新型軸溫監(jiān)測系統(tǒng)在高速動車組上的應(yīng)用

哈大雷，王乾，蔣濤，張言偉

(1.中國北車集團(tuán) 長春軌道客車股份有限公司 技術(shù)中心，吉林 長春 130062;2.中國北車集團(tuán) 青島四方車輛研究所有限公司 電氣事業(yè)部，山東 青島 266031;3.濟(jì)南鐵路局 供電段，山東 濟(jì)南 250001)*

0 引言

隨著鐵路提速范圍的不斷擴(kuò)大，列車運(yùn)行速度已經(jīng)達(dá)到了350 km/h，由于運(yùn)行速度的提升，牽引功率增大，使得列車與鋼軌的沖擊、動力效應(yīng)和振動增大，導(dǎo)致列車走行部分和齒輪箱的發(fā)熱增多，當(dāng)軸承和大、小齒輪發(fā)生磨損或者產(chǎn)生缺陷時，非正常發(fā)熱增大，就會影響列車的運(yùn)行安全，所以對列車運(yùn)行安全提出了更高的要求.因此，在以往國內(nèi)相關(guān)研究和實(shí)踐應(yīng)用的基礎(chǔ)上［1-8］，開發(fā)研制性能可靠、優(yōu)良的新型軸溫監(jiān)測系統(tǒng)，對保證列車運(yùn)行安全具有重要意義.

1 軸溫監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

以往客車和動車組的軸溫監(jiān)測設(shè)備一般有系統(tǒng)監(jiān)控主機(jī)、溫度轉(zhuǎn)換裝置、輸入輸出設(shè)備、車下接線盒、溫度傳感器等.軸溫監(jiān)測系統(tǒng)一般由其中的若干個設(shè)備共同組成.溫度傳感器類型主要有數(shù)字式溫度傳感器，熔斷式溫度傳感器，Pt100型，Pt1000型.

1.2 問題分析

現(xiàn)有動車組軸溫監(jiān)測系統(tǒng)在運(yùn)營中主要存在以下的問題:①設(shè)備安裝在車下，由于IP防護(hù)等級不夠，導(dǎo)致設(shè)備的介電強(qiáng)度降低，降低了設(shè)備的穩(wěn)定性;②溫度轉(zhuǎn)換裝置與溫度傳感器之間連接的連接器選用不當(dāng)，造成連接虛接、脫落，經(jīng)常出現(xiàn)軸溫誤報的現(xiàn)象;③數(shù)字式溫度傳感器的溫度工作范圍小，當(dāng)溫度過高時，會使傳感器失效;④傳感器內(nèi)部焊料選用了普通的焊錫，其熔點(diǎn)在180～185℃，但是，當(dāng)溫度達(dá)到熔點(diǎn)前，其機(jī)械強(qiáng)度已大幅下降，這也就意味著當(dāng)溫度達(dá)到150～160℃甚至更低時，焊點(diǎn)隨時會脫落，造成電阻回路斷線;⑤溫度傳感器保護(hù)軟管使用普通的塑料螺紋管，高速運(yùn)行時沙石擊打，振動會造成傳感器故障;⑥傳感器鎧裝與保護(hù)軟管間無固定喉箍，在列車高速運(yùn)行時，由于振動、強(qiáng)風(fēng)等原因使兩者之間松脫，進(jìn)而使電纜受力斷裂.同時由于傳感器鎧裝與保護(hù)軟管間以及內(nèi)部電纜與鎧裝接頭間密封不夠，在雨雪天氣或洗車后，傳感器上會積水，由于列車高速運(yùn)行尤其是進(jìn)入隧道時產(chǎn)生的巨大風(fēng)壓會將水壓入保護(hù)管內(nèi)，導(dǎo)致介電強(qiáng)度降低.

綜上所述，軸溫報警系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行與其系統(tǒng)的構(gòu)成及工作環(huán)境有很大的聯(lián)系，系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，其穩(wěn)定性也差.另外連接牢靠，防護(hù)等級高的連接方式也起著非常重要的作用.

