动车组轴承温度报警系统温度跳变问题的研究

动车组轴承温度报警系统温度跳变问题的研究

邵迥

青岛四方阿尔斯通铁路运输设备有限公司  266000  山东省青岛市

摘要：轴承温度报警系统（简称“BMS系统”）通过温度传感器对齿轮箱和电机的轴承温度进行实时监控，当温度出现异常时及时提醒司机采取措施，是动车组安全运行的重要保证。自2018年开始装车运用以来，本文所述BMS系统多次发生温度跳变故障，干扰了车组的正常运行。为此，作者针对该问题进行了研究，提出了解决方案。

关键词：温度跳变；故障；解决方案；

1.温度跳变原因分析

1.1系统构成

该动车组轴承温度报警系统（简称“BMS系统”）由温度传感器、BMS监控主机和BMS监控屏组成。每辆动车安装一套，每套包括1台BMS监控显示屏、1台BMS监控主机及20个温度传感器，其中每台牵引电机安装有2个温度传感器，每台齿轮箱安装有3个温度传感器。BMS主机负责采集齿轮箱和牵引电机轴承温度并判断温度是否正常，通过485通讯将实时轴温、超温和故障信息显示在BMS监控屏上，同时超温和故障信息也会通过数字输入输出模块传输给列车控制系统TCMS提醒司机采取措施。

1.2故障统计

该动车组BMS系统自2018年8月开始启用以来，截至目前共发生110余起温度跳变故障，其中10起停车故障，停车后机械师需要下车进行点温确认，严重影响了运营秩序。

1.3地面调查分析

1.3.1故障时间分布

该动车组BMS系统2018年至2022年底共发生温度跳变次数温度跳变共113次，其中5-10月份发生温度跳变共102次，占比90.3%；其他月份温度跳变11次，占比9.7%。从故障发生时间来看，故障呈季节性分布明显，多发生气温高的月份。

1.3.2原因分析

BMS系统温度采集部分组成见如下示意图，对可能导致温度跳变的部件分析如下。

图 3 BMS系统温度采集部分组成示意图

(1)传感器部分检测

对在列车上报故障的传感器进行分析，分析流程如下：

现场检查及复测→例行试验检测（外观、性能、绝缘、耐压）→ 高低温静态性能检测→功能性随机振动性能检测→定频定振动量值功能检测→拆解分析。

分析结果如下：对温度传感器进行性能实验、功能实验，发现传感器功能良好，绝缘阻值正常。对传感器外观检查、解剖等，未发现传感器存在开短路或者探针开焊情况。

(2)车体线缆检查

根据图 3所示的现车连接线路，测量从传感器连接器端到主机外壳连接器端之间的线路通断、对地/线绝缘均正常。检查传感器侧插头以及主机外壳连接器，发现插头连接正常。对连接器内的插针进行接触电阻、分离力测试，未发现异常。

(3)BMS主机地面实验

对BMS主机进行功能、电磁兼容、振动冲击、高温高湿循环等试验，发现在温度循环试验时BMS系统易发生温度跳变，其他试验均未发生温度跳变。温度试验条件：-25～85℃温度循环试验，湿度分别为98%或50%，试验持续时间8h。实验结果如下表所示。

表 1高温高湿实验结果

通过上述实验可知：实验温度越高，主机内部温升越高，温度跳变次数越多，跳变幅值越高。

(4)BMS主机运用环境温度测试

使用温度试纸对设备舱BMS主机内外部的温度进行测试，发现主机所处设备舱温度为50℃左右，主机内部面板表面温度为60℃左右(板卡表面温度会更高)。

1.4分析结论

结合试验及其他车型应用情况综合分析，确定温度跳变原因为：

BMS主机散热效果差，加之安装环境高温高湿，元器件性能下降，多因素复合，最终导致温度异常跳变。

2.解决方案

2.1硬件方面

原BMS机箱为非标准件，内部板卡设置较为紧凑，尺寸为264 X174X273mm，材质为铝材质，内部仅电源模块安装有散热片紧贴机箱侧壁。另外，要求防护等级为IP54，机箱整体为密封设计，因此整体散热情况不好。

根据该动车组BMS机箱车上最大可安装空间：450X450X380mm，设计如下图所示的新机箱。机箱尺寸为：365X345X310.5mm，机箱空间增大近1倍，提升了散热效果。

具体优化项点如下：

(1)机箱材料：外壳整体采用铝合金，紧固件均为不锈钢304。

(2)散热方案：机箱左侧板，右侧板，上板采用型材散热片。机箱内部增加风扇，采用内循环强迫风冷的设计，增加温度循环效果。

(3)内部结构：根据电路板尺寸确定横梁位置，采用3U板卡的安装结构，箱体内部右侧配有散热模块，电源板与主机外壳贴合并实现电源板的热传导以完成散热功能。

(4)防水通过采用密封条实现，以满足IP54防护等级。

图 4BMS新机箱

2.2软件方面

对BMS系统CPU板增加温度异常跳变滤波算法来降低温度异常跳变发生的概率，详述如下：

(1)进入异常区判定方法

统计相邻两个温度的差，即每秒温度的变化值，若>10℃，即一秒内温度急速上升或下降超过10℃，判断为异常跳变，此时进入异常区，记录下进入异常区之前的温度。上电1分钟内不进行异常区判断。

(2)退出异常区条件

统计实时温度，当℃，即温度恢复到进入异常区之前的温度的10℃以内时，此时判定退出异常区。

若异常区持续时间超70秒，判定退出异常区。

(3)优化后效果

将前期发生温度跳变的故障数据进行数据倒灌，现有算法可滤除70%的温度异常跳变事件。

3.分析评估

对BMS系统增加温度跳变异常滤波算法，可滤除多部分异常跳变，降低温度预报警事件的发生，减少对行车秩序的影响。要从根本上解决问题，对BMS主机的机箱结构优化，改善机箱的散热功能。

结束语：随着我国高速铁路的不断建设，越来越多的动车组列车投入了载客运营。对动车组的可靠性和安全性也提出了更高的要求，其安全毫无疑问是重中之重。关于动车组BMS系统温度跳变导致误报警，对行车秩序造成影响的问题，我们进行针对性研究并提出解决方案，来提高动车组运行可靠性，同时也借此机会把此经验和教训分享给大家，系统设计时要尽量考虑采用标准尺寸的机箱。