动车组塞拉门PHM技术研究

动车组塞拉门PHM技术研究

刘小伟， 朱建杰，王亭亭

中车唐山机车车辆有限公司

摘要：动车组列车的网络控制系统是建立在列车通信网络标准协议IEC61375-1框架下的TCN网络，保证数据传输的实时性、可靠性和确定性。本文主要对动车组塞拉门PHM技术进行研究，详情如下。

关键词：动车组；塞拉门；PHM技术

引言

为降低动车组塞拉门的故障率，近些年通过优化塞拉门部件的结构和逻辑，对高级修及日常维护保养进行较高投入等方面的措施，提升了塞拉门使用的可靠性。

1塞拉门典型故障分析

近两年塞拉门故障主要集中在门控器故障，锁到位和关到位限位开关故障，主锁解锁故障，电磁阀故障，辅助锁故障，这６类故障约占塞拉门总故障数的85％。其中门控器、主锁解锁故障、压力开关故障，在各铁路局均有发生，受使用环境的影响不大，主要与部件自身可靠性有关，多为偶发故障。锁到位和关到位等限位开关对安装精度要求较高，故障多为限位开关位置偏差导致，因此对现场日常检修维护要求高。电磁阀故障多发生在北方路局，在冬季低温环境下故障率偏高，主要与电磁阀阀芯润滑脂老化干涩后易在低温下产生卡滞有关。辅助锁故障多发生在西北，当地风沙较大，辅助锁气缸清洁润滑不当或胶条润滑不良产生吸附效应使辅助锁不能正常解锁开门，因此在对塞拉门日常润滑的要求更为严格。

2动车组塞拉门PHM技术

2.1塞拉门电机齿轮的轮齿断裂

某塞拉门电机齿轮的轮齿断裂原因包括:(1)两个站台的轨道高度差过大，轨道高度差超出塞拉门的工作范围;(2)在轨道高度差过大的情况下，为保证倾斜状态的车门都能关闭，软件增大接近关闭位置处的关门力;(3)双线的轨距偏小，双向车辆会车时，对车门的气压冲击比较大。由于线路条件复杂，超出了塞拉门的正常工作条件，导致塞拉门在车辆运营过程中偶发电机齿轮轮齿断裂故障。为解决该故障，针对上述分析结果，提出以下改进措施:(1)更换电机齿轮箱中的小齿轮，新齿轮硬度更高，材质采用抗冲击更好的20CrMnTi，零件渗碳淬火，表面喷砂处理。通过扭断试验测试，新齿轮轮齿扭断扭矩值比老齿轮提高了29%。(2)升级车门软件，以调整车门关闭过程中车门塞拉位置附近的关门电流曲线，既降低塞拉位置的关门力，又保证车门在倾斜站台也能正常关闭。除了上述措施外，另外还需要对车门机构按照检修计划定期润滑，防止润滑不足时关门阻力变大，使电机齿轮受力增大。

2.2电力电子器件状态监测

电力电子器件种类繁多，考虑目前及未来的发展应用趋势，现有的状态监测研究聚焦在绝缘栅双极晶体管电力场效应晶体管。在这两类电力电子器件中细分出不同方向，如根据封装类型的不同，压接型IGBT、焊接性IGBT在状态监测研究上有所区别；又如芯片材料的不同，Si-MOSFET在状态监测研究上又有所区别。综合国内外现有研究，电力电子器件状态监测在研究方向上主要可以分为结温监测和老化估计；在研究方法上主要分析器件的失效机理，确定敏感参数和温度或失效类型的对应关系；在研究途径上，主要通过加速老化试验获得器件完整生命的特征信息。虽然针对不同的研究对象，具体研究方法上存在一定的差异，但总体研究思路一致，即进行低延时、高精度、弱影响的特征参量监测，建立高可靠性的特征参量与器件内部结温或老化状态的对应关系，从而实现安全有效的电力电子器件状态监测。光学非接触式测试法利用物质固有的热辐射检测结温。如在-20~150℃的IGBT工作温度内，热辐射以红外线方式传播，红外热成像仪可以直接提取和显示IGBT芯片的温度信息。但该方法在测量结温时需破坏IGBT封装，使芯片暴露。因此，即使红外热成像仪检测结温具有高分辨率、高精度的优点，也不适合在线结温监测，通常用于验证其他结温监测方法的有效性。

