基于城際動(dòng)車(chē)組軸溫實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

文/劉志堅(jiān) 賴(lài)威任 范遠(yuǎn)政

0 引言

本研究針對(duì)線(xiàn)上運(yùn)行城際車(chē)輛增加軸溫實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理，及在實(shí)際運(yùn)作過(guò)程中存在的問(wèn)題，進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。為避免造成意外發(fā)生，要進(jìn)一步完善運(yùn)行車(chē)輛軸溫實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)，保證系統(tǒng)有效地對(duì)運(yùn)行過(guò)程中的軸溫進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并在軸溫檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)異常情況后能快速進(jìn)行反應(yīng)，一方面通過(guò)動(dòng)車(chē)組車(chē)輛信息控制裝置(MON)告知司機(jī)異常軸溫的發(fā)生位置，同時(shí)在列車(chē)的安全環(huán)路中起到保護(hù)作用，讓運(yùn)行中的列車(chē)停下來(lái)。對(duì)車(chē)輛軸溫實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，不僅提高作業(yè)人員對(duì)故障進(jìn)行分析診斷的能力，同時(shí)提高了產(chǎn)品質(zhì)量，更好地保證車(chē)輛能更安全、可靠、順利地在線(xiàn)上進(jìn)行運(yùn)營(yíng)。

1 軸溫保護(hù)系統(tǒng)概述

現(xiàn)運(yùn)行的城際列車(chē)具有兩套軸溫保護(hù)系統(tǒng)。其中一套為進(jìn)口2型車(chē)的軸溫監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)車(chē)輛整個(gè)轉(zhuǎn)向架軸溫進(jìn)行監(jiān)控：根據(jù)內(nèi)置的熔斷式電阻對(duì)設(shè)定溫度進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)整個(gè)機(jī)構(gòu)的溫度傳遞到該溫感電阻，使其熔斷觸發(fā)車(chē)輛報(bào)警系統(tǒng)并對(duì)車(chē)輛進(jìn)行緊急制動(dòng)。但是由于它不進(jìn)行相對(duì)應(yīng)異常軸溫溫度顯示，軸溫異常也是對(duì)轉(zhuǎn)向架整個(gè)結(jié)構(gòu)的報(bào)警，不利于線(xiàn)上機(jī)械師對(duì)其異常位置的查找，延緩故障排除時(shí)間，影響鐵路運(yùn)營(yíng)。

另一套是軸溫實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)，是在原有的軸溫系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在轉(zhuǎn)向架上各個(gè)位置增加溫度傳感器，增加軸溫實(shí)時(shí)檢測(cè)傳感器的位置分別是在拖車(chē)每軸兩端，動(dòng)車(chē)每軸兩端、小齒輪箱電機(jī)側(cè)、小齒輪箱車(chē)輪側(cè)、大齒輪箱電機(jī)側(cè)、大齒輪箱車(chē)輪側(cè)、電機(jī)定子、傳動(dòng)端軸承、非傳動(dòng)端軸承處，對(duì)軸溫進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)監(jiān)控到各位置軸溫傳感器溫度超過(guò)預(yù)警溫度后，車(chē)輛報(bào)出軸溫預(yù)警；當(dāng)各位置軸溫傳感器溫度超過(guò)報(bào)警溫度后，車(chē)輛報(bào)出軸溫報(bào)警，并在緊急控制回路 154線(xiàn)中串入軸溫監(jiān)控系統(tǒng)及軸溫實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)常開(kāi)觸點(diǎn)。當(dāng)軸溫實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)報(bào)警且軸溫監(jiān)控報(bào)出“軸溫 1”或“軸溫 2”故障時(shí)，觸發(fā)列車(chē)緊急制動(dòng)。

2 車(chē)輛軸溫實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)備介紹

2.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

動(dòng)車(chē)組軸溫報(bào)警系統(tǒng)的主要功能是通過(guò)溫度傳感器采集列車(chē)軸箱、齒輪箱以及牽引電機(jī)的溫度信息，由車(chē)上溫度檢測(cè)單元（TDU）將采集到的溫度信息進(jìn)行處理，并將溫度信息及報(bào)警信息發(fā)送給車(chē)輛網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（MON），系統(tǒng)的運(yùn)行原理見(jiàn)圖1。

