CRH3型動車組軸溫傳感器特性檢測系統(tǒng)的設計應用

陳 哲

(中國鐵路上海局集團有限公司上海動車段 上海 201800)

動車組在線路上高速運行時，走行部連接件因高頻摩擦和振動產(chǎn)生熱量，若存在雜質或連接件內部缺陷，則會使溫度劇烈升高導致引發(fā)熱軸、切軸等重大安全事故。為有效預防上述問題，CRH3型動車組配有軸溫實時監(jiān)測系統(tǒng)，PT100軸溫傳感器作為監(jiān)測系統(tǒng)中直接探測走行部溫度的元件，實現(xiàn)其性能參數(shù)的可靠評估驗證對于推進該部件精準維修，保障動車組運行安全意義重大。

1 PT100軸溫傳感器概述

1.1 軸溫監(jiān)測系統(tǒng)組成

CRH3型動車組軸溫監(jiān)測系統(tǒng)，主要由軸溫監(jiān)測終端(Compact PT100/IO)和四線制軸溫傳感器(PT100)組成[1](見圖1)，其中PT100安裝于軸箱內，用于反饋軸箱、牽引電機以及齒輪箱的瞬時溫度，Compact PT100/IO裝置主要負責接收來自本節(jié)車廂4根車軸共計16路溫度模擬信號，并通過MVB總線反饋至動車組中央控制單元(CCU)，可見PT100軸溫傳感器特性是否良好，決定整個溫度監(jiān)測系統(tǒng)能否可靠工作。

圖1 CRH3型車組軸溫監(jiān)測系統(tǒng)原理簡圖

圖2 軸溫傳感器內部結構圖

如圖2所示，PT100軸溫傳感器主要由鉑探針、銅殼體、屏蔽線纜以及8針HAR-TING適配器組成。鉑探針插入動車組軸箱內，用于探測軸端、齒輪箱內的實時溫度，通過中間絕緣屏蔽線纜，經(jīng)由8針HARTING適配器將溫度模擬信號傳輸至Compact PT100/IO裝置[2]。

通過查閱相關行業(yè)設計標準[3]，PT100軸溫傳感器技術參數(shù)如表1所示。

表1 PT100軸溫傳感器技術參數(shù)

1.2 故障規(guī)律調研

為使文中所設計的檢測系統(tǒng)更契合動車組檢修現(xiàn)場需求，調研中截取某動車段2018年內CRH3型動車組運維數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，該時間區(qū)段內，CRH3型動車組司機室人機交互設備HMI共計出現(xiàn)軸溫監(jiān)測系統(tǒng)閃報故障79次，故障原因及分布占比如表2所示。

表2 軸溫監(jiān)測系統(tǒng)閃報故障統(tǒng)計

由表2可知，PT100軸溫傳感器本體功能故障，是動車組線上運行閃報軸溫異常的主要原因[4]。為最大限度減少因傳感器自身故障而導致無法正常監(jiān)測走行部溫度、威脅行車安全的現(xiàn)象，CRH3型動車組高級修規(guī)程明確要求，三級(或運行120萬km)及以上修程時，必須拆卸所有軸溫傳感器，進行清洗和外觀檢查，測量鉑電阻阻值、絕緣阻值等性能參數(shù)，以確保其工作特性良好。下文主要圍繞如何提升PT100軸溫傳感器特性檢測效率和精度，豐富驗證維度展開論述。

2 檢測技術現(xiàn)狀

2.1 工藝現(xiàn)狀

如圖3所示，現(xiàn)國內動車組高級修基地，大多在動車組進入檢修線后，通過落車設備將轉向架與車體分離后，拆下所有軸溫傳感器，由特定作業(yè)班組進行集中清洗和檢測。檢修人員在對軸溫傳感器進行清洗后，首先必須使用通用萬用表對鉑電阻和等電位進行6次測量，再改用兆歐表對絕緣電阻進行3次測量，將測量的9組數(shù)值填入紙質表單，保證全程影像記錄，且只能逐根進行測量。

