高速铁路动车组运行状态地面监测系统的研制

凌烈鹏，李旭伟，柴雪松，冯毅杰，于卫东，谢锦妹

(1.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081，2.中国铁道科学研究院机车车辆研究所，北京 100081)

高速铁路动车组运行状态地面监测系统的研制

凌烈鹏1，李旭伟1，柴雪松1，冯毅杰1，于卫东2，谢锦妹1

(1.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081，2.中国铁道科学研究院机车车辆研究所，北京 100081)

研制了一种高速铁路动车组运行状态监测系统。该监测系统包括安装于轨道上的测试单元、数据采集单元及评判分析软件等。其工作原理是应用轨道上的测试单元连续测得动车组通过时的轮轨力，根据轮轨力分析动车组的运行状态及车轮伤损状况。本文介绍该监测系统的技术方案及关键部件的设计与开发。该监测系统在兰新二线大风专项试验中得以应用及验证，并为兰新二线动车组在大风条件下的运行状态提供了重要的试验数据。

动车组 运行状态 车轮伤损 轮轨力

1 概述

随着中国高速铁路的快速发展，动车组运行状态的监测也日益受到重视。对于动车组走行部的监测主要包括车载监测和地面监测。欧洲和日本在转向架上装有监测仪器，用来实时记录和监测车辆在高速运行过程中是否出现蛇行运动及动力学参数的变化情况。英国AEA客车安装了传感器来监测车辆的振动状态。我国的动车组地面监测系统主要有轮辋探伤、车轴超声波探伤、不落轮镟床(车轮踏面跳动)检测系统以及轮对故障动态检测系统。

车辆运行品质轨边动态监测系统(Truck Performance Detection System，TPDS)［1-3］是地对车安全防范预警系统“5T”系统之一，截至2013年底全路安装并联网应用超过130台，在保障铁路运输安全以及车辆造修方面发挥了重要作用。TPDS是利用设在有砟轨道上的测力平台动态监测货车、客车轮轨间的动力学参数，联网评判车辆运行状态，同时还兼有踏面损伤和超偏载报警功能。自2008年以来，车轮踏面损伤、运行状态不良车辆及超偏载得到了有效控制。全路运行状态不良车辆报警率下降幅度达83.7%，踏面损伤下降幅度达81.5%。车辆运行状态及车轮踏面损伤得到显著改善，使得车辆关键部件裂损类故障大幅度下降，如摇枕裂损、侧架裂损、制动梁故障等同期下降均超过94%。TPDS的应用为车辆安全奠定了坚实的基础。踏面损伤年度报警率如图1所示。

图1 TPDS踏面损伤报警率年度变化

TPDS设在铁路正线上，可以监测到部分动车组轮轨间动力学参数，也发现了部分动车组运行状态不良车辆出现较大横向力、垂向力交替增减现象。这些车辆在镟轮后恢复正常，说明地面轮轨力监测系统能够监测动车组运行状态。

因此在既有技术基础上开发一组能够监测、评判动车组运行状态的地面监测系统，为动车组的安全运行提供保障十分必要。

2 技术方案

自主知识产权的轮轨力连续测试技术是车辆运行品质动态监测系统TPDS的技术核心，包括轮轨垂向力和轮轨横向力两部分的测试。其中轮轨垂向力是采用与“移动垂直力综合检测装置”［2］相同的原理测试，通过钢轨支点压力传感器与钢轨处剪力传感器组成综合的测试区，进行轮轨垂向力的连续测量。轮轨横向力是根据横向力作用到钢轨上的影响线的分布关系来测试，通过标定获得钢轨支承点处实际承受横向荷载的比例，再依据车轮在测试区的位置，由钢轨支承点处承受横向荷载的组合而得到车轮通过整个测试区的横向荷载连续变化情况。图2为轮轨垂向力和轮轨横向力测试原理。

图2 轮轨力测试原理

3 关键部件的设计与开发

目前的高速铁路轨道结构均为无砟轨道结构，整体性和平顺性非常好。这有助于轮轨力的测试，可保证测试精度。由于钢轨底面与轨道板之间空间尺寸有限，既有的二维板式传感器不能直接应用到无砟轨道结构中，因此需要开发适应于无砟轨道结构的轮轨力测试传感器，且不能对无砟轨道板进行任何改造。另外，动车组的运行速度非常高，均在200 km/h以上，而动车组的车轮病害及车辆横向动力学性能在高速条件下才能明显地得到反映，所以开发高速条件下的轮轨力连续测试系统，将有助于提高动车组车轮踏面损伤、动不平衡等的捕捉率和车辆横向动力学性能的准确评估。

