機(jī)車車載安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

李 前，徐艷暉，閆科超

(中車大同電力機(jī)車有限公司 研究院，山西 大同 037038)

為確保機(jī)車運(yùn)行的安全，機(jī)車上配備了由微機(jī)處理收集及反饋的安全防護(hù)設(shè)備。在國外，高速列車早已實(shí)現(xiàn)了對(duì)全列車的自動(dòng)診斷。機(jī)車基本都配備了機(jī)車微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，在動(dòng)車和既有列車上都裝設(shè)了進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和自我診斷的微機(jī)處理系統(tǒng)，對(duì)轉(zhuǎn)向架、制動(dòng)系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)和車頂高壓部等關(guān)鍵位置進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，通過機(jī)車網(wǎng)絡(luò)快速傳送到微機(jī)處理器，然后利用無線信號(hào)將列車運(yùn)轉(zhuǎn)狀況及時(shí)傳送到各所屬部門，提早為動(dòng)車和機(jī)車維修以及更換相關(guān)部件做準(zhǔn)備。

我國機(jī)車在車載監(jiān)控方面已發(fā)展了很長時(shí)間，機(jī)車安全信息系統(tǒng)、機(jī)車狀態(tài)信息系統(tǒng)和機(jī)車監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)上的種類繁多。目前我國機(jī)車上的主要安全監(jiān)控系統(tǒng)有LKJ列車運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)、列車運(yùn)行狀態(tài)信息系統(tǒng)(LAIS)、ATP車載防護(hù)設(shè)備、機(jī)車車載安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(6A系統(tǒng))、機(jī)車遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)及實(shí)時(shí)診斷系統(tǒng)(CMD系統(tǒng))[1]。

6A系統(tǒng)是一種安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)含有列車供電監(jiān)測(cè)、高壓絕緣監(jiān)測(cè)、機(jī)車視頻監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程防火監(jiān)測(cè)、制動(dòng)監(jiān)測(cè)、轉(zhuǎn)向架車載監(jiān)測(cè)六大監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)于一體。該系統(tǒng)解決了現(xiàn)有機(jī)車上行車安全監(jiān)測(cè)設(shè)備不統(tǒng)型的問題，能實(shí)現(xiàn)行車數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、儲(chǔ)存和下載的功能。

1 列車供電監(jiān)測(cè)

列車供電監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)由列車供電監(jiān)測(cè)板卡、漏電流檢測(cè)模塊、連接器、線纜組成。該子系統(tǒng)通過監(jiān)測(cè)列車供電線路對(duì)地漏電流值，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)列車供電的漏電、負(fù)荷情況。

2 高壓絕緣監(jiān)測(cè)

高壓絕緣監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)由高壓絕緣檢測(cè)箱、連接器、線纜組成。該監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)在司機(jī)升弓前，通過測(cè)量高壓設(shè)備對(duì)地的漏電流等，檢測(cè)機(jī)車車頂高壓設(shè)備的絕緣狀態(tài)。

3 機(jī)車視頻監(jiān)測(cè)

自動(dòng)視頻監(jiān)控及記錄子系統(tǒng)由攝像頭、視頻采集板卡1(AV1)、視頻采集板卡2(AV2)、視頻處理板卡(AV3)、連接器、電纜組成。該子系統(tǒng)通過在車前后端、司機(jī)室、機(jī)械間、電器間等多個(gè)部位安裝攝像頭，對(duì)視頻情況進(jìn)行記錄，通過中央處理平臺(tái)與防火監(jiān)控子系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，火災(zāi)發(fā)生時(shí)可自動(dòng)切換至火情發(fā)生區(qū)域的視頻圖像。

4 遠(yuǎn)程防火監(jiān)測(cè)

一般防火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)設(shè)備主要有光電感煙探測(cè)器、典型感溫探測(cè)器、火焰探測(cè)器、感溫線纜等設(shè)備。6A系統(tǒng)的遠(yuǎn)程防火監(jiān)測(cè)主要設(shè)備為光電感煙探測(cè)器，該設(shè)備是利用火災(zāi)煙霧對(duì)光產(chǎn)生吸收和散射作用來探測(cè)火災(zāi)的一種裝置，通過對(duì)散發(fā)在空氣中較高溫度的混合氣溶膠，即未完全燃燒的液、固分解生成物與冷凝物微小顆粒進(jìn)行探測(cè)報(bào)警。遠(yuǎn)程防火監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的應(yīng)用，及時(shí)避免了多起較嚴(yán)重的火災(zāi)事故。通過6A機(jī)車車載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程防火監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，把線下定期檢查轉(zhuǎn)移到了線上實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

