賈云光

（1.北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路軌道交通運(yùn)行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100073）

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CTCS3-300T列控車載應(yīng)答器天線安裝問(wèn)題的研究與探討

賈云光1，2

（1.北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路軌道交通運(yùn)行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100073）

重點(diǎn)分析應(yīng)答器天線安裝導(dǎo)致的BSA問(wèn)題，通過(guò)對(duì)CRH2型車及CRH3型車安裝對(duì)比分析，轉(zhuǎn)向架振動(dòng)分析以及實(shí)驗(yàn)測(cè)試，從而為高速列車在應(yīng)答器天線安裝方面提供經(jīng)驗(yàn)和幫助。

CTCS3-300T；應(yīng)答器天線安裝；轉(zhuǎn)向架；BSA

CTCS3-300T應(yīng)答器天線主要用于激活和接收地面應(yīng)答器信息，針對(duì)不同的列車類型安裝位置不同。本文通過(guò)對(duì)比安裝于車體和轉(zhuǎn)向架兩種方式對(duì)應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)的可靠性影響進(jìn)行研究，提出應(yīng)答器天線安裝的改進(jìn)方向，并對(duì)已經(jīng)完成的應(yīng)答器天線的安裝提出一些建議。

1　背景介紹

CTCS3-300T應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)由3部分組成：BTM、D電纜和應(yīng)答器天線（CAU）。應(yīng)答器天線主要是用于發(fā)射和接收來(lái)自地面應(yīng)答器信號(hào)，屬于應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)的一部分［1］，如圖1所示。應(yīng)答器天線將從應(yīng)答器接收的信號(hào)通過(guò)多芯同軸電纜（D電纜）轉(zhuǎn)發(fā)給應(yīng)答器傳輸模塊（BTM）。

當(dāng)前，CTCS3-300T列控車載設(shè)備出現(xiàn)的故障中，BSA（Balise Service Available應(yīng)答器服務(wù)可用性，BSA是表示應(yīng)答器傳輸通道是否可用的標(biāo)志）臨時(shí)性故障占了較大比重。

1.1BSA 原理介紹

在列車運(yùn)行過(guò)程中，BTM通過(guò)運(yùn)行測(cè)試檢查應(yīng)答器傳輸通道是否可用，當(dāng)運(yùn)行測(cè)試連續(xù)失敗達(dá)到一定次數(shù)時(shí)，判斷為應(yīng)答器傳輸通道不可用即臨時(shí)性BSA故障。

BTM通過(guò)D電纜向CAU發(fā)起運(yùn)行測(cè)試請(qǐng)求（FH或FL），CAU通過(guò)D電纜返回3.95 MHz和4.52 MHz左右短時(shí)脈沖，以此判斷通道的可用性，如圖2所示，表示列車運(yùn)行過(guò)程中BTM所進(jìn)行了的FH及FL測(cè)試，其中：

當(dāng)FL或FH連續(xù)4次計(jì)數(shù)失敗時(shí)，報(bào)運(yùn)行測(cè)試失敗，當(dāng)僅失敗1次而下次測(cè)試通過(guò)時(shí)，則重新開始計(jì)數(shù)；

在運(yùn)行過(guò)程中，27 MHz功率總是開啟，并一直在進(jìn)行運(yùn)行測(cè)試，當(dāng)遇到應(yīng)答器時(shí)，運(yùn)行測(cè)試停止。

由此可知，臨時(shí)BSA故障的可能原因：1）物理通道的不可用；2）電磁兼容性問(wèn)題導(dǎo)致。關(guān)于電磁兼容問(wèn)題導(dǎo)致BSA故障問(wèn)題本文不進(jìn)行討論，只針對(duì)物理安裝上導(dǎo)致可能性進(jìn)行探討和研究。

1.2BSA故障問(wèn)題介紹

通過(guò)對(duì)比一段時(shí)間內(nèi)CRH2系列車型及CRH3系車型的BSA故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，CRH3系列車型的故障率遠(yuǎn)高于CRH2系列車型。表1是統(tǒng)計(jì)的2014年1-6月份，BTM故障情況的統(tǒng)計(jì)，其中BSA故障情況如下。

表1　CRH2型車與CRH3型車BSA故障對(duì)比

因兩種車型使用的設(shè)備均相同，為了找到原因，對(duì)兩種設(shè)備的安裝方式進(jìn)行對(duì)比。

1.3安裝情況調(diào)查及應(yīng)答器天線安裝要求

CTCS3-300T列控車載設(shè)備CAU天線的安裝主要有兩種情況：1）安裝在列車的轉(zhuǎn)向架上，主要是CRH3系列車型；2）安裝在列車的車體上，主要是CRH2系列車型。

