动车组智能型转向架的研究

傅佩喜 上海铁路局科研所

动车组智能型转向架的研究

傅佩喜 上海铁路局科研所

通过在动车组转向架的轴箱、构架和车体上安装加速度传感器，结合动车组的实时运行速度和运行区段位置，利用网络化结构，同时检测各转向架在直线区段高速运行时有关部位的振动数据，利用计算机对实测的数据进行比较分析判断动车组运行动力学性能，从中找出异常数据即异常转向架，提升动车组运行的安全可靠性，使动车组运行安全技术更上新台阶。从而进一步改变目前通过人的认知感觉来评判动车组的技术状态问题和发生异常后才通过移动检测设备对动车组的性能进行检测的被动做法。同时，在检测数据积累与分析的基础上，研究动车组动力学性能的变化规律，构建一套动车组动力学性能跟踪监测评价系统，使得随车机械师、司机等有关人员可以实时掌握动车组的运行性能情况，对动车组运行过程中的问题作出及时果断正确处理；帮助技术管理人员，能够根据动车组的实际运行性能，更加科学合理安排动车组的计划修和状态修；进一步促使动车组运行管理部门能够及时掌握动车组的技术状态，为管理决策提供依据。

智能型；动车组；转向架；研究

1 前言

当今，我国的高速铁路已经走在世界前列。根据有关资料，2015年底，我国高速铁路的总里程达到1.9万km，比世界其他国家的总和还多；高速动车组的开行数量达到约1900多对，高速动车组的正常运行速度为300 km/h以上。高速铁路的建造能力和高速动车组的制造能力已经在世界上遥遥领先，我国已经成为高速铁路大国，并正在向高速铁路强国发展。要成为高速铁路强国，提高高速铁路安全技术是重中之重，是一个永恒的主题。其中，动车组转向架智能化技术是确保动车组运行安全的发展方向。自2007年7月1日动车组开行以来，动车组转向架轮对轴承轴箱装置发生了车轮轮缘磨损、车轮踏面擦伤及剥离、车轮轮辋裂纹、轴箱轴承甩油、轴箱轴承高温等故障；一系悬挂装置发生多起轴箱弹簧折断、油压减震器漏油失效等故障；二系悬挂装置发生空气弹簧性能不良、油压减震器漏油失效、抗侧滚扭杆弹性接点损坏等故障。制动系统发生了制动盘热裂纹、制动盘急剧磨损等故障。牵引传动系统发生齿轮箱漏油、轴承高温、联轴节高温、联轴节折断等故障。总之，凡是普通车发生过的故障类型，在动车组上都发生了。由于大量的动车组白天同时出库投入运营而晚上回库进行检修，动车组连续高速运行时间长，入库检修时间短，给动车组运用检修工作带来了不少问题。动车组在高速运行的情况下，一旦转向架部件发生故障，那么，危险性要比普通车更大。由于动车组转向架大量采用新结构、新技术，动车所采用传统的入库地面检查作业方式，很难判断动车组转向架运行技术性能状态及变化趋势，无法有效控制事故发生，存在很大的安全隐患。由于我国的动车组开行数量总量大，动车组运行安全问题更加突出，为此，研究智能型动车组转向架具有十分重大的意义。

2 现役动车组转向架智能化情况

我国范围内正在投入运行的动车组有CRH1、CRH2、CRH3和CRH5等类型动车组。目前，在动车组的轴箱轴承和齿轮箱轴承上全面安装了温度传感器，因此，轴箱轴承和齿轮箱轴承的运行技术状态得到了有效的控制，起到了很好的安全监控作用。

但是，从动车组运行动力学性能实时监测方面来说，CRH1型动车组有CRH1A、CRH1B和CRH1E等类型，目前在它们上面没有安装有关判断动力学性能的振动传感器。

CRH2型动车组有CRH2A、CRH2B、CRH2C、CRH2E和CRH380A、CRH380AL等类型，其中在 CRH2A、CRH2B、CRH2C、CRH2E型动车组上没有安装有关判断动力学性能的振动传感器，而对CRH380A、CRH380AL型动车组来说，在构架上已经安装了有关判断动力学性能的振动传感器。

