左文龍，李富平

（中車長春軌道客車股份有限公司，長春 130062）

隨著高速動車組的快速發(fā)展，高速動車組已經(jīng)成為人們所熟知的交通工具，在交通運(yùn)輸領(lǐng)域占據(jù)著越來越重要的地位。高速動車組的逐漸普及，更加凸顯出提高車組安全性能、降低車組故障率的重要作用。文中結(jié)合動車組運(yùn)營過程中出現(xiàn)的真實(shí)故障，分析高速動車組DNRA系統(tǒng)存在的問題并提出優(yōu)化方案。

1 速度傳感器檢測原理

高速動車組軸端速度傳感器按照如下工作原理進(jìn)行列車速度信號采集。

1.1 軸承結(jié)構(gòu)

WSCQDL02G軸端速度傳感器主要依據(jù)磁敏元件進(jìn)行軸轉(zhuǎn)速測量。高速動車組軸上安裝了永磁體（磁環(huán)），軸端速度傳感器根據(jù)永磁體在傳感器表面的移動，來檢測軸的轉(zhuǎn)速。高速動車組軸承結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 高速動車組軸承照片

1.2 傳感器測速原理

軸端速度傳感器電纜包含2個磁敏元件，速度傳感器在0～4 kHz范圍內(nèi)運(yùn)行，磁敏元件的輸出與周圍的磁場關(guān)系如圖2所示。

從圖2中可以看出，當(dāng)磁敏元件接觸到S極時，輸出為高電平；當(dāng)磁敏元件接觸到N極時，輸出為低電平。當(dāng)軸上N、S極連續(xù)從傳感器表面經(jīng)過時，就會生成方波信號（低電平7 mA，高電平14 mA），軸承旋轉(zhuǎn)1周，會輸出80個方波信號。

圖2 磁敏元件的輸入輸出特性

1.3 速度傳感器主要技術(shù)參數(shù)

為深入研究速度傳感器的基本結(jié)構(gòu)，掌握速度傳感的內(nèi)部元器件性能，對傳感器內(nèi)部元器件的主要性能技術(shù)參數(shù)進(jìn)行分析，具體見表1。

表1 速度傳感器主要技術(shù)參數(shù)

2 動車組軸抱死故障樣本測試分析

動車組軸抱死故障對運(yùn)營運(yùn)輸秩序產(chǎn)生較大影響。經(jīng)統(tǒng)計(jì)90%的軸抱死故障在更換了軸端集成傳感器后故障消除。此次選取24起軸抱死故障為樣本，研究傳感器故障的原因。

24起軸抱死故障樣本具體分類如下：

（1）最初發(fā)生軸抱死故障的14條樣本，全部返回傳感器供應(yīng)商處進(jìn)行常規(guī)檢測，被測傳感器均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，且輸出波形與標(biāo)準(zhǔn)件比對正常。

（2）為探究軸抱死故障的真實(shí)原因，對后續(xù)發(fā)生軸抱死故障的10條樣本進(jìn)行分類試驗(yàn)，其中4條樣本進(jìn)行現(xiàn)車測試，6條樣本進(jìn)行常規(guī)測試及高溫振動試驗(yàn)。

2.1 001A車現(xiàn)車測試

最初的4起軸抱死故障均發(fā)生在華中地區(qū)，故障傳感器在地面試驗(yàn)臺測試時輸出波形均正常。為查找動車組在運(yùn)行途中出現(xiàn)軸抱死的真實(shí)故障原因，先后2次在華中地區(qū)001A車組上，通過現(xiàn)車檢測進(jìn)行研究。

為避免一次性安裝太多故障傳感器對動車組的正常運(yùn)營造成影響，故將最初的4條故障傳感器分成2批，分別進(jìn)行現(xiàn)車測試。

2.1.1 第一批測試

按照測試方案，將故障傳感器分別安裝在001A車組2軸的3位軸頭和4位軸頭。安裝故障傳感器后，001A車組在線運(yùn)行時再次出現(xiàn)軸抱死故障。通過對采集到數(shù)據(jù)的分析，安裝在4位軸頭的傳感器在動車組運(yùn)行時存在輸出波形失真的現(xiàn)象。

