TPDS、TADS探測客車技術(shù)研究及技術(shù)改進(jìn)建議

鄧俊波

（中國鐵路武漢局集團(tuán)有限公司車輛部，湖北武漢 430071）

0 引言

車輛運(yùn)行安全監(jiān)控系統(tǒng)（5T系統(tǒng)）由車輛軸溫智能探測系統(tǒng)（THDS）、車輛運(yùn)行品質(zhì)軌邊動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)（TPDS）、車輛滾動軸承故障軌邊聲學(xué)診斷系統(tǒng)（TADS）、貨車故障動態(tài)圖像檢測系統(tǒng)（TFDS）、客車運(yùn)行狀態(tài)安全監(jiān)測系統(tǒng)（TCDS）等子系統(tǒng)組成。近年來，在貨車TFDS、TADS成熟運(yùn)用的基礎(chǔ)上，開始研制并推廣鐵路客車故障軌旁圖像檢測系統(tǒng)（TVDS）、動車組運(yùn)行故障動態(tài)圖像檢測系統(tǒng)（TEDS）、動車組滾動軸承故障軌邊聲學(xué)診斷系統(tǒng)（TADS-1），進(jìn)一步完善了車輛運(yùn)行安全監(jiān)控手段［1-2］。5T系統(tǒng)中THDS、TPDS、TADS、TFDS等貨車安全檢測子系統(tǒng)針對貨車走行部進(jìn)行檢測，在既有普速鐵路上部署較為密集，是及時發(fā)現(xiàn)貨車走行部故障的主要手段。TEDS、TADS-1等動車組安全檢測子系統(tǒng)的應(yīng)用，以及在進(jìn)入動車段和動車運(yùn)用所咽喉處部署的車輛故障在線監(jiān)測系統(tǒng)等，也實現(xiàn)了對動車組走行部故障的有效監(jiān)測［3-4］。

相對而言，普速客車（簡稱客車）運(yùn)行安全監(jiān)控手段相對薄弱，TCDS是通過客車車載無線設(shè)備向地面監(jiān)控設(shè)施實時傳送客車運(yùn)行數(shù)據(jù)的安全監(jiān)測設(shè)備，其檢測重點是客車供電、車下電源、軸溫報警器、制動系統(tǒng)等，對于客車走行部的檢測手段不足；TVDS在一定程度上彌補(bǔ)了客車走行部的安全檢測手段，實現(xiàn)了對客車走行部關(guān)鍵部位的圖像檢測，但對客車車輪踏面損傷和滾動圓失真、轉(zhuǎn)向架蛇行失穩(wěn)、軸承內(nèi)部早期缺陷等仍缺乏有效檢測手段［5-7］。鐵路客車、貨車走行部結(jié)構(gòu)有較大相似性，在客貨共線運(yùn)行的實際情況下，利用既有貨車安全檢測子系統(tǒng)對客車進(jìn)行兼顧探測，不僅能夠提升客車運(yùn)行安全監(jiān)控能力，而且可以實現(xiàn)資源共享，更大限度發(fā)揮貨車安全檢測子系統(tǒng)的效用，因此開展貨車安全檢測子系統(tǒng)探測客車技術(shù)研究具有重要意義。鑒于TCDS、TVDS已具備部分走行部運(yùn)行安全監(jiān)測功能，主要針對TPDS、TADS對客車探測的適應(yīng)性和技術(shù)改進(jìn)進(jìn)行研究。

1 TPDS探測客車適應(yīng)性分析及技術(shù)改進(jìn)建議

1.1 適應(yīng)性分析

1.1.1 電磁兼容問題

在貨物列車上，除機(jī)車上有少量干擾源外，其他車輛基本沒有。與貨車不同，客車上安裝有大量機(jī)電、通信設(shè)備，對客車運(yùn)行安全起著不可或缺的作用，但電磁能量的發(fā)射對TPDS設(shè)備卻產(chǎn)生了較強(qiáng)電磁干擾。客車上的電磁干擾不僅在數(shù)量上多于貨車，且干擾源距線路與車輛相互作用的輪軌力監(jiān)測點的距離也更近，其干擾比貨車要嚴(yán)重許多。

TPDS的輪軌力測試傳感器屬于毫伏級小信號應(yīng)變式測量，需經(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。在客車電氣電子設(shè)備的電磁干擾下，極易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，甚至?xí)囕v計軸計輛產(chǎn)生干擾，影響檢測系統(tǒng)的正確評判，導(dǎo)致無法準(zhǔn)確預(yù)報故障信息。

