铁路机车实时安全状态监测及故障预警系统

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第４期　黄采伦，樊晓平，陈特放，张剑：铁路机车实时安全状态监测及故障预警系统　１）机械部分　机电设备，车上许多单个的部件，如大功率的牵引电动　机械部分是机车的骨架与身躯，是机车能够正常　机、大功率半导体变流装置以及多节车辆的耦合和运　运行的基础。机车机械部分主要包括：车体、转向架、　动等等，其故障预警数学模型的建立十分复杂和困难。　轮对等。其中车体是机车的主要机械部件，是一个十分　③原始资料的积累困难，真实性不高。当系统的　复杂的受力体，其检测主要针对车体受力、外形是否出　数学模型难以完整建立时，希望通过信号处理的方式　现明显变形或裂纹进行的。相对机车的其他部件来说，　提取机车设备或系统的故障信息，充分利用专家诊断　车体的故障率比较低。转向架是机车的走行部分，对机　知识结合一些技术方法进行故障预警。但是由于体制　车动力学性能、牵引性能和安全性能起着决定性的作　及基础研究不足等许多原因，对一些必须的原始数据　用，它的主要故障是受力结构上出现裂纹。目前国内机　一直没有给予充分重视。　车的检测方式主要是在停车状态依靠感官或超声波检　④铁路投资决策部门对机车安全监测及故障预警　测。轮对通常与牵引电动机组合形成所谓的轮对电机　的认识远不如对机车制造和运用的认识，其研究投入　组装，是机车的关键部件之一，它也是机车机械故障多　不足，工作开展困难。　发的部位。其故障多发部件包括传动齿轮、牵引电动机　及其轴承、轮对轴承、轮对踏面等运动部件；在机车的　２系统设计　检修、维护中，轮对的维护保养尤为重要。　机车实时安全状态监测及故障预警系统是在笔　２）电气部分　者已完成的国家创新基金项目（００Ｃ２６２１４００８６１）“机　机车以电力机车电气部件最为复杂。电力机车需　车走行部在线故障诊断系统”…　、铁道部科技开发　进行故障诊断的主要电气部件包括：受电弓（弓网关　计划项目（２００１Ｊ０２４）“ＳＳ８型电力机车故障诊断技术　系）、牵引变压器、主变流器、牵引电动机、辅助电机系　的研究及装置的研制”、柳州铁路局委托项目“ＧＺ．１　统、电气控制系统、微机及电子控制系统、控制电源和　型机车走行部传动装置车载故障诊断系统研制及应　辅助电源等八类。　用”的基础上，结合笔者的专利技术…　以及在研　３）空气管路部分　的国家８６３计划项目“列车安全状态监测及故障预警　机车的启动与停止都离不开空气管路系统，它是　技术”（２００６ＡＡ１　１Ｚ２３０）、国家自然科学基金资助项目　机车的重要组成部分之一。空气管路部分主要包括：　“基于列车通信网络的高速列车故障诊断系统研究”　空气压缩机、空气管路、制动机、贮气罐、气动装置等。　（６０６７４００３）等基础上开展研究的。　空气管路部分的故障诊断主要是检测各个气动部件的　２．１　总线选择与网络拓扑设计　气压、压缩空气泄漏情况以及气动装置的运动情况等。　对基于ＴＣＮ的铁路机车实时安全状态监测及故障　机车故障的实际情况并不一定可用上述简单的三　预警系统研究而言，机车是安全状态监测的对象，而　大类分类方法确定。以牵引电动机的故障为例，总体　列车通信网络是安全状态监测及故障预警系统信息传　上牵引电动机至少包括下述几个独立又相互关联的工　输的基础。　