楊梁崇

摘要：針對動車組的走行部螺栓松脫隱患，從防松脫預(yù)警角度出發(fā)，結(jié)合RFID（Radio Frequency Identification）技術(shù)，通過信息化、系統(tǒng)化等措施，達到動車組走行部關(guān)鍵部件螺栓防松脫預(yù)警的目的。經(jīng)過實車檢測試驗，運行效果良好，可以將本系統(tǒng)作為通用預(yù)警方案推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：走行部;射頻識別;螺栓;防松脫

中圖分類號：U279.3? ?文獻標(biāo)志碼：A

0 引言

動車組走行部的安全是動車組運行安全的重中之重，走行部的任何故障隱患都可能迅速發(fā)展為重大故障，進而引發(fā)重大事故，造成巨大人員傷亡及財產(chǎn)損失?，F(xiàn)行的和諧號動車組及復(fù)興號動車組轉(zhuǎn)向架普遍采用螺栓連接方式[1]，8輛標(biāo)準動車組車下包含螺栓上萬個，僅具有機械防松設(shè)計，無松動檢測手段[2]，單靠目視檢查其可靠度與精準性都很難控制。如何螺栓的緊固防松至關(guān)重要，安全責(zé)任重大，采用更加先進的“技防”手段來提升檢測效率，降低安全隱患迫在眉睫[3]。

1 存在問題

動車組走行部是保證鐵路車輛安全運行的核心部件，走行部關(guān)鍵部件的防松防脫是影響鐵路車輛能否安全運行的關(guān)鍵因素之一。對于影響鐵路車輛行車安全的關(guān)鍵部件，通用的方式是采用拉鉚聯(lián)接或采用定制防松片的方式固定關(guān)鍵螺栓，但由于動車組走行部關(guān)鍵部件需要定期拆卸維護，所以還是只有采用螺栓聯(lián)接的方式。

螺栓聯(lián)接是機械可拆卸聯(lián)接中普遍采用的方式，通過預(yù)緊力保證可靠自鎖，在靜載荷下通常是非?？煽浚趧虞d荷（震動、沖擊等）時可能造成螺栓聯(lián)接的松動，造成預(yù)緊力減小，使螺栓聯(lián)接可靠度下降，進而造成動車組走行部故障甚至行車事故。結(jié)合鐵路車輛實際運行工況，分析引起螺栓松脫的主要原因有：

1.1 聯(lián)接面變形產(chǎn)生松動

螺栓聯(lián)接時施加一定的預(yù)緊力使螺栓產(chǎn)生拉伸變形，螺栓頭及螺母支撐面接觸壓強很大，在聯(lián)接件的接觸面上會產(chǎn)生塑性環(huán)形壓陷，同時螺紋副由于表面粗糙度及形位誤差等影響也會產(chǎn)生局部塑性變形。

在使用的過程中，隨著塑性變形的繼續(xù)發(fā)生，在緊固長度內(nèi)螺栓拉伸力減小，即使螺母不發(fā)生回轉(zhuǎn)，預(yù)緊力也會下降，從而導(dǎo)致螺栓緊固性能下降，帶來螺栓松動、脫落的隱患。

1.2 復(fù)雜載荷作用下產(chǎn)生松動

軌道車輛長期在線路運行中，會受到不同程度的變載、沖擊、振動以及環(huán)境溫度變化的影響，當(dāng)有初始預(yù)緊力的螺紋聯(lián)接受到這些復(fù)雜載荷及溫度變化作用時，會破壞螺紋聯(lián)接的自鎖條件致使螺母松動回轉(zhuǎn)，逐漸使預(yù)緊力減小，甚至消失，導(dǎo)致螺紋聯(lián)接失效。

2 常用螺栓防松預(yù)警方案

螺栓防松預(yù)警就是通過在線或離線的方式，及時發(fā)現(xiàn)有松脫或已經(jīng)掉落的螺栓，并發(fā)出預(yù)警提示，提醒檢修人員及時跟進處理螺栓松脫故障。

