快捷货车转向架运行安全智能监测系统研究

　　随着铁路运输运行速度、载重的不断提高，对铁路车辆运行安全性的要求也越来越高。中国铁路在近几年内逐步建成了全路行车安全技术保障体系。包括“车对地”、“地对车”、“地对地”、“车上监测”4个环节，4个环节相互环链、相互匹配。

　　目前铁路货车安全监测主要采用地对车监测方式来完成，如采用红外线轴温探测智能跟踪系统、货车运行故障动态图像检测系统、运行状态地面安全监测系统以及货车滚动轴承早期故障轨边声学诊断系统等，这些地对车安全监测系统实现了车辆运行状态的安全监测。

　　随着快捷货车的发展，要求转向架具有更可靠的运行安全性，不仅需要在结构设计、系统设计中将运行安全、可靠性等方面的指标放在更重要的位置，采用安全性、可靠性更高的零部件和结构，如电子防滑器、盘形制动系统、主动抗蛇行元件等;同时也要求能提供实时的转向架系统的安全监测解决方案。轨旁地面监测系统的布置间距_般在300km以上，在检测和故障处理上有一定的滞后性，而有些列车脱轨和安全事故是在非常短的时间内、在地面2个监控装置之间发生的，因此在高速和运行安全性要求很高的特种运输情况下，采用轨旁地面监测系统无法对车辆运行状态进行实时检测和对潜在故障做出及时处理。

　　目前国内现有各型货车转向架均没有实时运行安全监测系统。主要是因为目前货车运行速度不超过120km/h，一般采用踏面制动，结构简单，且货车上没有可靠的监测系统供电电源。如160km/h快捷货车转向架虽采用了更复杂的悬挂系统、盘形制动装置等，但是由于缺少电源，无法采用实时轴温监测、电子防滑器等装置，无法对转向架进行实时监测，限制了转向架运行安全性的进一步提高。

本文主要针对目前铁路货车的状态、货车安全监测系统的现状，从提高快捷货车转向架运行安全性和稳定性、提升故障智能预报水平、实现动态预测性维修等基本目标出发，研究快捷货车转向架运行安全实时监测系统，为研究集优良的动力学性能、可靠的结构设计和实时智能安全监测功能为一体的新型快捷货车转向架提供整体解决方。

1快捷货车转向架安全故障特点和监测系统设计

　　1.1快捷货车转向架安全故障特点

　　货运列车的安全故障主要为以下几方面：

　　(1)列车热轴、切轴事故，主要是由于轴承温度过高造成，而轴承结构和状态是造成轴温变化的主要原因;

　　(2)车轮、车轴的裂纹和断裂;

　　(3)踏面擦伤;

　　(4)转向架关键零部件失效带来的失稳和脱轨;

　　(5)列车制动系统故障;

　　(6)货物偏载、超载或由于环境影响造成的破坏。在这些安全故障中，对实时运行安全性影响最大的是轴承温度升高引起的列车热轴、切轴事故，轮对磨耗及关键悬挂元件失效引起的转向架蛇行失稳，踏面擦伤导致的轮轨冲击作用力增大、运行品质下降和轮轴疲劳等。

　　1.2快捷货车转向架实时运行监测系统设计

　　在分析转向架结构特点、车辆动态性能、零部件失效对车辆运行安全性影响等方面的基础上，针对研制的160km/h快捷货车转向架，提出采用车载传感器网络构建智能安全监测系统来实时预报和处理车辆走行部运行安全问题。

　　快捷货车转向架智能安全监测系统包括以下基础和功能模块：

　　(1)轴端电源单兀(AxleEndPowerUnit，AEPU)，为转向架智能安全监测系统、快捷货车转向架的电子防滑器和其他主动悬挂元件等提供可靠、稳定的电源。

　　(2)架载传感器监测单元(BogieSensorMonitcrringUnit，BSMU)，每个转向架上安装1个BSMU，功能包括轴承温度监测、踏面擦伤监测、转向架蛇行运动监测等。

　　单元模块包括3个主要组件：个或多个传感器，实现信号检测和输入;1个主控制微处理器，完成数据采集、处理和管理;RF(射频)通信模块，采用Zigbee无线传输技术完成数据传递为基于Zigbee技术的转向架实时监测系统无线传输方案。