2 新型軸溫監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

高速動車組所有車輛都配備軸溫監(jiān)測系統(tǒng).軸溫監(jiān)測系統(tǒng)用于轉(zhuǎn)向架軸端溫度和齒輪箱溫度的采集、診斷及與列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(TCMS)的信息交換.軸溫監(jiān)測系統(tǒng)主要由軸溫監(jiān)測裝置(HADS)和溫度傳感器(Pt100)構(gòu)成.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示:

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

溫度傳感器安裝在轉(zhuǎn)向架各個軸端和齒輪箱內(nèi)部，通過電纜直接與軸溫監(jiān)測裝置相連.軸溫監(jiān)測裝置安裝在列車電氣柜內(nèi)，負(fù)責(zé)傳感器狀態(tài)診斷、傳感器溫度采集和溫度數(shù)據(jù)的分析整理，并將傳感器狀態(tài)和溫度狀態(tài)實(shí)時的傳送給TCMS.當(dāng)監(jiān)測溫度超過設(shè)定的安全閥值時，會自動發(fā)出聲光報警信號，同時顯示故障車軸的相關(guān)信息，提醒司機(jī)采取相關(guān)措施，避免重大運(yùn)營安全事故的發(fā)生.

2.2 技術(shù)改進(jìn)

2.2.1 改進(jìn)溫度診斷算法

熱軸原因分析是一項(xiàng)很復(fù)雜的工作，就其發(fā)生過程要經(jīng)過三個階段.

第一階段:異常升溫.產(chǎn)生異常升溫的原因主要是軸承故障、潤滑劑失效及受到異常負(fù)荷或沖擊負(fù)荷等.

第二階段:潤滑油膜徹底破壞，軸承出現(xiàn)嚴(yán)重磨損，表現(xiàn)為軸溫迅速升高，在這一過程中，隨著溫度的升高，潤滑油粘度降低，造成油膜變薄，進(jìn)一步加劇了軸承的摩擦升溫.當(dāng)軸承達(dá)到一定溫度后，潤滑脂融化.這種惡性循環(huán)使軸溫迅速升高，直至潤滑劑燃燒.

第三階段:軸溫進(jìn)一步升高，金屬部件軟化、變形直至熱切.

為保證行車安全，必須在設(shè)計(jì)過程中采取措施將熱軸控制在上述第一階段.綜上所述，熱軸現(xiàn)象必定伴隨著軸溫的驟然升高過程，因此通過改進(jìn)溫度診斷算法是降低誤報率的有效途徑.

為了克服傳統(tǒng)系統(tǒng)中只根據(jù)某一時刻的即時溫度進(jìn)行報警的數(shù)據(jù)處理分析方法的單一性缺陷，本系統(tǒng)采用復(fù)合溫度診斷方式:①即時溫度多次取樣，取平均值;②溫度傳感器溫升診斷與即時溫度診斷共存;③對突然跳變的溫度值不即時采用，而是采用溫度跟蹤方式診斷后使用.

2.2.2 改進(jìn)系統(tǒng)計(jì)算精度

根據(jù)TB/T 3057—2002機(jī)車軸承溫度監(jiān)測報警裝置技術(shù)條件和TB/T 2226—2002鐵道客車用集中軸溫報警器技術(shù)條件軸溫報警器性能參數(shù)應(yīng)符合:在-15～105℃范圍內(nèi)，系統(tǒng)測量誤差不大于±2℃;在小于-15℃或大于105℃時，系統(tǒng)測量誤差不大于±4℃.

新型軸溫監(jiān)測裝置的溫度采集處理中，使用了ADI公司的16位精度的A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7792，軸溫監(jiān)測裝置的測量范圍是 -40～215℃，對應(yīng)的 Pt100溫度傳感器的電阻值為84.271～181.359 Ω，使用 AD7792內(nèi)部恒流源420 uA，對應(yīng)的測量電壓范圍為33～77 mV，使用的外部參考電壓為2.5 V，因此選用AD7792中的測量增益為32.根據(jù)AD7792中的算法:

當(dāng)增益根據(jù)需要設(shè)置成32后，它的RMS噪聲為0.63 uV，選用的外部電壓參考芯片為REF192ES，其電壓范圍為2.498～2.502 V，其引起的最大電壓誤差為62.5 uV，因此系統(tǒng)的最大誤差為63.13 uV，對應(yīng)的電阻誤差為0.150 3 Ω，溫度誤差為0.38℃.

綜上所述計(jì)算，系統(tǒng)在-15～105℃范圍內(nèi)，測量誤差不大于 ±1℃;在小于 -15℃或大于105℃時，系統(tǒng)測量誤差不大于±2℃.