2.1 基于防松標(biāo)記的人工目檢方案

人工目檢是當(dāng)前動車組走行部關(guān)鍵部件螺栓防松脫預(yù)警的重要預(yù)警方案，其具體實施方案是在關(guān)鍵部件螺栓表面標(biāo)記防松檢測線，在動車組回庫進行例行檢修時，檢修人員逐個核實防松檢測線是否出現(xiàn)位移，從而判定螺栓是否出現(xiàn)松脫的異常現(xiàn)場，防松檢測線如下圖1所示。

2.2 基于圖像處理的動車組走行部故障檢測

動車組運行故障動態(tài)圖像檢測系統(tǒng)（TEDS），實現(xiàn)動車組故障部件的自動定位與故障識別，對提升動車組車輛檢修工作的精確度、效率與安全性具有重要的實用價值。根據(jù)動車組走行部的結(jié)構(gòu)特征及故障特性，結(jié)合特征提取與目標(biāo)識別，實現(xiàn)了動車組走行部典型故障的部件定位與故障檢測算法，典型故障包括軸箱螺栓丟失、牽引拉桿裂紋與抗側(cè)滾扭桿變形等三類。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計

動車組走行部關(guān)鍵部件螺栓防松脫預(yù)警系統(tǒng)由傳感器層、采集層及應(yīng)用層組成。傳感器層采用RFID電子標(biāo)簽，存儲動車組走行部關(guān)鍵部件螺栓的身份信息和緊固信息，并可以通過無線電訊號識別，讀寫相關(guān)數(shù)據(jù);采集層通過讀寫設(shè)備采集RFID電子標(biāo)簽記錄的有關(guān)螺栓松脫的狀態(tài)信息，并將采集到的數(shù)據(jù)及時上傳應(yīng)用管理平臺;應(yīng)用管理系統(tǒng)通過解析存儲螺栓松脫檢測數(shù)據(jù)，預(yù)警監(jiān)測螺栓松脫狀態(tài)。對檢修作業(yè)進行管理，并通過數(shù)據(jù)分析來判斷動車組走行部螺栓緊固整體情況。系統(tǒng)整體框圖如下圖2所示：

系統(tǒng)分析后臺設(shè)置基礎(chǔ)信息管理模塊、作業(yè)管理模塊、設(shè)備管理模塊、統(tǒng)計分析模塊、系統(tǒng)管理模塊等，對動車組走行部關(guān)鍵部件，特別是轉(zhuǎn)向架連接部位的螺栓松脫狀態(tài)進行檢測預(yù)警，在動車組入庫時，達到自動監(jiān)測識別轉(zhuǎn)向架各關(guān)鍵連接部件螺栓狀態(tài)，對出現(xiàn)松脫的螺栓進行報警提醒，并整體分析動車組轉(zhuǎn)向架螺栓緊固性能狀態(tài)，為動車組高質(zhì)量出庫、安全運行提供更大的保障。

4 RFID標(biāo)簽防松預(yù)警檢測原理

4.1 RFID技術(shù)簡介

無線射頻識別（RFID，Radio Frequency Identification）技術(shù)，是一種通信技術(shù)，可通過無線電訊號識別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無需識別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機械或光學(xué)接觸。通過RFID讀寫設(shè)備輸出一定強度的無線電信號，激活RFID電子標(biāo)簽進入采集模式，UHF RFID電子標(biāo)簽返回的有關(guān)狀態(tài)信息。

本方案采用無源型RFID，其主要技術(shù)特點有：

●辨識器可同時辨識讀取多個RFID標(biāo)簽;

●RFID標(biāo)簽更可往小型化與多樣形態(tài)發(fā)展，以應(yīng)用于不同產(chǎn)品;

●RFID對水、油和化學(xué)藥品等物質(zhì)具有很強抵抗性，抗污染能力和耐久性強;

●RFID標(biāo)簽則可以重復(fù)地新增、修改、刪除RFID卷標(biāo)內(nèi)儲存的數(shù)據(jù);