圖1 軸溫觸發(fā)緊急制動(dòng)原理

2.2 系統(tǒng)原理說(shuō)明

動(dòng)車(chē) 組軸溫報(bào)警系統(tǒng)由溫度傳感器、溫度檢測(cè)單元（TDU）組成，見(jiàn)圖2。

溫度檢測(cè)單元（TDU）通過(guò)檢測(cè)傳感器傳送來(lái)的電阻阻值，經(jīng)內(nèi)部程序運(yùn)算后得到被測(cè)設(shè)備的溫度，通過(guò)電流環(huán)通信端口把溫度值發(fā)送到車(chē)輛網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（MON），用于MON監(jiān)控屏顯示。

圖2 動(dòng)車(chē)組軸溫報(bào)警系統(tǒng)原理架構(gòu)

溫度檢測(cè)單元（TDU）將內(nèi)部程序運(yùn)算后得到的被測(cè)設(shè)備溫度與被測(cè)設(shè)備預(yù)設(shè)的溫度報(bào)警值進(jìn)行比對(duì)，超過(guò)報(bào)警值時(shí)，將溫度報(bào)警狀態(tài)通過(guò)電流環(huán)通信端口輸出給車(chē)輛網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(MON)，用于溫度報(bào)警顯示。

3 車(chē)輛軸溫實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)概述

某動(dòng)車(chē)組的軸溫實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)從2015年8月開(kāi)始裝車(chē)運(yùn)用，在運(yùn)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后，立即組織系統(tǒng)供應(yīng)商和公司相關(guān)部門(mén)對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析，并制定解決措施；針對(duì)解決措施組織地面試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)審后，選取1～2列車(chē)進(jìn)行現(xiàn)車(chē)驗(yàn)證，通過(guò)工序評(píng)定后進(jìn)行現(xiàn)車(chē)改進(jìn)?？偨Y(jié)發(fā)生的問(wèn)題，整改及驗(yàn)證項(xiàng)點(diǎn)主要為以下3項(xiàng)：

（1）軸溫檢測(cè)裝置傳輸不良。

軸溫屏蔽報(bào)警車(chē)輛由于軟件看門(mén)狗異常動(dòng)作，導(dǎo)致發(fā)生多起軸溫檢測(cè)裝置傳輸不良（651）故障。軸溫控車(chē)車(chē)輛軸溫軟件已優(yōu)化，暫未發(fā)生此類(lèi)故障。

（2）電源板故障。

CRH2/380A型系列動(dòng)車(chē)組由于電源板內(nèi)電源模塊輸入濾波缺陷，導(dǎo)致發(fā)生多起電源板故障。軸溫控車(chē)車(chē)輛電源板新造出廠已優(yōu)化，暫未發(fā)生此類(lèi)故障。

（3）軸溫主機(jī)故障導(dǎo)致緊急制動(dòng)。

4 0 1 0/4 0 11安監(jiān)故障，對(duì)故障原因進(jìn)行排查及分析，采取優(yōu)化控車(chē)邏輯等措施解決該問(wèn)題。

3.2 軸溫檢測(cè)裝置傳輸不良的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程

（1）故障現(xiàn)象

動(dòng)車(chē)組運(yùn)營(yíng)中軸溫未放開(kāi)報(bào)警車(chē)輛發(fā)生多起軸溫檢測(cè)裝置傳輸不良（651）故障，原因?yàn)檐浖撮T(mén)狗異常動(dòng)作導(dǎo)致。2015年1標(biāo)車(chē)軸溫控車(chē)車(chē)輛軸溫軟件已優(yōu)化，目前未發(fā)生此類(lèi)故障。

（2）原因分析

軸溫軟件中看門(mén)狗異常動(dòng)作時(shí)，看門(mén)狗變量未初始化清零，偶發(fā)情況下導(dǎo)致軸溫主機(jī)軟件運(yùn)行異常，軸溫主機(jī)與MON通信中斷，最終導(dǎo)致軸溫檢測(cè)裝置傳輸不良故障，見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 車(chē)輛軸溫實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)偶發(fā)看門(mén)狗復(fù)位故障(通信指示燈異常)

圖4 車(chē)輛軸溫實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)修改軸溫軟件試驗(yàn)結(jié)果