5 制動(dòng)監(jiān)測(cè)

制動(dòng)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)中的停放制動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備主要是停放制動(dòng)非正常施加監(jiān)測(cè)功能的獨(dú)立模塊，由制動(dòng)監(jiān)測(cè)主板、監(jiān)測(cè)子板、壓力變送器、連接器、線纜組成。把列車管壓力值發(fā)送給制動(dòng)監(jiān)測(cè)子板卡，結(jié)合車載微機(jī)系統(tǒng)提供或觸點(diǎn)傳遞的彈停制動(dòng)閥被隔離信息，監(jiān)測(cè)機(jī)車運(yùn)行過程中停放制動(dòng)異常施加狀態(tài)，并把結(jié)果通過制動(dòng)主板卡發(fā)送給中央處理平臺(tái)[2]。通過6A機(jī)車車載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的制動(dòng)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，把部分制動(dòng)系統(tǒng)故障的處置形式從事后處置轉(zhuǎn)移到了提前干預(yù)，并且利用CMD系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了從回段線下故障定位到途中線上故障實(shí)時(shí)定位的功能。

6 轉(zhuǎn)向架車載監(jiān)測(cè)

轉(zhuǎn)向架車載監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)主要是對(duì)運(yùn)行過程中的機(jī)車轉(zhuǎn)向架進(jìn)行在線檢測(cè)，當(dāng)前主要采用的是溫度和振動(dòng)監(jiān)測(cè)的方式判斷故障情況。

6.1 軸承故障監(jiān)測(cè)

軸承是轉(zhuǎn)向架中最常見和最易損壞的部件之一，在使用過程中的故障形式主要有疲勞剝落、磨損、塑性變形、腐蝕、斷裂、膠合[3]。

目前，用于軸承故障監(jiān)測(cè)和診斷的方法有很多。采用振動(dòng)和溫度的監(jiān)測(cè)方法，可以監(jiān)測(cè)的故障類型有疲勞剝落、裂紋、壓痕、磨損、電蝕、擦傷、燒傷、銹蝕、保持架破損、蠕變等，該監(jiān)測(cè)方法的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在：(1)可以監(jiān)測(cè)出各種類型軸承的異?，F(xiàn)象；(2)在故障初期就可以發(fā)現(xiàn)異常，并可在旋轉(zhuǎn)中測(cè)定；(3)由于振動(dòng)信號(hào)發(fā)自軸承本身，所以不需要特別的信號(hào)源；(4)信號(hào)監(jiān)測(cè)和處理比較簡單。

軸承中所產(chǎn)生的振動(dòng)是隨機(jī)的，含有滾動(dòng)體的傳輸振動(dòng)。其主要頻率成分為軸承的特征頻率，內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)頻率fi、保持架旋轉(zhuǎn)頻率fc、滾子有轉(zhuǎn)頻率fb、保持架通過(內(nèi)圈)頻率fci、滾子通過內(nèi)圈頻率fBi、滾子通過外圈頻率fBo可根據(jù)軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算：

fi=f=N/60

(1)

(2)

(3)

(4)

fBi=nfci

(5)

fBo=nfc

(6)

式中：N——軸的轉(zhuǎn)速，r/min；

d——滾子直徑；

D——兩滾子的中心距；

β——接觸角；

n——滾子數(shù)量。

(7)

式中：r——滾子的半徑；

E——彈性模量；

ρ——材料的密度。

軸承內(nèi)、外圈在圈平面內(nèi)的固有頻率：

(8)

式中：n——固有頻率的階數(shù)；

I——套圈截面繞中性軸的慣性矩；

a——回轉(zhuǎn)軸線到中性軸的半徑；

M——單位長度的質(zhì)量。

依據(jù)上述公式可以計(jì)算出軸承各零部件的固有頻率以及軸承各零部件在正常運(yùn)用中的振動(dòng)信號(hào)時(shí)域波形，通過與儀器測(cè)量出的振動(dòng)信號(hào)時(shí)域波形對(duì)比可以分析出軸承的健康狀態(tài)。

