動(dòng)車組DNRA檢測(cè)及診斷邏輯優(yōu)化的研究

左文龍，李富平

（中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，長(zhǎng)春 130062）

隨著高速動(dòng)車組的快速發(fā)展，高速動(dòng)車組已經(jīng)成為人們所熟知的交通工具，在交通運(yùn)輸領(lǐng)域占據(jù)著越來(lái)越重要的地位。高速動(dòng)車組的逐漸普及，更加凸顯出提高車組安全性能、降低車組故障率的重要作用。文中結(jié)合動(dòng)車組運(yùn)營(yíng)過(guò)程中出現(xiàn)的真實(shí)故障，分析高速動(dòng)車組DNRA系統(tǒng)存在的問(wèn)題并提出優(yōu)化方案。

1 速度傳感器檢測(cè)原理

高速動(dòng)車組軸端速度傳感器按照如下工作原理進(jìn)行列車速度信號(hào)采集。

1.1 軸承結(jié)構(gòu)

WSCQDL02G軸端速度傳感器主要依據(jù)磁敏元件進(jìn)行軸轉(zhuǎn)速測(cè)量。高速動(dòng)車組軸上安裝了永磁體（磁環(huán)），軸端速度傳感器根據(jù)永磁體在傳感器表面的移動(dòng)，來(lái)檢測(cè)軸的轉(zhuǎn)速。高速動(dòng)車組軸承結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 高速動(dòng)車組軸承照片

1.2 傳感器測(cè)速原理

軸端速度傳感器電纜包含2個(gè)磁敏元件，速度傳感器在0～4 kHz范圍內(nèi)運(yùn)行，磁敏元件的輸出與周圍的磁場(chǎng)關(guān)系如圖2所示。

從圖2中可以看出，當(dāng)磁敏元件接觸到S極時(shí)，輸出為高電平；當(dāng)磁敏元件接觸到N極時(shí)，輸出為低電平。當(dāng)軸上N、S極連續(xù)從傳感器表面經(jīng)過(guò)時(shí)，就會(huì)生成方波信號(hào)（低電平7 mA，高電平14 mA），軸承旋轉(zhuǎn)1周，會(huì)輸出80個(gè)方波信號(hào)。

圖2 磁敏元件的輸入輸出特性

1.3 速度傳感器主要技術(shù)參數(shù)

為深入研究速度傳感器的基本結(jié)構(gòu)，掌握速度傳感的內(nèi)部元器件性能，對(duì)傳感器內(nèi)部元器件的主要性能技術(shù)參數(shù)進(jìn)行分析，具體見表1。

表1 速度傳感器主要技術(shù)參數(shù)

2 動(dòng)車組軸抱死故障樣本測(cè)試分析

動(dòng)車組軸抱死故障對(duì)運(yùn)營(yíng)運(yùn)輸秩序產(chǎn)生較大影響。經(jīng)統(tǒng)計(jì)90%的軸抱死故障在更換了軸端集成傳感器后故障消除。此次選取24起軸抱死故障為樣本，研究傳感器故障的原因。

24起軸抱死故障樣本具體分類如下：

（1）最初發(fā)生軸抱死故障的14條樣本，全部返回傳感器供應(yīng)商處進(jìn)行常規(guī)檢測(cè)，被測(cè)傳感器均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，且輸出波形與標(biāo)準(zhǔn)件比對(duì)正常。

（2）為探究軸抱死故障的真實(shí)原因，對(duì)后續(xù)發(fā)生軸抱死故障的10條樣本進(jìn)行分類試驗(yàn)，其中4條樣本進(jìn)行現(xiàn)車測(cè)試，6條樣本進(jìn)行常規(guī)測(cè)試及高溫振動(dòng)試驗(yàn)。

2.1 001A車現(xiàn)車測(cè)試

最初的4起軸抱死故障均發(fā)生在華中地區(qū)，故障傳感器在地面試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試時(shí)輸出波形均正常。為查找動(dòng)車組在運(yùn)行途中出現(xiàn)軸抱死的真實(shí)故障原因，先后2次在華中地區(qū)001A車組上，通過(guò)現(xiàn)車檢測(cè)進(jìn)行研究。

為避免一次性安裝太多故障傳感器對(duì)動(dòng)車組的正常運(yùn)營(yíng)造成影響，故將最初的4條故障傳感器分成2批，分別進(jìn)行現(xiàn)車測(cè)試。