圖3 現(xiàn)有軸溫傳感器檢測流程

2.2 檢測標準

根據(jù)某供應商提供的PT100軸溫傳感器出廠參數(shù)，結合上海局集團公司長期高級修檢測經(jīng)驗，總結四線制PT100靜態(tài)測量合格標準如表3所示。

表3 軸溫傳感器靜態(tài)參數(shù)標準

2.3 技術瓶頸

(1)檢測效率低

以16節(jié)編組CRH380BL型動車組為例，全車共計128根PT100軸溫傳感器，在2.1節(jié)所述檢測工藝下，單根傳感器平均需要3名作業(yè)人員10 min的檢測時間，即一組車需持續(xù)測量21 h，相當于近3個工作日。

(2)檢修成本高

目前CRH3型動車組上所用PT100軸溫傳感器分為進口和國產(chǎn)2種，平均單價約為0.8萬元。遵循高速動車組計劃性預防維修原則，發(fā)現(xiàn)疑似故障件，而又缺乏深度診斷技術時，均采用換件維修的方式，以目前的檢測技術，平均一組CRH380BL型動車組需要更換PT100軸溫傳感器3.6件，高級修單組車該項換件成本為2.88萬元。

(3)檢測不全面

傳統(tǒng)的檢測工藝，建立于絕對靜止、溫度不變的理想狀態(tài)下，無法真實模擬動車組線上運行時，軸溫傳感器處于高頻振動、溫度實時變化的復雜工況。

因此，所設計的新型檢測系統(tǒng)，除能夠采集PT100軸溫傳感器的鉑電阻阻值、絕緣阻值等常規(guī)參數(shù)外，還應能真實模擬動車組線上運行走行部溫度實時變化的運行工況，并能夠生成檢修數(shù)據(jù)和日志，共享作為動車組健康評估和運維決策數(shù)據(jù)支撐。

3 檢測系統(tǒng)總體方案

根據(jù)表3所列的靜態(tài)檢測標準，結合動態(tài)模擬及無紙化作業(yè)功能，設計出新型PT-100軸溫傳感器檢測平臺，整體結構如圖4所示。

圖4 軸溫傳感器檢測平臺整體結構

為提升PT100軸溫傳感器檢測效率，設計采用了在檢測系統(tǒng)上同時布置4路傳感器檢測接口。上部檢測接口內置水流控制箱及高頻振動儀，用于進行動態(tài)響應測試。下部檢測接口為批處理測量電路，用于同時測量4套PT100軸溫傳感器鉑電阻、等電位以及絕緣阻值。檢測臺面上裝有實時影像裝置，用于全程記錄檢測過程。通過上位機串聯(lián)檢測系統(tǒng)各軟硬件模塊，上位機為控制中樞，具備溫度模擬設定、實時影像存儲、測量啟停、數(shù)據(jù)共享、分析診斷等功能。通過批處理程序，一次測量即可檢測出4套PT100軸溫傳感器共計36組性能參數(shù)。上位機自動保存測量數(shù)據(jù)并生成檢測日志，通過網(wǎng)絡接口將數(shù)據(jù)納入動車組健康管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，為精準預防維修提供數(shù)據(jù)支持。檢測系統(tǒng)自動生成并打印作業(yè)表單，實現(xiàn)無紙化檢修作業(yè)[5]。

為滿足高級修基地軸溫傳感器檢修作業(yè)要求，結合行業(yè)設計標準，新型檢測系統(tǒng)技術參數(shù)如表4所示。

表4 檢測系統(tǒng)技術參數(shù)

4 功能模塊設計

根據(jù)前文所確定的檢測需求，設計的PT100軸溫傳感器檢測系統(tǒng)總體功能模塊及檢測邏輯流程如圖5所示。

圖5 主要功能模塊及檢測流程

如圖5所示，4根PT100軸溫傳感器通過適配器同時裝夾在檢測平臺上，分別由高壓繼電器、信號繼電器1和信號繼電器2來控制絕緣阻值測量、等電位阻值測量和鉑電阻阻值測量通道，所測阻值經(jīng)信號放大模塊傳輸至AD轉換模塊。阻值測量結束，上位機啟動溫振模擬，檢測傳感器動態(tài)響應參數(shù)，最終將測量數(shù)據(jù)導出作業(yè)表單，并同步歸入到共享數(shù)據(jù)庫。