CRH3型动车组有 CRH3C、CRH380B、CRH380BG、CRH380BL、CRH380CL等类型,在这些动车组转向架的构架上也已经安装了振动加速度传感器。

综上所述，目前投入运行的动车组有的安装了加速度传感器，有的没有安装。在构架上安装了振动加速度传感器的动车组，可以通过采集和分析加速度数据，以判断动车组的运行稳定性。但是，因为只在动车组转向架的构架上安装了加速度传感器，所以无法科学分析判断动车组的其他动力学性能，无法科学分析判断动车组转向架重要部件技术状态，无法全面分析动车组运行的安全性，无法科学预见动车组部件性能的变化趋势及动车组运行的安全可靠性变化趋势。

随着动车组运营里程和运营时间的不断增加，动车组零部件的性能会有不同程度的降低，严重时甚至会使得零部件失效，如果不及时进行跟踪检测及检修，会引发安全事件。由于目前在动车组没有科学系统安装振动传感器等智能化实时跟踪检测装置，即使有的动车组安装了个别振动传感器，但是，由于没有很好跟踪分析利用这些数据，以致只有在发生运行事件后，才去查问有关数据，没有很好的起到预防事件发生的作用。因此，十分必要在动车组上全面科学系统安装振动加速度传感器，有效充分采集到反映动车组动力学性能的有关数据，成为保证动车组安全运行的科学依据。

3 智能型动车组转向架加速度传感器布局方案

动车组动力学性能监测系统由信号采集传感器、信号传输线路和信号分析仪等部分组成。信号采集主要有动车组运行速度、振动加速度和GPS位置信号等技术参数。

根据稳定性和平稳性指标评价方法，在轴箱上安装加速度传感器，可以判断轮对轴承轴箱装置的动力学性能。在构架上安装加速度传感器，可以判断转向架一系的动力学性能。在车体枕梁上布置加速度传感器，可以判断转向架二系以及车体的动力学性能。

为了全面监测动车组动力学性能，根据动车组的构造原理，可以分别在每个轴箱、构架侧梁和车体枕梁上布置加速度传感器。

加速度传感器测点布置方案如下：

（1）在转向架的每位轴箱上安装二维加速度传感器，量程±100 g，采样速率1 kHz，滤波200 Hz。直接测量车轮的技术状态。

（2）在轴箱测点上方构架上安装二维加速度传感器，量程±20 g，采样速率1 kHz，滤波200 Hz。测量动车组的运行稳定性。

（3）在转向架中心1 m范围以内的车体底架上安装三维加速度传感器，量程±0.5 g，采样速率512 Hz，滤波40 Hz。测量车辆二系减振系统的加速度响应及车体的垂向、横向平稳性及车辆的纵向冲动情况。

在动车组所有转向架上安装加速度传感器，它的最大优点是可以利用网络系统，对在不同转向架上同时采集到的同一部位同一性质数据进行相互比较分析，从而，可以判断出异常转向架，真正做到防患于未然。

4 转向架技术状态辅助诊断分析系统

根据车辆动力学理论，影响车辆运行性能的因素很多，但不管怎样，反映车辆运行性能的动力学、运动学参数总归是加速度、作用力、位移、速度以及频率。因此，只要通过监测车辆在运行时的以上一些物理量并进行分析，就可以判断车辆运行性能状况。为此，我们采用二维及三维加速度传感器检测轴箱、构架和车体的振动情况，计算车体平稳性指标，判断高速动车组是否失稳，以及判断有关车辆部件的技术性能状况。

4.1 动车组动力学性能的评价方法

动车组动力学性能的研究内容主要有运行平稳性及旅客乘坐舒适度、运行稳定性及安全性和曲线（包括进出道岔）通过性能。本文以轨道线路性能相对稳定的直线区段为研究参照条件，选择振动加速度、振动频率以及相应的运行速度作为研究参数，实时采样计算比较分析判断动车组运行稳定性、运行平稳性及其变化趋势，以判断动车组转向架主要部件的技术性能状况。