2.1.1 第一批測(cè)試

按照測(cè)試方案，將故障傳感器分別安裝在001A車組2軸的3位軸頭和4位軸頭。安裝故障傳感器后，001A車組在線運(yùn)行時(shí)再次出現(xiàn)軸抱死故障。通過(guò)對(duì)采集到數(shù)據(jù)的分析，安裝在4位軸頭的傳感器在動(dòng)車組運(yùn)行時(shí)存在輸出波形失真的現(xiàn)象。

用傳感器測(cè)試設(shè)備分別采集3位軸頭和4位軸頭速度傳感器的輸出波形，如圖3～圖5所示。

圖3 第一批3位軸頭速度傳感器的輸出波形

圖5 第一批4位軸頭速度傳感器輸出異常段的波形

2.1.2 第二批測(cè)試

用另外2條故障傳感器繼續(xù)進(jìn)行第二批波形測(cè)試，傳感器測(cè)試設(shè)備分別采集3位軸頭和4位軸頭速度傳感器的輸出波形，通過(guò)波形分析，3位軸頭和4位軸頭的速度傳感器存在波形輸出失真的現(xiàn)象，具體輸出波形如圖6、圖7所示。

圖6 第二批3位軸頭速度傳感器的輸出波形圖

圖7 第二批4位軸頭速度傳感器的輸出波形圖

根據(jù)2批傳感器在工作時(shí)的輸出波形分析，除1條輸出波形正常以外，其余3條傳感器輸出的波形均存在異常情況，初步分析軸抱死發(fā)生的故障原因?yàn)樗俣葌鞲衅鬏敵霎惓２ㄐ巍?/p>

2.2 地面模擬測(cè)試

圖4 第一批4位軸頭速度傳感器的輸出波形圖

由于前期發(fā)生故障后更換的傳感器在地面進(jìn)行阻值測(cè)試、絕緣測(cè)試、耐壓測(cè)試和輸出波形測(cè)試均未發(fā)現(xiàn)異常。為進(jìn)一步分析速度傳感器是否真實(shí)存在故障，模擬列車運(yùn)行工況的高溫振動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)行深入分析測(cè)量。

2.2.1 常規(guī)測(cè)試

在進(jìn)行高溫振動(dòng)試驗(yàn)前，對(duì)所有測(cè)試的傳感器進(jìn)行了常規(guī)檢查，包括外觀檢查、絕緣測(cè)試（DC 500 V，500 MΩ）、耐壓測(cè)試（AC 800 V，60 s）、輸出波形測(cè)試，被測(cè)傳感器均達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求，且輸出波形與標(biāo)準(zhǔn)件比對(duì)正常。如圖8所示。

圖8 傳感器性能測(cè)試

2.2.2 高溫振動(dòng)試驗(yàn)

高溫工況最高達(dá)到80℃，振動(dòng)工況按照IEC 61373標(biāo)準(zhǔn)中的3類A級(jí)（車軸安裝）進(jìn)行測(cè)試。此次測(cè)試的樣件共計(jì)6條，其中第4條為未發(fā)生故障的傳感器。

在高溫振動(dòng)試驗(yàn)中，所有傳感器的輸出波形均受到影響，具體如下：

（1）測(cè)試件1

測(cè)試件1為更換的故障傳感器，在持續(xù)的高溫、振動(dòng)的環(huán)境中，出現(xiàn)了輸出頻率發(fā)生跳變的現(xiàn)象，如圖9、圖10所示。

圖9 測(cè)試件1通道2頻率變低

圖10 測(cè)試件通道2頻率變高

（2）測(cè)試件2和測(cè)試件3

測(cè)試件2和測(cè)試件3同樣為動(dòng)車組更換的故障傳感器，在持續(xù)的高溫、振動(dòng)的環(huán)境中，當(dāng)溫度達(dá)到66℃左右時(shí)，通道1出現(xiàn)輸出信號(hào)保持在高電平不變的現(xiàn)象，具體如圖11所示。

圖11 測(cè)試件2和3通道1輸出波形

（3）測(cè)試件4

測(cè)試件4為未發(fā)生故障的傳感器，在測(cè)試過(guò)程中輸出波形未出現(xiàn)異常。

（4）測(cè)試件6和測(cè)試件7

測(cè)試件6和測(cè)試件7為在東北地區(qū)發(fā)生軸抱死故障中的疑似故障傳感器。在測(cè)試過(guò)程中，也出現(xiàn)了與測(cè)試件1相同的現(xiàn)象，即輸出波形的頻率增大或變小。

