某型车转向架轴温监测装置研究

2022-10-14焦芳芳胡正伟郭凤媛

现代信息科技 2022年16期

焦芳芳，胡正伟，郭凤媛

（1.信阳学院大数据与人工智能学院，河南信阳 464000；2.中车唐山机车车辆有限公司产品研发中心，河北唐山 063035）

0 引言

随着经济科技的快速发展，动车组成为乘客出行的首要选择，其运行速度高达300 km/h以上，部分线路最高时速已高达350 km/h以上，其运营安全关系着乘客的安全和高铁事业的可持续发展。列车网络控制系统作为高速动车组的神经中枢，主要实现列车控制、设备管理、运行信息采集、运行状态的监视和故障诊断等，从而保证列车安全可靠的运行，并为司机或机械师提供故障处理指南，为检修维护提供数据支持。本文将介绍某型车转向架轴温监测装置，其对列车运行过程中轮对的轴箱轴承温度进行监控。

1 轴温检测装置组成

该车型轴温监测装置的网络架构如图1所示。

图1 轴温监测装置网络架构图

各车厢都设置一套轴温检测装置，通过一个车厢地址编码连接器区分各车轴温主机。以某个车厢为例，轴温监测装置MVB接口图如图2所示。

图2 某车厢MVB接口图

2 轴温监测装置采用的温度传感器分布及温度界面

该车型1-8车转向架每根轴端设置1个双通道的PT100温度传感器，采集的两路温度直接连接到轴温监测主机1。2/7/4/5车各配置4个齿轮箱和4个牵引电机，每个齿轮箱分别配备4个单通道温度传感器（分别为大齿轮车轮侧温度传感器、大齿轮电机侧温度传感器、小齿轮车轮侧温度传感器、小齿轮电机侧温度传感器），每个牵引电机分别配备3个单通道温度传感器（为别为牵引电机驱动端温度传感器、牵引电机非驱动端温度传感器、牵引电机定子温度传感器）。齿轮箱温度传感器和牵引电机温度传感器直接连接到轴温监测主机2。轴端温度传感器的分布如图3所示，图4从左到右分别为轴箱温度、齿轮箱温度、电机温度界面。

图3 轴端温度传感器分布图

图4 温度界面

3 轴温监测装置的功能

转向架轴温监测是对列车运行过程中轮对的轴箱轴承温度进行监控，主要功能是采集和保存轴温数据，并对某些故障进行实时报警或采取相应的列车保护措施。转向架每根轴端分别设置的双通道PT100温度传感器、齿轮箱温度传感器、牵引电机温度传感器，将采集的温度数据周期性发送到列车中央控制单元，由中央控制单元进行评估处理并用于相应的故障诊断，中央控制单元中轴温监测模块与其他模块及轴温主机、人机交互界面间接口关系如图5所示。

图5 轴温监测模块接口图

轴温监测模块的功能包括轴温主机故障判断、轴温评估、故障诊断及状态处理等。

3.1 轴温主机故障判断

根据列车网络控制系统采集到轴温检测装置生命信号的变化情况、轴温监测装置故障信息、输入输出模块采集到的轴温检测装置故障的个数情况等判断轴温主机是否故障。以判断1个车轴温主机是否故障为例，以下任一工况发生且持续一定时间均认为轴温主机故障：

（1）工况1：以下5个条件至少有3个发生：

条件1：在主机与列车网络控制系统无通信故障时，轴温报警主机故障信号为1；条件2：在输入输出模块1正常的情况下，轴温主机工作故障信号为1；条件3：在输入输出模块1正常的情况下，轴温主机工作正常信号为0；条件4：在冗余输入输出模块2正常的情况下，轴温主机工作故障信号为1；条件5：在冗余输入输出模块2正常的情况下，轴温主机工作正常信号为0。

（2）工况2：在输入输出模块1故障的情况下，以下3个条件至少有2个发生：

条件1：在主机与列车网络控制系统无通信故障时，轴温报警主机故障信号为1；条件2：在冗余输入输出模块2正常的情况下，轴温主机工作故障信号为1；条件3：在冗余输入输出模块2正常的情况下，轴温主机工作正常信号为0。

（3）工况3：在冗余输入输出模块2故障的情况下，以下3个条件至少有2个发生：

条件1：在主机与列车网络控制系统无通信故障时，轴温报警主机故障信号为1；条件2：在输入输出模块1正常的情况下，轴温主机工作故障信号为1；条件3：在输入输出模块1正常的情况下，轴温主机工作正常信号为0。