3.1 轮轨力测试传感器

轮轨力测试传感器要能够测试出轮轨力传递到扣件位置的垂向力和横向力。目前在无砟轨道上的扣件形式主要有WJ-7型［4］、WJ-8型［5］等，根据这些扣件的结构特点，在不改变其安装方式的前提下，项目组开发出了适用于WJ-7型和WJ-8型扣件的GT-1型和GT-2型高铁传感器。所开发的高铁传感器除了具备相应扣件铁垫板的基本功能，可直接代替铁垫板外，还具有垂向和横向同时测力功能。为了减少弹条扣压力的影响，在弹条处增加垫片传感器，根据弹条扣压力及弹条前肢距离换算出弹条作用到钢轨上的垂向作用力，从而准确计算出轮轨垂向力传递到扣件节点处的垂向力。图3是单节点扣件处垂向力和横向力的测试原理图。由图3可知，单节点处垂向力P=R-T1-T2，横向力H=H1+H2。图4是适用于WJ-7型扣件的GT-1型高铁传感器的静态组装图。

图3 单节点扣件处垂向力、横向力测试原理

图4 GT-1型高铁传感器静态组装

3.2 数据采集仪

电磁干扰是信号采集、调理一个长期的难点，特别是对采用应变式测试的铁路线路与车辆相互作用轮轨力的检测领域更是如此。铁路现场的电磁干扰十分复杂，既有传导干扰又有辐射干扰，干扰源既有自然干扰源又有人为干扰源。

动车、客车车辆上安装有大量的机电设备或其他通信、输电线路、照明器具等。这些对动车、客车车辆正常运行和保障安全起着不可或缺的作用，但也会对安装于地面的TPDS设备产生较强的电磁干扰。

TPDS系统的轮轨力测试传感器，属于毫伏级小信号的应变式测量，需要经过信号传输和信号调理单元的放大、滤波、整形后再进行数据采集处理。动车、客车电气电子设备产生的较强的电磁干扰，轻则造成干扰信号混入应变检测信号中使采集的数据失真，直接影响到检测系统的正确评判，重则造成将干扰信号误认为合理信号致使车辆的计轴判辆发生错误，直接影响到系统的正常持续工作。客车踏面损伤正常及电磁干扰典型波形如图5所示，动车组电磁干扰波形如图6所示。

图5 客车踏面损伤正常及电磁干扰典型波形

图6 动车组正常及电磁干扰TPDS监测原始波形

针对电磁干扰问题，近年来铁科院铁建所进行了大量的技术攻关，对传感器应变信号采集、信号传输过程、信号放大及调理单元、信号整形滤波系统、数字信号的计算机处理全过程进行了全新的、多层次的干扰消除设计，并综合使用了屏蔽、接地、布线、滤波和磁环抑制技术。同时，对供电系统和接地系统也进行了改进，实现了动车、客车运行条件下抗电磁干扰的TPDS系统的升级。升级后经室内试验和现场试运用，完全满足在动车、客车运行条件下的检测要求。

升级后的数据采集仪采用了通用的插卡式设计，方便检修及更换，如图7所示。

图7 数据采集仪及抗电磁干扰插卡式调理单元

3.3 数据采集监测软件

数据采集监测软件主要包括动态测量、数据回放、设备测试3个主功能模块。该数据采集监测软件采用VC++进行开发，其软件系统结构如图8所示。

图8 TPDS数据采集监测软件系统框架结构

该数据采集监测软件可实现数据连续采集、实时统计分析、信号波形显示、被测参数自动输出、设备状态自检等综合系统功能。该软件充分利用了VC++开发平台和W indows视窗所提供的良好的操作环境，集曲线、图形按钮、数据显示于一体。实时监测及数据采集软件主界面如图9所示。

图9 实时监测及数据采集软件主界面

图10 动车组倾覆系数地面测试方案

图11 GT-2型高铁传感器及其现场安装

4 应用实例

为了配合兰新二线大风试验，利用地面测试系统监测动车组运行的倾覆系数，在兰新高铁百里风区安装了一套双测试平台的动车组监测系统。

4.1 实施方案

动车组倾覆系数的监测需要在同一时刻监测到每辆车8个车轮的轮重，并根据各个轮重计算出倾覆系数。为了确保测试数据的准确性，需要保证每次测试的数据能够覆盖一个轮周。大风专项试验的监测车型为CRH2-061，现场轨道结构为Ⅰ型双块式轨道板，扣件类型为WJ-8型，钢轨支点间距为650 mm。采用的方案为:在轨道扣件处连续布置测试传感器，共设置2个测试平台，中心间距17.550 m，每个测试平台由3个测试区组成，总长度5.850 m，实现对CRH2-061型动车各轮动力学参数的同步测量，并确保同步测试的数据量达到一个轮周。图10为动车组倾覆系数地面测试方案。

