復(fù)興號高速動車組便攜式智能化車鉤檢測裝置

付 翔，王 岳，王小中，牛海瑞，王梓洋，徐 嘯，洪江偉，常 恒

(1.武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430205；2.中國鐵路武漢局集團有限公司 武漢動車段，湖北 武漢 430010)

目前對于復(fù)興號動車組車鉤緩沖裝置的檢修主要以外觀檢查為主，即對其部分可見外表面進行目視檢查；日常維護也是對機械車鉤可見部位進行清潔并涂潤滑油；檢查車鉤動作是通過手動操作動車組自動車鉤觸發(fā)器工裝，來驗證車鉤的鉤舌是否能夠彈出以及車鉤的連掛指示針是否指示正常；對解鉤狀態(tài)的檢查，采用手動拉解鉤繩的方式。而對于車鉤內(nèi)部是否卡滯、元件是否有磨損等情況無法進行有效的判斷。本文從復(fù)興號動車組車鉤檢修作業(yè)的相關(guān)規(guī)定和現(xiàn)場實際作業(yè)情況出發(fā)，總結(jié)了目前在現(xiàn)場進行檢修作業(yè)時出現(xiàn)的問題，設(shè)計了一種便攜式智能化復(fù)興號動車組車鉤檢測裝置。

1 現(xiàn)有車鉤檢查維護作業(yè)及車鉤觸發(fā)試驗方式

1.1 現(xiàn)有CR400BF型復(fù)興號動車組車鉤檢查維護作業(yè)[1]

(1)目視檢查機械車鉤、電鉤推送裝置、緩沖裝置及安裝吊掛裝置，確認外觀無裂紋、變形，螺栓緊固無松動，彈簧無變形、斷裂，橡膠件無老化、變形、龜裂；

(2)使用壓縮空氣及加強型金屬零部件清洗劑、毛刷和無紡布對前端車鉤緩沖裝置進行徹底清潔；

(3)清理車鉤連掛面、鉤舌、連掛桿和各風(fēng)管連接器，去除雜物，并用無絨布擦干凈；

(4)使用AUTOL TOP 2000潤滑脂潤滑凸錐、凹錐的滑動表面、連掛組成和中心樞軸軸承襯套的相關(guān)部件。

1.2 現(xiàn)有車鉤手動觸發(fā)試驗方式[2-3]

(1)手動觸發(fā)車鉤，使連掛組成處于連掛位，此時連掛指示狀態(tài)正常。或者人工使用橡膠錘或者其他工具敲擊車鉤中的觸發(fā)器，確認連掛機構(gòu)能夠完成連掛動作。

(2)拉動解鉤手柄，檢查連掛機構(gòu)是否靈活，確保解鉤到位后機械鎖定牢固和解鉤狀態(tài)指示正常。

(3)重復(fù)上述操作3次。

某動車段采用自制的自動車鉤觸發(fā)器工裝(圖1)對車鉤的連掛性能進行測試，考慮到車鉤自動觸發(fā)后兩列動車組風(fēng)路貫通，車鉤風(fēng)管連接處會有壓縮空氣噴出，對作業(yè)人員造成人身傷害，因此采用風(fēng)道密封裝置(圖2)堵住車鉤風(fēng)管接口，對車鉤緩沖裝置風(fēng)道進行密封[4]。

圖1 自動車鉤觸發(fā)器工裝

圖2 風(fēng)道密封裝置

2 現(xiàn)有車鉤檢修方式存在的問題[5]

(1)采用手動觸發(fā)車鉤方式，檢修效率低。

(2)需要同時使用2種設(shè)備，且安裝過程不方便。該自制的車鉤觸發(fā)器測試裝置的工作原理是：驅(qū)動液壓油缸前端頂桿向前推進，從而使觸發(fā)器動作。其安裝過程較為復(fù)雜，需要不斷調(diào)整拉爪的位置使裝置被完全固定住，同時為了保護作業(yè)人員不被強氣流沖擊發(fā)生傷害，必須配合風(fēng)道密封裝置一起使用。

