贾云光

（1.北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；2.北京市高速铁路轨道交通运行控制系统工程技术研究中心，北京 100073）



CTCS3-300T列控车载应答器天线安装问题的研究与探讨

贾云光1，2

（1.北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；2.北京市高速铁路轨道交通运行控制系统工程技术研究中心，北京 100073）

重点分析应答器天线安装导致的BSA问题，通过对CRH2型车及CRH3型车安装对比分析，转向架振动分析以及实验测试，从而为高速列车在应答器天线安装方面提供经验和帮助。

CTCS3-300T；应答器天线安装；转向架；BSA

CTCS3-300T应答器天线主要用于激活和接收地面应答器信息，针对不同的列车类型安装位置不同。本文通过对比安装于车体和转向架两种方式对应答器传输系统的可靠性影响进行研究，提出应答器天线安装的改进方向，并对已经完成的应答器天线的安装提出一些建议。

1　背景介绍

CTCS3-300T应答器传输系统由3部分组成：BTM、D电缆和应答器天线（CAU）。应答器天线主要是用于发射和接收来自地面应答器信号，属于应答器传输系统的一部分［1］，如图1所示。应答器天线将从应答器接收的信号通过多芯同轴电缆（D电缆）转发给应答器传输模块（BTM）。

当前，CTCS3-300T列控车载设备出现的故障中，BSA（Balise Service Available应答器服务可用性，BSA是表示应答器传输通道是否可用的标志）临时性故障占了较大比重。

1.1BSA 原理介绍

在列车运行过程中，BTM通过运行测试检查应答器传输通道是否可用，当运行测试连续失败达到一定次数时，判断为应答器传输通道不可用即临时性BSA故障。

BTM通过D电缆向CAU发起运行测试请求（FH或FL），CAU通过D电缆返回3.95 MHz和4.52 MHz左右短时脉冲，以此判断通道的可用性，如图2所示，表示列车运行过程中BTM所进行了的FH及FL测试，其中：

当FL或FH连续4次计数失败时，报运行测试失败，当仅失败1次而下次测试通过时，则重新开始计数；

在运行过程中，27 MHz功率总是开启，并一直在进行运行测试，当遇到应答器时，运行测试停止。

由此可知，临时BSA故障的可能原因：1）物理通道的不可用；2）电磁兼容性问题导致。关于电磁兼容问题导致BSA故障问题本文不进行讨论，只针对物理安装上导致可能性进行探讨和研究。

1.2BSA故障问题介绍

通过对比一段时间内CRH2系列车型及CRH3系车型的BSA故障统计数据发现，CRH3系列车型的故障率远高于CRH2系列车型。表1是统计的2014年1-6月份，BTM故障情况的统计，其中BSA故障情况如下。

表1　CRH2型车与CRH3型车BSA故障对比

因两种车型使用的设备均相同，为了找到原因，对两种设备的安装方式进行对比。

1.3安装情况调查及应答器天线安装要求

CTCS3-300T列控车载设备CAU天线的安装主要有两种情况：1）安装在列车的转向架上，主要是CRH3系列车型；2）安装在列车的车体上，主要是CRH2系列车型。

CTCS3-300T列车车载设备的安装规范针对CAU天线的安装要求，主要针对安装高度、横向偏移、偏航角、俯仰角、倾斜角等方面，对于具体车型安装详细细节并未提出要求。而从满足规范的角度看，安装在列车车体的横向偏移量要大于转向架的横向偏移，因此，从安装高度和横向偏移的角度来考虑应答器天线安装，无疑转向架是最好的安装方式，但实际运营中带来的效果正好相反。

2　CRH3型车与CRH2型车CAU天线安装方式对比

为了更好的研究两种安装方式的差别，需要将两种安装做详细的对比分析。

2.1安装位置的对比分析

CRH3型车安装位置位于转向架构架上，转向架属于列车的走行部结构，安装在列车轮对上，列车车体安装在转向架上，从而能够实现列车转向及在弯道上运行，同时通过列车上的悬挂装置和减震设备，降低来自因列车轮轨刚性接触带来摩擦振动及其他振动。CRH2型车安装于车体上。安装对比如图3所示。

通过对转向架的了解，可以得出安装车体上将有利于减少轮轨振动带来的影响。而安装在转向架的CAU天线将受到更严重的冲击振动，关于冲击振动对BSA故障影响将在下节分析。

2.2安装防护

1）CRH3车的CAU天线防护

CRH3型车的CAU天线周围采用塑料材料对CAU天线四周进行防护。该种安装的缺点是，防护不够严密，天线电缆容易遭到风压振动冲击以及雨雪进入。

2） CRH2型车的天线防护

防护较好，四周完全防护，微凹陷于车体内，风雪都不容易进入，电缆也不会因风压变动而遭受冲击。

目前一般应答器天线的防水防尘等级为IP67，关于IP等级的测试一般是在静态进行的。而对列车在250 km/h以上铁路运行时，该IP等级是否满足运行要求，目前国际上还没有很好的经验。从国内运行的经验来看，安装在转向架上无疑对IP等级提出了更高的要求。

2.3转向架安装带来的电缆安装问题

如图4所示，在CRH3型车中，天线安装于转向架上，这给天线电缆的安装带来问题。由于转向架与车体之间是相对移动的，因此，CAU天线电缆会随着转向架与车体之间的相对位移而导致电缆的不断弯曲。通过在车辆厂内弯道试验可以发现，列车在转弯时，预留电缆会被拉伸，而在反向转弯时，电缆则弯曲。

