焦芳芳，胡正偉，郭鳳媛

（1.信陽(yáng)學(xué)院 大數(shù)據(jù)與人工智能學(xué)院，河南 信陽(yáng) 464000；2.中車唐山機(jī)車車輛有限公司 產(chǎn)品研發(fā)中心，河北 唐山 063035）

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)科技的快速發(fā)展，動(dòng)車組成為乘客出行的首要選擇，其運(yùn)行速度高達(dá)300 km/h以上，部分線路最高時(shí)速已高達(dá)350 km/h以上，其運(yùn)營(yíng)安全關(guān)系著乘客的安全和高鐵事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)作為高速動(dòng)車組的神經(jīng)中樞，主要實(shí)現(xiàn)列車控制、設(shè)備管理、運(yùn)行信息采集、運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視和故障診斷等，從而保證列車安全可靠的運(yùn)行，并為司機(jī)或機(jī)械師提供故障處理指南，為檢修維護(hù)提供數(shù)據(jù)支持。本文將介紹某型車轉(zhuǎn)向架軸溫監(jiān)測(cè)裝置，其對(duì)列車運(yùn)行過(guò)程中輪對(duì)的軸箱軸承溫度進(jìn)行監(jiān)控。

1 軸溫檢測(cè)裝置組成

該車型軸溫監(jiān)測(cè)裝置的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 軸溫監(jiān)測(cè)裝置網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

各車廂都設(shè)置一套軸溫檢測(cè)裝置，通過(guò)一個(gè)車廂地址編碼連接器區(qū)分各車軸溫主機(jī)。以某個(gè)車廂為例，軸溫監(jiān)測(cè)裝置MVB接口圖如圖2所示。

圖2 某車廂MVB接口圖

2 軸溫監(jiān)測(cè)裝置采用的溫度傳感器分布及溫度界面

該車型1-8車轉(zhuǎn)向架每根軸端設(shè)置1個(gè)雙通道的PT100溫度傳感器，采集的兩路溫度直接連接到軸溫監(jiān)測(cè)主機(jī)1。2/7/4/5車各配置4個(gè)齒輪箱和4個(gè)牽引電機(jī)，每個(gè)齒輪箱分別配備4個(gè)單通道溫度傳感器（分別為大齒輪車輪側(cè)溫度傳感器、大齒輪電機(jī)側(cè)溫度傳感器、小齒輪車輪側(cè)溫度傳感器、小齒輪電機(jī)側(cè)溫度傳感器），每個(gè)牽引電機(jī)分別配備3個(gè)單通道溫度傳感器（為別為牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)端溫度傳感器、牽引電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端溫度傳感器、牽引電機(jī)定子溫度傳感器）。齒輪箱溫度傳感器和牽引電機(jī)溫度傳感器直接連接到軸溫監(jiān)測(cè)主機(jī)2。軸端溫度傳感器的分布如圖3所示，圖4從左到右分別為軸箱溫度、齒輪箱溫度、電機(jī)溫度界面。

圖3 軸端溫度傳感器分布圖

圖4 溫度界面

3 軸溫監(jiān)測(cè)裝置的功能

轉(zhuǎn)向架軸溫監(jiān)測(cè)是對(duì)列車運(yùn)行過(guò)程中輪對(duì)的軸箱軸承溫度進(jìn)行監(jiān)控，主要功能是采集和保存軸溫?cái)?shù)據(jù)，并對(duì)某些故障進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警或采取相應(yīng)的列車保護(hù)措施。轉(zhuǎn)向架每根軸端分別設(shè)置的雙通道PT100溫度傳感器、齒輪箱溫度傳感器、牽引電機(jī)溫度傳感器，將采集的溫度數(shù)據(jù)周期性發(fā)送到列車中央控制單元，由中央控制單元進(jìn)行評(píng)估處理并用于相應(yīng)的故障診斷，中央控制單元中軸溫監(jiān)測(cè)模塊與其他模塊及軸溫主機(jī)、人機(jī)交互界面間接口關(guān)系如圖5所示。