(3)風(fēng)管壓力沒有進行具體的壓力測試，沒有實際數(shù)據(jù)，無法掌握閥體動作是否正常，空氣管路是否能夠貫通。

(4)不能及時發(fā)現(xiàn)安全隱患和故障趨勢。對動車組車鉤各動作部件的具體情況并不能完全掌握，如個別位置發(fā)生了輕微的磨損、變形、卡滯等故障均無法測出，無法準確判斷各部件的損耗情況。

3 便攜式智能化車鉤檢測裝置的設(shè)計與功能

針對車鉤檢修中存在的問題，本文設(shè)計了一款便攜式智能化車鉤檢測裝置。其原理是：模擬一列動車組真實車鉤與被測車鉤連掛，采用電動機驅(qū)動推桿模擬車鉤凸錐，推動觸發(fā)器使被測車鉤動作；在頂桿頭部設(shè)置傳感器，用以采集車鉤動作時的觸發(fā)器的接觸壓力。設(shè)計采用柱銷式傳感器，既實現(xiàn)了車鉤的平面定位，又能夠測量空氣管道內(nèi)的空氣壓力，以確認車鉤連掛后空氣管路的貫通情況；同時對空氣管路進行密封，實現(xiàn)了對測試人員的安全防護。

3.1 便攜式智能化車鉤檢測裝置結(jié)構(gòu)組成

便攜式智能化車鉤檢測裝置采用220 V外接電源供電，電氣部分由步進電動機驅(qū)動頂桿向外運動觸發(fā)車鉤觸發(fā)裝置?？刂葡到y(tǒng)采用基于ARM內(nèi)核的STM32嵌入式單片機采集各傳感器數(shù)據(jù)，控制電動機動作及與觸摸屏交互。便攜式智能化車鉤檢測裝置機械部分由殼體、柱銷式傳感器定位裝置、接觸面板、推頂觸發(fā)裝置、鎖緊裝置、觸碰屏控制面板、柱銷式風(fēng)堵及操作指示按鈕組成，將現(xiàn)有工裝工具的功能全部集成到了一個設(shè)備上，如圖3所示。圖3中，觸碰屏控制面板內(nèi)部設(shè)置了物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理模塊。

圖3 便攜式智能化車鉤檢測裝置的結(jié)構(gòu)

便攜式智能化車鉤檢測裝置主要結(jié)構(gòu)可分為4個模塊：

(1)定位與鎖緊模塊。采用柱銷式定位，將2個柱銷式風(fēng)壓傳感器插入2個風(fēng)道中，在檢測風(fēng)壓的同時實現(xiàn)定位，再通過該裝置四角的四桿機構(gòu)鎖緊。

(2)觸發(fā)壓力模塊。觸發(fā)壓力模塊用于檢測連掛動作，利用AC 220 V步進電動機帶動推桿向前運動，推動車鉤的觸發(fā)器，利用設(shè)置在推桿頭部的ARIZON 1021壓力傳感器測量推桿施加在觸發(fā)器上的壓力，在觸發(fā)器動作的一瞬間電動機停止工作，最后將壓力傳感器和風(fēng)壓傳感器記錄的數(shù)值通過RS-485傳輸協(xié)議傳輸?shù)角度胧揭惑w機中，再傳輸?shù)浇K端設(shè)備上。根據(jù)測試得出的正常車鉤連掛時的數(shù)值范圍智能判斷該被檢測車鉤是否能正常工作。

(3)風(fēng)壓檢測模塊。風(fēng)壓檢測采用柱銷式風(fēng)壓傳感器，一方面能輔助實現(xiàn)裝置的定位，另一方面能更加精確測量風(fēng)壓。在鉤鎖連桿連掛動作完成后，風(fēng)道內(nèi)釋放壓縮空氣，柱銷式風(fēng)壓傳感器對其壓力大小進行測量，并將具體數(shù)值記錄下來[6]。

(4)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理模塊。物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理模塊將2個傳感器檢測到的數(shù)據(jù)通過RS485協(xié)議傳輸?shù)綑z測裝置的嵌入式一體機和無線傳輸模塊，無線傳輸模塊運用5G通信技術(shù)將便攜式車鉤檢測裝置與手持終端進行實時數(shù)據(jù)傳輸，通過開發(fā)的App將每次的檢測數(shù)據(jù)形成數(shù)據(jù)庫，同時將數(shù)據(jù)庫內(nèi)數(shù)據(jù)與故障車鉤數(shù)據(jù)進行比較，得出可能出現(xiàn)故障的臨界值。檢測裝置得到的數(shù)據(jù)達到該臨界值時就可以提前對故障進行預(yù)判和處理。

