城市軌道交通某型車輛軸溫檢測(cè)系統(tǒng)誤報(bào)隱性故障問題研究

邱作成 劉 杰 張艷明 夏 鵬

（中車長春軌道客車股份有限公司，130062，長春∥第一作者，碩士研究生）

某型城市軌道交通車輛自上線運(yùn)行以來，軸溫檢測(cè)系統(tǒng)的誤報(bào)警故障對(duì)車輛正常運(yùn)營造成了很大影響。針對(duì)這一問題，中車長春軌道客車股份有限公司研發(fā)團(tuán)隊(duì)制定整改方案，將A 型軸溫檢測(cè)系統(tǒng)改造為B 型軸溫檢測(cè)系統(tǒng)。改造后，該型車輛運(yùn)營故障率大幅下降。為進(jìn)一步提前預(yù)判故障風(fēng)險(xiǎn)，需結(jié)合數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提前判斷隱性故障信息。通過對(duì)B型軸溫檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的長期跟蹤研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于頭車3/4 軸頭CAN1/2 路隱性故障問題，更換軸溫主機(jī)至傳感器之間的信號(hào)傳輸線纜后該故障消除；經(jīng)進(jìn)一步研判發(fā)現(xiàn)，更換端部接線箱連接器相應(yīng)公、母針也可解決該故障問題。本文對(duì)該問題進(jìn)行研究，并提出解決該問題的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。

1 B 型軸溫檢測(cè)系統(tǒng)工作原理

該型車輛B 型軸溫檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)全列軸端軸承進(jìn)行溫度監(jiān)控，將監(jiān)控溫度值實(shí)時(shí)傳輸給列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生軸端軸承溫度達(dá)到預(yù)警限值和報(bào)警限值時(shí)，經(jīng)列車中央網(wǎng)絡(luò)控制單元判斷后，將故障信息以屏幕故障提示、屏幕聲光提示的方式向司機(jī)提示故障信息［1］。

B 型軸溫檢測(cè)系統(tǒng)主要包含8 臺(tái)軸溫主機(jī)和64 根帶備份的軸溫傳感器，傳感器采用PT1000鉑電阻傳感器。B 型軸溫檢測(cè)系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 B 型軸溫檢測(cè)系統(tǒng)框圖

8 臺(tái)軸溫主機(jī)串聯(lián)在CAN（控制器局域網(wǎng)）通信線路上，由頭車的軸溫主機(jī)與列車中央網(wǎng)絡(luò)控制單元進(jìn)行通信，列車中央網(wǎng)絡(luò)控制單元通過判據(jù)記錄軸溫主機(jī)發(fā)生的故障信息或軸溫主機(jī)傳輸傳感器異常信息，并記錄在FLASH 芯片中。數(shù)據(jù)下載后可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析查詢。軸溫主機(jī)具備數(shù)據(jù)記錄功能，當(dāng)傳感器發(fā)生開路、短路等故障信息，可記錄并可通過下載數(shù)據(jù)進(jìn)行分析查詢。

軸溫主機(jī)與傳感器之間通過低壓線纜和連接器連接，軸溫主機(jī)輸出恒壓源，通過采集反饋的電流判斷傳感器阻值。PT1000 鉑電阻傳感器采用冗余設(shè)計(jì)，單路通信的異常、短路、斷路信息會(huì)被記錄到數(shù)據(jù)中；若冗余的兩路均發(fā)生故障，列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)會(huì)做出軸溫顯示異常、軸溫預(yù)警或報(bào)警的判斷。

2 誤報(bào)隱性故障問題原因分析

2.1 誤報(bào)隱性故障與軸溫檢測(cè)系統(tǒng)關(guān)系分析

根據(jù)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，裝載有A 型軸溫檢測(cè)系統(tǒng)的車輛，其中央控制單元數(shù)據(jù)中未報(bào)出頭車3/4 軸頭CAN1/2 路隱性故障，隱性故障信息僅出現(xiàn)在裝載有B 型軸溫檢測(cè)系統(tǒng)車輛的中央控制單元數(shù)據(jù)中。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，將A 型軸溫檢測(cè)系統(tǒng)改造為B 型軸溫檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了如下優(yōu)化：