如图5所示，当转向架转向时，D电缆将进行一次拉伸。

3　应答器天线安装于转向架上的振动问题分析

3.1转向架振动情况的介绍及分析

随着列车的提速，国内列车正常运营速度已经达到310 km/h，而速度的提高，则会增加外界的激扰频率。如公式（1）所示：

车轮转动频率f=（V/3.6）/（∏D）（D为轮轴直径） （1）

根据参考文献［4］中对轮轨引起的振动进行分析研究，可知轮轴振动中，轮对旋转频率经过轴箱悬挂以后不仅未得到抑制和衰减，反而在构架系统的振动能量中得到加强，这表明高速时构架振动频率受轮对转动频率影响明显。其振动频率一般在0～50 Hz范围内较为集中，而车体主要在0～2 Hz范围内的低频振动为主。而从CAU天线在CRH3型车的安装位置来看正好位于转向架构架部分，其振动能量反而更强。

3.2转向架振动导致BSA故障的分析

图6是D电缆与CAU天线的插头连接器。

当两个插头连接好，遇到高频振动时会发生什么，某个针脚会不会发生短时断开连接？实际上由于机械连接在制造中根据图纸总是存在适当公差以保证安装时适度的过盈配合。但正是这种公差范围带来的不一致性会导致插头连接处以及插针连接处存在或大或小的间隙，这种间隙极有可能在高频振动下带来瞬间的接触缺陷，从而导致连接器连接的瞬间失效引起BSA故障。

在1.1节BSA原理中提到，运行测试中BSA执行一次的周期为25 ms左右，而构架在0～50 Hz范围内能量比较集中，那么40 Hz振动频率的周期正好25 ms。一旦发生连续性40 Hz的振动可能导致运行测试连续若干次失败。

4　实验室冲击振动模拟测试

为了验证列车振动对CAU天线造成的影响，在室内进行了振动试验。测试过程选用了两根D电缆，其中一根电缆的A线（最粗的线）与CAU接触不良，用手晃动电缆时，接触时好时坏。

CAU与D电缆连接测试过程如下。

1） 将D电缆CAU端安装好，BTM端剪断，A-B线间和E-F线间分别施加12 V直流电源；

2） 将CAU内部连接器附近的4根导线剪断并引出，如图7所示。

3） 对应A-B的线间和对应E-F的线间分别焊接200 Ω电阻，并用示波器探头夹住电阻两端，设置下降沿触发，触发电平为6 V；

按垂向长寿命试验转向架处振动参数进行振动试验，持续时间5 min，观察电压波形。

测试结果：

a.两根电缆的E-F线在振动过程中波形未出现明显变化，说明接触情况良好。

b.问题电缆的A-B线在振动过程中电压波形出现跳变，接触时好时坏。另一根电缆A-B线波形未出现变化，接触良好。

通过此次实验室测试得出如下结论：

1） CAU与D电缆的连接在长期的振动过程中存在接触不可靠的现象。

2） A线作为D电缆中最粗的一根线，在长期的振动拉扯过程中承受主要的力，导致触点部分活动量比其他触点活动量大，最先出现触点松动及接触不良的现象。另外，A口触点颜色发黑也一定程度上验证了触点松动的现象。触点与针脚从分离到接触的瞬间，很可能出现瞬间放电现象，从而导致触点变黑。

3） A线作为TX，单端信号，断线会导致27 MHz发送能量暂断。如果暂断时间很短（如us级）对PS和TX板上的监督估计不会有影响，如果暂断时间长，监督会报错。

5　改进方向及建议措施

通过前述探讨和分析， CAU天线安装对于BTM临时BSA故障确实存在较大影响，因此，好的安装方式可以在一定程度上大幅减少该类故障的发生。为此，笔者结合多年的总结和研究对CAU安装提出一些改进和建议。

5.1CAU天线优选安装位置建议

D电缆与CAU天线之间的连接不可避免，因此只要CAU天线安装在转向架上就不可避免存在振动导致相关自检故障。再加上轮轨系统的振动是首先作用于转向架，这方面的改进有限。

因此，避开转向架安装是最好的CAU天线安装方式。建议在应答器的安装过程中尽量采用安装于车体这种安装方式。

5.2转向架安装方式的改进方向及建议措施

对于已经安装在转向架上的设备，只能寻求改进或者更优化减缓这方面的影响。

1） 电缆固定

通过固定在CAU端D电缆附近进行D电缆的固定，减少因电缆摆动以及空气风压振动导致接触不良。

2） 插头防护

对D电缆与CAU天线连接处的连接器进行防护，以减少插头之间的振动。

3） D电缆分段安装解决建议

借鉴速度传感器在转向架轴端的安装方式，提出一种解决转向架安装天线的方法，具体方法如下：将D电缆分成两段，连接CAU端的一段D电缆与CAU天线做成一体，取消连接器，另一端则安装于车体。

6　结束语

通过对CAU天线的安装与研究，目前对于新车型的安装已采用车体的安装方式，通过统计发现效果良好。

对转向架的安装方式，目前部分措施已经在所有CTCS3-300T的安装车辆上进行了实施，BSA临时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］中华人民共和国铁道部.GB/T 25119-2010 轨道交通 机车车辆电子装置［S］.北京：中国标准出版社，2011.

［3］中华人民共和国铁道部.GB/T 21563-2008 轨道交通 机车车辆设备 冲击和振动试验［S］.北京：中国标准出版社，2008.

［4］任尊松，刘志明.高速动车组振动传递及频率［J］.机械工程学报，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）