左文龙，李富平
（中车长春轨道客车股份有限公司，长春 130062）
随着高速动车组的快速发展，高速动车组已经成为人们所熟知的交通工具，在交通运输领域占据着越来越重要的地位。高速动车组的逐渐普及，更加凸显出提高车组安全性能、降低车组故障率的重要作用。文中结合动车组运营过程中出现的真实故障，分析高速动车组DNRA系统存在的问题并提出优化方案。
高速动车组轴端速度传感器按照如下工作原理进行列车速度信号采集。
1.1 轴承结构
WSCQDL02G轴端速度传感器主要依据磁敏元件进行轴转速测量。高速动车组轴上安装了永磁体（磁环），轴端速度传感器根据永磁体在传感器表面的移动，来检测轴的转速。高速动车组轴承结构如图1所示。
图1 高速动车组轴承照片
1.2 传感器测速原理
轴端速度传感器电缆包含2个磁敏元件，速度传感器在0～4 kHz范围内运行，磁敏元件的输出与周围的磁场关系如图2所示。
从图2中可以看出，当磁敏元件接触到S极时，输出为高电平；
当磁敏元件接触到N极时，输出为低电平。当轴上N、S极连续从传感器表面经过时，就会生成方波信号（低电平7 mA，高电平14 mA），轴承旋转1周，会输出80个方波信号。
图2 磁敏元件的输入输出特性
1.3 速度传感器主要技术参数
为深入研究速度传感器的基本结构，掌握速度传感的内部元器件性能，对传感器内部元器件的主要性能技术参数进行分析，具体见表1。
表1 速度传感器主要技术参数
动车组轴抱死故障对运营运输秩序产生较大影响。经统计90%的轴抱死故障在更换了轴端集成传感器后故障消除。此次选取24起轴抱死故障为样本，研究传感器故障的原因。
24起轴抱死故障样本具体分类如下：
（1）最初发生轴抱死故障的14条样本，全部返回传感器供应商处进行常规检测，被测传感器均达到标准要求，且输出波形与标准件比对正常。
（2）为探究轴抱死故障的真实原因，对后续发生轴抱死故障的10条样本进行分类试验，其中4条样本进行现车测试，6条样本进行常规测试及高温振动试验。
2.1 001A车现车测试
最初的4起轴抱死故障均发生在华中地区，故障传感器在地面试验台测试时输出波形均正常。为查找动车组在运行途中出现轴抱死的真实故障原因，先后2次在华中地区001A车组上，通过现车检测进行研究。
为避免一次性安装太多故障传感器对动车组的正常运营造成影响，故将最初的4条故障传感器分成2批，分别进行现车测试。
2.1.1 第一批测试
按照测试方案，将故障传感器分别安装在001A车组2轴的3位轴头和4位轴头。安装故障传感器后，001A车组在线运行时再次出现轴抱死故障。通过对采集到数据的分析，安装在4位轴头的传感器在动车组运行时存在输出波形失真的现象。
用传感器测试设备分别采集3位轴头和4位轴头速度传感器的输出波形，如图3～图5所示。
图3 第一批3位轴头速度传感器的输出波形
图5 第一批4位轴头速度传感器输出异常段的波形
2.1.2 第二批测试
用另外2条故障传感器继续进行第二批波形测试，传感器测试设备分别采集3位轴头和4位轴头速度传感器的输出波形，通过波形分析，3位轴头和4位轴头的速度传感器存在波形输出失真的现象，具体输出波形如图6、图7所示。
图6 第二批3位轴头速度传感器的输出波形图
图7 第二批4位轴头速度传感器的输出波形图
根据2批传感器在工作时的输出波形分析，除1条输出波形正常以外，其余3条传感器输出的波形均存在异常情况，初步分析轴抱死发生的故障原因为速度传感器输出异常波形。
2.2 地面模拟测试
图4 第一批4位轴头速度传感器的输出波形图
由于前期发生故障后更换的传感器在地面进行阻值测试、绝缘测试、耐压测试和输出波形测试均未发现异常。为进一步分析速度传感器是否真实存在故障，模拟列车运行工况的高温振动试验进行深入分析测量。
2.2.1 常规测试
在进行高温振动试验前，对所有测试的传感器进行了常规检查，包括外观检查、绝缘测试（DC 500 V，500 MΩ）、耐压测试（AC 800 V，60 s）、输出波形测试，被测传感器均达到了标准要求，且输出波形与标准件比对正常。如图8所示。
图8 传感器性能测试
2.2.2 高温振动试验
高温工况最高达到80℃，振动工况按照IEC 61373标准中的3类A级（车轴安装）进行测试。此次测试的样件共计6条，其中第4条为未发生故障的传感器。
在高温振动试验中，所有传感器的输出波形均受到影响，具体如下：
（1）测试件1
测试件1为更换的故障传感器，在持续的高温、振动的环境中，出现了输出频率发生跳变的现象，如图9、图10所示。
图9 测试件1通道2频率变低
图10 测试件通道2频率变高
（2）测试件2和测试件3
测试件2和测试件3同样为动车组更换的故障传感器，在持续的高温、振动的环境中，当温度达到66℃左右时，通道1出现输出信号保持在高电平不变的现象，具体如图11所示。
图11 测试件2和3通道1输出波形
（3）测试件4
测试件4为未发生故障的传感器，在测试过程中输出波形未出现异常。
（4）测试件6和测试件7
测试件6和测试件7为在东北地区发生轴抱死故障中的疑似故障传感器。在测试过程中，也出现了与测试件1相同的现象，即输出波形的频率增大或变小。
3.1 环境温度分析
通过动车组远程传输系统对在线运行动车组的轴箱温度进行监控和分析发现，部分车辆传感器工作的环境温度达到78～80℃，持续时间可达2.5 h，甚至达3 h。