4.2 动车组运行性能与转向架各部件之间的相互关系

根据车辆动力学理论，车辆振动形式有：浮沉振动、伸缩振动、摇头振动、点头振动、下心滚摆振动和上心滚摆振动等六种振动类型。

4.2.1 影响动车组蛇行运动稳定性的因素

直接与车体摇头有关的因素有转向架与车体之间回转力矩和转向架轮对的纵向定位刚度。影响转向架、车体蛇行运动稳定性的因素主要有：

（1）轮对纵向定位刚度K1x和横向定位刚度K1y对转向架蛇行运动临界速度Vcr起着决定性的作用。

（2）抗蛇行运动减振器。

（3）车轮踏面的性能状况。车轮踏面等效斜率λe值越大，转向架、车体蛇行运动频率越高，不利于提高转向架、车体蛇行运动稳定性。

（4）二系回转复原力矩对抑制车体蛇行运动非常有效，同时也提高了转向架蛇行运动临界速度Vcr。

（5）二系横向阻尼对车体蛇行运动稳定性影响较大，但过大的阻尼系数对车体的平稳性是不利的。

（6）横向控制杆性能。

4.2.2 影响动车组车体浮沉振动稳定性的主要因素

（1）一系弹簧垂向刚度及性能。

（2）一系垂向油压减振器阻尼特性。（3）二系垂向油压减振器阻尼特性。

（4）二系弹簧垂向刚度及性能，即空气弹簧及空重车阀、差压阀、高度调整阀的动态性能状况。

（5）车轮踏面的性能状况。

4.2.3 影响动车组车体滚摆振动的主要因素

（1）抗侧滚扭杆的性能。

（2）空气弹簧及空重车阀、差压阀、高度调整阀的动态性能状况。

（3）一系弹簧垂向刚度及性能。

（4）一系垂向油压减振器阻尼特性。

（5）二系垂向油压减振器阻尼特性。

（6）二系弹簧垂向刚度及性能。

依据以上分析，通过实时检测到的转向架各部位的加速度、频率和速度等技术参数，我们可以计算分析、比较判断动车组有关部件的技术性能状态。例如，采样到安装在某位轴箱上的垂向振动加速度大小超过某一数值，而且振动频率很有规律，那么基本上可以判断是车轮擦伤故障或车轮不圆度故障。又例如，采样到安装在某位构架上的垂向振动加速度频率大小异常，那么，很有可能是一系油压减振器等部件有故障。这种故障现象与部件技术状态之间的对应关系，需要深入研究探索，建立智能化计算判断故障专家库。

5 系统软硬件架构

动车组运行动力学性能检测设备包括三部分：振动传感器、数据采集处理系统、终端设备，如图1所示。数据采集处理系统是整个检测系统的核心，采用嵌入式设计，内部包含高性能处理器、数据采集模块、电源转换模块、WTB总线模块、MTB总线模块、存储模块等。振动传感器至数据采集卡采用低噪音同轴电缆连接，车体、转向架振动数据分析结果通过WTB总线模块发送给列车运行控制系统。嵌入式处理器一直处于待机状态，系统收到上位机软件触发命令后，开始数据采集、处理和分析工作，同时将振动信号及其分析数据存储在存储模块中。

图1 动车组动力学性能检测评价系统框图

车载检测设备技术指标：

采集通道：32通道（可扩展）、24位同步高精度AD转换；

采样速率：最高可达52 kS/s；

灵敏度：构架100 mV/g；车体1000 mV/g；

系统接口：WTB总线 、MTB总线；

触发方式：上位机软件触发；

系统电源：DC110 V；

内部储存：缓存1 MB，内存1 GB，非易失性存储4 GB；

外部存储：可移动SDHC卡；

工作环境：温度-40℃～70℃，湿度（10～95）%；

冲击振动：轴箱200 g；构架50 g；车体5 g；

5.1 硬件平台

动车组运行性能检测评价系统基于高可靠工业级平台NI CompactRIO（简称c-RIO）进行设计，主要提供车体、转向架振动及GPS信息的采集、记录、分析等。设备具有如下技术特点：

