基于城际动车组轴温实时检测系统的优化设计

文/刘志坚 赖威任 范远政

0 引言

本研究针对线上运行城际车辆增加轴温实时检测系统的工作原理，及在实际运作过程中存在的问题，进行了优化设计。为避免造成意外发生，要进一步完善运行车辆轴温实时检测系统，保证系统有效地对运行过程中的轴温进行实时监控，并在轴温检测过程中发现异常情况后能快速进行反应，一方面通过动车组车辆信息控制装置(MON)告知司机异常轴温的发生位置，同时在列车的安全环路中起到保护作用，让运行中的列车停下来。对车辆轴温实时检测系统优化设计，不仅提高作业人员对故障进行分析诊断的能力，同时提高了产品质量，更好地保证车辆能更安全、可靠、顺利地在线上进行运营。

1 轴温保护系统概述

现运行的城际列车具有两套轴温保护系统。其中一套为进口2型车的轴温监控系统，对车辆整个转向架轴温进行监控：根据内置的熔断式电阻对设定温度进行监控，当整个机构的温度传递到该温感电阻，使其熔断触发车辆报警系统并对车辆进行紧急制动。但是由于它不进行相对应异常轴温温度显示，轴温异常也是对转向架整个结构的报警，不利于线上机械师对其异常位置的查找，延缓故障排除时间，影响铁路运营。

另一套是轴温实时检测系统，是在原有的轴温系统的基础上，在转向架上各个位置增加温度传感器，增加轴温实时检测传感器的位置分别是在拖车每轴两端，动车每轴两端、小齿轮箱电机侧、小齿轮箱车轮侧、大齿轮箱电机侧、大齿轮箱车轮侧、电机定子、传动端轴承、非传动端轴承处，对轴温进行实时监控。当监控到各位置轴温传感器温度超过预警温度后，车辆报出轴温预警；当各位置轴温传感器温度超过报警温度后，车辆报出轴温报警，并在紧急控制回路 154线中串入轴温监控系统及轴温实时检测系统常开触点。当轴温实时检测系统报警且轴温监控报出“轴温 1”或“轴温 2”故障时，触发列车紧急制动。

2 车辆轴温实时检测系统设备介绍

2.1 系统简介

动车组轴温报警系统的主要功能是通过温度传感器采集列车轴箱、齿轮箱以及牵引电机的温度信息，由车上温度检测单元（TDU）将采集到的温度信息进行处理，并将温度信息及报警信息发送给车辆网络控制系统（MON），系统的运行原理见图1。

图1 轴温触发紧急制动原理

2.2 系统原理说明

动车 组轴温报警系统由温度传感器、温度检测单元（TDU）组成，见图2。

温度检测单元（TDU）通过检测传感器传送来的电阻阻值，经内部程序运算后得到被测设备的温度，通过电流环通信端口把温度值发送到车辆网络控制系统（MON），用于MON监控屏显示。

图2 动车组轴温报警系统原理架构

温度检测单元（TDU）将内部程序运算后得到的被测设备温度与被测设备预设的温度报警值进行比对，超过报警值时，将温度报警状态通过电流环通信端口输出给车辆网络控制系统(MON)，用于温度报警显示。

3 车辆轴温实时检测系统优化设计

3.1 优化设计概述

某动车组的轴温实时检测系统从2015年8月开始装车运用，在运用过程中发现问题后，立即组织系统供应商和公司相关部门对问题进行分析，并制定解决措施；针对解决措施组织地面试验，对试验结果进行评审后，选取1～2列车进行现车验证，通过工序评定后进行现车改进。总结发生的问题，整改及验证项点主要为以下3项：

（1）轴温检测装置传输不良。

轴温屏蔽报警车辆由于软件看门狗异常动作，导致发生多起轴温检测装置传输不良（651）故障。轴温控车车辆轴温软件已优化，暂未发生此类故障。

（2）电源板故障。

CRH2/380A型系列动车组由于电源板内电源模块输入滤波缺陷，导致发生多起电源板故障。轴温控车车辆电源板新造出厂已优化，暂未发生此类故障。

（3）轴温主机故障导致紧急制动。

4 0 1 0/4 0 11安监故障，对故障原因进行排查及分析，采取优化控车逻辑等措施解决该问题。

3.2 轴温检测装置传输不良的优化设计过程

（1）故障现象

动车组运营中轴温未放开报警车辆发生多起轴温检测装置传输不良（651）故障，原因为软件看门狗异常动作导致。2015年1标车轴温控车车辆轴温软件已优化，目前未发生此类故障。

（2）原因分析

轴温软件中看门狗异常动作时，看门狗变量未初始化清零，偶发情况下导致轴温主机软件运行异常，轴温主机与MON通信中断，最终导致轴温检测装置传输不良故障，见图3、图4。

图3 车辆轴温实时检测系统偶发看门狗复位故障(通信指示灯异常)

