傅佩喜 上海铁路局科研所

该项目期望达到的目标：（1）随车机械师、司机等有关人员实时掌握动车组的运行性能情况。（2）为动车组的计划修和状态修，确保动车组始终具有良好的运行性能，提供重要的数据依据。（3）通过下载有关车载检测设备数据，跟踪分析动车组运行性能变化趋势，做到有效预防事故发生。

1 动车组动力学性能的评价方法

1.1 常用车辆动力学评价指标

动车组动力学性能的研究内容主要有运行平稳性及旅客乘坐舒适度、运行稳定性及安全性和曲线（包括进出道岔）通过性能（如图1所示）。

图1 动车组动力学性能的研究内容展开图

本课题通过对车辆动力学性能有关指标的跟踪检测，着重进行计算分析研究动车组运行稳定性及安全性和运行平稳性方面的性能变化情况，作为课题研究重点。

1.2 运行稳定性（安全性）评价指标

欧洲UIC 518判断高速动车组失稳标准：对构架横向加速度进行实时连续监测和采样，进行（3~9）Hz带通滤波，若加速度峰值有连续10次以上达到或超过极限值8 m/s2时，则判定转向架横向失稳。

我国判断高速动车组失稳标准：转向架的横向失稳采用构架上的横向加速度进行评判，条件为滤波（0.5～10）Hz下连续出现6次以上的横向加速度值不超过（8～10）m/s2（与转向架的设计相适应）。

1.3 运行平稳性评价指标

车辆运行平稳性的评定指标，在国外有几种。我国采用的同欧洲各国采用的相同 ，即斯柏林（Sperling）平稳性指标。平稳性指标用W表示。

其中a为振动加速度，f为振动频率（Hz），F(f)为频率修正系数。函数F（f）可按下列规定计算：

（1）在垂直方向

当 0.5〈f〈5.9 次/秒时，F（f）=0.325f2

当 5.9〈f〈20 次/秒时，F（f）=400/f2

当 f〉20 次/秒时，F（f）=1

（2）在横向

当 0.5〈f〈5.4 次/秒时，F（f）=0.8f2

当 5.4〈f〈26 次/秒时，F（f）=650/f2

当 f〉26 次/秒时，F（f）=1

以上的平稳性指数只适用一种频率一个振幅的单一振动，但实际上车辆在线路上运行时的振动是随机的，即振动频率都是随时间变化的。因此，在计算车辆平稳性指标时，把实测的车辆振动加速度记录并按频率分解，进行频谱分析，求出每段频率范围的振动幅值，然后对每一频段计算各自的平稳性指数Wi，然后再求出全部频段总的平稳性指数Wtot。

通过研究现行国内外铁道车辆动力学评价标准、指标和计算方法，尤其是《高速动车组整车试验规范》中的相关规定，我们可以知道，轮对、构架、车体的振动加速度是评价动车组蛇行（横向）稳定性、运行品质的重要依据。其中，蛇行稳定、运行品质是直接根据所测加速度情况来评判的。为此，只要在轮对、构架和车体的合适位置上分别安装加速度传感器，就能够实时跟踪监测动车组动力学性能。

2 分析现役动车组动力学性能监测情况

目前，我国范围内正在投入运行的动车组有CRH1、CRH2、CRH3和CRH5等类型动车组 ，详见《全路动车组配属情况》（如图2所示）。

图2 全路动车组配属情况表

CRH1型动车组又可细分为CRH1A、CRH1B和CRH1E型动车组，目前在它们上面没有安装有关判断动力学性能的振动传感器。

CRH2型动车组又可细分为 CRH2A、CRH2B、CRH2C、CRH2E和 CRH380A、CRH380AL型动车组，其中在CRH2A、CRH2B、CRH2C、CRH2E型动车组上没有安装有关判断动力学性能的振动传感器，而在CRH380A、CRH380AL型动车组，已经安装了有关判断动力学性能的振动传感器。

CRH3型动车组又可细分为 CRH3C、CRH380B、CRH380BG、CRH380BL、CRH380CL型动车组,在这些动车组转向架的构架上已经安装了振动加速度传感器。另外在CRH5A、CRH5G和CRH380D型动车组上也安装了振动加速度传感器。

安装了振动加速度传感器动车组，可以通过采集和分析加速度数据，以判断动车组的运行稳定性和平稳性。在动车组上没有安装有关加速度传感器，只能靠机械师的感知来人为判断动车组的振动情况，无法科学分析动车组运行性能的变化情况。