圖5 軸溫監(jiān)測(cè)模塊接口圖

軸溫監(jiān)測(cè)模塊的功能包括軸溫主機(jī)故障判斷、軸溫評(píng)估、故障診斷及狀態(tài)處理等。

3.1 軸溫主機(jī)故障判斷

根據(jù)列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采集到軸溫檢測(cè)裝置生命信號(hào)的變化情況、軸溫監(jiān)測(cè)裝置故障信息、輸入輸出模塊采集到的軸溫檢測(cè)裝置故障的個(gè)數(shù)情況等判斷軸溫主機(jī)是否故障。以判斷1個(gè)車軸溫主機(jī)是否故障為例，以下任一工況發(fā)生且持續(xù)一定時(shí)間均認(rèn)為軸溫主機(jī)故障：

（1）工況1：以下5個(gè)條件至少有3個(gè)發(fā)生：

條件1：在主機(jī)與列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)無(wú)通信故障時(shí)，軸溫報(bào)警主機(jī)故障信號(hào)為1；條件2：在輸入輸出模塊1正常的情況下，軸溫主機(jī)工作故障信號(hào)為1；條件3：在輸入輸出模塊1正常的情況下，軸溫主機(jī)工作正常信號(hào)為0；條件4：在冗余輸入輸出模塊2正常的情況下，軸溫主機(jī)工作故障信號(hào)為1；條件5：在冗余輸入輸出模塊2正常的情況下，軸溫主機(jī)工作正常信號(hào)為0。

（2）工況2：在輸入輸出模塊1故障的情況下，以下3個(gè)條件至少有2個(gè)發(fā)生：

條件1：在主機(jī)與列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)無(wú)通信故障時(shí)，軸溫報(bào)警主機(jī)故障信號(hào)為1；條件2：在冗余輸入輸出模塊2正常的情況下，軸溫主機(jī)工作故障信號(hào)為1；條件3：在冗余輸入輸出模塊2正常的情況下，軸溫主機(jī)工作正常信號(hào)為0。

（3）工況3：在冗余輸入輸出模塊2故障的情況下，以下3個(gè)條件至少有2個(gè)發(fā)生：

條件1：在主機(jī)與列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)無(wú)通信故障時(shí)，軸溫報(bào)警主機(jī)故障信號(hào)為1；條件2：在輸入輸出模塊1正常的情況下，軸溫主機(jī)工作故障信號(hào)為1；條件3：在輸入輸出模塊1正常的情況下，軸溫主機(jī)工作正常信號(hào)為0。

（4）工況4：在輸入輸出模塊1故障且軸溫主機(jī)與列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)通信故障的情況下，以下2個(gè)條件至少有1個(gè)發(fā)生：

條件1：在冗余輸入輸出模塊2正常的情況下，軸溫主機(jī)工作故障信號(hào)為1；條件2：在冗余輸入輸出模塊2正常的情況下，軸溫主機(jī)工作正常信號(hào)為0。

（5）工況5：在冗余輸入輸出模塊2故障且軸溫主機(jī)與列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)通信故障的情況下，以下2個(gè)條件至少有1個(gè)發(fā)生：

條件1：在輸入輸出模塊1正常的情況下，軸溫主機(jī)工作故障信號(hào)為1；條件2：在輸入輸出模塊1正常的情況下，軸溫主機(jī)工作正常信號(hào)為0。

（6）工況6：在輸入輸出模塊1故障且冗余輸入輸出模塊2故障時(shí)，以下條件發(fā)生：

條件1：在主機(jī)與列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)無(wú)通信故障時(shí)，軸溫報(bào)警主機(jī)故障信號(hào)為1。