　　(3)机车主监测器(LocomotiveMainMonitoringUnit，LMMU)，安置在机车驾驶室内。

　　2功能模块设计及试验

　　2.1轴端电源单元(AEPU)

    基于Zigbee技术的转向架实时监测系统无线传输方案长期以来，铁路货车车载实时安全监测系统由于电源的缺乏一直无法实现。而对快捷货车转向架而言，电源问题尤为迫切。如果能够提供可靠的电源，除了能为智能监测系统提供电源外，还可满足在快捷货车转向架上安装电子防滑器、主动悬挂单元等安全部件的需要，从而提高转向架的运行安全性和动力学性能。因此，开发一种安装简单、性能可靠的铁路货车电源装置，为架载智能安全监测系统提供电能，既具有很高的实用价值，又是实现架载安全智能监测系统的关键技术。

　　—般快捷货车转向架采用轴箱结构，为了满足体积小和轻量化的要求，将轴端电源集成于轴箱端盖中是一种理想的解决方案。按照现有的限界标准，对轴箱端盖进行改装，将发电装置设计在其内并使其拥有较为充足的余量。轴端电源[7]输出的交流电提供给整流稳压装置，为监测系统输出稳定的48V直流电源，目前设计的电源装置功率不小于200W。

　　对设计的轴端电源单元进行了试制和试验，结果表明：能满足实际需求，除了能对监测系统供电外，还可以为采用盘形制动系统的电子防滑器提供所需电源。

　　2.2架载传感器监测单元(BSMU)

　　架载传感器监测模块包括传感器网络、主控制微处理器和无线传输等模块。传感器网络模块主要是根据转向架特点和运行安全指标要求检测轴承温度、踏面擦伤和转向架蛇行运动等。

设计的主控处理器采用Cortex-M4F内核的STM32F373CCT6处理器，最大工作频率为72MHz，并且带有DSP与FPU指令，能提供良好的数据采集分析性能。电源模块采用8〜75V的直流电压输入。存储模块包括内存卡模块和FLASH模块，内存卡中存放采集到的数据信息，FLASH中存放系统的参数。

2.2.1轴温监测模块

　　该模块是监测转向架轴承温度并对温度过高的轴承进行报警。温度传感器和模块设计满足TB/T2226—2002《铁道客车用集中轴温报警器技术条件》。根据所采用的温度传感器和主控制器设计相应的轴温监测模块，有按照轴温绝对值即轴箱温度超过定点报警值(90°C)报警和轴温超过环境温度(如45°C)报警的2种报警模式。

　　2.2.2踏面擦伤监测模块

　　由于快捷货车转向架采用盘形制动，空重车载荷变化大，因此对踏面的状态监测是必须的。

　　若列车运行速度K已知时，当踏面存在_处明显的故障时(如踏面擦伤、局部剥离等)，其特征频率可以用公式(1)计算：

　　f=一^一(1)

　　J3.6xc^V1)

　　式中力——列车运行速度;

　　d——车轮直径。

　　通过建立快捷货车转向架的轮轨动力学分析模型，研究在不同轮对踏面擦伤(扁疤)深度、不同运行速度条件下的轮对垂直冲击加速度情况。在踏面擦伤监测模块中设置相应的轮轨冲击加速度门槛值(可以通过仿真和试验确定)。实际上，由于轮轨动作用力的复杂性，判断踏面擦伤的发生必须经过对相关信号的连续监测，并且该信号符合公式(1)描述的车辆运行速度引起的周期性频率特征。因此模块电路包括信号采集、比例放大、幅值限制、峰值保持等功能[5’10]。踏面擦伤监测模块的输入信号来自4个轴箱垂向加速度传感器和1个速度传感器。

　　2.2.3蛇行运动稳定性监测模块

　　根据动力学原理，转向架蛇行失稳主要体现在轮对的横移和摇头振动幅值的增大，此时转向架构架的横移和摇头振动加速度的幅值同样会增大，因此转向架蛇行运动的监测主要通过对转向架构架上横向加速度信号的监测分析来判断车辆蛇行运行稳定性。