HXD2型系列機(jī)車驅(qū)動(dòng)裝置采用半架懸單齒輪結(jié)構(gòu)，在每軸設(shè)置6個(gè)測(cè)點(diǎn)，傳感器定義為從齒輪箱所在端開始，依次為：1位，齒端軸箱軸承座；2位，齒端電機(jī)軸承座；3位，齒端抱軸軸承座；4位，非齒端抱軸軸承座；5位，非齒端電機(jī)軸承座；6位，非齒端軸箱軸承座，例如A11表示A節(jié)機(jī)車1軸1位。圖1為6A系統(tǒng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置示意圖[4-5]。

圖1 6A系統(tǒng)轉(zhuǎn)向架監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置示意圖

目前的6A系統(tǒng)對(duì)電機(jī)軸承溫度的檢測(cè)是以裝在軸承附近的6A傳感器測(cè)得的溫度為準(zhǔn)，雖然檢測(cè)到的溫度是正確的，但是由于非傳動(dòng)端軸承在電機(jī)出風(fēng)口附近，電機(jī)的出風(fēng)是經(jīng)過繞組的加熱具有較高的溫度，所以傳感器檢測(cè)到的這個(gè)溫度，不完全是軸承自身運(yùn)行產(chǎn)生的溫度，而是自身運(yùn)行溫度與出風(fēng)烘烤溫度的疊加。6A系統(tǒng)傳感器無法區(qū)分這兩個(gè)溫度，所以檢測(cè)的溫度有誤報(bào)的因素。目前的報(bào)警限值設(shè)置為溫度90 ℃、溫升55 ℃，經(jīng)過分析對(duì)機(jī)車軸溫報(bào)警閾值進(jìn)行了適應(yīng)性調(diào)整，調(diào)整結(jié)果如下：

(1)將牽引電機(jī)非傳動(dòng)端軸承最高溫度門檻限值設(shè)定為105 ℃；

(2)將牽引電機(jī)非傳動(dòng)端軸承溫升門檻限值設(shè)定為70 ℃；

(3)將牽引電機(jī)傳動(dòng)端軸承最高溫度門檻限值設(shè)定為120 ℃；

(4)將牽引電機(jī)傳動(dòng)端軸承溫升門檻限值設(shè)定為70 ℃。

6.2 輪對(duì)踏面監(jiān)測(cè)

圖2為6A轉(zhuǎn)向架監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)中車輪踏面信息位置分布，縱坐標(biāo)表示預(yù)警次數(shù)，橫坐標(biāo)表示軸位，例如A16(R)表示A節(jié)機(jī)車1軸6位右側(cè)。從圖2中可以看出，非齒側(cè)車輪踏面預(yù)警次數(shù)高于齒側(cè)車輪踏面預(yù)警次數(shù)，表明非齒側(cè)車輪踏面損傷概率高于齒側(cè)車輪踏面。轉(zhuǎn)向架監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)車輪多邊形狀態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，要充分利用6A系統(tǒng)預(yù)報(bào)警數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)輪對(duì)踏面存在頻繁預(yù)報(bào)警的機(jī)車應(yīng)及時(shí)進(jìn)行恢復(fù)性旋修。

圖2 6A系統(tǒng)轉(zhuǎn)向架監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中車輪踏面信息位置分布

7 結(jié)語

機(jī)車車載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(6A系統(tǒng))主要優(yōu)勢(shì)如下：

(1)防火監(jiān)測(cè)，把機(jī)車車上設(shè)備的狀態(tài)從線下定期檢查轉(zhuǎn)移到了線上實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；

(2)預(yù)防維修，提高了機(jī)車車輛運(yùn)用可靠性的同時(shí)，也提升了制動(dòng)故障定位速度；

(3)通過振動(dòng)波形和溫升的分析，可以了解轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件的健康狀態(tài)，提前做好關(guān)鍵部件的預(yù)防性維修；

(4)將傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)維修理念向可靠性維修理念轉(zhuǎn)變。

綜上所述，6A系統(tǒng)對(duì)整車進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，保證了機(jī)車整體運(yùn)行的可靠性，通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集和分析，客戶不需要對(duì)機(jī)車進(jìn)行解體就可以了解機(jī)車各關(guān)鍵部件的實(shí)際運(yùn)用狀態(tài)，降低了機(jī)車的維修成本，提高了機(jī)車的使用率。該系統(tǒng)滿足軌道交通對(duì)機(jī)車健康監(jiān)測(cè)的需求。