地面對(duì)通信回路進(jìn)行信號(hào)脈沖群模擬試驗(yàn)，非控車(chē)軸溫軟件看門(mén)狗動(dòng)作異常導(dǎo)致通信收發(fā)數(shù)據(jù)功能卡滯，偶發(fā)軸溫傳輸不良故障。

（3）整改措施

在軸溫軟件中增加對(duì)看門(mén)狗變量“apt_int”初始化清零功能，即在軸溫軟件中增加“apt_int=0”語(yǔ)句（見(jiàn)圖5）。影響：軸溫通信軟件模塊中斷約12s（MON傳輸不良故障判斷時(shí)間30s）后恢復(fù)正常工作，不會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)報(bào)出軸溫檢測(cè)裝置傳輸不良（651）故障警告，軸溫主機(jī)預(yù)警、報(bào)警等軟件模塊正常工作。

圖5 動(dòng)車(chē)組軸溫傳輸時(shí)序

3.3 電源板故障的優(yōu)化設(shè)計(jì)

（1）故障現(xiàn)象

軸溫主機(jī)在列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生多起電源板硬件故障，均為電源板上物色負(fù)載點(diǎn)（POL）模塊中芯片損壞。

（2）原因分析

POL模塊2中芯片正常工作電壓為12V，通過(guò)地面試驗(yàn)，軸溫主機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中電源板中POL2模塊中心輸入電壓偏高（18.3V），超出芯片承受最大工作電壓16.5V，原POL模塊輸入電路濾波效果不佳，見(jiàn)圖6。

圖6 動(dòng)車(chē)組軸溫主機(jī)POL模塊電路原理

（3）整改措施

原12V輸入濾波電路中濾波電容距離芯片輸入端較遠(yuǎn)，濾波效果較差。通過(guò)在芯片D1（TPS56221）Vin和GND之間增加濾波電容，改善啟動(dòng)輸入電壓應(yīng)力，提高濾波效果，見(jiàn)圖7。

圖7 動(dòng)車(chē)組軸溫主機(jī)濾波電容整改前后對(duì)比

在POL模塊芯片輸入端增加濾波電容，改善POL模塊輸入濾波效果，改造實(shí)物對(duì)比，如圖8、9所示。

圖8 動(dòng)車(chē)組軸溫主機(jī)原電容放置PCB背面，距芯片輸入端較遠(yuǎn)

圖9 動(dòng)車(chē)組軸溫主機(jī)靠近芯片輸入端增加濾波電容

3.4 軸溫控車(chē)的邏輯優(yōu)化設(shè)計(jì)

（1）問(wèn)題描述

實(shí)時(shí)軸溫與熔斷式軸溫串聯(lián)后串入列車(chē)緊急制動(dòng)回路，當(dāng)發(fā)生溫度報(bào)警時(shí)，斷開(kāi)緊急制動(dòng)回路，觸發(fā)列車(chē)緊急制動(dòng)停車(chē)，見(jiàn)圖10。

圖10 動(dòng)車(chē)組軸溫控車(chē)串聯(lián)模式

（2）工作原理

軸溫主機(jī)檢測(cè)各部位溫度值，當(dāng)達(dá)到溫度報(bào)警條件時(shí)，斷開(kāi)報(bào)警觸點(diǎn)，緊急制動(dòng)回路154線(xiàn)失電，觸發(fā)列車(chē)緊急制動(dòng)；或是當(dāng)軸溫主機(jī)電源板故障導(dǎo)致報(bào)警繼電器觸點(diǎn)斷開(kāi)，當(dāng)CPU板、通信板（報(bào)警繼電器在通信板上）出現(xiàn)故障時(shí)，報(bào)警繼電器觸點(diǎn)可能斷開(kāi)。一旦報(bào)警繼電器觸點(diǎn)斷開(kāi)，會(huì)觸發(fā)列車(chē)緊急制動(dòng)停車(chē)。