●能夠進行穿透性通信，能實現(xiàn)穿透性和無屏障閱讀;

●數(shù)據(jù)的記憶容量大;

●數(shù)據(jù)內(nèi)容可經(jīng)由密碼保護，使其內(nèi)容不易被偽造及變造，安全性強。

4.2 防松檢測的原理

RFID防松動檢測通過在既有UHF RFID芯片內(nèi)部嵌入智能控制電路，對芯片外部獨有的防松動檢測線狀態(tài)進行檢測，使該芯片在使用過程中具防松動檢測功能，并可通過標(biāo)準的UHF RFID協(xié)議讀取緊固狀態(tài)，可用于本文所涉及螺栓防松動檢測。

同時，該產(chǎn)品可工作在極低的輸入功率信號，并提供較大的反射信號，使標(biāo)簽可以在極低的RF功率下進行高速讀寫操作。

5 RFID標(biāo)簽設(shè)計

本文設(shè)計了一種粘貼式防松動檢測結(jié)構(gòu)，如圖3所示。RFID標(biāo)簽和檢測線均緊密粘貼在現(xiàn)有螺栓外側(cè)，當(dāng)有螺栓松動時，檢測線隨即斷裂，而后可通過RFID的方式讀取檢測線是否完好達到判定螺栓是否松動的目的。

6 檢測試驗

2019年7月在蘭州西動車所組織了實車檢測試驗，試驗環(huán)境如下：

試驗線路：蘭新客運專線。線路途徑4大分區(qū)（部分區(qū)段最大風(fēng)速可達60m/s），另外還有高海拔、晝夜溫差大、風(fēng)沙大等特點;

試驗車型：選取CRH5G作為試驗車型;

試驗位置：選取01車底部主排障器固定螺栓為試驗檢測位置，安裝了6枚防松脫RFID預(yù)警標(biāo)簽，如圖4所示。

經(jīng)過近1個月的跟車測試，試驗里程共計55178km，從抗強風(fēng)、抗震動、抗擊打等全方面驗證了產(chǎn)品性能，測試數(shù)據(jù)如表1所示。從表信息可以看出：

（1）標(biāo)簽結(jié)構(gòu)強度可靠，無破損情況;

（2）標(biāo)簽及檢測帶粘貼牢固，無脫落情況;

（3）標(biāo)簽檢測螺栓狀態(tài)可靠;

（4）軟件讀取標(biāo)簽信息正確;

（5）標(biāo)簽檢測范圍符合要求，軟件可一次性讀取所有標(biāo)簽信息。

7 結(jié)語

通過在CRH5G型動車組的主排障器上加裝基于RFID技術(shù)的防松動檢測標(biāo)簽，經(jīng)過30天的檢測試驗，所有標(biāo)簽粘貼牢固，環(huán)境適應(yīng)性好，可在動車組運行環(huán)境下保持良好工作性能;標(biāo)簽檢測信息可靠，能準確檢測并傳遞檢測螺栓的緊固狀態(tài);標(biāo)簽檢測性能優(yōu)異，作業(yè)者正常通過檢修地溝，檢測裝置可一次性檢測到該位置所有標(biāo)簽狀態(tài)，能夠極大的減少作業(yè)者檢修強度。綜上所述，基于RFID技術(shù)的防松動檢測標(biāo)簽可以作為動車組走行部關(guān)鍵部件螺栓防松預(yù)警的檢測手段，有較好的推廣應(yīng)用前景，為動車組行車安全提供有力的技術(shù)支撐。

參考文獻：

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[2]成經(jīng)緯，王東星等.轉(zhuǎn)向架軸端端蓋螺栓的防松脫解決措施[J].鐵道運營技術(shù)，2018（3）：23-25.

[3]魏海霞，于孟等.螺栓防松技術(shù)在動車組轉(zhuǎn)向架上的應(yīng)用[J]，中國高新技術(shù)企業(yè)，2014（7）：111-113.