陳 哲

(中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司上海動(dòng)車(chē)段 上海 201800)

動(dòng)車(chē)組在線路上高速運(yùn)行時(shí)，走行部連接件因高頻摩擦和振動(dòng)產(chǎn)生熱量，若存在雜質(zhì)或連接件內(nèi)部缺陷，則會(huì)使溫度劇烈升高導(dǎo)致引發(fā)熱軸、切軸等重大安全事故。為有效預(yù)防上述問(wèn)題，CRH3型動(dòng)車(chē)組配有軸溫實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，PT100軸溫傳感器作為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中直接探測(cè)走行部溫度的元件，實(shí)現(xiàn)其性能參數(shù)的可靠評(píng)估驗(yàn)證對(duì)于推進(jìn)該部件精準(zhǔn)維修，保障動(dòng)車(chē)組運(yùn)行安全意義重大。

1 PT100軸溫傳感器概述

1.1 軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

CRH3型動(dòng)車(chē)組軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要由軸溫監(jiān)測(cè)終端(Compact PT100/IO)和四線制軸溫傳感器(PT100)組成[1](見(jiàn)圖1)，其中PT100安裝于軸箱內(nèi)，用于反饋軸箱、牽引電機(jī)以及齒輪箱的瞬時(shí)溫度，Compact PT100/IO裝置主要負(fù)責(zé)接收來(lái)自本節(jié)車(chē)廂4根車(chē)軸共計(jì)16路溫度模擬信號(hào)，并通過(guò)MVB總線反饋至動(dòng)車(chē)組中央控制單元(CCU)，可見(jiàn)PT100軸溫傳感器特性是否良好，決定整個(gè)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能否可靠工作。

圖1 CRH3型車(chē)組軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖

圖2 軸溫傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

如圖2所示，PT100軸溫傳感器主要由鉑探針、銅殼體、屏蔽線纜以及8針HAR-TING適配器組成。鉑探針插入動(dòng)車(chē)組軸箱內(nèi)，用于探測(cè)軸端、齒輪箱內(nèi)的實(shí)時(shí)溫度，通過(guò)中間絕緣屏蔽線纜，經(jīng)由8針HARTING適配器將溫度模擬信號(hào)傳輸至Compact PT100/IO裝置[2]。

通過(guò)查閱相關(guān)行業(yè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[3]，PT100軸溫傳感器技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 PT100軸溫傳感器技術(shù)參數(shù)

1.2 故障規(guī)律調(diào)研

為使文中所設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)更契合動(dòng)車(chē)組檢修現(xiàn)場(chǎng)需求，調(diào)研中截取某動(dòng)車(chē)段2018年內(nèi)CRH3型動(dòng)車(chē)組運(yùn)維數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，該時(shí)間區(qū)段內(nèi)，CRH3型動(dòng)車(chē)組司機(jī)室人機(jī)交互設(shè)備HMI共計(jì)出現(xiàn)軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)閃報(bào)故障79次，故障原因及分布占比如表2所示。

表2 軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)閃報(bào)故障統(tǒng)計(jì)

由表2可知，PT100軸溫傳感器本體功能故障，是動(dòng)車(chē)組線上運(yùn)行閃報(bào)軸溫異常的主要原因[4]。為最大限度減少因傳感器自身故障而導(dǎo)致無(wú)法正常監(jiān)測(cè)走行部溫度、威脅行車(chē)安全的現(xiàn)象，CRH3型動(dòng)車(chē)組高級(jí)修規(guī)程明確要求，三級(jí)(或運(yùn)行120萬(wàn)km)及以上修程時(shí)，必須拆卸所有軸溫傳感器，進(jìn)行清洗和外觀檢查，測(cè)量鉑電阻阻值、絕緣阻值等性能參數(shù)，以確保其工作特性良好。下文主要圍繞如何提升PT100軸溫傳感器特性檢測(cè)效率和精度，豐富驗(yàn)證維度展開(kāi)論述。

2 檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 工藝現(xiàn)狀

如圖3所示，現(xiàn)國(guó)內(nèi)動(dòng)車(chē)組高級(jí)修基地，大多在動(dòng)車(chē)組進(jìn)入檢修線后，通過(guò)落車(chē)設(shè)備將轉(zhuǎn)向架與車(chē)體分離后，拆下所有軸溫傳感器，由特定作業(yè)班組進(jìn)行集中清洗和檢測(cè)。檢修人員在對(duì)軸溫傳感器進(jìn)行清洗后，首先必須使用通用萬(wàn)用表對(duì)鉑電阻和等電位進(jìn)行6次測(cè)量，再改用兆歐表對(duì)絕緣電阻進(jìn)行3次測(cè)量，將測(cè)量的9組數(shù)值填入紙質(zhì)表單，保證全程影像記錄，且只能逐根進(jìn)行測(cè)量。

圖3 現(xiàn)有軸溫傳感器檢測(cè)流程

2.2 檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)某供應(yīng)商提供的PT100軸溫傳感器出廠參數(shù)，結(jié)合上海局集團(tuán)公司長(zhǎng)期高級(jí)修檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)四線制PT100靜態(tài)測(cè)量合格標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表3 軸溫傳感器靜態(tài)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)