用傳感器測試設(shè)備分別采集3位軸頭和4位軸頭速度傳感器的輸出波形，如圖3～圖5所示。

圖3 第一批3位軸頭速度傳感器的輸出波形

圖5 第一批4位軸頭速度傳感器輸出異常段的波形

2.1.2 第二批測試

用另外2條故障傳感器繼續(xù)進(jìn)行第二批波形測試，傳感器測試設(shè)備分別采集3位軸頭和4位軸頭速度傳感器的輸出波形，通過波形分析，3位軸頭和4位軸頭的速度傳感器存在波形輸出失真的現(xiàn)象，具體輸出波形如圖6、圖7所示。

圖6 第二批3位軸頭速度傳感器的輸出波形圖

圖7 第二批4位軸頭速度傳感器的輸出波形圖

根據(jù)2批傳感器在工作時的輸出波形分析，除1條輸出波形正常以外，其余3條傳感器輸出的波形均存在異常情況，初步分析軸抱死發(fā)生的故障原因?yàn)樗俣葌鞲衅鬏敵霎惓２ㄐ巍?/p>

2.2 地面模擬測試

圖4 第一批4位軸頭速度傳感器的輸出波形圖

由于前期發(fā)生故障后更換的傳感器在地面進(jìn)行阻值測試、絕緣測試、耐壓測試和輸出波形測試均未發(fā)現(xiàn)異常。為進(jìn)一步分析速度傳感器是否真實(shí)存在故障，模擬列車運(yùn)行工況的高溫振動試驗(yàn)進(jìn)行深入分析測量。

2.2.1 常規(guī)測試

在進(jìn)行高溫振動試驗(yàn)前，對所有測試的傳感器進(jìn)行了常規(guī)檢查，包括外觀檢查、絕緣測試（DC 500 V，500 MΩ）、耐壓測試（AC 800 V，60 s）、輸出波形測試，被測傳感器均達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求，且輸出波形與標(biāo)準(zhǔn)件比對正常。如圖8所示。

圖8 傳感器性能測試

2.2.2 高溫振動試驗(yàn)

高溫工況最高達(dá)到80℃，振動工況按照IEC 61373標(biāo)準(zhǔn)中的3類A級（車軸安裝）進(jìn)行測試。此次測試的樣件共計(jì)6條，其中第4條為未發(fā)生故障的傳感器。

在高溫振動試驗(yàn)中，所有傳感器的輸出波形均受到影響，具體如下：

（1）測試件1

測試件1為更換的故障傳感器，在持續(xù)的高溫、振動的環(huán)境中，出現(xiàn)了輸出頻率發(fā)生跳變的現(xiàn)象，如圖9、圖10所示。

圖9 測試件1通道2頻率變低

圖10 測試件通道2頻率變高

（2）測試件2和測試件3

測試件2和測試件3同樣為動車組更換的故障傳感器，在持續(xù)的高溫、振動的環(huán)境中，當(dāng)溫度達(dá)到66℃左右時，通道1出現(xiàn)輸出信號保持在高電平不變的現(xiàn)象，具體如圖11所示。

圖11 測試件2和3通道1輸出波形

（3）測試件4

測試件4為未發(fā)生故障的傳感器，在測試過程中輸出波形未出現(xiàn)異常。

（4）測試件6和測試件7

測試件6和測試件7為在東北地區(qū)發(fā)生軸抱死故障中的疑似故障傳感器。在測試過程中，也出現(xiàn)了與測試件1相同的現(xiàn)象，即輸出波形的頻率增大或變小。