4 整改措施

為避免軸溫主機(jī)故障導(dǎo)致緊急制動(dòng)停車(chē)，保證列車(chē)正常運(yùn)營(yíng)，制定以下措施。

4.1 臨時(shí)措施

a .軸溫主機(jī)通信板上故障繼電器常閉觸點(diǎn)與報(bào)警繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)并聯(lián)輸出。

b .優(yōu)化軸溫軟件，增加軸溫主機(jī)報(bào)警繼電器狀態(tài)記錄。

c .邏輯分析

軸溫主機(jī)正常，故障繼電器得電（常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)），報(bào)警繼電器得電（常開(kāi)觸點(diǎn)閉合），見(jiàn)圖11。

圖11 動(dòng)車(chē)組軸溫主機(jī)正常工作邏輯

當(dāng)檢測(cè)到溫度報(bào)警時(shí)，報(bào)警繼電器失電（常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)），緊急制動(dòng)回路失電觸發(fā)列車(chē)制動(dòng)停車(chē)，見(jiàn)圖12。

圖12 動(dòng)車(chē)組軸溫主機(jī)報(bào)警邏輯

4.2 最終措施

a .車(chē)輛增加繼電器

通過(guò)軸溫主機(jī)報(bào)警觸點(diǎn)、故障觸點(diǎn)控制外部繼電器，將故障繼電器(TDUFR)的常閉觸點(diǎn)和報(bào)警繼電器(TDR)的常開(kāi)觸點(diǎn)并聯(lián)后，串入緊急制動(dòng)回路，同時(shí)通過(guò)車(chē)輛繼電器，將軸溫主機(jī)硬件板卡與列車(chē)緊急制動(dòng)電路隔離，見(jiàn)圖13。

b .網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)變更

網(wǎng)絡(luò)的終端裝置采集軸溫主機(jī)故障繼電器（TDUFR）的常開(kāi)觸點(diǎn)，用于現(xiàn)車(chē)判斷軸溫檢測(cè)裝置故障（795）的觸發(fā)條件，同時(shí)在出庫(kù)信息畫(huà)面中記錄，如圖14所示。

圖13 動(dòng)車(chē)組軸溫主機(jī)報(bào)警工作原理

圖14 動(dòng)車(chē)組軸溫主機(jī)故障信息（一）

列車(chē)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)顯示屏增加軸溫檢測(cè)傳感器故障(800)，同時(shí)在出庫(kù)信息畫(huà)面中記錄，如圖15所示。

圖15 動(dòng)車(chē)組軸溫主機(jī)故障信息（二）

c.軸溫檢測(cè)溫度報(bào)警故障

發(fā)生軸溫檢測(cè)溫度報(bào)警（265）故障時(shí)，在運(yùn)行狀態(tài)畫(huà)面彈出，同時(shí)在診斷模式下進(jìn)行故障記錄。本次僅變更彈出故障詳情，故障檢測(cè)條件及其他顯示不變，見(jiàn)圖16。

圖16 動(dòng)車(chē)組軸溫主機(jī)故障信息（三）

d.軸溫檢測(cè)裝置傳輸不良故障

發(fā)生軸溫檢測(cè)裝置傳輸不良（651） 故障時(shí)，在運(yùn)行狀態(tài)畫(huà)面彈出，并在出庫(kù)信息畫(huà)面顯示， 同時(shí)在診斷模式下進(jìn)行故障記錄。本次僅變更彈出故障詳情，故障檢測(cè)條件及其他顯示不變更，見(jiàn)圖17。

圖17 動(dòng)車(chē)組軸溫主機(jī)故障信息（四）

5 結(jié)語(yǔ)

綜上，通過(guò)車(chē)輛軸溫實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)后，提高了列車(chē)運(yùn)行的穩(wěn)定性，節(jié)約了維修成本，減少了軸溫實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)誤報(bào)故障的機(jī)率，大大提高了行車(chē)安全的準(zhǔn)確性。

要使軸溫實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)可以適應(yīng)在更多車(chē)型上，并且可以安全可靠地發(fā)揮作用，僅僅靠改進(jìn)優(yōu)化仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，需要在其他各個(gè)方面繼續(xù)努力改進(jìn)。本研究基于車(chē)輛軸溫實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，只是適用目前線(xiàn)上運(yùn)行速度在200km～300km的城際動(dòng)車(chē)組上，對(duì)于其他車(chē)型的車(chē)輛仍未進(jìn)行相應(yīng)功能驗(yàn)證，這是今后進(jìn)一步研究的方向。