3 問(wèn)題分析

3.1 環(huán)境溫度分析

通過(guò)動(dòng)車組遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)對(duì)在線運(yùn)行動(dòng)車組的軸箱溫度進(jìn)行監(jiān)控和分析發(fā)現(xiàn)，部分車輛傳感器工作的環(huán)境溫度達(dá)到78～80℃，持續(xù)時(shí)間可達(dá)2.5 h，甚至達(dá)3 h。

結(jié)合試驗(yàn)室模擬高溫、振動(dòng)工況下傳感器輸出波形異常的測(cè)試結(jié)果推斷，傳感器工作狀態(tài)異常造成動(dòng)車組誤報(bào)軸抱死故障與高溫存在一定的關(guān)聯(lián)性，因此，華中地區(qū)動(dòng)車組發(fā)生誤報(bào)軸抱死故障的頻率明顯高的原因跟傳感器長(zhǎng)期在高溫振動(dòng)的環(huán)境中使用有關(guān)。

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

（1）現(xiàn)車測(cè)試結(jié)果分析

根據(jù)在001A車上現(xiàn)車測(cè)試的2批共4條傳感器的數(shù)據(jù)分析，動(dòng)車組在運(yùn)行中只有1條傳感器輸出波形正常，其余3條傳感器輸出的波形均存在異常情況，且動(dòng)車組均出現(xiàn)誤報(bào)軸抱死的現(xiàn)象。因此，速度傳感器的異常波形輸出造成列車誤報(bào)軸抱死故障。

（2）地面模擬測(cè)試結(jié)果分析

為找到傳感器輸出異常的原因，在地面試驗(yàn)中，分別在普通工況和模擬實(shí)際運(yùn)行的工況下對(duì)傳感器進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，在普通工況下，傳感器波形輸出正常，但在高溫（66℃）和振動(dòng)（IEC 61373中3類A級(jí)）工況下，傳感器的輸出波形發(fā)生了異常。

（3）傳感器故障原因分析

速度傳感器的主要測(cè)速芯片工作的環(huán)境溫度為-40～+85℃之間，但根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況，部分傳感器實(shí)際長(zhǎng)期處于高溫工況中，最高溫度可以達(dá)到80℃，長(zhǎng)時(shí)間的高溫、振動(dòng)工況會(huì)造成傳感器工作不穩(wěn)定，降低現(xiàn)有測(cè)速芯片的壽命，傳感器輸出信號(hào)的頻率和幅值發(fā)生變化，導(dǎo)致傳感器采集的速度與軸實(shí)際的速度產(chǎn)生偏差，偏差達(dá)到軸抱死檢測(cè)閾值時(shí)，動(dòng)車組發(fā)生誤報(bào)軸抱死故障。

3.3 軸抱死檢測(cè)邏輯分析[1]

速度傳感器將每個(gè)軸端軸頭的速度信號(hào)發(fā)送給BCU，BCU的DNRA模塊對(duì)速度信號(hào)進(jìn)行整合分析，計(jì)算出2種結(jié)果：“速度信號(hào)斷路”、“輸出狀態(tài)信號(hào)異常”。

BCU與MPU之 間 進(jìn) 行 通訊［2］，并將DNRA計(jì)算的結(jié)果傳輸，最后MPU根據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)果進(jìn)行判斷并輸出相關(guān)的執(zhí)行指令，MPU的檢測(cè)邏輯如圖12所示。

圖12 現(xiàn)有診斷邏輯示意圖

由上圖可知，誤報(bào)軸抱死故障的原因主要有以下方面：

（1）BCU無(wú)通訊故障，但采集軸端速度的MB04B板卡通道故障無(wú)法采集正確的軸旋轉(zhuǎn)速度時(shí)，會(huì)報(bào)出軸抱死故障。

（2）當(dāng)同軸的2個(gè)軸端軸頭任一速度傳感器出現(xiàn)“速度信號(hào)斷路”、“輸出狀態(tài)信號(hào)異常”情況時(shí)會(huì)報(bào)出軸抱死故障。

（3）當(dāng)BCU與MPU之間的通訊出現(xiàn)異常，導(dǎo)致MPU錯(cuò)誤接收到BCU檢測(cè)的軸抱死信號(hào)時(shí)會(huì)報(bào)出軸抱死故障。

通過(guò)分析該判斷邏輯，由于動(dòng)車組原始的故障導(dǎo)向安全設(shè)計(jì)理念，同軸的一個(gè)軸端傳感器故障時(shí)就會(huì)報(bào)出軸抱死診斷信息，另一軸端傳感器的冗余采集并沒(méi)有得到有效的利用，造成軸抱死故障率較高，因此通過(guò)采集和對(duì)比同軸2個(gè)軸端傳感器的狀態(tài)值判斷軸的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)可有效降低軸抱死故障發(fā)生的頻率。