1.1.2 測試平臺問題

TPDS由22根混凝土軌枕組成框架式軌道測試平臺，軌枕間距設(shè)計為760 mm（比普通軌枕間距600 mm寬），測試平臺總長為16.27 m，其中有效測區(qū)在測試平臺中間，長度4.80 m。整個測區(qū)布置示意見圖1。

圖1 TPDS測試平臺整個測區(qū)布置示意圖

目前鐵路正線基本采用大型養(yǎng)路機(jī)械進(jìn)行作業(yè)，相對于600 mm的正線軌枕間距，在大機(jī)搗固作業(yè)時，TPDS測試平臺區(qū)域需調(diào)整搗固頭間距，導(dǎo)致作業(yè)周期延長，作業(yè)組織較為困難。多數(shù)情況下，在TPDS測試平臺區(qū)域均采用人工搗固取代大機(jī)搗固，造成局部線路質(zhì)量與鄰近線路不一致，導(dǎo)致設(shè)備檢測精度下降，尤其是客車運(yùn)行速度高于貨車，探測數(shù)據(jù)可靠性進(jìn)一步降低。

考慮到水源工程在運(yùn)行過程中自身需要消耗部分原材料、原水、輔助材料以及備品備件等，建議按陶岔渠首出口新增毛供水量適當(dāng)考慮計算水源工程的燃料材料及動力費(fèi)。

另外，從檢測1個振動周期以上輪軌力及變化規(guī)律的要求來看，既有TPDS能保證對運(yùn)行速度較低、輪對直徑較小的貨車實現(xiàn)檢測要求。但對于行車速度明顯提高、輪徑較大的客車而言，既有4.80 m的檢測區(qū)域長度難以實現(xiàn)檢測要求，這也會影響評判客車轉(zhuǎn)向架蛇行失穩(wěn)結(jié)論的準(zhǔn)確性。

1.1.3 踏面損傷模型問題

既有TPDS踏面損傷模型建立在貨車車輪監(jiān)測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，并結(jié)合《鐵路貨車運(yùn)用維修規(guī)程》相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，制定報警標(biāo)準(zhǔn)。由于客貨車輪重、速度、結(jié)構(gòu)均有差別，且客車對踏面損傷的運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)明顯嚴(yán)于貨車，因此既有TPDS踏面損傷模型并不能適應(yīng)客車踏面損傷方面的應(yīng)用，必須重新開發(fā)客車踏面損傷報警模型，并根據(jù)《鐵路客車運(yùn)用維修規(guī)程》制定相應(yīng)的報警標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 技術(shù)改進(jìn)建議

1.2.1 電磁兼容解決方案

針對電磁干擾問題開展技術(shù)攻關(guān)，分析客車電磁干擾特征，從傳感器應(yīng)變信號采集為起點，對信號采集、信號傳輸、信號放大及調(diào)理單元、信號整形濾波系統(tǒng)到數(shù)字信號的計算機(jī)處理，綜合使用屏蔽技術(shù)、接地技術(shù)、布線技術(shù)、濾波技術(shù)和磁環(huán)抑制技術(shù)，進(jìn)行多層次干擾消除研究。同步對供電系統(tǒng)和接地系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，實現(xiàn)客車運(yùn)行條件下TPDS設(shè)備抗電磁干擾的系統(tǒng)升級。

1.2.2 測試平臺解決方案

鑒于既有測試平臺有效測試區(qū)長度不能滿足客車探測要求，對測試平臺進(jìn)行重新設(shè)計。將測試平臺軌枕間距改為600 mm，與正線一致，以保證TPDS測試區(qū)段的軌道線路得到良好養(yǎng)護(hù)維修，一方面確保區(qū)段線路質(zhì)量，另一方面提高檢測系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。將軌枕間距縮小后，測試區(qū)長度相應(yīng)縮短，通過增加傳感器，將有效測試區(qū)長度由4.80 m增加至6.00 m，則可同時滿足客貨車檢測1個振動周期以上輪軌力及變化規(guī)律的要求，實現(xiàn)對客車轉(zhuǎn)向架蛇行失穩(wěn)的準(zhǔn)確探測。

1.2.3 建立新的踏面損傷模型

通過研究客車踏面損傷沖擊力特征與貨車的差異，以及客貨車在輪重、速度、簧上質(zhì)量參與沖擊程度等方面的不同，在大量分析客車TPDS監(jiān)測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，研發(fā)客車踏面損傷模型，并根據(jù)《鐵路客車運(yùn)用維修規(guī)程》的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定報警級別。

