杨梁崇

摘要：针对动车组的走行部螺栓松脱隐患，从防松脱预警角度出发，结合RFID（Radio Frequency Identification）技术，通过信息化、系统化等措施，达到动车组走行部关键部件螺栓防松脱预警的目的。经过实车检测试验，运行效果良好，可以将本系统作为通用预警方案推广应用。

关键词：走行部;射频识别;螺栓;防松脱

中图分类号：U279.3   文献标志码：A

0 引言

动车组走行部的安全是动车组运行安全的重中之重，走行部的任何故障隐患都可能迅速发展为重大故障，进而引发重大事故，造成巨大人员伤亡及财产损失。现行的和谐号动车组及复兴号动车组转向架普遍采用螺栓连接方式[1]，8辆标准动车组车下包含螺栓上万个，仅具有机械防松设计，无松动检测手段[2]，单靠目视检查其可靠度与精准性都很难控制。如何螺栓的紧固防松至关重要，安全责任重大，采用更加先进的“技防”手段来提升检测效率，降低安全隐患迫在眉睫[3]。

1 存在问题

动车组走行部是保证铁路车辆安全运行的核心部件，走行部关键部件的防松防脱是影响铁路车辆能否安全运行的关键因素之一。对于影响铁路车辆行车安全的关键部件，通用的方式是采用拉铆联接或采用定制防松片的方式固定关键螺栓，但由于动车组走行部关键部件需要定期拆卸维护，所以还是只有采用螺栓联接的方式。

螺栓联接是机械可拆卸联接中普遍采用的方式，通过预紧力保证可靠自锁，在静载荷下通常是非常可靠，但在动载荷（震动、冲击等）时可能造成螺栓联接的松动，造成预紧力减小，使螺栓联接可靠度下降，进而造成动车组走行部故障甚至行车事故。结合铁路车辆实际运行工况，分析引起螺栓松脱的主要原因有：

1.1 联接面变形产生松动

螺栓联接时施加一定的预紧力使螺栓产生拉伸变形，螺栓头及螺母支撑面接触压强很大，在联接件的接触面上会产生塑性环形压陷，同时螺纹副由于表面粗糙度及形位误差等影响也会产生局部塑性变形。

在使用的过程中，随着塑性变形的继续发生，在紧固长度内螺栓拉伸力减小，即使螺母不发生回转，预紧力也会下降，从而导致螺栓紧固性能下降，带来螺栓松动、脱落的隐患。

1.2 复杂载荷作用下产生松动

轨道车辆长期在线路运行中，会受到不同程度的变载、冲击、振动以及环境温度变化的影响，当有初始预紧力的螺纹联接受到这些复杂载荷及温度变化作用时，会破坏螺纹联接的自锁条件致使螺母松动回转，逐渐使预紧力减小，甚至消失，导致螺纹联接失效。

2 常用螺栓防松预警方案

螺栓防松预警就是通过在线或离线的方式，及时发现有松脱或已经掉落的螺栓，并发出预警提示，提醒检修人员及时跟进处理螺栓松脱故障。

2.1 基于防松标记的人工目检方案

人工目检是当前动车组走行部关键部件螺栓防松脱预警的重要预警方案，其具体实施方案是在关键部件螺栓表面标记防松检测线，在动车组回库进行例行检修时，检修人员逐个核实防松检测线是否出现位移，从而判定螺栓是否出现松脱的异常现场，防松检测线如下图1所示。

2.2 基于图像处理的动车组走行部故障检测

动车组运行故障动态图像检测系统（TEDS），实现动车组故障部件的自动定位与故障识别，对提升动车组车辆检修工作的精确度、效率与安全性具有重要的实用价值。根据动车组走行部的结构特征及故障特性，结合特征提取与目标识别，实现了动车组走行部典型故障的部件定位与故障检测算法，典型故障包括轴箱螺栓丢失、牵引拉杆裂纹与抗侧滚扭杆变形等三类。

3 系统总体设计

动车组走行部关键部件螺栓防松脱预警系统由传感器层、采集层及应用层组成。传感器层采用RFID电子标签，存储动车组走行部关键部件螺栓的身份信息和紧固信息，并可以通过无线电讯号识别，读写相关数据;采集层通过读写设备采集RFID电子标签记录的有关螺栓松脱的状态信息，并将采集到的数据及时上传应用管理平台;应用管理系统通过解析存储螺栓松脱检测数据，预警监测螺栓松脱状态。对检修作业进行管理，并通过数据分析来判断动车组走行部螺栓紧固整体情况。系统整体框图如下图2所示：