CTCS3-300T列車車載設(shè)備的安裝規(guī)范針對(duì)CAU天線的安裝要求，主要針對(duì)安裝高度、橫向偏移、偏航角、俯仰角、傾斜角等方面，對(duì)于具體車型安裝詳細(xì)細(xì)節(jié)并未提出要求。而從滿足規(guī)范的角度看，安裝在列車車體的橫向偏移量要大于轉(zhuǎn)向架的橫向偏移，因此，從安裝高度和橫向偏移的角度來(lái)考慮應(yīng)答器天線安裝，無(wú)疑轉(zhuǎn)向架是最好的安裝方式，但實(shí)際運(yùn)營(yíng)中帶來(lái)的效果正好相反。

2　CRH3型車與CRH2型車CAU天線安裝方式對(duì)比

為了更好的研究?jī)煞N安裝方式的差別，需要將兩種安裝做詳細(xì)的對(duì)比分析。

2.1安裝位置的對(duì)比分析

CRH3型車安裝位置位于轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上，轉(zhuǎn)向架屬于列車的走行部結(jié)構(gòu)，安裝在列車輪對(duì)上，列車車體安裝在轉(zhuǎn)向架上，從而能夠?qū)崿F(xiàn)列車轉(zhuǎn)向及在彎道上運(yùn)行，同時(shí)通過(guò)列車上的懸掛裝置和減震設(shè)備，降低來(lái)自因列車輪軌剛性接觸帶來(lái)摩擦振動(dòng)及其他振動(dòng)。CRH2型車安裝于車體上。安裝對(duì)比如圖3所示。

通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)向架的了解，可以得出安裝車體上將有利于減少輪軌振動(dòng)帶來(lái)的影響。而安裝在轉(zhuǎn)向架的CAU天線將受到更嚴(yán)重的沖擊振動(dòng)，關(guān)于沖擊振動(dòng)對(duì)BSA故障影響將在下節(jié)分析。

2.2安裝防護(hù)

1）CRH3車的CAU天線防護(hù)

CRH3型車的CAU天線周圍采用塑料材料對(duì)CAU天線四周進(jìn)行防護(hù)。該種安裝的缺點(diǎn)是，防護(hù)不夠嚴(yán)密，天線電纜容易遭到風(fēng)壓振動(dòng)沖擊以及雨雪進(jìn)入。

2） CRH2型車的天線防護(hù)

防護(hù)較好，四周完全防護(hù)，微凹陷于車體內(nèi)，風(fēng)雪都不容易進(jìn)入，電纜也不會(huì)因風(fēng)壓變動(dòng)而遭受沖擊。

目前一般應(yīng)答器天線的防水防塵等級(jí)為IP67，關(guān)于IP等級(jí)的測(cè)試一般是在靜態(tài)進(jìn)行的。而對(duì)列車在250 km/h以上鐵路運(yùn)行時(shí)，該IP等級(jí)是否滿足運(yùn)行要求，目前國(guó)際上還沒(méi)有很好的經(jīng)驗(yàn)。從國(guó)內(nèi)運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，安裝在轉(zhuǎn)向架上無(wú)疑對(duì)IP等級(jí)提出了更高的要求。

2.3轉(zhuǎn)向架安裝帶來(lái)的電纜安裝問(wèn)題

如圖4所示，在CRH3型車中，天線安裝于轉(zhuǎn)向架上，這給天線電纜的安裝帶來(lái)問(wèn)題。由于轉(zhuǎn)向架與車體之間是相對(duì)移動(dòng)的，因此，CAU天線電纜會(huì)隨著轉(zhuǎn)向架與車體之間的相對(duì)位移而導(dǎo)致電纜的不斷彎曲。通過(guò)在車輛廠內(nèi)彎道試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，列車在轉(zhuǎn)彎時(shí)，預(yù)留電纜會(huì)被拉伸，而在反向轉(zhuǎn)彎時(shí)，電纜則彎曲。