2 TADS探測客車適應(yīng)性分析及技術(shù)改進(jìn)建議

2.1 適應(yīng)性分析

既有TADS是通過在鐵路正線軌道兩側(cè)安裝聲學(xué)傳感器陣列，采集貨物列車車輛滾動軸承發(fā)出的噪聲信號，采用聲學(xué)診斷技術(shù)和信號處理技術(shù)對采集的噪聲信號進(jìn)行實時處理，重點檢測車輛滾動軸承滾子、內(nèi)圈、外圈等早期故障，判別滾動軸承的工作狀態(tài)。

從客車和貨車軸承結(jié)構(gòu)來說，其滾動軸承都是由內(nèi)圈、外圈、滾動體和保持架等元件組成。當(dāng)滾動軸承部件的滾動工作面出現(xiàn)故障時，在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)中滾動體碾壓到故障部位，就會產(chǎn)生沖擊振動，這種沖擊振動與正常情況的振動有所不同，具有很寬的頻率范圍，常能激起軸承部件的共振，引發(fā)異常聲音。因此，從TADS設(shè)備工作原理來講，能夠?qū)蛙囕S承故障進(jìn)行檢測，但必須考慮客貨車車輪滾動圓外徑尺寸不同及滾動軸承外形尺寸、滾子類型等的差異，且同樣要考慮電磁兼容問題。

2.1.1 車輪滾動圓外徑尺寸不同對探測的影響

當(dāng)前主型貨車、客車車輪信息見表1、表2。

表1 主型貨車車輪信息

表2 主型客車車輪信息

可見，客車滾動圓外徑比貨車大，相對位于車輪滾動圓中心位置的滾動軸承比貨車滾動軸承位置僅高10～40 mm，與軸承部件故障共振產(chǎn)生的聲音完全在TADS聲學(xué)傳感器探測范圍之內(nèi)，因此既有TADS可實現(xiàn)對客車滾動軸承故障聲音的采集。

2.1.2 滾動軸承外形尺寸、滾子類型差異對探測的影響

客車與貨車滾動軸承有很多相同之處，也存在不少差異。首先，貨車滾動軸承外沒有封閉作用的軸箱，而客車軸承外有封閉作用的軸箱，使得客車故障軸承的聲音品質(zhì)與貨車有所差別；其次，客車滾動軸承外形尺寸與貨車也不一樣，貨車滾動軸承內(nèi)圈內(nèi)徑大多是150 mm，而客車大多是130 mm；再次，客車滾動軸承滾子類型與貨車也不相同，貨車滾動軸承的滾子類型都是圓錐形，而客車多為圓柱形。

因為客車與貨車滾動軸承外形尺寸、滾子類型的差異，不同故障位置的頻率特征表現(xiàn)也不同，貨車的判別模型無法直接應(yīng)用到客車軸承故障的判別。

2.2 技術(shù)改進(jìn)建議

2.2.1 建立新的客車滾動軸承故障模型

通過研究客車滾動軸承外形尺寸、滾子類型特征與貨車的差異，在大量分析客車TADS監(jiān)測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，重新編寫和建立針對客車滾動軸承的故障特征識別算法和判別模型，實現(xiàn)對客車滾動軸承故障的判別。

2.2.2 電磁兼容解決方案

TADS采集信號同TPDS一樣屬于弱信號，易受電磁干擾。同樣需要在分析客車電磁干擾特征的基礎(chǔ)上，綜合使用屏蔽技術(shù)、接地技術(shù)、布線技術(shù)、濾波技術(shù)和磁環(huán)抑制技術(shù)等對TADS設(shè)備進(jìn)行多層次干擾消除，同步對供電系統(tǒng)和接地系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，實現(xiàn)客車運(yùn)行條件下TADS設(shè)備抗電磁干擾的系統(tǒng)升級。

2.3 存在的問題

TADS探測客車會受到車輛運(yùn)行速度的限制。TADS對30～120 km/h的列車能夠有效提取聲音數(shù)據(jù)，速度太低，滾動軸承故障運(yùn)行中發(fā)出的聲音太小，可能淹沒到背景噪聲中，很難提取有效信息；而速度太高，滾動軸承故障運(yùn)行中發(fā)出的聲音會受多普勒畸變等多種情況影響，也很難提取有效信息。TADS對超過120 km/h運(yùn)行速度客車滾動軸承的診斷還需進(jìn)一步研究。

3 結(jié)束語

通過TPDS、TADS探測客車技術(shù)的適應(yīng)性改進(jìn)，可實現(xiàn)對客車車輪踏面損傷和滾動圓失真、轉(zhuǎn)向架蛇行失穩(wěn)、軸承內(nèi)部早期缺陷等走行部故障的有效檢測，彌補(bǔ)客車走行部的安全檢測手段，提升客車運(yùn)行安全監(jiān)控能力，并可實現(xiàn)資源共享，更大限度發(fā)揮貨車安全檢測子系統(tǒng)的效用。