2.3和谐型机车故障预测与健康管理系统设计

搭建和谐型机车PHM数据平台，提供统一规范的数据服务。针对和谐型机车及关键零部件全寿命周期内设计、制造、运用、整备、检修等环节，形成新造、运维、监测、检测、环境等方面的PHM数据资源目录，分析数据采集、存储、管理机制，集成多系统PHM相关数据，进行清洗、转化、降维、标准化处理，为PHM系统应用提供统一规范的数据服务。（1）数据采集传输：通过消息队列、数据接口、数据授权等多种方式采集和谐型机车设计制造、运维、监测、检测和环境的数据，进行数据融合和综合利用。（2）数据处理：完成采集数据的融合、特征提取和数据转换。利用多源、多参数信息，以及历史信息和经验信息，分析其相关性，考虑其可信度和精确度，进行数据融合和特征提取，实现PHM业务数据统一存储和管理。（3）状态监测：接收处理后的数据，实时判断和谐型机车整车、零部件的状态，根据预定的各种参数指标限值或阈值进行故障报警。（4）健康评估：接收来自不同状态健康评估所需要的数据及其他故障诊断、预测的结果，综合状态监测信息，基于和谐型机车及部件健康评估标签模型，评估和谐型机车及其重要零部件的健康状态等级。（5）故障预测：依据监测检测数据、故障记录、工作状态、历史参数及性能演化趋势，基于整车及部件不同类型的故障预测和寿命预测模型，预测和谐型机车未来可能发生的故障、健康状态变化趋势，提出维修周期建议或者下达维修任务等。（6）维修决策：根据维修知识，依据健康评估结果及寿命预测结果，结合机车运行计划、检修计划，给出回库检查、回库维修等具体处置建议。（7）模型：搭建整车及零部件故障预测模型、健康评估模型、维修决策模型，分别支持PHM应用，并依据反馈信息不断优化和完善相关模型。（8）任务下达：实现将PHM信息传输到机车整备、检修的运维作业环节中，进而将处理结果反馈到数据采集传输环节，实现信息的闭环管理。

2.4动车组塞拉门红外数显测量仪应用

用于动车组塞拉门限位开关测量的装置，即动车组塞拉门红外数显测量仪，通过红外线的定位、数显尺的读数约束了98%限位开关位置范围要求，在适应上海段作业标准的同时也增添了更高要求的外门检修方案。通过提升效率，实现限位开关的质量卡控，减少部件过度更换。项目自实施以来，改变了原有作业模式，将原有的肉眼观察位移数值作业方式转化为智能显示位移数值，从而快速得出限位开关相对位移数值是否满足要求的结论，其次该装置提升了检修效率，通过测量，可以在5s内快速得出限位开关之间的相对位移数值，相较常规做法，读数更精准，便于检修且使用方便，而且数据可以通过USB接口传送到电脑上，便于数据统一管理，可以建立所属动车组特定98%限位开关位置数据库，方便检修人员查询，提高检修效率，为后续维修大数据分析打下基础。

结语

目前动车组塞拉门故障预测与健康管理技术仍处于起步阶段，主要以阈值预测为主，预测模型尚不完善，故障预测后仍需要有经验的作业人员对可能的故障点逐项进行排查，预警后排查效率低。同时因缺少有效合理的过滤机制，无法区分车组所处实际状态，库检时由于人为因素较多会误报预警，车辆内外压差的状态等运营的环境也会影响预警的准确性和参考价值，会对车门开关的全程阻力或局部阻力以及车辆提供的电源和风源的高低对开关门时间及气动元件动作产生影响，预警过滤规则仍需进一步完善。

参考文献

[1]曾燕军，金希红，何永强.机车车体结构健康监测技术研究[J].铁道机车车辆，2019，39（2）：104-108.

[2]李建华，陈志平，郭富春，等.货车车辆运行健康诊断系统[J].铁道车辆，2020，58（11）：34-36.