随着动车组运营里程和运营时间的不断增加，动车组零部件的性能会有不同程度的降低，严重时甚至会使得零部件失效，如果不及时进行跟踪检测及检修，会引发安全事件。由于目前有的动车组没有安装振动传感器等智能化跟踪检测装置，即使有的动车组安装了振动传感器，但是，由于没有很好跟踪分析利用这些数据，以致只有在发生运行事件后，才去查问有关数据，没有很好的起到预防事件发生的作用。因此，十分必要在动车组上全面科学系统安装振动加速度传感器，有效充分采集到反映动车组动力学性能的有关数据，成为保证动车组安全运行的科学依据。

3 动车组动力学性能监测技术方案

动车组动力学性能监测系统由信号采集传感器、信号传输线路和信号分析仪等部分组成。

信号采集主要有动车组运行速度、振动加速度和GPS位置信号等技术参数。

根据稳定性和平稳性指标评价方法，在轴箱上安装加速度传感器，可以判断轮对轴承轴箱装置的动力学性能。在构架上安装加速度传感器，可以判断转向架一系的动力学性能。在车体枕梁上布置加速度传感器，可以判断转向架二系以及车体的动力学性能。

为了全面监测动车组动力学性能，根据动车组的构造原理，可以分别在每个轴箱、构架侧梁和车体枕梁上布置加速度传感器。

该项目的实施，存在以下技术难题：

（1）动车组配电柜内空间有限，要求检测设备外形尺寸要小，结构要紧凑。

（2）在转向架上安装传感器，安装比较困难，有很高的安全要求。

（3）为保证较高的数据传输速度和较好的同步性，从传感器到数据采集模块使用低噪音同轴电缆连接，电缆从转向架到车体上部电器柜内的走线比较困难。

（4）动车组运行性能的评价需要列车速度信号和线路状况数据，但动车组相对封闭的配电柜对GPS信号的衰减很大，且GPS定位测速方法对250 km/h以上的速度等级实施难度较大，因此，需要深入研究GPS测速模块的设计、GPS天线的安装等问题。

（5）对所检测的数据，要区分是线路等外部因素还是动车组自身因素，对于计算方法设计有较大难度。

（6）车种车型多，不同种类的动车组运行性能变化规律有所不同，逐个开展分析研究，工作量相当大。

4 系统软硬件架构

动车组运行动力学性能检测设备包括三部分：振动传感器、数据采集处理系统、终端设备，如图3所示。数据采集处理系统是整个检测系统的核心，采用嵌入式设计，内部包含高性能处理器、数据采集模块、电源转换模块、GPS模块、路由模块、存储模块等。振动传感器至数据采集卡采用低噪音同轴电缆连接；路由模块具有WiFi功能，一方面WiFi作为现场调试时使用，另一方面WiFi可将数据采集任务配置传送至终端设备，并接收车体、转向架振动数据分析结果。嵌入式处理器一直处于待机状态，系统收到上位机软件触发命令后，开始数据采集、处理和分析工作，同时将振动信号及其分析数据存储在存储模块中。

图3 动车组动力学性能检测评价系统框图

检测设备技术指标：

采集通道：4通道（可扩展）、24位同步高精度AD转换；

采样速率：最高可达52 kS/s；

灵敏度：构架100 mV/g；车体1000 mV/g；

系统接口：WiFi/4G路由；

传输速率：最高可达150 Mbps；

传输范围：最大可达300 m；

触发方式：上位机软件触发；

系统电源：9～30 V；

工作电流：2～5 mA；

内部储存：缓存1 MB，内存1 GB，非易失性存储4 GB；

外部存储：可移动SDHC卡；

工作环境：温度-40℃～70℃，湿度10～95%；

冲击振动：轴箱200 g;构架50 g；车体5 g；

防护等级：IP40。

4.1 硬件平台

动车组运行性能检测评价系统基于高可靠工业级平台NI CompactRIO（简称c-RIO）进行设计，如图4所示，主要提供车体、转向架振动及GPS信息的采集、记录、分析等。设备具有如下技术特点：