作系统：电路系统、磁路系统、绝缘系统、机械系统、　在众多的现场总线标准中，ＴＣＮ和ＬｏｎＷｏｒｋｓ因各　通风散热系统，而牵引电动机出现的一些故障，完全　自的优点而被作为国际列车通信标准　棚　，我国的列　可能涉及到上述各个系统。其故障诊断所涉及的知识　车通信网络标准等效采用了这２种标准，即所谓的Ｔ型　领域至少包括：电机学、热力学和传热学、高电压技　网络和Ｌ型网络。ＴＣＮ由绞线式列车总线（ＷＴＢ，Ｗｉｒｅ　术、材料工程、机械诊断学等；如果考虑其控制系统，　Ｔｒａｉｎ　Ｂｕｓ）和多功能车辆总线（ＭＶＢ，Ｍｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎ　至少还包括电力电子技术、控制技术。牵引电动机作　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｂｕｓ）２个总线层次结构组成，如图１所示。其中　为机车的一个部件，其故障预警尚且如此复杂，机车　ＷＴＢ用于连接各节可动态编组的车辆的列车级通信网　安全监测及故障预警更是多学科的综合。　络，而ＭＶＢ负责车辆内或者不可分割车辆组内的设备　１．２存在的主要问题　之间的数据通信。ＭＶＢ的传输介质可以是双绞线，也　受我国机车车辆制造维修水平和铁路管理体制的　可以是光纤。在后一种场合，其传输距离为２　０００　ｉｎ，最　限制，目前开展铁路机车安全状态监测及故障预警研　多可联结２５６个智能总线站。数据划分为过程数据、消　究中，存在如下主要问题　１￣５　：　息数据和监控数据；对过程数据的传输作了优化；发　①缺乏直接的经验可以借鉴。目前国内还没有在　送的基本周期是１　ｍｓ或２　ｍｓ。ＷＴＢ的传输介质为屏蔽　如铁路机车车辆一样复杂的机电设备上研制成功完善　双绞线，传送速率为１　Ｍｂｐｓ，可连接３２个节点，总线传　的故障诊断系统的报道，国外在汽车、轮船等方面的　输距离８６０　Ｉｎ，发送的基本周期是２５　ｍｓ。ＷＴＢ和ＭＶＢ已　状态监测与故障预警是比较完善的，机车上也见到过　在列车上广泛采用，已成为我国铁路列车网络研究和　报道，但技术引进难度很大，资料很少。、　开发的主要方向；网络既是列车控制网络，也是列车　②数学模型难以建立。铁路机车是一种十分复杂的　各种信息（包括安全状态信息）的传输通道。本文基于　维普资讯 http://www.cqvip.com

机　车　电　传　动　ＴＣＮ技术研究铁路机车实时安全状态监测及故障预警　系统，采用ＧＳＭ．Ｒ（一种专门为铁路设计的专业无线数　２．２基于ＴＣＮ的机车实时状态监测与故障预警系统设计　铁路机车安全是保证铁路运输安全的关键。根据　我国的铁路干线、机车车辆的情况，要实施中国提速　战略，铁道部明确提出“以技术装备，确保行车安全”　字通信系统）扩展了列车网络和地面网络的连接。　［口耋星星口２＝！＝！！！！！　　ｏ１１ｏｏｏｏｏｏｏｏｏ［１ｏ　ｏ［１ｏｏｏｏｏｏｏｏｏ１＂）ｏ　一　ｌｏ［１ｏ　＝＝面　∞　∞！∞　∞　的方针。我国在如铁路机车、车辆等结构复杂、工作环　境恶劣、干扰信号复杂场合下的状态监测与故障诊断　还是空白，国际上也只有发达国家（如德国、法国、日　本等）采用。