機車車載安全監測系統

李 前，徐艷暉，閆科超

(中車大同電力機車有限公司 研究院，山西 大同 037038)

為確保機車運行的安全，機車上配備了由微機處理收集及反饋的安全防護設備。在國外，高速列車早已實現了對全列車的自動診斷。機車基本都配備了機車微機監控系統，在動車和既有列車上都裝設了進行數據采集和自我診斷的微機處理系統，對轉向架、制動系統、牽引系統和車頂高壓部等關鍵位置進行數據監測，通過機車網絡快速傳送到微機處理器，然后利用無線信號將列車運轉狀況及時傳送到各所屬部門，提早為動車和機車維修以及更換相關部件做準備。

我國機車在車載監控方面已發展了很長時間，機車安全信息系統、機車狀態信息系統和機車監測信息系統上的種類繁多。目前我國機車上的主要安全監控系統有LKJ列車運行監控系統、列車運行狀態信息系統(LAIS)、ATP車載防護設備、機車車載安全監測系統(6A系統)、機車遠程監測及實時診斷系統(CMD系統)[1]。

6A系統是一種安全監測系統，該系統含有列車供電監測、高壓絕緣監測、機車視頻監測、遠程防火監測、制動監測、轉向架車載監測六大監測子系統于一體。該系統解決了現有機車上行車安全監測設備不統型的問題，能實現行車數據實時監測、儲存和下載的功能。

1 列車供電監測

列車供電監測子系統由列車供電監測板卡、漏電流檢測模塊、連接器、線纜組成。該子系統通過監測列車供電線路對地漏電流值，實時監測列車供電的漏電、負荷情況。

2 高壓絕緣監測

高壓絕緣監測子系統由高壓絕緣檢測箱、連接器、線纜組成。該監測子系統在司機升弓前，通過測量高壓設備對地的漏電流等，檢測機車車頂高壓設備的絕緣狀態。

3 機車視頻監測

自動視頻監控及記錄子系統由攝像頭、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。該子系統通過在車前后端、司機室、機械間、電器間等多個部位安裝攝像頭，對視頻情況進行記錄，通過中央處理平臺與防火監控子系統進行聯動，火災發生時可自動切換至火情發生區域的視頻圖像。

4 遠程防火監測

一般防火監測系統的探測設備主要有光電感煙探測器、典型感溫探測器、火焰探測器、感溫線纜等設備。6A系統的遠程防火監測主要設備為光電感煙探測器，該設備是利用火災煙霧對光產生吸收和散射作用來探測火災的一種裝置，通過對散發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行探測報警。遠程防火監測子系統的應用，及時避免了多起較嚴重的火災事故。通過6A機車車載監測系統的遠程防火監測子系統的監測數據，把線下定期檢查轉移到了線上實時監測。

5 制動監測

制動監測子系統中的停放制動監測設備主要是停放制動非正常施加監測功能的獨立模塊，由制動監測主板、監測子板、壓力變送器、連接器、線纜組成。把列車管壓力值發送給制動監測子板卡，結合車載微機系統提供或觸點傳遞的彈停制動閥被隔離信息，監測機車運行過程中停放制動異常施加狀態，并把結果通過制動主板卡發送給中央處理平臺[2]。通過6A機車車載監測系統的制動監測子系統的監測數據，把部分制動系統故障的處置形式從事后處置轉移到了提前干預，并且利用CMD系統實現了從回段線下故障定位到途中線上故障實時定位的功能。

6 轉向架車載監測

轉向架車載監測子系統主要是對運行過程中的機車轉向架進行在線檢測，當前主要采用的是溫度和振動監測的方式判斷故障情況。

6.1 軸承故障監測

軸承是轉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，用于軸承故障監測和診斷的方法有很多。采用振動和溫度的監測方法，可以監測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，該監測方法的優越性主要體現在：(1)可以監測出各種類型軸承的異常現象；(2)在故障初期就可以發現異常，并可在旋轉中測定；(3)由于振動信號發自軸承本身，所以不需要特別的信號源；(4)信號監測和處理比較簡單。