（1）设备设计制造符合ISO国际仪器设备标准，满足车载设备使用要求。

（2）系统内嵌高性能PowerPC处理器和VxWorks实时系统。

（3）系统内嵌资源丰富的FPGA硬件逻辑芯片。

（4）系统内置调理、隔离、电源等模块，支持AC/DC供电，具备较强的抗电磁干扰能力。

（5）设备具有系统时钟，设备采集和记录数据时可调用该时钟。

（6）系统满足环境要求的非易失性存储，断电不丢数据。

（7）记录介质可方便拆卸，方便在计算机上读取数据、回放数据。

（8）系统支持联机、脱机工作方式，可多台设备级联组成分布式测试系统，可扩展全面检测动车组运行振动情况。

（9）平均故障间隔时间（MTBF）≥ 6 000 h。

（10）使用WINDOWS XP/NT操作系统，提供人机对话界面。

图4 c-RIO系统工作原理图

动车组动力学性能数据采集模块结构组成如图5所示，选择4个模拟输入通道；ADC分辨率为24位；ADC类型为带模拟预滤波；采用同步采样模式。

4.2 软件架构

4.2.1 嵌入式采集软件

利用 LabVIEW、LabVIEW Real-Time Module、LabVIEW FPGA Module，定义标准化的软件框架、调用模块化的VI库，对采集任务模块化与规范化，兼顾效率优化和功能拓展等需求，快速建立定制化的数据采集记录系统，缩短开发周期，节约开发成本。同时，软件的高标准化和模块化便于系统的拓展，如硬件的更新、测点的增加和修改等（见图6）。

图6 嵌入式数据采集软件结构

4.2.2 PC人机界面

上位机通过TCP/IP向采集终端发送控制指令，接收采集的车体、转向架振动数据，并实现以下功能：

（1）配置动车组振动采集任务。

（2）设定数据存储模式，控制采集开始或停止，显示采集进度。

（3）显示采集终端所有通道信号的瞬时值、最大值、最小值、平均值及RMS值等统计数据。

（4）对应显示动车组位置、速度及时间数据。

（5）显示车体、转向架振动信号频谱分析及相关性分析结果。

（6）对采集的数据进行数据合同，将二进制文件转换并合并为txt文件，供数据备份。

5 系统应用方法及预期效果

跟踪检测的方法：GPS定位，选择某直线区段，线路技术状态比较稳定区段，动车组基本以250 km/h以上速度运行，由于道床刚度稳定，钢轨型面稳定，可以忽略线路技术状态变化问题。随着动车组的运行，在使用寿命不同阶段，振动性能数据变化情况。动车组运行性能是在静态很难判断好坏的，只有在动态情况根据检测到的有关数据才能做出准确判断。

微型监测设备由二维加速度传感器、信号采集接口、计算单元、信号储存单元、电源和信号读出接口等组成。具有定时打开微型监测设备进行工作，采集时间设定功能，或GPS功能，具有动车组运行速度记录功能。微型监测设备安装在车体的设备室里。通过有关技术设计，一旦动车组通过某一设定的地点，微型监测设备就会自动开始采集和计算分析有关反映动车组运行性能的技术数据，经过某一设定的时间后也会自动停止采集。一旦某个技术参数超过设定的门槛值，微型监测设备就会发送信息到指定的用户手机端。工程技术人员可以定期下载微型监测设备的检测记录数据，进行计算分析动车组运行性能的变化情况，为及时维护检修动车组提供重要技术依据。如何真正做到全过程动车组运行安全实时控制。目前，可先通过研制动车组运行状态监测辨识仪来测量构架、车体的振动加速度，据此来评价动车组的蛇行稳定和运行品质。在积累大量数据检测分析计算的情况下，我们可以根据大量所测振动加速度数据，总结其变化规律，推断动车组可能发生故障的部位及形式。

主要功能及作用：一是可以实现动车组转向架、车体振动加速度的频谱分析；实现动车组振动加速度最大值、平均值、功率谱、预测值等分析；实现动车组平稳性指标和安全性指标计算；实现动车组转向架、车体振动加速度相关性分析；实现动车组失稳特征分析；初步实现动车组车体、转向架故障辨识与诊断。二是可以作为机械师日常工作的一种检查手段，以判断动车组当前的运行技术性能，也可以作为跟踪检测分析动车组运行技术性能变化情况的智能记录分析判断仪器；可以分析比较动车组在三、四、五级修前后运行技术性能变化情况检测仪器；可以作为领导添乘检查监测的基本装备和必要手段；可以作为对动车组安排修程计划制定的依据。