因此，要准确可靠地监测铁路机车运行状　列车总线　态和对故障实时预警，必须做到：　图１　列车总线和车辆总线　①正确认识机车各部件可能发生的故障种类，各　自产生的机理、特征及敏感参数等。　②诊断设备自身的可靠性，能适应铁路机车强振　动、强电磁干扰、高温的工作环境。　由于各类机车的结构差异，其安全状态监测内容　会有所不同。以电力机车为例，其基于ＴｃＮ的电力机　车分布式微机控制与网络拓扑如图２所示口，¨　刚。　ＷＴＢＡ　③提取信息的有效性，在铁路机车常规振动多、　钢轨接缝冲击严重、电磁干扰复杂的情况下，有效提　Ⅱ室彩　色液晶　显示器　Ⅱ）Ｕ２　Ｉ室彩　色液晶　显示器　ｍＵｌ　Ｉｆ　热装置ｆｌ　ｆＭⅦ拦嗣框　ＭＶＢ　取被测部位的故障特征信息。　④故障诊断的准确性，在不解体的情况下，在线　准确诊断出机车内部零部件的故障，不能误报、也不　、　制单元Ｉ及其冗Ｉ中央控Ｉ　ＭＶＢ　Ｉ冗余中央ｌ控制单　ｌ低压控　元ｌ　ｌ制单元　ＣＣＵ１　ｌ余接口ｌ　ＣＣＵ１　ｌ　Ｉ　ＬＣＵ　能漏报。　光电星型耦合器Ｉ　ｌ机车擀诊断｝ｌ光电星型耦合器　ＳＣ１　Ｉ　ｌ系统主机Ｉ　ｌ　ＳＣ１　⑤对故障的预警能力，故障发展到一定的程度要　具有预警能力，便于合理安排维修，不能等故障出现　后再报警，否则就毫无意义了。　司机Ｉ室控ｌＩ传动ｉ控制ｌｌ｝辅助Ｉ变流Ｉｌ辅助ｌ变流ｌｌ传动　传动Ｉ控制　ｌ辅助ｌｌ辅助ｌＩ电源Ｉｌ电源　司机　室控　控制ｌ单ｌ变流ｌｌ变流Ｉｌ柜控ｌｌ柜控　制单ｌＩ单元Ｉｌ器１１ｌｌ器１２ｌｌ—单元ｌ　元２ｌ制单　ｌ器２１ｌＩＨ２２ｌｌ制单ｌｌ制单　元ｌ　ｌＢｃｃｌｌ控制ｌｌ控制ｌｌＤＣＵ１　ＤｃＵ２ｌｌ控制ｌｌ控制｝ｌ元１　ｌｌ元２　兀　ＤＳＵｌ　ｌｌ　ｌｌＡＣＵｌｌｌｌＡＣＵｌ２ｌｌ　针对电力机车、内燃机车各自的结构特点，设计　了基于ＴＣＮ的电力机车实时安全状态监测及故障预警　系统，如图３所示；基于ＴＣＮ的内燃机车（电传动）实　时安全状态监测及故障预警系统如图４所示。　ｌＡｌＣＵ２１１１ＡＣＵ２２ＩｌａｌＳｌ　ｌｌ　ｃＰｓ２　ＤＳＵ２　图２　电力机车分布式微机控制与网络拓扑　图３　基于ＴｃＮ的电力机车实时安全状态监测及故障预警系统　维普资讯 http://www.cqvip.com

第４期　黄采伦，樊晓平，陈特放，张剑：铁路机车实时安全状态监测及故障预警系统　撒　砂　和　风　动　装　置　图４　基于ＴＣＮ的内燃机车（电传动）实时安全状态监测及故障预警系统　３机车实时状态监测与故障预警主机实现方案　鬟　襄　盏　例，介绍机车走行部故　在　在图３、图４所示的系统中，机车实时状态监测与故　障预警主机采用ＭＶＢ多功能总线构成内部计算机网络　系统。各个部件可以通过各自的状态监测与故障诊断　装置进行监测，由ＭＶＢ将这些相互独立的装置联结成　为网络系统，对于不同类型的故障，系统采取不同的　处理方法和故障诊断措施，诊断结果通过ＭＶＢ传输到　在线诊断主机，再通过显示器显示，为工作人员提供　故障信息和对故障的处理意见。　图５所示为机车状态监测与故障预警主机结构。综　合利用ＡＲＭ嵌入式系统接口功能完善和ＦＰＧＡ内嵌软　ＤＳＰ芯核数据处理能力强的特点，结合ＳＲＡＭ阵列、　Ｅ　ＰＲＯＭ阵列、外围通信接口而形成，可满足机车运行　图６　机车走行部故障在线诊断装置　机车走行部故障在线诊断装置采用以ＤＳＰ为核心　的结构（该系统已获国家发明专利，专利号０１　１３　１６５２．