图4 车辆轴温实时检测系统通过修改轴温软件试验结果

地面对通信回路进行信号脉冲群模拟试验，非控车轴温软件看门狗动作异常导致通信收发数据功能卡滞，偶发轴温传输不良故障。

（3）整改措施

在轴温软件中增加对看门狗变量“apt_int”初始化清零功能，即在轴温软件中增加“apt_int=0”语句（见图5）。影响：轴温通信软件模块中断约12s（MON传输不良故障判断时间30s）后恢复正常工作，不会导致网络报出轴温检测装置传输不良（651）故障警告，轴温主机预警、报警等软件模块正常工作。

图5 动车组轴温传输时序

3.3 电源板故障的优化设计

（1）故障现象

轴温主机在列车运行过程中发生多起电源板硬件故障，均为电源板上物色负载点（POL）模块中芯片损坏。

（2）原因分析

POL模块2中芯片正常工作电压为12V，通过地面试验，轴温主机启动过程中电源板中POL2模块中心输入电压偏高（18.3V），超出芯片承受最大工作电压16.5V，原POL模块输入电路滤波效果不佳，见图6。

图6 动车组轴温主机POL模块电路原理

（3）整改措施

原12V输入滤波电路中滤波电容距离芯片输入端较远，滤波效果较差。通过在芯片D1（TPS56221）Vin和GND之间增加滤波电容，改善启动输入电压应力，提高滤波效果，见图7。

图7 动车组轴温主机滤波电容整改前后对比

在POL模块芯片输入端增加滤波电容，改善POL模块输入滤波效果，改造实物对比，如图8、9所示。

图8 动车组轴温主机原电容放置PCB背面，距芯片输入端较远

图9 动车组轴温主机靠近芯片输入端增加滤波电容

3.4 轴温控车的逻辑优化设计

（1）问题描述

实时轴温与熔断式轴温串联后串入列车紧急制动回路，当发生温度报警时，断开紧急制动回路，触发列车紧急制动停车，见图10。

图10 动车组轴温控车串联模式

（2）工作原理

轴温主机检测各部位温度值，当达到温度报警条件时，断开报警触点，紧急制动回路154线失电，触发列车紧急制动；或是当轴温主机电源板故障导致报警继电器触点断开，当CPU板、通信板（报警继电器在通信板上）出现故障时，报警继电器触点可能断开。一旦报警继电器触点断开，会触发列车紧急制动停车。

4 整改措施

为避免轴温主机故障导致紧急制动停车，保证列车正常运营，制定以下措施。

4.1 临时措施

a .轴温主机通信板上故障继电器常闭触点与报警继电器常开触点并联输出。

b .优化轴温软件，增加轴温主机报警继电器状态记录。

c .逻辑分析

轴温主机正常，故障继电器得电（常闭触点断开），报警继电器得电（常开触点闭合），见图11。

图11 动车组轴温主机正常工作逻辑

当检测到温度报警时，报警继电器失电（常开触点断开），紧急制动回路失电触发列车制动停车，见图12。

图12 动车组轴温主机报警逻辑

4.2 最终措施

a .车辆增加继电器

通过轴温主机报警触点、故障触点控制外部继电器，将故障继电器(TDUFR)的常闭触点和报警继电器(TDR)的常开触点并联后，串入紧急制动回路，同时通过车辆继电器，将轴温主机硬件板卡与列车紧急制动电路隔离，见图13。

b .网络系统变更

网络的终端装置采集轴温主机故障继电器（TDUFR）的常开触点，用于现车判断轴温检测装置故障（795）的触发条件，同时在出库信息画面中记录，如图14所示。

图13 动车组轴温主机报警工作原理

图14 动车组轴温主机故障信息（一）

列车网络系统显示屏增加轴温检测传感器故障(800)，同时在出库信息画面中记录，如图15所示。

图15 动车组轴温主机故障信息（二）

c.轴温检测温度报警故障

发生轴温检测温度报警（265）故障时，在运行状态画面弹出，同时在诊断模式下进行故障记录。本次仅变更弹出故障详情，故障检测条件及其他显示不变，见图16。

图16 动车组轴温主机故障信息（三）

d.轴温检测装置传输不良故障

发生轴温检测装置传输不良（651） 故障时，在运行状态画面弹出，并在出库信息画面显示， 同时在诊断模式下进行故障记录。本次仅变更弹出故障详情，故障检测条件及其他显示不变更，见图17。

图17 动车组轴温主机故障信息（四）

5 结语

综上，通过车辆轴温实时检测系统的优化设计后，提高了列车运行的稳定性，节约了维修成本，减少了轴温实时检测系统误报故障的机率，大大提高了行车安全的准确性。

要使轴温实时检测系统可以适应在更多车型上，并且可以安全可靠地发挥作用，仅仅靠改进优化仍远远不够，需要在其他各个方面继续努力改进。本研究基于车辆轴温实时检测系统的优化设计方案，只是适用目前线上运行速度在200km～300km的城际动车组上，对于其他车型的车辆仍未进行相应功能验证，这是今后进一步研究的方向。