根據(jù)以往各項(xiàng)目的實(shí)際運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)出現(xiàn)熱軸現(xiàn)象后不但影響列車正點(diǎn)運(yùn)行，同時為確保行車安全，會采取細(xì)致的排查工作.如果存在大量的熱軸誤報現(xiàn)象，必然會浪費(fèi)大量的人力和物力.因此要采用新的測溫設(shè)備和數(shù)據(jù)處理方法，以保證測量精度，提供系統(tǒng)的可信度.

2.2.3 改進(jìn)數(shù)據(jù)分析軟件

在傳統(tǒng)型的軸溫監(jiān)測設(shè)備中，沒有獨(dú)立專用的數(shù)據(jù)分析維護(hù)軟件.在發(fā)生熱軸問題后，維護(hù)人員不能通過直接的方式找出熱軸問題的根本原因，時間一長，導(dǎo)致熱軸問題成為慣性質(zhì)量問題，嚴(yán)重影響主機(jī)廠在用戶中的形象.為解決這一問題，高速軸溫監(jiān)測裝置的數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行了如下改進(jìn):①實(shí)時監(jiān)測和顯示所有溫度傳感器的溫度值;②實(shí)時繪制并保存溫度傳感器的溫度曲線，直接幫助維護(hù)人員判斷熱軸的原因.如傳感器質(zhì)量問題、軸承損壞等;③保存整個運(yùn)營過程中的所有溫度傳感器的溫度信息和故障信息.

3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

3.1 與列車的硬件接口設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由列車的蓄電池系統(tǒng)DC110V(77～137.5 V)直接供電，每節(jié)車輛安裝有兩個軸溫監(jiān)測裝置，每個轉(zhuǎn)向架的各個軸端安裝有冗余的溫度傳感器1和溫度傳感器2，分別與兩個軸溫監(jiān)測裝置相連，如圖2所示.動車齒輪箱內(nèi)的大、小齒輪軸承分別安裝有溫度傳感器與軸溫監(jiān)測裝置1相連.每個裝置有獨(dú)立的4個硬線DO，分別為裝置工作正常、工作故障、傳感器故障、傳感器報警.這些硬線DO組成獨(dú)立的監(jiān)測回路來保證軸溫監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的運(yùn)行.兩個軸溫監(jiān)測裝置之間通過內(nèi)部RS485通訊，將各自裝置采集的每個溫度傳感器的相關(guān)信息進(jìn)行交換.

圖2 軸溫監(jiān)測裝置與列車硬件接口原理圖

裝置設(shè)有RS232服務(wù)接口(X5B)，用于設(shè)備調(diào)試以及程序的更新和維護(hù)，同時能夠通過服務(wù)接口設(shè)定軸溫預(yù)/報警的限值(默認(rèn)預(yù)警值120℃，報警值140℃)和開啟溫升模式以及下載軸溫監(jiān)測裝置的診斷信息和傳感器溫度狀態(tài)信息.

3.2 軸溫監(jiān)測裝置硬件設(shè)計(jì)

軸溫監(jiān)測裝置的硬件主要由CPU(DSP+FPGA)、ADC溫度采集單元、事件記錄模塊、Pt100溫度傳感器、RTC實(shí)時時鐘、看門狗、IO控制模塊、網(wǎng)絡(luò)通訊模塊和RS485組成，硬件構(gòu)成如圖3所示.

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

軸溫監(jiān)測裝置采用DSP+FPGA的架構(gòu)作為系統(tǒng)控制的核心，并由CPLD控制DSP的外部中斷及硬件的地址映射與FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時互換.DSP采用浮點(diǎn)處理器芯片TMS320VC33，對復(fù)雜算法的處理能力大幅提高，使控制系統(tǒng)能夠輕松應(yīng)對溫度轉(zhuǎn)換和預(yù)報警判斷等實(shí)時計(jì)算.FPGA采用XC3S1500(1，500kGate)，其重復(fù)現(xiàn)場編程、I/O口可任意配置等特點(diǎn)增加了系統(tǒng)靈活性，極大地簡化系統(tǒng)硬件的復(fù)雜程度，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加緊湊.由于FPGA的特殊結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的并行運(yùn)行方式，這一特性使系統(tǒng)的響應(yīng)時間從DSP的μs級躍升至ns級，彌補(bǔ)了DSP在系統(tǒng)時間響應(yīng)方面的不足，成為系統(tǒng)邏輯控制和系統(tǒng)保護(hù)的核心.