3.4 傳感器技術(shù)條件分析

根據(jù)動(dòng)車組裝用的傳感器技術(shù)條件要求，速度傳感器的主要測(cè)速芯片工作的環(huán)境溫度為-40～+85℃之間，而實(shí)際部分車組的運(yùn)行環(huán)境溫度較高，動(dòng)車組在長(zhǎng)期高溫、振動(dòng)工況下運(yùn)行時(shí)，傳感器的使用壽命縮短，傳感器輸出信號(hào)的幅值和頻率發(fā)生變化，導(dǎo)致傳感器采集的速度與軸實(shí)際的速度產(chǎn)生偏差。因此通過(guò)提高傳感器的耐高溫性能和抗干擾能力，能夠有效地保證傳感器的速度值輸出穩(wěn)定和可靠。

4 軟件濾波算法優(yōu)化及傳感器性能優(yōu)化

4.1 優(yōu)化MPU檢測(cè)邏輯

由于和諧號(hào)動(dòng)車組每根軸的兩端軸頭均安裝了1個(gè)速度傳感器，可充分利用傳感器的冗余性，減少軸抱死誤報(bào)的發(fā)生。故可將原診斷邏輯進(jìn)行優(yōu)化，具體如下：

（1）至少1個(gè)主BCU與網(wǎng)絡(luò)通訊正常，當(dāng)同一軸兩端軸頭的2個(gè)速度傳感器都檢測(cè)到軸抱死時(shí)，立即在司機(jī)室顯示屏報(bào)出軸抱死故障，優(yōu)化后的軸抱死檢測(cè)邏輯①如圖13所示。

圖13 優(yōu)化后的軸抱死檢測(cè)邏輯①

（2）當(dāng)主BCU報(bào)出同一軸兩端軸頭的1個(gè)速度傳感器故障，另1個(gè)速度傳感器正常，正常傳感器檢測(cè)到軸抱死且持續(xù)時(shí)間超過(guò)5 s時(shí)，在司機(jī)室顯示屏報(bào)出軸抱死故障，優(yōu)化后的軸抱死檢測(cè)邏輯②如圖14所示。

圖14 優(yōu)化后的軸抱死檢測(cè)邏輯②

（3）1路BCU報(bào)MB04B板卡 故 障、BCU通 訊故障，另1路BCU正常且報(bào)出軸抱死故障時(shí)，在司機(jī)室顯示屏報(bào)出軸抱死故障，優(yōu)化后的軸抱死檢測(cè)邏輯③如圖15所示。

圖15 優(yōu)化后的軸抱死檢測(cè)邏輯③

4.2 優(yōu)化BCU/WSP檢測(cè)邏輯

通過(guò)BCU軟件的方案優(yōu)化，可有效提升傳感器的檢測(cè)穩(wěn)定性，具體如下：

（1）車速度在10 km/h以下不進(jìn)行軸報(bào)死診斷。

（2）速度上升過(guò)程中，速度10～40 km/h范圍內(nèi)，在UIC 541-05標(biāo)準(zhǔn)10 s診斷時(shí)間的基礎(chǔ)上增加30 s，見表2。

表2 BCU軸抱死診斷

4.3 優(yōu)化速度傳感器性能

通過(guò)提升速度傳感器的耐高溫等標(biāo)準(zhǔn)，可有效保證傳感器的使用壽命要求和波形輸出的穩(wěn)定性。具體如下：

（1）選用新型的速度傳感器測(cè)速芯片，提高傳感器的工作溫度，使其允許的工作環(huán)境溫度達(dá)到-40～+125℃；

（2）增加傳感器的高溫、振動(dòng)試驗(yàn)，篩選出工作狀態(tài)不穩(wěn)定的傳感器。

5 結(jié)論

通過(guò)分析速度傳感器檢測(cè)原理，結(jié)合現(xiàn)車測(cè)試及地面模擬測(cè)試的方法可知，傳感器故障頻發(fā)與其長(zhǎng)期在高溫振動(dòng)環(huán)境中使用有關(guān)。優(yōu)化方案如下：

（1）通過(guò)優(yōu)化MPU和BCU/WSP檢測(cè)邏輯，充分利用傳感器的冗余設(shè)計(jì)性能，有效降低誤報(bào)軸抱死故障的頻率。

（2）通過(guò)選用新型速度傳感器芯片提升其溫度適用范圍，增加高溫振動(dòng)試驗(yàn)提升傳感器可靠性。