3 問題分析

3.1 環(huán)境溫度分析

通過動車組遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)對在線運(yùn)行動車組的軸箱溫度進(jìn)行監(jiān)控和分析發(fā)現(xiàn)，部分車輛傳感器工作的環(huán)境溫度達(dá)到78～80℃，持續(xù)時間可達(dá)2.5 h，甚至達(dá)3 h。

結(jié)合試驗(yàn)室模擬高溫、振動工況下傳感器輸出波形異常的測試結(jié)果推斷，傳感器工作狀態(tài)異常造成動車組誤報軸抱死故障與高溫存在一定的關(guān)聯(lián)性，因此，華中地區(qū)動車組發(fā)生誤報軸抱死故障的頻率明顯高的原因跟傳感器長期在高溫振動的環(huán)境中使用有關(guān)。

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

（1）現(xiàn)車測試結(jié)果分析

根據(jù)在001A車上現(xiàn)車測試的2批共4條傳感器的數(shù)據(jù)分析，動車組在運(yùn)行中只有1條傳感器輸出波形正常，其余3條傳感器輸出的波形均存在異常情況，且動車組均出現(xiàn)誤報軸抱死的現(xiàn)象。因此，速度傳感器的異常波形輸出造成列車誤報軸抱死故障。

（2）地面模擬測試結(jié)果分析

為找到傳感器輸出異常的原因，在地面試驗(yàn)中，分別在普通工況和模擬實(shí)際運(yùn)行的工況下對傳感器進(jìn)行測試，測試結(jié)果表明，在普通工況下，傳感器波形輸出正常，但在高溫（66℃）和振動（IEC 61373中3類A級）工況下，傳感器的輸出波形發(fā)生了異常。

（3）傳感器故障原因分析

速度傳感器的主要測速芯片工作的環(huán)境溫度為-40～+85℃之間，但根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況，部分傳感器實(shí)際長期處于高溫工況中，最高溫度可以達(dá)到80℃，長時間的高溫、振動工況會造成傳感器工作不穩(wěn)定，降低現(xiàn)有測速芯片的壽命，傳感器輸出信號的頻率和幅值發(fā)生變化，導(dǎo)致傳感器采集的速度與軸實(shí)際的速度產(chǎn)生偏差，偏差達(dá)到軸抱死檢測閾值時，動車組發(fā)生誤報軸抱死故障。

3.3 軸抱死檢測邏輯分析[1]

速度傳感器將每個軸端軸頭的速度信號發(fā)送給BCU，BCU的DNRA模塊對速度信號進(jìn)行整合分析，計(jì)算出2種結(jié)果：“速度信號斷路”、“輸出狀態(tài)信號異常”。

BCU與MPU之 間 進(jìn) 行 通訊［2］，并將DNRA計(jì)算的結(jié)果傳輸，最后MPU根據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)果進(jìn)行判斷并輸出相關(guān)的執(zhí)行指令，MPU的檢測邏輯如圖12所示。

圖12 現(xiàn)有診斷邏輯示意圖

由上圖可知，誤報軸抱死故障的原因主要有以下方面：

（1）BCU無通訊故障，但采集軸端速度的MB04B板卡通道故障無法采集正確的軸旋轉(zhuǎn)速度時，會報出軸抱死故障。

（2）當(dāng)同軸的2個軸端軸頭任一速度傳感器出現(xiàn)“速度信號斷路”、“輸出狀態(tài)信號異?！鼻闆r時會報出軸抱死故障。

（3）當(dāng)BCU與MPU之間的通訊出現(xiàn)異常，導(dǎo)致MPU錯誤接收到BCU檢測的軸抱死信號時會報出軸抱死故障。

通過分析該判斷邏輯，由于動車組原始的故障導(dǎo)向安全設(shè)計(jì)理念，同軸的一個軸端傳感器故障時就會報出軸抱死診斷信息，另一軸端傳感器的冗余采集并沒有得到有效的利用，造成軸抱死故障率較高，因此通過采集和對比同軸2個軸端傳感器的狀態(tài)值判斷軸的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)可有效降低軸抱死故障發(fā)生的頻率。