如圖5所示，當(dāng)轉(zhuǎn)向架轉(zhuǎn)向時(shí)，D電纜將進(jìn)行一次拉伸。

3　應(yīng)答器天線安裝于轉(zhuǎn)向架上的振動(dòng)問(wèn)題分析

3.1轉(zhuǎn)向架振動(dòng)情況的介紹及分析

隨著列車的提速，國(guó)內(nèi)列車正常運(yùn)營(yíng)速度已經(jīng)達(dá)到310 km/h，而速度的提高，則會(huì)增加外界的激擾頻率。如公式（1）所示：

車輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率f=（V/3.6）/（∏D）（D為輪軸直徑） （1）

根據(jù)參考文獻(xiàn)［4］中對(duì)輪軌引起的振動(dòng)進(jìn)行分析研究，可知輪軸振動(dòng)中，輪對(duì)旋轉(zhuǎn)頻率經(jīng)過(guò)軸箱懸掛以后不僅未得到抑制和衰減，反而在構(gòu)架系統(tǒng)的振動(dòng)能量中得到加強(qiáng)，這表明高速時(shí)構(gòu)架振動(dòng)頻率受輪對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率影響明顯。其振動(dòng)頻率一般在0～50 Hz范圍內(nèi)較為集中，而車體主要在0～2 Hz范圍內(nèi)的低頻振動(dòng)為主。而從CAU天線在CRH3型車的安裝位置來(lái)看正好位于轉(zhuǎn)向架構(gòu)架部分，其振動(dòng)能量反而更強(qiáng)。

3.2轉(zhuǎn)向架振動(dòng)導(dǎo)致BSA故障的分析

圖6是D電纜與CAU天線的插頭連接器。

當(dāng)兩個(gè)插頭連接好，遇到高頻振動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)生什么，某個(gè)針腳會(huì)不會(huì)發(fā)生短時(shí)斷開連接？實(shí)際上由于機(jī)械連接在制造中根據(jù)圖紙總是存在適當(dāng)公差以保證安裝時(shí)適度的過(guò)盈配合。但正是這種公差范圍帶來(lái)的不一致性會(huì)導(dǎo)致插頭連接處以及插針連接處存在或大或小的間隙，這種間隙極有可能在高頻振動(dòng)下帶來(lái)瞬間的接觸缺陷，從而導(dǎo)致連接器連接的瞬間失效引起B(yǎng)SA故障。

在1.1節(jié)BSA原理中提到，運(yùn)行測(cè)試中BSA執(zhí)行一次的周期為25 ms左右，而構(gòu)架在0～50 Hz范圍內(nèi)能量比較集中，那么40 Hz振動(dòng)頻率的周期正好25 ms。一旦發(fā)生連續(xù)性40 Hz的振動(dòng)可能導(dǎo)致運(yùn)行測(cè)試連續(xù)若干次失敗。

4　實(shí)驗(yàn)室沖擊振動(dòng)模擬測(cè)試

為了驗(yàn)證列車振動(dòng)對(duì)CAU天線造成的影響，在室內(nèi)進(jìn)行了振動(dòng)試驗(yàn)。測(cè)試過(guò)程選用了兩根D電纜，其中一根電纜的A線（最粗的線）與CAU接觸不良，用手晃動(dòng)電纜時(shí)，接觸時(shí)好時(shí)壞。

CAU與D電纜連接測(cè)試過(guò)程如下。

1） 將D電纜CAU端安裝好，BTM端剪斷，A-B線間和E-F線間分別施加12 V直流電源；

2） 將CAU內(nèi)部連接器附近的4根導(dǎo)線剪斷并引出，如圖7所示。

3） 對(duì)應(yīng)A-B的線間和對(duì)應(yīng)E-F的線間分別焊接200 Ω電阻，并用示波器探頭夾住電阻兩端，設(shè)置下降沿觸發(fā)，觸發(fā)電平為6 V；

按垂向長(zhǎng)壽命試驗(yàn)轉(zhuǎn)向架處振動(dòng)參數(shù)進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，持續(xù)時(shí)間5 min，觀察電壓波形。

測(cè)試結(jié)果：

a.兩根電纜的E-F線在振動(dòng)過(guò)程中波形未出現(xiàn)明顯變化，說(shuō)明接觸情況良好。

b.問(wèn)題電纜的A-B線在振動(dòng)過(guò)程中電壓波形出現(xiàn)跳變，接觸時(shí)好時(shí)壞。另一根電纜A-B線波形未出現(xiàn)變化，接觸良好。

