

(2)

(3)

(4)

fBi=nfci

(5)

fBo=nfc

(6)

式中：N——軸的轉(zhuǎn)速，r/min；

d——滾子直徑；

D——兩滾子的中心距；

β——接觸角；

n——滾子數(shù)量。

(7)

式中：r——滾子的半徑；

E——彈性模量；

ρ——材料的密度。

軸承內(nèi)、外圈在圈平面內(nèi)的固有頻率：

(8)

式中：n——固有頻率的階數(shù)；

I——套圈截面繞中性軸的慣性矩；

a——回轉(zhuǎn)軸線到中性軸的半徑；

M——單位長度的質(zhì)量。

依據(jù)上述公式可以計算出軸承各零部件的固有頻率以及軸承各零部件在正常運用中的振動信號時域波形，通過與儀器測量出的振動信號時域波形對比可以分析出軸承的健康狀態(tài)。

HXD2型系列機車驅(qū)動裝置采用半架懸單齒輪結(jié)構(gòu)，在每軸設(shè)置6個測點，傳感器定義為從齒輪箱所在端開始，依次為：1位，齒端軸箱軸承座；2位，齒端電機軸承座；3位，齒端抱軸軸承座；4位，非齒端抱軸軸承座；5位，非齒端電機軸承座；6位，非齒端軸箱軸承座，例如A11表示A節(jié)機車1軸1位。圖1為6A系統(tǒng)監(jiān)測點的位置示意圖[4-5]。

圖1 6A系統(tǒng)轉(zhuǎn)向架監(jiān)測點位置示意圖

目前的6A系統(tǒng)對電機軸承溫度的檢測是以裝在軸承附近的6A傳感器測得的溫度為準(zhǔn)，雖然檢測到的溫度是正確的，但是由于非傳動端軸承在電機出風(fēng)口附近，電機的出風(fēng)是經(jīng)過繞組的加熱具有較高的溫度，所以傳感器檢測到的這個溫度，不完全是軸承自身運行產(chǎn)生的溫度，而是自身運行溫度與出風(fēng)烘烤溫度的疊加。6A系統(tǒng)傳感器無法區(qū)分這兩個溫度，所以檢測的溫度有誤報的因素。目前的報警限值設(shè)置為溫度90 ℃、溫升55 ℃，經(jīng)過分析對機車軸溫報警閾值進行了適應(yīng)性調(diào)整，調(diào)整結(jié)果如下：

(1)將牽引電機非傳動端軸承最高溫度門檻限值設(shè)定為105 ℃；

(2)將牽引電機非傳動端軸承溫升門檻限值設(shè)定為70 ℃；

(3)將牽引電機傳動端軸承最高溫度門檻限值設(shè)定為120 ℃；

(4)將牽引電機傳動端軸承溫升門檻限值設(shè)定為70 ℃。

6.2 輪對踏面監(jiān)測

圖2為6A轉(zhuǎn)向架監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)中車輪踏面信息位置分布，縱坐標(biāo)表示預(yù)警次數(shù)，橫坐標(biāo)表示軸位，例如A16(R)表示A節(jié)機車1軸6位右側(cè)。從圖2中可以看出，非齒側(cè)車輪踏面預(yù)警次數(shù)高于齒側(cè)車輪踏面預(yù)警次數(shù)，表明非齒側(cè)車輪踏面損傷概率高于齒側(cè)車輪踏面。轉(zhuǎn)向架監(jiān)測系統(tǒng)可以對車輪多邊形狀態(tài)進行有效監(jiān)測，要充分利用6A系統(tǒng)預(yù)報警數(shù)據(jù)進行分析，對輪對踏面存在頻繁預(yù)報警的機車應(yīng)及時進行恢復(fù)性旋修。

圖2 6A系統(tǒng)轉(zhuǎn)向架監(jiān)測數(shù)據(jù)中車輪踏面信息位置分布

7 結(jié)語

機車車載監(jiān)測系統(tǒng)(6A系統(tǒng))主要優(yōu)勢如下：

(1)防火監(jiān)測，把機車車上設(shè)備的狀態(tài)從線下定期檢查轉(zhuǎn)移到了線上實時監(jiān)測；

(2)預(yù)防維修，提高了機車車輛運用可靠性的同時，也提升了制動故障定位速度；

(3)通過振動波形和溫升的分析，可以了解轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件的健康狀態(tài)，提前做好關(guān)鍵部件的預(yù)防性維修；

(4)將傳統(tǒng)的經(jīng)驗維修理念向可靠性維修理念轉(zhuǎn)變。

綜上所述，6A系統(tǒng)對整車進行狀態(tài)監(jiān)測，保證了機車整體運行的可靠性，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集和分析，客戶不需要對機車進行解體就可以了解機車各關(guān)鍵部件的實際運用狀態(tài)，降低了機車的維修成本，提高了機車的使用率。該系統(tǒng)滿足軌道交通對機車健康監(jiān)測的需求。