3.2 軸溫評(píng)估

為了更精確的監(jiān)測(cè)列車轉(zhuǎn)向架軸溫并對(duì)轉(zhuǎn)向架軸溫故障進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷，須對(duì)每個(gè)軸溫采集通道進(jìn)行合理性評(píng)估。對(duì)于雙通道PT100溫度傳感器采集的軸溫評(píng)估分為三步，每一步檢查均以上一步的檢查通過(guò)為前提，檢查過(guò)程如下：

（1）最大值檢查。列車靜止時(shí)軸溫低于80 ℃，非靜止時(shí)低于260 ℃。為了避免因列車臨時(shí)停車等靜止情況造成采集的軸溫偏高而引起的故障誤報(bào)，其中列車靜止條件下最大值檢查要求列車靜止時(shí)間大于2小時(shí)。

（2）軸溫變化率檢查。正常情況下，軸溫變化率在（-20，+20)℃/s之內(nèi)，溫度輸出值可實(shí)時(shí)追蹤輸入值。為了檢測(cè)該通道軸溫信號(hào)跳變是否超限，檢測(cè)過(guò)程較為復(fù)雜，檢測(cè)的原則是第一步檢查正常的情況下，在10分鐘內(nèi)若該通道軸溫信號(hào)跳變的次數(shù)不超過(guò)4次（本時(shí)刻該通道軸溫信號(hào)的值與上一時(shí)刻的差值超出軸溫變化率正負(fù)響應(yīng)值，則認(rèn)為該通道軸溫信號(hào)發(fā)生1次跳變），則認(rèn)為該通道軸溫變化率檢查正常。

（3）平均值檢查。平均值檢查時(shí)的參考平均值為所在車同側(cè)軸溫平均值。平均值檢測(cè)的原則是第二步檢查正常的情況下，該通道軸溫與所在車同側(cè)軸溫平均值的差值在（-15，+15） ℃范圍內(nèi)，則認(rèn)為平均值檢查正常。平均值檢查僅在列車靜止且參考平均值有效時(shí)進(jìn)行，若參考平均值無(wú)效或列車運(yùn)行過(guò)程中始終認(rèn)為第三步檢查正常。

若該通道已通過(guò)第三步檢查，或僅通過(guò)第二步檢查且同一溫度傳感器的冗余通道也沒(méi)有通過(guò)第三步檢查，則認(rèn)為該通道軸溫合理性評(píng)估通過(guò)，否則該通道軸溫合理性評(píng)估不通過(guò)。雙通道軸溫評(píng)估流程如圖6所示。

圖6 雙通道軸溫評(píng)估流程圖

對(duì)于單通道溫度傳感器采集的軸溫評(píng)估需要經(jīng)過(guò)最大值檢查、軸溫變化率檢查、平均值檢查來(lái)判斷。只是每步檢查不以上一步檢查通過(guò)為前提，且平均值檢查不需參考冗余通道的平均值檢查相對(duì)比較簡(jiǎn)單。

3.3 故障診斷

（1）溫度傳感器故障。若某溫度傳感器的兩個(gè)通道的合理性評(píng)估都沒(méi)有通過(guò)，則認(rèn)為該溫度傳感器故障。當(dāng)列車中央控制單元檢測(cè)到列車內(nèi)存在轉(zhuǎn)向架軸溫傳感器故障時(shí)，列車限速200 km/h運(yùn)行，同時(shí)在人機(jī)交互界面報(bào)出相應(yīng)故障提示。若當(dāng)前列車速度超過(guò)限速值，將自動(dòng)封鎖牽引；若5分鐘后列車速度仍超過(guò)限速值，將自動(dòng)施加強(qiáng)迫制動(dòng)。當(dāng)列車速度低于限速值時(shí)，牽引封鎖和施加的制動(dòng)指令將消失。

（2）軸溫超溫預(yù)警。發(fā)生轉(zhuǎn)向架軸溫超溫預(yù)警，中央控制單元僅內(nèi)部記錄用于檢修維護(hù)，不進(jìn)行限速或故障提示，故障消失后可自動(dòng)復(fù)位。轉(zhuǎn)向架軸溫超溫預(yù)警分為以下幾種情況：