1）采用獨(dú)立軸端溫度傳感器，優(yōu)化了傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可避免傳感器內(nèi)部故障。

2）取消了軸端連接器，采用溫度傳感器直接連接至接線排方案，避免了軸端連接器不穩(wěn)定導(dǎo)致信號(hào)丟失問題。

3）取消了中間數(shù)據(jù)處理器，采用單車軸溫主機(jī)直接接收信號(hào)方案，避免了中間數(shù)據(jù)處理器及連接器不穩(wěn)定導(dǎo)致信號(hào)丟失問題。

其中一項(xiàng)重要優(yōu)化是B 型軸溫檢測(cè)系統(tǒng)取消了中間數(shù)據(jù)處理器。中間數(shù)據(jù)處理器的作用是將軸溫的連續(xù)變化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并把數(shù)據(jù)上傳給主機(jī)的一種電子設(shè)備，可以識(shí)別編號(hào)，采集4 路模擬傳感器的軸溫?cái)?shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和開、短路判斷等運(yùn)算，把真實(shí)的軸溫?cái)?shù)據(jù)通過CAN 發(fā)送給主機(jī)。B 型軸溫檢測(cè)系統(tǒng)的主機(jī)直接連接傳感器，由主機(jī)集成中間數(shù)據(jù)處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，由此可以初步判斷B 型軸溫檢測(cè)系統(tǒng)誤報(bào)隱性故障的原因與信號(hào)傳輸有關(guān)。

2.2 端部接線箱連接器對(duì)溫度信號(hào)傳輸造成影響的原因分析

對(duì)多起隱性故障處理情況分析發(fā)現(xiàn)，通過更換軸溫主機(jī)和傳感器之間的端部接線箱連接器相應(yīng)公、母針可消除故障，由此可判斷端部接線箱連接器對(duì)溫度信號(hào)傳輸造成了影響。端部接線箱連接器的公、母針負(fù)責(zé)傳輸電流信號(hào)，初步判斷是由于連接器故障導(dǎo)致電流信號(hào)傳輸受到影響。

連接器廣泛應(yīng)用于航空、航天和武器裝備的各類電子系統(tǒng)中，用于實(shí)現(xiàn)電氣連接和信號(hào)的傳遞。保證電連接器的可靠性和安全性對(duì)保證電子系統(tǒng)的可靠性和安全性至關(guān)重要。電連接器是完成電信號(hào)的傳輸和電路導(dǎo)通的基礎(chǔ)組件，一般電子系統(tǒng)或電氣設(shè)備正常工作都需安裝多種電連接器。電連接器使設(shè)備在使用環(huán)境下能實(shí)現(xiàn)電路連接可靠、信號(hào)傳遞準(zhǔn)確，并能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。電連接器最主要的失效方式為接觸失效，接觸失效表現(xiàn)形式為接觸端子斷裂、接觸電阻增加、接觸對(duì)之間產(chǎn)生瞬斷現(xiàn)象［2］。結(jié)合連接器失效可能性分析，對(duì)發(fā)生故障的端部接線箱連接器進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)無接觸端子斷裂情況。

為進(jìn)行進(jìn)一步分析，將連接器公、母針發(fā)往國內(nèi)外檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析。意大利ITT 公司對(duì)返回該公司的同一連接器的5 根公、母針進(jìn)行插拔力分析，其中1 根公、母針插拔力為0.21 N，未達(dá)到0.4 ～3.0 N的標(biāo)準(zhǔn)值范圍。

為識(shí)別公、母針插拔力偏小是否為普遍現(xiàn)象，選取2014 年和2018 年出廠的兩列車，更換部分車端連接器再次返回意大利ITT 公司分析。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，2019 年出廠車組車端連接器公、母針插拔力均在正常范圍內(nèi)，母針無擴(kuò)孔現(xiàn)象；2014 年出廠車組個(gè)別車端連接器公、母針插拔力不在正常范圍內(nèi)，且連接器母針存在擴(kuò)孔情況。