　　如图1所示，对转向架蛇行运动稳定性的判断需要对斜对称布置的2个测点的横向加速度进行信号处理，获得构架的刚体运动横移加速度久和摇头振动加速度心：

　　式中、%——横向加速度传感器测出的加速度值;

　　I——构架上测点到转向架中心的纵向距离。

　　基于转向架和车辆的动力学仿真分析及试验，可以设置转向架运行状态在安全范围内的加速度最大值，分别设定横移加速度和摇头振动加速度的门槛值久和，并储存于监测系统的数据库中。系统设计时，对2个测点进行同时同频率采样和处理，计算获得构架的横移加速度义和摇头振动加速度^•，并与设定的阈值进行比较来判断转向架蛇行失稳。

　　此外可以采用3轴加速度和3轴陀螺仪一体的传感器，在加速度测量的同时，通过陀螺仪同时获得转向架在线路上的运行姿态和线路几何信息，为智能监测和转向架主动悬挂系统设计提供支持。

　　2.2.4无线传输模块及验证试验

　　在信息传输方面，快捷货运列车与一般的客车或动车组的最大区别是编组的不确定性，没有列车总线，因此每个转向架上的监测信息与机车的联系不能通过列车总线传输，而需要考虑采用无线传输模式。

　　Zigbee无线传输网络(ZigbeeWirelessTransferModule，ZWTM)是一种短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线网络技术，采取了IEEE规范[11]，增加了逻辑网络、网络安全和应用层。ZigBee技术最大的优势在于自动组网、自动修复，可以通过设置主机地址、节点地址等形式限制网络中的节点，实现不同列车之间的互不干扰。

　　无线传输模块主要包括架载传输单元(Router)和机车接收器(Coordinator)。为了验证该无线传输模式的有效性，特别是列车通过隧道和长时间运行时的可靠性问题，在160km/h动车上进行了现车模拟验证试验，具体包括：1)单个节点可靠传输距离和最远传输距离。(2)组网传输性能，试验证明设计的Zigbee网络每个节点可以可靠覆盖16节以上车厢，即可以可靠链接16个以上的传输节点，只要其中1个节点能正常通信即可。(3)列车进入隧道时的通信状态，实际测试中在隧道也完全可以正常通信，换成货车无线节点，通信距离缩短，通信会更加可靠。(4)长时间通信稳定性，在28h的连续运行中，没有出现任何通信中断等问题，各个节点的数据包均正常，总数据包数误差不到1%;在进_步的连续7天的运行试验中，各节点和主机均工作正常，没有出现通信中断等状况。

　　对于快捷货运列车，车辆定距小于18m，以20节编组为例，列车总长不超过400m，每个转向架上各布置_个监测模块，通过无线节点将数据传输到驾驶室进行处理和显示，使驾驶室的操作人员可以实时了解整列车的运行状态。

　　2.3机车主监测器(LMMU)

　　机车主监测器安置在机车驾驶室内，采用AR-MA8处理器、Linux操作系统，主要用于采集列车连挂的多节车厢的各种传感器数据，并通过彩色液晶屏幕显示出来，用户可以通过触摸屏来操作软件，查询每节车厢的详细信息，同时会将该列车中每个转向架的运行的基础上。

　　建议试验研究27t轴重货车检修周期和寿命期内的运行安全技术性能，即服役性能;研究分析重载货车的运用及检修限度和运行安全性的关系，制定适合重载货车的合理的运用检修限度，保障重载货车在服役期的运行安全、可靠。

　　编制了车体4种载荷谱。

　　实时运行安全信息存储下来，地面工作站可以通过GPRS或者3G网络连接该主监测器，实时查询列车上每个传感器的实时数据。

　　3总结

　　通过本文的研究和试验工作，所研制的快捷货运列车实时运行监测系统，包括转向架轴端电源单元(AEPU)、实时智能监测模块、Zigbee无线传输网络等达到了设计目标，能实现转向架实时动态监控和数据可靠传输。

　　建议进_步针对快捷货运列车和运输的特殊性，开展快捷货车安全监测标准的定义和评价，车地无线信息传输、智能监测系统集成定制和现车运行试验等研究工作，提升快捷货物运输的安全性和车辆系统的可靠性。