由上述分析可知，檢測系統(tǒng)的主要功能模塊有：電源模塊、MCU模塊、電阻測量模塊、絕緣測量模塊、熱響應模塊和上位機。

4.1 電源模塊

為保證測量精度和穩(wěn)定性，軸溫傳感器檢測儀采用外接充電、鋰電池升壓供電的方式，電源模塊包括蓄電池、鉑電阻測試電源管理、等電位測試電源管理、絕緣測試電源管理、AC/DC、DC/DC模塊等，如圖6所示。

圖6 檢測系統(tǒng)電源管理模塊原理圖

4.2 MCU模塊

MCU模塊主要用于進行阻值批處理測試通道轉換的控制，設計中采用某公司型號為STM32-F373的單片機，該單片機有16位SDADC，性能可靠穩(wěn)定，適合進行混合信號處理運算。

4.3 靜態(tài)參數(shù)測量模塊

靜態(tài)參數(shù)測量，指PT100軸溫傳感器在常溫靜止環(huán)境下，其HARTING適配器1-4針、5-8針間的鉑探針阻值， 1-3針、2-4針、5-7針、6-8針間等電位阻值，以及探針-銅殼體、探針-屏蔽層、銅殼體-屏蔽層間的3組絕緣阻值，設計上將其分為電阻測量模塊和絕緣測量模塊兩部分，其測量原理如圖7所示。

圖7 靜態(tài)參數(shù)測量原理圖

(1)電阻測量模塊

根據(jù)測量需求，電阻測量模塊共計6個通道，包括2路鉑探針阻值測量通道、4路等電位測量通道，采用恒流源測量方法，將電阻的變化轉換成電壓信號，經(jīng)運算放大電路和跟隨器后，進入STM32-F373的16位SDADC端口采樣，再由MCU計算出鉑探針的阻值[6]。

(2)絕緣測量模塊

絕緣測試模塊采用DC500 V標準測量電壓，包括繼電器切換、校準電阻、單片機SDADC采樣以及運算。

4.4 熱響應測試模塊

熱響應溫度和時間是衡量動車組用PT100軸溫傳感器的主要性能指標之一，其定義為：在溫度T出現(xiàn)階躍變化時，PT100軸溫傳感器的輸出變化至相當于該階躍變化的定量ΔT所需要的時間，用τΔT表示[7]。

此次設計中加入了溫度階躍測試功能，用于測量軸溫傳感器的熱響應時間，具體方式為將PT100軸溫傳感器鉑電阻探針，插入檢測平臺左上方熱響應測試接口，熱響應箱內為高于室溫10K緩慢流動的溫水，同時提供振幅A=0.02 m頻率的動車組構架平均諧振[8]，測量軸溫傳感器反饋溫度的變化情況。隨機選用一批新出廠質檢合格的軸溫傳感器進行功能測試，截取其中響應時間最長的8組驗證結果如圖8所示。

圖8 熱響應測試功能驗證

由圖8可知，所有8根PT100軸溫傳感器響應時間τ0.9≤12 s，符合軌道車輛的特殊要求和國家標準，所設計的檢測系統(tǒng)動態(tài)響應模塊滿足高級修規(guī)程要求。

5 結束語

應用統(tǒng)計結果表明，文中設計的PT100軸溫傳感器檢測系統(tǒng)效率高，平均約為6 min/4根，整體較之傳統(tǒng)檢測工藝提升近5.5倍。同時，研究人員通過新設備對某檢修基地2018年7月至2019年6月診斷為報廢件的862根PT100軸溫傳感器進行二次普查，發(fā)現(xiàn)其中117根仍為合格品并繼續(xù)裝車使用無異常，矯正報廢率為13.6%，提質增效作用明顯。