结合试验室模拟高温、振动工况下传感器输出波形异常的测试结果推断，传感器工作状态异常造成动车组误报轴抱死故障与高温存在一定的关联性，因此，华中地区动车组发生误报轴抱死故障的频率明显高的原因跟传感器长期在高温振动的环境中使用有关。
3.2 试验数据分析
（1）现车测试结果分析
根据在001A车上现车测试的2批共4条传感器的数据分析，动车组在运行中只有1条传感器输出波形正常，其余3条传感器输出的波形均存在异常情况，且动车组均出现误报轴抱死的现象。因此，速度传感器的异常波形输出造成列车误报轴抱死故障。
（2）地面模拟测试结果分析
为找到传感器输出异常的原因，在地面试验中，分别在普通工况和模拟实际运行的工况下对传感器进行测试，测试结果表明，在普通工况下，传感器波形输出正常，但在高温（66℃）和振动（IEC 61373中3类A级）工况下，传感器的输出波形发生了异常。
（3）传感器故障原因分析
速度传感器的主要测速芯片工作的环境温度为-40～+85℃之间，但根据实际运行情况，部分传感器实际长期处于高温工况中，最高温度可以达到80℃，长时间的高温、振动工况会造成传感器工作不稳定，降低现有测速芯片的寿命，传感器输出信号的频率和幅值发生变化，导致传感器采集的速度与轴实际的速度产生偏差，偏差达到轴抱死检测阈值时，动车组发生误报轴抱死故障。
3.3 轴抱死检测逻辑分析[1]
速度传感器将每个轴端轴头的速度信号发送给BCU，BCU的DNRA模块对速度信号进行整合分析，计算出2种结果：“速度信号断路”、“输出状态信号异常”。
BCU与MPU之 间 进 行 通讯［2］，并将DNRA计算的结果传输，最后MPU根据传输的结果进行判断并输出相关的执行指令，MPU的检测逻辑如图12所示。
图12 现有诊断逻辑示意图
由上图可知，误报轴抱死故障的原因主要有以下方面：
（1）BCU无通讯故障，但采集轴端速度的MB04B板卡通道故障无法采集正确的轴旋转速度时，会报出轴抱死故障。
（2）当同轴的2个轴端轴头任一速度传感器出现“速度信号断路”、“输出状态信号异常”情况时会报出轴抱死故障。
（3）当BCU与MPU之间的通讯出现异常，导致MPU错误接收到BCU检测的轴抱死信号时会报出轴抱死故障。
通过分析该判断逻辑，由于动车组原始的故障导向安全设计理念，同轴的一个轴端传感器故障时就会报出轴抱死诊断信息，另一轴端传感器的冗余采集并没有得到有效的利用，造成轴抱死故障率较高，因此通过采集和对比同轴2个轴端传感器的状态值判断轴的旋转状态可有效降低轴抱死故障发生的频率。
3.4 传感器技术条件分析
根据动车组装用的传感器技术条件要求，速度传感器的主要测速芯片工作的环境温度为-40～+85℃之间，而实际部分车组的运行环境温度较高，动车组在长期高温、振动工况下运行时，传感器的使用寿命缩短，传感器输出信号的幅值和频率发生变化，导致传感器采集的速度与轴实际的速度产生偏差。因此通过提高传感器的耐高温性能和抗干扰能力，能够有效地保证传感器的速度值输出稳定和可靠。
4.1 优化MPU检测逻辑
由于和谐号动车组每根轴的两端轴头均安装了1个速度传感器，可充分利用传感器的冗余性，减少轴抱死误报的发生。故可将原诊断逻辑进行优化，具体如下：
（1）至少1个主BCU与网络通讯正常，当同一轴两端轴头的2个速度传感器都检测到轴抱死时，立即在司机室显示屏报出轴抱死故障，优化后的轴抱死检测逻辑①如图13所示。
图13 优化后的轴抱死检测逻辑①
（2）当主BCU报出同一轴两端轴头的1个速度传感器故障，另1个速度传感器正常，正常传感器检测到轴抱死且持续时间超过5 s时，在司机室显示屏报出轴抱死故障，优化后的轴抱死检测逻辑②如图14所示。
图14 优化后的轴抱死检测逻辑②
（3）1路BCU报MB04B板卡 故 障、BCU通 讯故障，另1路BCU正常且报出轴抱死故障时，在司机室显示屏报出轴抱死故障，优化后的轴抱死检测逻辑③如图15所示。
图15 优化后的轴抱死检测逻辑③
4.2 优化BCU/WSP检测逻辑
通过BCU软件的方案优化，可有效提升传感器的检测稳定性，具体如下：
（1）车速度在10 km/h以下不进行轴报死诊断。
（2）速度上升过程中，速度10～40 km/h范围内，在UIC 541-05标准10 s诊断时间的基础上增加30 s，见表2。
表2 BCU轴抱死诊断
4.3 优化速度传感器性能
通过提升速度传感器的耐高温等标准，可有效保证传感器的使用寿命要求和波形输出的稳定性。具体如下：
（1）选用新型的速度传感器测速芯片，提高传感器的工作温度，使其允许的工作环境温度达到-40～+125℃；
（2）增加传感器的高温、振动试验，筛选出工作状态不稳定的传感器。
通过分析速度传感器检测原理，结合现车测试及地面模拟测试的方法可知，传感器故障频发与其长期在高温振动环境中使用有关。优化方案如下：
（1）通过优化MPU和BCU/WSP检测逻辑，充分利用传感器的冗余设计性能，有效降低误报轴抱死故障的频率。
（2）通过选用新型速度传感器芯片提升其温度适用范围，增加高温振动试验提升传感器可靠性。
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