７），　能对铁路机车及其他旋转机械进行不解体的在线状态　监测和实时故障诊断；采用总线式分布结构，具有集　成度高、抗干扰能力强、稳定性好、成本低等特点。硬　件主要包括ＤＳＰ诊断主板、接线盒、传感器等。图６是　机车走行部故障在线诊断装置的组成框图，装置以　ＤＳＰ为核心，配置运行必需的ＳＢＳＲＡＭ和保存参数及测　试数据的Ｅ　ＰＲＯＭ，由大规模可编程逻辑器件ＣＰＬＤ分　配地址和进行速度测量；传感器拾取的振动、冲击信　图５　机车状态监测与故障预警主机结构　号经模拟信号调理电路、Ａ／Ｄ转换器进入ＤＳＰ诊断主　板，数字温度信号由ＣＡＮ总线直接读取（采用的传感　器与现有的轴温报警器方式一样）；诊断结果经ＭＶＢ　送到机车状态监测主机。　４　机车走行部故障在线诊断装置的具体实现　机车中需要监测的设备或部件较多，以下仅以故　维普资讯 http://www.cqvip.com

机　车　电　传　动　２００７钲　采用ＤＳＰ为核心的状态监测装置，使系统结构大　大简化，减少自身的故障，降低了产品成本，提高了可　靠性。　［５］黄采伦．机车走行部在线故障诊断系统［Ｄ］．长沙：湖南大　学，２００２．　［６］ＩＥＣ　６１３７５—１，ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ　ＳＴＡＮＤＡＲＤ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｒａｉｌｗａｙ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．ＴＩ　ｎ　ｂｕｓ　Ｐａｒｔ　１：Ｔｒａｉｎ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｎｅｔｗｏｒｋ［Ｓ　ｌ　［７］ＴＢ／Ｔ３０３５．２００２，列车通信网络［ｓ　ｌ　［８］中华人民共和国铁道部．铁路机车技术管理规则［Ｋ］．北京：　中国铁道出版社，２０００．　５结束语　我国铁路机车故障诊断技术的研究正在积极开　展，机车控制与通信网络的研究与应用也已取得初步　成绩。对于机车实时安全状态监测及故障预警系统的　研发，应利用ＷＴＢ和ＭＶＢ所构成的计算机网络系统，　［９］铁路机车车辆科技手册编委会．铁路机车车辆科技手册第　四卷：技术政策、法规、标准［Ｋ］．北京：中国铁道出版社，　２００１．　［１０］黄采伦，周少武，黄丹，等．机车走行部在线故障诊断系　在物理上将机车的各个控制、状态监测子系统联成一　体，来实现机车运行状态信息的传输和控制，同时开　展轮对、牵引电机等重要部件故障诊断装置的研究，　逐步完善、充实网络化机车监控与故障诊断系统。　基于ＴＣＮ的机车实时安全状态监测及故障预警系　统主要用于实现机车实时数据与管理信息的高度共　享，传递机车运行状态、调度、管理、维护及路况等各　方面的信息，并建立出口信道，实现与铁道部Ｉｎｔｅｒｎｅｔ　全国骨干网（ＣＲＮＥＴ）互联，更好地利用铁路通信既有　的优势，加快铁路信息化建设¨　。　参考文献：　［１］黄采伦，樊晓平．陈特放．列车故障在线诊断技术及应用［　］．　北京：国防工业出版社，２００６．　