由于地面测点选择在百里风区距离核心区7 km处的高路堤处，方圆百里为戈壁滩，现场无直接的供电、网络接口，因此供电采用太阳能设备，数据传输采用沿线的联通3G网络无线传输，实施远程数据传输及设备状态监控。

4.2 现场实施

图11为GT-2型高铁传感器及其现场安装，安装方式与WJ-8型扣件一致，将GT-2型高铁传感器替代WJ-8型扣件的铁垫板，其余扣件部件均为WJ-8型扣件的标准件。由于增加垫片传感器的安装，需将S2型螺旋道钉更换为S3型螺旋道钉，在一人保护垫片传感器线缆前提下，可直接采用电动扭力扳手进行安装，与既有的扣件养护维修模式一致。

图12是现场安装后的测试平台、室外机柜及传感器，在测试平台来车方向设有开机磁钢，可实现数据实时自动采集、处理、上传及远程监控。

4.3 试验数据分析

在兰新二线新疆段联调联试期间利用百里风区大风条件，采用综合检测车CRH2-061进行了大风条件下高速动车组运行状态地面监测专项试验。其中，2014年8月17日地面TPDS监测到的动车组列车倾覆指标如表1所示。从表中可知大风专项试验地面TPDS实测车辆倾覆系数最大值为0.13，小于相应的限值，说明在现有线路条件下25 m/s左右的风速未对动车组CRH2-061C的动力学稳定性(安全性)造成明显影响。

图12 现场测试平台、室外机柜及传感器

表1 兰新二线下行线试验过程中各趟动车组倾覆指标统计

5 结论与建议

自主知识产权的轮轨力连续测试技术应用在车辆运行品质动态监测系统TPDS上已十分成熟。在开发出适用于高速运行、无砟轨道结构条件下的轮轨力测试传感器、数据采集系统等关键部件后，该测试方法可直接应用于高速铁路动车组轮轨力的连续测试。其效果在兰新二线大风专项试验中得到了验证。

本文的动车组运行状态地面监测系统还处于初期研制阶段，针对无砟轨道结构和动车组车辆结构的特点还有很多需研究完善之处，主要有以下几个方面:

1)优化在无砟轨道结构上的安装，测试平台相关部件逐步进行标准化。

2)推进本监测系统在有多种动车组车型的既有运营线上的应用，进一步积累现场测试数据，并对有异常的有效测试数据进行复查，验证动车组的状态及车轮状况。

3)建立适用于本监测系统的动车组运行状态地面评估技术及车轮扁疤、擦伤、剥离、失圆、动不平衡等损伤的评判模型和标准。

［1］冯毅杰，张格明.车辆运行状态地面安全监测系统研制的新进展［J］.中国铁道科学，2002，24(6):138-142.

［2］铁道部科学研究院.轨道负荷、车辆状态安全监测新系统［R］.北京:铁道部科学研究院，1998.

［3］刘瑞扬，王毓民.铁路货车运行状态地面安全监测系统(TPDS)原理及应用［M］.北京:中国铁道出版社，2008.

［4］中华人民共和国铁道部.科技基［2007］207号WJ-7型扣件暂行技术条件［S］.北京:中国铁道出版社，2009.

［5］中华人民共和国铁道部.科技基［2007］207号WJ-8型扣件暂行技术条件［S］.北京:中国铁道出版社，2009.

Research and manufacture of ground monitoring system for supervising high speed railway EMU(Electric Multiple Units)running state

LING Liepeng1，LI Xuwei1，CHAI Xuesong1，FENG Yijie1，YU Weidong2，XIE Jinmei1
(1.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2.Locomotive and Car Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

A running state monitoring system of high speed railway EMU was introduced in this paper，which includes the testing devices on the track，data acquisition devices and evaluation analysis software.This monitoring system can analyze running state and wheel defects of EM U by consecutive wheel-rail force acquired from testing devices on the track when high speed railway EMU passing through.The technical scheme and key parts design and development were presented，which have been applied and verified in the gale special test of Lanzhou-Xinjiang No.2 railway line，and provide important experiment data for EM U running state in windy conditions.

EMU;Running state;Wheel defects;Wheel-rail force

U238;U211.5

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.01.16

1003-1995(2015)01-0071-06

(责任审编 李付军)

2014-11-10;

2014-11-20

中国铁路总公司科技研究开发计划课题(2013J008-D)

凌烈鹏(1983—)，男，安徽怀宁人，助理研究员，硕士。