1）溫度傳感器的兩個(gè)通道的軸溫均高于100 ℃，或超出同側(cè)溫度平均值30 ℃；

2）僅一個(gè)通道軸溫出現(xiàn)超溫，且延時(shí)半分鐘后仍然存在；

3）僅一個(gè)通道軸溫出現(xiàn)超溫，且僅一個(gè)通道合理性評(píng)估通過(guò)。

（3）過(guò)暖運(yùn)行。發(fā)生轉(zhuǎn)向架過(guò)暖運(yùn)行時(shí)，中央控制單元僅在人機(jī)交互界面提示司機(jī)限速200 km/h，不自動(dòng)封鎖牽引或施加制動(dòng)。故障消失后，需通過(guò)按鈕或服務(wù)軟件進(jìn)行才可復(fù)位。在雙通道溫度傳感器兩個(gè)通道中至少有一個(gè)溫度值超過(guò)120 ℃時(shí)，發(fā)生轉(zhuǎn)向架過(guò)暖運(yùn)行分為以下幾種情況：

1）溫度傳感器的兩個(gè)通道的軸溫均高于120 ℃，或超出同側(cè)溫度平均值50 ℃；

2）僅一個(gè)通道軸溫高于120 ℃或超出同側(cè)平均溫度50 ℃時(shí)，延時(shí)半分鐘后仍然存在；

3）僅一個(gè)通道軸溫高于120 ℃或超出同側(cè)平均溫度50 ℃時(shí)，且僅一個(gè)通道合理性評(píng)估通過(guò)。

（4）過(guò)熱運(yùn)行。發(fā)生轉(zhuǎn)向架過(guò)熱運(yùn)行時(shí)，中央控制單元在人機(jī)交互界面提示司機(jī)限速40 km/h，自動(dòng)封鎖牽引并施加強(qiáng)迫制動(dòng)。故障消失后，需通過(guò)按鈕或服務(wù)軟件進(jìn)行才可復(fù)位。在雙通道溫度傳感器兩個(gè)通道中至少有一個(gè)溫度值超過(guò)140 ℃時(shí)，發(fā)生轉(zhuǎn)向架過(guò)暖運(yùn)行分為以下幾種情況：

1）溫度傳感器的兩個(gè)通道軸溫均高于140 ℃，或超出同側(cè)溫度平均值65 ℃；

2）僅一個(gè)通道軸溫高于140 ℃或超出同側(cè)平均溫度65 ℃時(shí)，延時(shí)半分鐘后仍然存在；

3）僅一個(gè)通道軸溫高于140 ℃或超出同側(cè)平均溫度65 ℃時(shí)，且僅一個(gè)通道合理性評(píng)估通過(guò)。

3.4 狀態(tài)處理

各車軸溫主機(jī)正常、軸溫主機(jī)故障、軸溫主機(jī)通信故障等狀態(tài)會(huì)形成狀態(tài)字，通過(guò)列車總線發(fā)送給人機(jī)交互界面并在其上顯示。以1個(gè)車為例，軸溫主機(jī)正常其狀態(tài)字為3；軸溫主機(jī)故障其狀態(tài)字為2；軸溫主機(jī)通信故障其狀態(tài)字為1。

4 結(jié) 論

轉(zhuǎn)向架是動(dòng)車組的重要組成部分，其運(yùn)行穩(wěn)定性對(duì)動(dòng)車組安全運(yùn)營(yíng)起著至關(guān)重要的作用。本文介紹了某型車轉(zhuǎn)向架軸溫監(jiān)測(cè)裝置，對(duì)軸溫監(jiān)測(cè)裝置中軸溫評(píng)估流程及故障診斷進(jìn)行詳細(xì)描述，對(duì)生產(chǎn)調(diào)試及售后維修人員有一定的指導(dǎo)意義。