2.3 技術(shù)瓶頸

(1)檢測(cè)效率低

以16節(jié)編組CRH380BL型動(dòng)車(chē)組為例，全車(chē)共計(jì)128根PT100軸溫傳感器，在2.1節(jié)所述檢測(cè)工藝下，單根傳感器平均需要3名作業(yè)人員10 min的檢測(cè)時(shí)間，即一組車(chē)需持續(xù)測(cè)量21 h，相當(dāng)于近3個(gè)工作日。

(2)檢修成本高

目前CRH3型動(dòng)車(chē)組上所用PT100軸溫傳感器分為進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)2種，平均單價(jià)約為0.8萬(wàn)元。遵循高速動(dòng)車(chē)組計(jì)劃性預(yù)防維修原則，發(fā)現(xiàn)疑似故障件，而又缺乏深度診斷技術(shù)時(shí)，均采用換件維修的方式，以目前的檢測(cè)技術(shù)，平均一組CRH380BL型動(dòng)車(chē)組需要更換PT100軸溫傳感器3.6件，高級(jí)修單組車(chē)該項(xiàng)換件成本為2.88萬(wàn)元。

(3)檢測(cè)不全面

傳統(tǒng)的檢測(cè)工藝，建立于絕對(duì)靜止、溫度不變的理想狀態(tài)下，無(wú)法真實(shí)模擬動(dòng)車(chē)組線上運(yùn)行時(shí)，軸溫傳感器處于高頻振動(dòng)、溫度實(shí)時(shí)變化的復(fù)雜工況。

因此，所設(shè)計(jì)的新型檢測(cè)系統(tǒng)，除能夠采集PT100軸溫傳感器的鉑電阻阻值、絕緣阻值等常規(guī)參數(shù)外，還應(yīng)能真實(shí)模擬動(dòng)車(chē)組線上運(yùn)行走行部溫度實(shí)時(shí)變化的運(yùn)行工況，并能夠生成檢修數(shù)據(jù)和日志，共享作為動(dòng)車(chē)組健康評(píng)估和運(yùn)維決策數(shù)據(jù)支撐。

3 檢測(cè)系統(tǒng)總體方案

根據(jù)表3所列的靜態(tài)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合動(dòng)態(tài)模擬及無(wú)紙化作業(yè)功能，設(shè)計(jì)出新型PT-100軸溫傳感器檢測(cè)平臺(tái)，整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 軸溫傳感器檢測(cè)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)

為提升PT100軸溫傳感器檢測(cè)效率，設(shè)計(jì)采用了在檢測(cè)系統(tǒng)上同時(shí)布置4路傳感器檢測(cè)接口。上部檢測(cè)接口內(nèi)置水流控制箱及高頻振動(dòng)儀，用于進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試。下部檢測(cè)接口為批處理測(cè)量電路，用于同時(shí)測(cè)量4套PT100軸溫傳感器鉑電阻、等電位以及絕緣阻值。檢測(cè)臺(tái)面上裝有實(shí)時(shí)影像裝置，用于全程記錄檢測(cè)過(guò)程。通過(guò)上位機(jī)串聯(lián)檢測(cè)系統(tǒng)各軟硬件模塊，上位機(jī)為控制中樞，具備溫度模擬設(shè)定、實(shí)時(shí)影像存儲(chǔ)、測(cè)量啟停、數(shù)據(jù)共享、分析診斷等功能。通過(guò)批處理程序，一次測(cè)量即可檢測(cè)出4套PT100軸溫傳感器共計(jì)36組性能參數(shù)。上位機(jī)自動(dòng)保存測(cè)量數(shù)據(jù)并生成檢測(cè)日志，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口將數(shù)據(jù)納入動(dòng)車(chē)組健康管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，為精準(zhǔn)預(yù)防維修提供數(shù)據(jù)支持。檢測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)生成并打印作業(yè)表單，實(shí)現(xiàn)無(wú)紙化檢修作業(yè)[5]。

為滿足高級(jí)修基地軸溫傳感器檢修作業(yè)要求，結(jié)合行業(yè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，新型檢測(cè)系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)如表4所示。

表4 檢測(cè)系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

4 功能模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)前文所確定的檢測(cè)需求，設(shè)計(jì)的PT100軸溫傳感器檢測(cè)系統(tǒng)總體功能模塊及檢測(cè)邏輯流程如圖5所示。

圖5 主要功能模塊及檢測(cè)流程

如圖5所示，4根PT100軸溫傳感器通過(guò)適配器同時(shí)裝夾在檢測(cè)平臺(tái)上，分別由高壓繼電器、信號(hào)繼電器1和信號(hào)繼電器2來(lái)控制絕緣阻值測(cè)量、等電位阻值測(cè)量和鉑電阻阻值測(cè)量通道，所測(cè)阻值經(jīng)信號(hào)放大模塊傳輸至AD轉(zhuǎn)換模塊。阻值測(cè)量結(jié)束，上位機(jī)啟動(dòng)溫振模擬，檢測(cè)傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)參數(shù)，最終將測(cè)量數(shù)據(jù)導(dǎo)出作業(yè)表單，并同步歸入到共享數(shù)據(jù)庫(kù)。