事件記錄模塊用來存儲系統(tǒng)的故障信息、傳感器故障信息和溫度預(yù)報警信息，便于事后故障的還原和分析判斷.當(dāng)設(shè)備斷電或者無網(wǎng)絡(luò)時間時，RTC實(shí)時時鐘用來給系統(tǒng)提供穩(wěn)定的時鐘信號.看門狗電路用來監(jiān)控系統(tǒng)軟件的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)受到來自外界電磁場的干擾，造成程序的跑飛，而陷入死循環(huán)，程序的正常運(yùn)行被打斷時，能夠重新復(fù)位系統(tǒng)軟件.IO控制模塊，用來讀取當(dāng)前的設(shè)備地址和控制4個數(shù)字量輸出.

ADC溫度采集單元采用ADI公司的一個16位高分辨率的 Sigma-Delta轉(zhuǎn)換器(A/D轉(zhuǎn)換器)，此轉(zhuǎn)換器的處理方法能很好的適用于工業(yè)應(yīng)用環(huán)境.它有一個95 dB共模抑制，集成了一個可調(diào)節(jié)的、數(shù)字式可以從測量信號中過濾中、高頻干擾成分的低通過濾器.同時設(shè)計(jì)了傳感器狀態(tài)診斷電路，如圖4所示.通過控制恒流源部分和測量部分的能調(diào)多路輸入的緩沖器(MAX354)的使能信號，從而對20路PT100傳感器信號進(jìn)行采集.恒流源經(jīng)過電阻 R1后通過控制開關(guān)流入PT100溫度傳感器，然后再經(jīng)過控制開關(guān)和電阻R2后接地形成完整回路.通過測量串聯(lián)在Pt100回路里的R1和R2兩端的電壓來判斷Pt100溫度傳感器的狀態(tài).

圖4 溫度傳感器狀態(tài)診斷電路

3.3 溫度傳感器的監(jiān)控設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用的鉑電阻pt100溫度傳感器，它是利用電阻和溫度成一定函數(shù)關(guān)系而制成的，具有測量準(zhǔn)確度高、測量范圍大、可靠性高和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn).借鑒當(dāng)前動車組運(yùn)營中溫度傳感器出現(xiàn)的故障，進(jìn)行了新型溫度傳感器的設(shè)計(jì).

電氣原理采用四線制的電路接法(見圖5)，其原理是利用恒定電源對單獨(dú)的芯線回路進(jìn)行測量，IC+和IC-回路是恒流源經(jīng)過的回路，M+和M-是測量回路，測量回路沒有電流流過直接測量Pt100電阻兩端的電壓信號，來抵消被測導(dǎo)線的電阻來保證測量的精度.

圖5 四線制Pt100溫度傳感器電路

機(jī)械結(jié)構(gòu)采取了以下的優(yōu)化措施:①采用氬弧焊接方式，母材熔化，使焊點(diǎn)強(qiáng)度與電阻引腳相同;②傳感器內(nèi)部用特殊膠水、熱縮套管等保護(hù)鉑電阻及焊點(diǎn)，使其能承受30 g/100 g的振動/沖擊;③橡膠管(根據(jù)不同應(yīng)用，選用帶鋼絲及不帶鋼絲的進(jìn)口橡膠管，符合DIN5510)能耐受沙石等物體的打擊，且抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)大于波紋管，能更好的保護(hù)內(nèi)部電纜.橡膠管端部均用套筒扣壓，提高了連接強(qiáng)度及密封性能;④介電強(qiáng)度由AC500V提高到AC1000V.

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

4.1 列車網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)TCMS的軟件設(shè)計(jì)

4.1.1 數(shù)據(jù)處理

TCMS與裝置1和裝置2以200 ms的周期進(jìn)行交互通信.正常情況下，TCMS將從裝置1(默認(rèn)的優(yōu)先裝置)獲得的狀態(tài)信息用于狀態(tài)顯示和故障監(jiān)測.在裝置1(默認(rèn)的優(yōu)先裝置)沒有故障的情況下，TCMS同時也接收裝置2發(fā)送的信息，在裝置2發(fā)送的所有信息中，TCMS僅參考某些獨(dú)立的信息，其他信息則被忽略.當(dāng)裝置1發(fā)生故障后，TCMS開始輪詢裝置2，并將從裝置2獲得的狀態(tài)信息用于狀態(tài)顯示和故障監(jiān)測.

