CRH3型动车组轴温传感器特性检测系统的设计应用

陈 哲

(中国铁路上海局集团有限公司上海动车段 上海 201800)

动车组在线路上高速运行时，走行部连接件因高频摩擦和振动产生热量，若存在杂质或连接件内部缺陷，则会使温度剧烈升高导致引发热轴、切轴等重大安全事故。为有效预防上述问题，CRH3型动车组配有轴温实时监测系统，PT100轴温传感器作为监测系统中直接探测走行部温度的元件，实现其性能参数的可靠评估验证对于推进该部件精准维修，保障动车组运行安全意义重大。

1 PT100轴温传感器概述

1.1 轴温监测系统组成

CRH3型动车组轴温监测系统，主要由轴温监测终端(Compact PT100/IO)和四线制轴温传感器(PT100)组成[1](见图1)，其中PT100安装于轴箱内，用于反馈轴箱、牵引电机以及齿轮箱的瞬时温度，Compact PT100/IO装置主要负责接收来自本节车厢4根车轴共计16路温度模拟信号，并通过MVB总线反馈至动车组中央控制单元(CCU)，可见PT100轴温传感器特性是否良好，决定整个温度监测系统能否可靠工作。

图1 CRH3型车组轴温监测系统原理简图

图2 轴温传感器内部结构图

如图2所示，PT100轴温传感器主要由铂探针、铜壳体、屏蔽线缆以及8针HAR-TING适配器组成。铂探针插入动车组轴箱内，用于探测轴端、齿轮箱内的实时温度，通过中间绝缘屏蔽线缆，经由8针HARTING适配器将温度模拟信号传输至Compact PT100/IO装置[2]。

通过查阅相关行业设计标准[3]，PT100轴温传感器技术参数如表1所示。

表1 PT100轴温传感器技术参数

1.2 故障规律调研

为使文中所设计的检测系统更契合动车组检修现场需求，调研中截取某动车段2018年内CRH3型动车组运维数据进行统计分析，该时间区段内，CRH3型动车组司机室人机交互设备HMI共计出现轴温监测系统闪报故障79次，故障原因及分布占比如表2所示。

表2 轴温监测系统闪报故障统计

由表2可知，PT100轴温传感器本体功能故障，是动车组线上运行闪报轴温异常的主要原因[4]。为最大限度减少因传感器自身故障而导致无法正常监测走行部温度、威胁行车安全的现象，CRH3型动车组高级修规程明确要求，三级(或运行120万km)及以上修程时，必须拆卸所有轴温传感器，进行清洗和外观检查，测量铂电阻阻值、绝缘阻值等性能参数，以确保其工作特性良好。下文主要围绕如何提升PT100轴温传感器特性检测效率和精度，丰富验证维度展开论述。

2 检测技术现状

2.1 工艺现状

如图3所示，现国内动车组高级修基地，大多在动车组进入检修线后，通过落车设备将转向架与车体分离后，拆下所有轴温传感器，由特定作业班组进行集中清洗和检测。检修人员在对轴温传感器进行清洗后，首先必须使用通用万用表对铂电阻和等电位进行6次测量，再改用兆欧表对绝缘电阻进行3次测量，将测量的9组数值填入纸质表单，保证全程影像记录，且只能逐根进行测量。

图3 现有轴温传感器检测流程

2.2 检测标准

根据某供应商提供的PT100轴温传感器出厂参数，结合上海局集团公司长期高级修检测经验，总结四线制PT100静态测量合格标准如表3所示。

表3 轴温传感器静态参数标准

2.3 技术瓶颈

(1)检测效率低

以16节编组CRH380BL型动车组为例，全车共计128根PT100轴温传感器，在2.1节所述检测工艺下，单根传感器平均需要3名作业人员10 min的检测时间，即一组车需持续测量21 h，相当于近3个工作日。

(2)检修成本高

目前CRH3型动车组上所用PT100轴温传感器分为进口和国产2种，平均单价约为0.8万元。遵循高速动车组计划性预防维修原则，发现疑似故障件，而又缺乏深度诊断技术时，均采用换件维修的方式，以目前的检测技术，平均一组CRH380BL型动车组需要更换PT100轴温传感器3.6件，高级修单组车该项换件成本为2.88万元。

(3)检测不全面

传统的检测工艺，建立于绝对静止、温度不变的理想状态下，无法真实模拟动车组线上运行时，轴温传感器处于高频振动、温度实时变化的复杂工况。

因此，所设计的新型检测系统，除能够采集PT100轴温传感器的铂电阻阻值、绝缘阻值等常规参数外，还应能真实模拟动车组线上运行走行部温度实时变化的运行工况，并能够生成检修数据和日志，共享作为动车组健康评估和运维决策数据支撑。