系统分析后台设置基础信息管理模块、作业管理模块、设备管理模块、统计分析模块、系统管理模块等，对动车组走行部关键部件，特别是转向架连接部位的螺栓松脱状态进行检测预警，在动车组入库时，达到自动监测识别转向架各关键连接部件螺栓状态，对出现松脱的螺栓进行报警提醒，并整体分析动车组转向架螺栓紧固性能状态，为动车组高质量出库、安全运行提供更大的保障。

4 RFID标签防松预警检测原理

4.1 RFID技术简介

无线射频识别（RFID，Radio Frequency Identification）技术，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。通过RFID读写设备输出一定强度的无线电信号，激活RFID电子标签进入采集模式，UHF RFID电子标签返回的有关状态信息。

本方案采用无源型RFID，其主要技术特点有：

●辨識器可同时辨识读取多个RFID标签;

●RFID标签更可往小型化与多样形态发展，以应用于不同产品;

●RFID对水、油和化学药品等物质具有很强抵抗性，抗污染能力和耐久性强;

●RFID标签则可以重复地新增、修改、删除RFID卷标内储存的数据;

●能够进行穿透性通信，能实现穿透性和无屏障阅读;

●数据的记忆容量大;

●数据内容可经由密码保护，使其内容不易被伪造及变造，安全性强。

4.2 防松检测的原理

RFID防松动检测通过在既有UHF RFID芯片内部嵌入智能控制电路，对芯片外部独有的防松动检测线状态进行检测，使该芯片在使用过程中具防松动检测功能，并可通过标准的UHF RFID协议读取紧固状态，可用于本文所涉及螺栓防松动检测。

同时，该产品可工作在极低的输入功率信号，并提供较大的反射信号，使标签可以在极低的RF功率下进行高速读写操作。

5 RFID标签设计

本文设计了一种粘贴式防松动检测结构，如图3所示。RFID标签和检测线均紧密粘贴在现有螺栓外侧，当有螺栓松动时，检测线随即断裂，而后可通过RFID的方式读取检测线是否完好达到判定螺栓是否松动的目的。

6 检测试验

2019年7月在兰州西动车所组织了实车检测试验，试验环境如下：

试验线路：兰新客运专线。线路途径4大分区（部分区段最大风速可达60m/s），另外还有高海拔、昼夜温差大、风沙大等特点;

试验车型：选取CRH5G作为试验车型;

试验位置：选取01车底部主排障器固定螺栓为试验检测位置，安装了6枚防松脱RFID预警标签，如图4所示。

经过近1个月的跟车测试，试验里程共计55178km，从抗强风、抗震动、抗击打等全方面验证了产品性能，测试数据如表1所示。从表信息可以看出：

（1）标签结构强度可靠，无破损情况;

（2）标签及检测带粘贴牢固，无脱落情况;

（3）标签检测螺栓状态可靠;

（4）软件读取标签信息正确;

（5）标签检测范围符合要求，软件可一次性读取所有标签信息。

7 结语

通过在CRH5G型动车组的主排障器上加装基于RFID技术的防松动检测标签，经过30天的检测试验，所有标签粘贴牢固，环境适应性好，可在动车组运行环境下保持良好工作性能;标签检测信息可靠，能准确检测并传递检测螺栓的紧固状态;标签检测性能优异，作业者正常通过检修地沟，检测装置可一次性检测到该位置所有标签状态，能够极大的减少作业者检修强度。综上所述，基于RFID技术的防松动检测标签可以作为动车组走行部关键部件螺栓防松预警的检测手段，有较好的推广应用前景，为动车组行车安全提供有力的技术支撑。

参考文献：

[1]赵增闯.轨道车辆转向架防松、防脱技术措施探讨[J].技术与市场，2017（11）：19-23.

[2]成經纬，王东星等.转向架轴端端盖螺栓的防松脱解决措施[J].铁道运营技术，2018（3）：23-25.

[3]魏海霞，于孟等.螺栓防松技术在动车组转向架上的应用[J]，中国高新技术企业，2014（7）：111-113.