3.4 傳感器技術(shù)條件分析

根據(jù)動車組裝用的傳感器技術(shù)條件要求，速度傳感器的主要測速芯片工作的環(huán)境溫度為-40～+85℃之間，而實(shí)際部分車組的運(yùn)行環(huán)境溫度較高，動車組在長期高溫、振動工況下運(yùn)行時，傳感器的使用壽命縮短，傳感器輸出信號的幅值和頻率發(fā)生變化，導(dǎo)致傳感器采集的速度與軸實(shí)際的速度產(chǎn)生偏差。因此通過提高傳感器的耐高溫性能和抗干擾能力，能夠有效地保證傳感器的速度值輸出穩(wěn)定和可靠。

4 軟件濾波算法優(yōu)化及傳感器性能優(yōu)化

4.1 優(yōu)化MPU檢測邏輯

由于和諧號動車組每根軸的兩端軸頭均安裝了1個速度傳感器，可充分利用傳感器的冗余性，減少軸抱死誤報的發(fā)生。故可將原診斷邏輯進(jìn)行優(yōu)化，具體如下：

（1）至少1個主BCU與網(wǎng)絡(luò)通訊正常，當(dāng)同一軸兩端軸頭的2個速度傳感器都檢測到軸抱死時，立即在司機(jī)室顯示屏報出軸抱死故障，優(yōu)化后的軸抱死檢測邏輯①如圖13所示。

圖13 優(yōu)化后的軸抱死檢測邏輯①

（2）當(dāng)主BCU報出同一軸兩端軸頭的1個速度傳感器故障，另1個速度傳感器正常，正常傳感器檢測到軸抱死且持續(xù)時間超過5 s時，在司機(jī)室顯示屏報出軸抱死故障，優(yōu)化后的軸抱死檢測邏輯②如圖14所示。

圖14 優(yōu)化后的軸抱死檢測邏輯②

（3）1路BCU報MB04B板卡 故 障、BCU通 訊故障，另1路BCU正常且報出軸抱死故障時，在司機(jī)室顯示屏報出軸抱死故障，優(yōu)化后的軸抱死檢測邏輯③如圖15所示。

圖15 優(yōu)化后的軸抱死檢測邏輯③

4.2 優(yōu)化BCU/WSP檢測邏輯

通過BCU軟件的方案優(yōu)化，可有效提升傳感器的檢測穩(wěn)定性，具體如下：

（1）車速度在10 km/h以下不進(jìn)行軸報死診斷。

（2）速度上升過程中，速度10～40 km/h范圍內(nèi)，在UIC 541-05標(biāo)準(zhǔn)10 s診斷時間的基礎(chǔ)上增加30 s，見表2。

表2 BCU軸抱死診斷

4.3 優(yōu)化速度傳感器性能

通過提升速度傳感器的耐高溫等標(biāo)準(zhǔn)，可有效保證傳感器的使用壽命要求和波形輸出的穩(wěn)定性。具體如下：

（1）選用新型的速度傳感器測速芯片，提高傳感器的工作溫度，使其允許的工作環(huán)境溫度達(dá)到-40～+125℃；

（2）增加傳感器的高溫、振動試驗(yàn)，篩選出工作狀態(tài)不穩(wěn)定的傳感器。

5 結(jié)論

通過分析速度傳感器檢測原理，結(jié)合現(xiàn)車測試及地面模擬測試的方法可知，傳感器故障頻發(fā)與其長期在高溫振動環(huán)境中使用有關(guān)。優(yōu)化方案如下：

（1）通過優(yōu)化MPU和BCU/WSP檢測邏輯，充分利用傳感器的冗余設(shè)計(jì)性能，有效降低誤報軸抱死故障的頻率。

（2）通過選用新型速度傳感器芯片提升其溫度適用范圍，增加高溫振動試驗(yàn)提升傳感器可靠性。