3 检测系统总体方案

根据表3所列的静态检测标准，结合动态模拟及无纸化作业功能，设计出新型PT-100轴温传感器检测平台，整体结构如图4所示。

图4 轴温传感器检测平台整体结构

为提升PT100轴温传感器检测效率，设计采用了在检测系统上同时布置4路传感器检测接口。上部检测接口内置水流控制箱及高频振动仪，用于进行动态响应测试。下部检测接口为批处理测量电路，用于同时测量4套PT100轴温传感器铂电阻、等电位以及绝缘阻值。检测台面上装有实时影像装置，用于全程记录检测过程。通过上位机串联检测系统各软硬件模块，上位机为控制中枢，具备温度模拟设定、实时影像存储、测量启停、数据共享、分析诊断等功能。通过批处理程序，一次测量即可检测出4套PT100轴温传感器共计36组性能参数。上位机自动保存测量数据并生成检测日志，通过网络接口将数据纳入动车组健康管理系统数据库，为精准预防维修提供数据支持。检测系统自动生成并打印作业表单，实现无纸化检修作业[5]。

为满足高级修基地轴温传感器检修作业要求，结合行业设计标准，新型检测系统技术参数如表4所示。

表4 检测系统技术参数

4 功能模块设计

根据前文所确定的检测需求，设计的PT100轴温传感器检测系统总体功能模块及检测逻辑流程如图5所示。

图5 主要功能模块及检测流程

如图5所示，4根PT100轴温传感器通过适配器同时装夹在检测平台上，分别由高压继电器、信号继电器1和信号继电器2来控制绝缘阻值测量、等电位阻值测量和铂电阻阻值测量通道，所测阻值经信号放大模块传输至AD转换模块。阻值测量结束，上位机启动温振模拟，检测传感器动态响应参数，最终将测量数据导出作业表单，并同步归入到共享数据库。

由上述分析可知，检测系统的主要功能模块有：电源模块、MCU模块、电阻测量模块、绝缘测量模块、热响应模块和上位机。

4.1 电源模块

为保证测量精度和稳定性，轴温传感器检测仪采用外接充电、锂电池升压供电的方式，电源模块包括蓄电池、铂电阻测试电源管理、等电位测试电源管理、绝缘测试电源管理、AC/DC、DC/DC模块等，如图6所示。

图6 检测系统电源管理模块原理图

4.2 MCU模块

MCU模块主要用于进行阻值批处理测试通道转换的控制，设计中采用某公司型号为STM32-F373的单片机，该单片机有16位SDADC，性能可靠稳定，适合进行混合信号处理运算。

4.3 静态参数测量模块

静态参数测量，指PT100轴温传感器在常温静止环境下，其HARTING适配器1-4针、5-8针间的铂探针阻值， 1-3针、2-4针、5-7针、6-8针间等电位阻值，以及探针-铜壳体、探针-屏蔽层、铜壳体-屏蔽层间的3组绝缘阻值，设计上将其分为电阻测量模块和绝缘测量模块两部分，其测量原理如图7所示。

图7 静态参数测量原理图

(1)电阻测量模块

根据测量需求，电阻测量模块共计6个通道，包括2路铂探针阻值测量通道、4路等电位测量通道，采用恒流源测量方法，将电阻的变化转换成电压信号，经运算放大电路和跟随器后，进入STM32-F373的16位SDADC端口采样，再由MCU计算出铂探针的阻值[6]。

(2)绝缘测量模块

绝缘测试模块采用DC500 V标准测量电压，包括继电器切换、校准电阻、单片机SDADC采样以及运算。

4.4 热响应测试模块

热响应温度和时间是衡量动车组用PT100轴温传感器的主要性能指标之一，其定义为：在温度T出现阶跃变化时，PT100轴温传感器的输出变化至相当于该阶跃变化的定量ΔT所需要的时间，用τΔT表示[7]。

此次设计中加入了温度阶跃测试功能，用于测量轴温传感器的热响应时间，具体方式为将PT100轴温传感器铂电阻探针，插入检测平台左上方热响应测试接口，热响应箱内为高于室温10K缓慢流动的温水，同时提供振幅A=0.02 m频率的动车组构架平均谐振[8]，测量轴温传感器反馈温度的变化情况。随机选用一批新出厂质检合格的轴温传感器进行功能测试，截取其中响应时间最长的8组验证结果如图8所示。

图8 热响应测试功能验证

由图8可知，所有8根PT100轴温传感器响应时间τ0.9≤12 s，符合轨道车辆的特殊要求和国家标准，所设计的检测系统动态响应模块满足高级修规程要求。

5 结束语

应用统计结果表明，文中设计的PT100轴温传感器检测系统效率高，平均约为6 min/4根，整体较之传统检测工艺提升近5.5倍。同时，研究人员通过新设备对某检修基地2018年7月至2019年6月诊断为报废件的862根PT100轴温传感器进行二次普查，发现其中117根仍为合格品并继续装车使用无异常，矫正报废率为13.6%，提质增效作用明显。