统（科学技术成果鉴定证书：湘科鉴字２００１第１７２号）［ｚ］一　长沙：湖南省科学技术厅，２００１．　［１　１］黄采伦，尹国华，贺旭军．铁路车辆走行部在线故障诊断系　统：中国，ＣＮ一１４３００５０［Ｐ　ｌ　’　［１２］黄采伦，陈安华．　总线式状态监测智能传感器组：中国，Ｃ　１５５７６６４［Ｐ　ｌ　［１　３］黄采伦，陈安华．一种用于列车轮对运行状态的智能型监测　Ｎ一装置：中国，ＣＮ一２６６３９８６［Ｐ　ｌ　［１４］Ｐａｌｏ　Ａｌｔｏ．Ｉｎｔｅｒｏｐｅｒａｂｌｅ　Ｎｅｔｗｏｒｋｅｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｆｏｒ　Ｒａｉｌ　Ｔｒａｎｓｉｔ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｗｉｔｈ　ＬｏｎＷｏｒｋｓ　Ｎｅｔｗｏｒｋｓ［ｚ］’Ｓａｎ　Ｊｏｓｅ　ＣＡ　ＵＳＡ：　Ｅｃｈｅｌｏｎ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，２００　１．　［１　５］中华人民共和国铁道部科学技术司．中国列车运行控制系　统ＣＴＣＳ技术规范总则（暂行）［Ｋ］．北京：铁道部科学技术　司，２００４．　［１６］中华人民共和国铁道部科学技术司．　中国列车运行控制系　统ＣＴＣＳ２级技术条件（暂行）［Ｋ］．北京：铁道部科学技术　司。２００４．　［２］蔡庆华，华茂昆，鞠家星，等．中国铁路技术创新工程［Ｍ］．　北京：中国铁道出版社，２０００．　［１　７］陈特放、黄采伦、樊晓平．基于小波分析的机车走行部故障　诊断方法［Ｊｌ中国铁道科学，２００５，２８：１００—１０５．　［１８］刘友梅．　２００　ｋｍ／ｈ电动旅客列车组一我国铁路高速牵引的　新起点［Ｊ１机车电传动，１９９９（４）．　［３］中华人民共和国铁道部．中华人民共和国铁路主要技术政　策［Ｋ］．北京：中国铁道出版社，２０００．　［４］陈特放．基于列车通信网络的电力机车故障诊断系统研究　［Ｄ］．长沙：中南大学，２００５．　［１　９］丁荣军，陈文光．地铁车辆用交流传动系统的设计［Ｊ］．机　车电传动，２００１（５）．　动态消息　Ｄ　０　９—３　Ｘ型捣固车在　南昌铁路局投入使用　日前，我国首台ＤＯ９－３Ｘ型三枕连续式捣固车在沪昆线　（江西段）亮相并投入使用。　首台三枕连续式捣固车，与现有的ＤＯ８—３２型及ＤＯ９—３２型捣固　车相比较，它的作业效率能达到２．４　ｋｍ／ｈ，较ＤＯ８—３２型效率提　高１００％，较ＤＯ９—３２型效率提高４０％。该设备使用了新型提速　转向架，连挂运行速度达到了１　２０　ｋｍ／ｈ，自走行速度达到了　１　Ｏ０　ｋｍ／ｈ，能满足现有高速铁路的运行要求，减少了对运输　生产组织的干扰。　此外，这种捣固车还增加了应急起复系统。以前的捣固车　遇有故障时，必须人工对工作装置起复，耗时在２０　ｍｉｎ以上。　ＤＯ９—３Ｘ型捣固机只需要３　ｍｉｎ就能实现工作装置的起复。该车　为了适应２００　ｋｍ／ｈ高速列车对线路质量的要求，提高线　路安全质量，巩固线路性能状态，南昌铁路局引进了目前世界　上最先进的线路捣固维修设备　０９—３Ｘ型捣固车。这是我国　型还在人体工程学和环保要求等方面做了许多改进，使全车的　操作使用更加人性化、合理化。　（朱一迪）　一６６—