4.1.2 保護(hù)措施

TCMS接收到軸溫監(jiān)測裝置發(fā)送的異常狀態(tài)信息后，為保證行車安全，TCMS根據(jù)故障的分類，自動觸發(fā)相關(guān)的提示信息和保護(hù)措施引導(dǎo)司機(jī)將故障控制在2.2.1節(jié)中所述的第一階段.

4.1.3 系統(tǒng)的服務(wù)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)有RS232服務(wù)接口，用于設(shè)備調(diào)試以及設(shè)備程序的更新和維護(hù).通過服務(wù)接口可以將系統(tǒng)中的溫度數(shù)據(jù)及故障記錄記錄下載到電腦上，也可實(shí)時通過PC顯示各溫度傳感器狀態(tài)，同時可實(shí)時通過分析軟件測繪溫度變化曲線.以此來判斷溫度的異常信息是由于傳感器質(zhì)量問題而產(chǎn)生的誤報信息還是由于軸承損壞而產(chǎn)生的報警信息.

4.2 軸溫監(jiān)測裝置的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序的簡化流程框圖如圖6所示.系統(tǒng)上電后，首先對RTC內(nèi)部時鐘、LM溫度芯片及各功能模塊進(jìn)行初始化設(shè)置，設(shè)置完成后診斷裝置的設(shè)備狀態(tài)，例如裝置的設(shè)備地址是否正確，數(shù)字量輸出是否正常等，如果裝置狀態(tài)正常則進(jìn)入工作模式.在正常工作模式下，溫度采集、內(nèi)部RS485通訊、網(wǎng)絡(luò)通訊、數(shù)字量輸出及LED狀態(tài)顯示同時進(jìn)行.

系統(tǒng)主程序的核心是溫度采集及相關(guān)的狀態(tài)處理.首先采集的溫度值進(jìn)行判斷是否在正常的測量范圍內(nèi)，并判斷溫度是否發(fā)生驟然跳變.當(dāng)發(fā)生傳感器溫度發(fā)生驟然跳變時，則進(jìn)入溫度跟蹤模式.如果不在正常范圍內(nèi)則認(rèn)為是傳感器發(fā)生故障，通過串聯(lián)診斷電阻R1和R2的電壓值來判斷出具體的故障信息:短路，斷路等.如果在正常范圍內(nèi)，則進(jìn)行溫度狀態(tài)的判斷.任何一個軸承溫度超過120℃，或者同一轉(zhuǎn)向架內(nèi)4個軸端(8個溫度傳感器，內(nèi)部RS485故障時只判斷本車的4個溫度傳感器)的溫度差值在40℃以上，或者任何一個軸承溫度的溫升超過環(huán)境溫度80℃以上時，給出溫度預(yù)警信息;任何一個軸承溫度超過140℃，或者同一轉(zhuǎn)向架內(nèi)4個軸端(8個溫度傳感器)的溫度差值65℃以上，或者任何一個軸承溫度的溫升超過環(huán)境溫度100℃以上時，給出溫度報警信息.齒輪箱內(nèi)大、小齒輪任何一個溫度傳感器溫度超過120℃，或者任何一個齒輪溫度超過環(huán)境溫度80℃以上時，給出溫度預(yù)警信息，齒輪箱內(nèi)大、小齒輪任何一個溫度傳感器溫度超過140℃，或者任何一個齒輪溫度超過環(huán)境溫度100℃以上時，給出溫度報警信息.當(dāng)傳感器發(fā)生故障或者溫度預(yù)、報警時，給出相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)信號，數(shù)字量輸出信號和LED狀態(tài)顯示.

圖6 系統(tǒng)主程序流程框圖

5 結(jié)論

鐵路運(yùn)輸高速戰(zhàn)略的實(shí)施，對鐵路運(yùn)輸車輛尤其是動車組的安全運(yùn)行保障提出了更高的要求，其中軸溫監(jiān)測系統(tǒng)對列車運(yùn)行安全具有重要意義.本文所述的新型軸溫監(jiān)測系統(tǒng)針對以往系統(tǒng)的不足，采用新型裝置和軟件設(shè)計(jì)方法以提高系統(tǒng)的測溫精度、抗干擾能力和工作穩(wěn)定性.提醒和引導(dǎo)司機(jī)及時實(shí)施保護(hù)措施和檢查工作，有效地降低了事故發(fā)生率，對動車組的準(zhǔn)時到達(dá)和安全運(yùn)營具有重要意義.

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