（4）工况4：在输入输出模块1故障且轴温主机与列车网络控制系统通信故障的情况下，以下2个条件至少有1个发生：

条件1：在冗余输入输出模块2正常的情况下，轴温主机工作故障信号为1；条件2：在冗余输入输出模块2正常的情况下，轴温主机工作正常信号为0。

（5）工况5：在冗余输入输出模块2故障且轴温主机与列车网络控制系统通信故障的情况下，以下2个条件至少有1个发生：

条件1：在输入输出模块1正常的情况下，轴温主机工作故障信号为1；条件2：在输入输出模块1正常的情况下，轴温主机工作正常信号为0。

（6）工况6：在输入输出模块1故障且冗余输入输出模块2故障时，以下条件发生：

条件1：在主机与列车网络控制系统无通信故障时，轴温报警主机故障信号为1。

3.2 轴温评估

为了更精确的监测列车转向架轴温并对转向架轴温故障进行实时诊断，须对每个轴温采集通道进行合理性评估。对于双通道PT100温度传感器采集的轴温评估分为三步，每一步检查均以上一步的检查通过为前提，检查过程如下：

（1）最大值检查。列车静止时轴温低于80 ℃，非静止时低于260 ℃。为了避免因列车临时停车等静止情况造成采集的轴温偏高而引起的故障误报，其中列车静止条件下最大值检查要求列车静止时间大于2小时。

（2）轴温变化率检查。正常情况下，轴温变化率在（-20，+20)℃/s之内，温度输出值可实时追踪输入值。为了检测该通道轴温信号跳变是否超限，检测过程较为复杂，检测的原则是第一步检查正常的情况下，在10分钟内若该通道轴温信号跳变的次数不超过4次（本时刻该通道轴温信号的值与上一时刻的差值超出轴温变化率正负响应值，则认为该通道轴温信号发生1次跳变），则认为该通道轴温变化率检查正常。

（3）平均值检查。平均值检查时的参考平均值为所在车同侧轴温平均值。平均值检测的原则是第二步检查正常的情况下，该通道轴温与所在车同侧轴温平均值的差值在（-15，+15） ℃范围内，则认为平均值检查正常。平均值检查仅在列车静止且参考平均值有效时进行，若参考平均值无效或列车运行过程中始终认为第三步检查正常。

若该通道已通过第三步检查，或仅通过第二步检查且同一温度传感器的冗余通道也没有通过第三步检查，则认为该通道轴温合理性评估通过，否则该通道轴温合理性评估不通过。双通道轴温评估流程如图6所示。

图6 双通道轴温评估流程图

对于单通道温度传感器采集的轴温评估需要经过最大值检查、轴温变化率检查、平均值检查来判断。只是每步检查不以上一步检查通过为前提，且平均值检查不需参考冗余通道的平均值检查相对比较简单。

3.3 故障诊断

（1）温度传感器故障。若某温度传感器的两个通道的合理性评估都没有通过，则认为该温度传感器故障。当列车中央控制单元检测到列车内存在转向架轴温传感器故障时，列车限速200 km/h运行，同时在人机交互界面报出相应故障提示。若当前列车速度超过限速值，将自动封锁牵引；若5分钟后列车速度仍超过限速值，将自动施加强迫制动。当列车速度低于限速值时，牵引封锁和施加的制动指令将消失。

（2）轴温超温预警。发生转向架轴温超温预警，中央控制单元仅内部记录用于检修维护，不进行限速或故障提示，故障消失后可自动复位。转向架轴温超温预警分为以下几种情况：

1）温度传感器的两个通道的轴温均高于100 ℃，或超出同侧温度平均值30 ℃；

2）仅一个通道轴温出现超温，且延时半分钟后仍然存在；

3）仅一个通道轴温出现超温，且仅一个通道合理性评估通过。

（3）过暖运行。发生转向架过暖运行时，中央控制单元仅在人机交互界面提示司机限速200 km/h，不自动封锁牵引或施加制动。故障消失后，需通过按钮或服务软件进行才可复位。在双通道温度传感器两个通道中至少有一个温度值超过120 ℃时，发生转向架过暖运行分为以下几种情况：

1）温度传感器的两个通道的轴温均高于120 ℃，或超出同侧温度平均值50 ℃；

2）仅一个通道轴温高于120 ℃或超出同侧平均温度50 ℃时，延时半分钟后仍然存在；

3）仅一个通道轴温高于120 ℃或超出同侧平均温度50 ℃时，且仅一个通道合理性评估通过。

（4）过热运行。发生转向架过热运行时，中央控制单元在人机交互界面提示司机限速40 km/h，自动封锁牵引并施加强迫制动。故障消失后，需通过按钮或服务软件进行才可复位。在双通道温度传感器两个通道中至少有一个温度值超过140 ℃时，发生转向架过暖运行分为以下几种情况：

1）温度传感器的两个通道轴温均高于140 ℃，或超出同侧温度平均值65 ℃；

2）仅一个通道轴温高于140 ℃或超出同侧平均温度65 ℃时，延时半分钟后仍然存在；

3）仅一个通道轴温高于140 ℃或超出同侧平均温度65 ℃时，且仅一个通道合理性评估通过。