2.3 端部接線箱連接器插拔力不足原因分析

通過對(duì)發(fā)生誤報(bào)隱性故障車組的現(xiàn)場故障處理情況進(jìn)行調(diào)研，并對(duì)連接器針位進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，軸溫隱性故障涉及到端部接線箱連接器的G 針、F 針、R針、H 針。通過對(duì)比連接器針位排布圖紙，確定G針、F 針、H 針均位于連接器的上部和下部（見圖2），具有一定的規(guī)律性。

圖2 連接器針位圖

對(duì)布線排布進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，頭車車端ZSB 區(qū)域軸溫線束懸空過長，缺少固定。此種情況下，電連接器在使用過程中不可避免受到振動(dòng)影響，插針與插孔之間的配合也會(huì)受振動(dòng)影響，接觸壓力因?yàn)檎駝?dòng)會(huì)相應(yīng)降低。當(dāng)使用環(huán)境中的振動(dòng)力大于插針與插孔之間的接觸壓力時(shí)，插針與插孔之間的接觸壓力會(huì)瞬間變?yōu)榱?，發(fā)生瞬斷現(xiàn)象，電連接器使用環(huán)境中受到的振動(dòng)壓力越大越容易發(fā)生瞬斷現(xiàn)象［3］。

由上述分析可知，端部接線箱連接器長期受振動(dòng)影響，尤其是振動(dòng)產(chǎn)生的縱向應(yīng)力對(duì)連接器性能產(chǎn)生了很大影響，使連接器組件上下部針位母針擴(kuò)張，導(dǎo)致連接器插拔力不足。

3 誤報(bào)隱性故障問題解決方案

為了解決該型車輛B 型軸溫檢測(cè)系統(tǒng)軸溫?cái)?shù)據(jù)誤報(bào)的隱性故障問題，研究在頭車下端增加支架，使用頭車車端布線槽支架的螺栓，對(duì)支架進(jìn)行緊固安裝，以此方式固定端部接線箱連接器懸空線纜。

通過實(shí)驗(yàn)室強(qiáng)度計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，由于懸臂過長，造成支架強(qiáng)度不足，因此進(jìn)一步對(duì)支架進(jìn)行優(yōu)化，采用焊接方式將支架固定在線槽板上，進(jìn)一步減小懸臂長度。

對(duì)線槽蓋板沖擊與隨機(jī)振動(dòng)疲勞進(jìn)行仿真分析，對(duì)線槽蓋板局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行沖擊及隨機(jī)振動(dòng)疲勞分析，不考慮線槽結(jié)構(gòu)模態(tài)影響，分析結(jié)論如下：

1）縱向沖擊下產(chǎn)生最大Von-mises 應(yīng)力值為6.086 MPa，小于材料屈服極限170 MPa，安全系數(shù)為27.93；

2）橫向沖擊下產(chǎn)生最大Von-mises 應(yīng)力值為14.145 MPa，小于材料屈服極限170 MPa，安全系數(shù)為12.02；

3）垂向沖擊下產(chǎn)生最大Von-mises 應(yīng)力值為10.327 MPa，小于材料屈服極限170 MPa，安全系數(shù)為16.46；

4）線槽蓋板在垂向、縱向、橫向加速度激勵(lì)下，累積損傷最大值為0.000 124 074，小于損傷閾值1，滿足振動(dòng)疲勞壽命要求。

4 結(jié)語

針對(duì)某型城市軌道交通車輛B 型軸溫檢測(cè)系統(tǒng)軸溫?cái)?shù)據(jù)誤報(bào)隱性故障問題，通過對(duì)比A 型軸溫檢測(cè)系統(tǒng)、分析連接器組件內(nèi)部針位排布規(guī)律，以及對(duì)連接器插針插拔力進(jìn)行檢驗(yàn)、對(duì)連接器安裝結(jié)構(gòu)綜合分析，判斷該隱形故障是由于連接器線纜無可靠固定，連接器受車體振動(dòng)影響，導(dǎo)致內(nèi)部插針插拔力不足造成接觸電阻異常。制定結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，在車下線槽蓋板上焊接固定支架，對(duì)經(jīng)過連接器的懸線進(jìn)行固定，避免振動(dòng)對(duì)連接器的使用產(chǎn)生影響。本文所提出的優(yōu)化方案已通過評(píng)審，將結(jié)合高級(jí)修實(shí)施優(yōu)化整改。