（1）设备设计制造符合ISO国际仪器设备标准，满足车载设备使用要求。

（2）系统内嵌高性能PowerPC处理器和VxWorks实时系统。

（3）系统内嵌资源丰富的FPGA硬件逻辑芯片。

（4）系统内置调理、隔离、电源等模块，支持AC/DC供电，具备较强的抗电磁干扰能力。

（5）设备具有系统时钟，设备采集和记录数据时可调用该时钟。

（6）系统满足环境要求的非易失性存储，断电不丢数据。

（7）记录介质可方便拆卸，方便在计算机上读取数据、回放数据。

（8）系统支持联机、脱机工作方式，可多台设备级联组成分布式测试系统，可扩展全面检测动车组运行振动情况。

（9）平均故障间隔时间（MTBF）≥6 000 h。

（10）使用WINDOWS XP/NT操作系统，提供人机对话界面。

动车组动力学性能数据采集模块结构组成如图2所示，选择32个模拟输入通道；ADC分辨率为24位；ADC类型为带模拟预滤波；采用同步采样模式。

图2 数据采集模块结构组成框图

5.2 软件架构

5.2.1 嵌入式采集软件

利用LabVIEW、LabVIEW Real-Time Module、LabVIEW FPGA Module，定义标准化的软件框架、调用模块化的VI库，对采集任务模块化与规范化，兼顾效率优化和功能拓展等需求，快速建立定制化的数据采集记录系统，缩短开发周期，节约开发成本。同时，软件的高标准化和模块化便于系统的拓展，如硬件的更新、测点的增加和修改等。

5.2.2 PC人机界面

上位机通过TCP/IP向采集终端发送控制指令，接收采集的车体、转向架振动数据，并实现以下功能：

（1）配置动车组振动采集任务。

（2）设定数据存储模式，控制采集开始或停止，显示采集进度。

（3）显示采集终端所有通道信号的瞬时值、最大值、最小值、平均值及RMS值等统计数据。

（4）对应显示动车组位置、速度及时间数据。

（5）显示轮对、车体、转向架振动信号频谱分析及相关性分析结果。

（6）对采集的数据进行数据合同，将二进制文件转换并合并为txt文件，供数据备份。

6 系统应用方法及预期效果

动车组动力学性能是在静态很难判断好坏的，只有在动态情况根据检测到的数据才能做出科学判断。

动车组动力学性能检测系统可以定位或按照运行图定时自动开机检测：选择某直线区段，线路技术状态比较稳定区段，动车组基本以250 km/h左右速度运行，由于道床刚度稳定，钢轨型面稳定，动车组各转向架的运行条件基本一致，可以忽略线路技术状态变化问题。从动车组的投入运行开始，在使用寿命不同阶段，检测计算分析振动性能数据变化情况。

监测设备由加速度传感器、信号采集接口、计算单元、信号储存单元、电源和信号读出接口等组成。可以实现动车组转向架、车体振动加速度的频谱分析；实现动车组振动加速度最大值、平均值、功率谱、预测值等分析；实现动车组平稳性指标和安全性指标计算；实现动车组转向架、车体振动加速度相关性分析；实现动车组失稳特征分析；初步实现动车组车体、转向架故障辨识与诊断。具有采集时间设定功能，或以设定地理位置触发工作功能。监测设备安装在车体的设备室里，通过有关技术设计，一旦动车组通过某一设定的地点，监测设备就会自动开始采集和计算分析有关反映动车组运行性能的技术数据，经过某一设定的时间后也会自动停止采集。一旦某个技术参数超过设定的门槛值，监测设备就会发出警告信息。监测设备可以记录积累统计分析历史记录数据，计算分析动车组运行性能的变化情况，研究性能变化规律，推断动车组可能发生故障的部位及形式，为动车组计划修和状态修提供重要技术依据。

7 结束语

其实，真正的智能型动车组转向架，应该在动车组转向架的关键部位的各个主要节点上按照该部件可能会发生的主要故障情形相应安装加速度、温度、速度、位移、压力等传感器系统及图像处理系统，实时监测动车组运行动力学性能、制动性能和动力传动性能，从而实现动车组转向架的全面智能化，以全面提升动车组运行的安全可靠性，使动车组技术更上新台阶。

[1]《车辆动力学》.王福天.1995年.

[2]《客车运行状态便携式检测装置》.铁道部科学研究院课题组.2002年.

责任编辑：王 华

来稿日期：2016-08-10