通過(guò)此次實(shí)驗(yàn)室測(cè)試得出如下結(jié)論：

1） CAU與D電纜的連接在長(zhǎng)期的振動(dòng)過(guò)程中存在接觸不可靠的現(xiàn)象。

2） A線作為D電纜中最粗的一根線，在長(zhǎng)期的振動(dòng)拉扯過(guò)程中承受主要的力，導(dǎo)致觸點(diǎn)部分活動(dòng)量比其他觸點(diǎn)活動(dòng)量大，最先出現(xiàn)觸點(diǎn)松動(dòng)及接觸不良的現(xiàn)象。另外，A口觸點(diǎn)顏色發(fā)黑也一定程度上驗(yàn)證了觸點(diǎn)松動(dòng)的現(xiàn)象。觸點(diǎn)與針腳從分離到接觸的瞬間，很可能出現(xiàn)瞬間放電現(xiàn)象，從而導(dǎo)致觸點(diǎn)變黑。

3） A線作為TX，單端信號(hào)，斷線會(huì)導(dǎo)致27 MHz發(fā)送能量暫斷。如果暫斷時(shí)間很短（如us級(jí)）對(duì)PS和TX板上的監(jiān)督估計(jì)不會(huì)有影響，如果暫斷時(shí)間長(zhǎng)，監(jiān)督會(huì)報(bào)錯(cuò)。

5　改進(jìn)方向及建議措施

通過(guò)前述探討和分析， CAU天線安裝對(duì)于BTM臨時(shí)BSA故障確實(shí)存在較大影響，因此，好的安裝方式可以在一定程度上大幅減少該類故障的發(fā)生。為此，筆者結(jié)合多年的總結(jié)和研究對(duì)CAU安裝提出一些改進(jìn)和建議。

5.1CAU天線優(yōu)選安裝位置建議

D電纜與CAU天線之間的連接不可避免，因此只要CAU天線安裝在轉(zhuǎn)向架上就不可避免存在振動(dòng)導(dǎo)致相關(guān)自檢故障。再加上輪軌系統(tǒng)的振動(dòng)是首先作用于轉(zhuǎn)向架，這方面的改進(jìn)有限。

因此，避開轉(zhuǎn)向架安裝是最好的CAU天線安裝方式。建議在應(yīng)答器的安裝過(guò)程中盡量采用安裝于車體這種安裝方式。

5.2轉(zhuǎn)向架安裝方式的改進(jìn)方向及建議措施

對(duì)于已經(jīng)安裝在轉(zhuǎn)向架上的設(shè)備，只能尋求改進(jìn)或者更優(yōu)化減緩這方面的影響。

1） 電纜固定

通過(guò)固定在CAU端D電纜附近進(jìn)行D電纜的固定，減少因電纜擺動(dòng)以及空氣風(fēng)壓振動(dòng)導(dǎo)致接觸不良。

2） 插頭防護(hù)

對(duì)D電纜與CAU天線連接處的連接器進(jìn)行防護(hù)，以減少插頭之間的振動(dòng)。

3） D電纜分段安裝解決建議

借鑒速度傳感器在轉(zhuǎn)向架軸端的安裝方式，提出一種解決轉(zhuǎn)向架安裝天線的方法，具體方法如下：將D電纜分成兩段，連接CAU端的一段D電纜與CAU天線做成一體，取消連接器，另一端則安裝于車體。

6　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)CAU天線的安裝與研究，目前對(duì)于新車型的安裝已采用車體的安裝方式，通過(guò)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)效果良好。

對(duì)轉(zhuǎn)向架的安裝方式，目前部分措施已經(jīng)在所有CTCS3-300T的安裝車輛上進(jìn)行了實(shí)施，BSA臨時(shí)故障在一定程度上得到遏制，效果良好。

［1］ Subset ERTMS/ETCS Class 1 FFFIS for Eurobalise［S］.2007.

［2］中華人民共和國(guó)鐵道部.GB/T 25119-2010 軌道交通 機(jī)車車輛電子裝置［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

［3］中華人民共和國(guó)鐵道部.GB/T 21563-2008 軌道交通 機(jī)車車輛設(shè)備 沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

［4］任尊松，劉志明.高速動(dòng)車組振動(dòng)傳遞及頻率［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013，（8）：1-7.

The paper analyze mainly BSA failures caused by the installation of balise antennas. Through comparison among the balise antenna installation of CRH2 and CRH3， bogie vibration analysis and lab tests， the paper gives some installation experiences and helps for installing balise antennas of high-speed trains in the future.

CTCS3-300T； balise antenna installation； bogie； BSA

10.3969/j.issn.1673-4440.2016.02.005

2014-07-30）