由上述分析可知，檢測(cè)系統(tǒng)的主要功能模塊有：電源模塊、MCU模塊、電阻測(cè)量模塊、絕緣測(cè)量模塊、熱響應(yīng)模塊和上位機(jī)。

4.1 電源模塊

為保證測(cè)量精度和穩(wěn)定性，軸溫傳感器檢測(cè)儀采用外接充電、鋰電池升壓供電的方式，電源模塊包括蓄電池、鉑電阻測(cè)試電源管理、等電位測(cè)試電源管理、絕緣測(cè)試電源管理、AC/DC、DC/DC模塊等，如圖6所示。

圖6 檢測(cè)系統(tǒng)電源管理模塊原理圖

4.2 MCU模塊

MCU模塊主要用于進(jìn)行阻值批處理測(cè)試通道轉(zhuǎn)換的控制，設(shè)計(jì)中采用某公司型號(hào)為STM32-F373的單片機(jī)，該單片機(jī)有16位SDADC，性能可靠穩(wěn)定，適合進(jìn)行混合信號(hào)處理運(yùn)算。

4.3 靜態(tài)參數(shù)測(cè)量模塊

靜態(tài)參數(shù)測(cè)量，指PT100軸溫傳感器在常溫靜止環(huán)境下，其HARTING適配器1-4針、5-8針間的鉑探針阻值， 1-3針、2-4針、5-7針、6-8針間等電位阻值，以及探針-銅殼體、探針-屏蔽層、銅殼體-屏蔽層間的3組絕緣阻值，設(shè)計(jì)上將其分為電阻測(cè)量模塊和絕緣測(cè)量模塊兩部分，其測(cè)量原理如圖7所示。

圖7 靜態(tài)參數(shù)測(cè)量原理圖

(1)電阻測(cè)量模塊

根據(jù)測(cè)量需求，電阻測(cè)量模塊共計(jì)6個(gè)通道，包括2路鉑探針阻值測(cè)量通道、4路等電位測(cè)量通道，采用恒流源測(cè)量方法，將電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，經(jīng)運(yùn)算放大電路和跟隨器后，進(jìn)入STM32-F373的16位SDADC端口采樣，再由MCU計(jì)算出鉑探針的阻值[6]。

(2)絕緣測(cè)量模塊

絕緣測(cè)試模塊采用DC500 V標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量電壓，包括繼電器切換、校準(zhǔn)電阻、單片機(jī)SDADC采樣以及運(yùn)算。

4.4 熱響應(yīng)測(cè)試模塊

熱響應(yīng)溫度和時(shí)間是衡量動(dòng)車(chē)組用PT100軸溫傳感器的主要性能指標(biāo)之一，其定義為：在溫度T出現(xiàn)階躍變化時(shí)，PT100軸溫傳感器的輸出變化至相當(dāng)于該階躍變化的定量ΔT所需要的時(shí)間，用τΔT表示[7]。

此次設(shè)計(jì)中加入了溫度階躍測(cè)試功能，用于測(cè)量軸溫傳感器的熱響應(yīng)時(shí)間，具體方式為將PT100軸溫傳感器鉑電阻探針，插入檢測(cè)平臺(tái)左上方熱響應(yīng)測(cè)試接口，熱響應(yīng)箱內(nèi)為高于室溫10K緩慢流動(dòng)的溫水，同時(shí)提供振幅A=0.02 m頻率的動(dòng)車(chē)組構(gòu)架平均諧振[8]，測(cè)量軸溫傳感器反饋溫度的變化情況。隨機(jī)選用一批新出廠質(zhì)檢合格的軸溫傳感器進(jìn)行功能測(cè)試，截取其中響應(yīng)時(shí)間最長(zhǎng)的8組驗(yàn)證結(jié)果如圖8所示。

圖8 熱響應(yīng)測(cè)試功能驗(yàn)證

由圖8可知，所有8根PT100軸溫傳感器響應(yīng)時(shí)間τ0.9≤12 s，符合軌道車(chē)輛的特殊要求和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，所設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)模塊滿足高級(jí)修規(guī)程要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)用統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，文中設(shè)計(jì)的PT100軸溫傳感器檢測(cè)系統(tǒng)效率高，平均約為6 min/4根，整體較之傳統(tǒng)檢測(cè)工藝提升近5.5倍。同時(shí)，研究人員通過(guò)新設(shè)備對(duì)某檢修基地2018年7月至2019年6月診斷為報(bào)廢件的862根PT100軸溫傳感器進(jìn)行二次普查，發(fā)現(xiàn)其中117根仍為合格品并繼續(xù)裝車(chē)使用無(wú)異常，矯正報(bào)廢率為13.6%，提質(zhì)增效作用明顯。