軸承中所產生的振動是隨機的，含有滾動體的傳輸振動。其主要頻率成分為軸承的特征頻率，內圈旋轉頻率fi、保持架旋轉頻率fc、滾子有轉頻率fb、保持架通過(內圈)頻率fci、滾子通過內圈頻率fBi、滾子通過外圈頻率fBo可根據軸承結構參數計算：

fi=f=N/60

(1)

(2)

(3)

(4)

fBi=nfci

(5)

fBo=nfc

(6)

式中：N——軸的轉速，r/min；

d——滾子直徑；

D——兩滾子的中心距；

β——接觸角；

n——滾子數量。

(7)

式中：r——滾子的半徑；

E——彈性模量；

ρ——材料的密度。

軸承內、外圈在圈平面內的固有頻率：

(8)

式中：n——固有頻率的階數；

I——套圈截面繞中性軸的慣性矩；

a——回轉軸線到中性軸的半徑；

M——單位長度的質量。

依據上述公式可以計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用中的振動信號時域波形，通過與儀器測量出的振動信號時域波形對比可以分析出軸承的健康狀態。

HXD2型系列機車驅動裝置采用半架懸單齒輪結構，在每軸設置6個測點，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，非齒端電機軸承座；6位，非齒端軸箱軸承座，例如A11表示A節機車1軸1位。圖1為6A系統監測點的位置示意圖[4-5]。

圖1 6A系統轉向架監測點位置示意圖

目前的6A系統對電機軸承溫度的檢測是以裝在軸承附近的6A傳感器測得的溫度為準，雖然檢測到的溫度是正確的，但是由于非傳動端軸承在電機出風口附近，電機的出風是經過繞組的加熱具有較高的溫度，所以傳感器檢測到的這個溫度，不完全是軸承自身運行產生的溫度，而是自身運行溫度與出風烘烤溫度的疊加。6A系統傳感器無法區分這兩個溫度，所以檢測的溫度有誤報的因素。目前的報警限值設置為溫度90 ℃、溫升55 ℃，經過分析對機車軸溫報警閾值進行了適應性調整，調整結果如下：

(1)將牽引電機非傳動端軸承最高溫度門檻限值設定為105 ℃；

(2)將牽引電機非傳動端軸承溫升門檻限值設定為70 ℃；

(3)將牽引電機傳動端軸承最高溫度門檻限值設定為120 ℃；

(4)將牽引電機傳動端軸承溫升門檻限值設定為70 ℃。

6.2 輪對踏面監測

圖2為6A轉向架監測系統數據中車輪踏面信息位置分布，縱坐標表示預警次數，橫坐標表示軸位，例如A16(R)表示A節機車1軸6位右側。從圖2中可以看出，非齒側車輪踏面預警次數高于齒側車輪踏面預警次數，表明非齒側車輪踏面損傷概率高于齒側車輪踏面。轉向架監測系統可以對車輪多邊形狀態進行有效監測，要充分利用6A系統預報警數據進行分析，對輪對踏面存在頻繁預報警的機車應及時進行恢復性旋修。

圖2 6A系統轉向架監測數據中車輪踏面信息位置分布

7 結語

機車車載監測系統(6A系統)主要優勢如下：

(1)防火監測，把機車車上設備的狀態從線下定期檢查轉移到了線上實時監測；

(2)預防維修，提高了機車車輛運用可靠性的同時，也提升了制動故障定位速度；

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

(4)將傳統的經驗維修理念向可靠性維修理念轉變。

綜上所述，6A系統對整車進行狀態監測，保證了機車整體運行的可靠性，通過對監測數據的采集和分析，客戶不需要對機車進行解體就可以了解機車各關鍵部件的實際運用狀態，降低了機車的維修成本，提高了機車的使用率。該系統滿足軌道交通對機車健康監測的需求。