3.2 便攜式智能化車鉤檢測裝置的數(shù)據(jù)智能分析

圖4為便攜式智能化車鉤檢測裝置的數(shù)據(jù)處理流程。如圖4所示，數(shù)據(jù)處理模塊將采集的數(shù)據(jù)進行處理后，通過無線傳輸模塊傳輸至手持終端，實時顯示測試的接觸壓力及空氣管路壓力，同時，檢測的壓力數(shù)據(jù)通過物聯(lián)網(wǎng)傳輸至移動終端及動車段數(shù)據(jù)庫并記錄下來，然后利用數(shù)據(jù)庫的大數(shù)據(jù)對檢測的車鉤壓力數(shù)據(jù)進行智能分析。考慮到單個車鉤狀態(tài)的特征判斷與多個變量有關(guān)，因此，為科學(xué)建立車鉤“正?！迸c“故障”狀態(tài)的特征邊界，基于歷史樣本與趨勢預(yù)測的要求，使用灰色馬爾科夫(Grey-Markov)模型的狀態(tài)趨勢預(yù)測方法，結(jié)合采集的正常車鉤數(shù)據(jù)和故障車鉤數(shù)據(jù)進行在線建模分析，通過構(gòu)造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對測試的車鉤狀態(tài)進行預(yù)測。

圖4 便攜式智能化車鉤檢測裝置的數(shù)據(jù)處理流程

為了將數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器和方便現(xiàn)場讀取數(shù)據(jù)，該裝置采用無線WiFi和2.4 GHz藍牙進行數(shù)據(jù)的無線傳輸，并設(shè)計一款A(yù)pp將便攜式車鉤檢測裝置與手持終端進行實時數(shù)據(jù)連接，使車鉤檢修流程透明化。便攜式車鉤檢測裝置搭載了由傳感器、發(fā)射器、接收器和控制器組成的無線傳輸集成芯片，可以實現(xiàn)遠程無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸及近距離藍牙傳輸。圖5為手機App軟件調(diào)試界面。

圖5 手機App軟件調(diào)試界面

3.3 試驗驗證

為了驗證便攜式智能化車鉤檢測裝置的實際性能，首先對工程樣機在試驗車鉤上進行試驗驗證，將現(xiàn)場采集的50輛動車組共100個車鉤的實際數(shù)值進行訓(xùn)練，試驗結(jié)果表明，同一臺車鉤的壓力值重復(fù)性測試時，壓力值誤差不超過3%，測試數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定；然后對同一臺車鉤部分配件進行故障假設(shè)試驗，試驗結(jié)果表明，車鉤智能化算法能夠準確判斷出彈簧拉力異常、觸發(fā)器略有卡滯等機械部位的故障隱患。圖6為樣機測試及現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)顯示界面。

圖6 樣機測試及現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)顯示界面

4 結(jié)論

便攜式智能化車鉤檢測裝置比傳統(tǒng)檢測工具作業(yè)效率高，分析判斷準，該裝置的研制具有重要意義：

(1)將傳統(tǒng)檢修方式中使用的2種不同的檢測工具整合，簡化了現(xiàn)場檢修流程和安裝工作；

(2)搭載了數(shù)據(jù)傳輸模塊，可以通過無線傳輸將檢修數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C等終端設(shè)備上，實現(xiàn)對車鉤運行狀態(tài)的實時檢測；

(3)采用風(fēng)壓傳感器可以對原本只能密封的風(fēng)道中的風(fēng)壓進行檢測，檢修工作更加精細；

(4)采用自動化技術(shù)，減少了人工重復(fù)工作，提高了檢修效率。

隨著智能化等現(xiàn)代技術(shù)在檢修工作上的應(yīng)用越來越廣泛，使動車組檢修工作的效率不斷提高，為動車組各部件的日常運行狀態(tài)提供了安全保障。