基于射頻識(shí)別技術(shù)的動(dòng)車(chē)組走行部關(guān)鍵部件螺栓防松脫預(yù)警系統(tǒng)

楊梁崇

摘要：針對(duì)動(dòng)車(chē)組的走行部螺栓松脫隱患，從防松脫預(yù)警角度出發(fā)，結(jié)合RFID（Radio Frequency Identification）技術(shù)，通過(guò)信息化、系統(tǒng)化等措施，達(dá)到動(dòng)車(chē)組走行部關(guān)鍵部件螺栓防松脫預(yù)警的目的。經(jīng)過(guò)實(shí)車(chē)檢測(cè)試驗(yàn)，運(yùn)行效果良好，可以將本系統(tǒng)作為通用預(yù)警方案推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：走行部;射頻識(shí)別;螺栓;防松脫

中圖分類(lèi)號(hào)：U279.3? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

動(dòng)車(chē)組走行部的安全是動(dòng)車(chē)組運(yùn)行安全的重中之重，走行部的任何故障隱患都可能迅速發(fā)展為重大故障，進(jìn)而引發(fā)重大事故，造成巨大人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失。現(xiàn)行的和諧號(hào)動(dòng)車(chē)組及復(fù)興號(hào)動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架普遍采用螺栓連接方式[1]，8輛標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組車(chē)下包含螺栓上萬(wàn)個(gè)，僅具有機(jī)械防松設(shè)計(jì)，無(wú)松動(dòng)檢測(cè)手段[2]，單靠目視檢查其可靠度與精準(zhǔn)性都很難控制。如何螺栓的緊固防松至關(guān)重要，安全責(zé)任重大，采用更加先進(jìn)的“技防”手段來(lái)提升檢測(cè)效率，降低安全隱患迫在眉睫[3]。

1 存在問(wèn)題

動(dòng)車(chē)組走行部是保證鐵路車(chē)輛安全運(yùn)行的核心部件，走行部關(guān)鍵部件的防松防脫是影響鐵路車(chē)輛能否安全運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一。對(duì)于影響鐵路車(chē)輛行車(chē)安全的關(guān)鍵部件，通用的方式是采用拉鉚聯(lián)接或采用定制防松片的方式固定關(guān)鍵螺栓，但由于動(dòng)車(chē)組走行部關(guān)鍵部件需要定期拆卸維護(hù)，所以還是只有采用螺栓聯(lián)接的方式。

螺栓聯(lián)接是機(jī)械可拆卸聯(lián)接中普遍采用的方式，通過(guò)預(yù)緊力保證可靠自鎖，在靜載荷下通常是非常可靠，但在動(dòng)載荷（震動(dòng)、沖擊等）時(shí)可能造成螺栓聯(lián)接的松動(dòng)，造成預(yù)緊力減小，使螺栓聯(lián)接可靠度下降，進(jìn)而造成動(dòng)車(chē)組走行部故障甚至行車(chē)事故。結(jié)合鐵路車(chē)輛實(shí)際運(yùn)行工況，分析引起螺栓松脫的主要原因有：

1.1 聯(lián)接面變形產(chǎn)生松動(dòng)

螺栓聯(lián)接時(shí)施加一定的預(yù)緊力使螺栓產(chǎn)生拉伸變形，螺栓頭及螺母支撐面接觸壓強(qiáng)很大，在聯(lián)接件的接觸面上會(huì)產(chǎn)生塑性環(huán)形壓陷，同時(shí)螺紋副由于表面粗糙度及形位誤差等影響也會(huì)產(chǎn)生局部塑性變形。

在使用的過(guò)程中，隨著塑性變形的繼續(xù)發(fā)生，在緊固長(zhǎng)度內(nèi)螺栓拉伸力減小，即使螺母不發(fā)生回轉(zhuǎn)，預(yù)緊力也會(huì)下降，從而導(dǎo)致螺栓緊固性能下降，帶來(lái)螺栓松動(dòng)、脫落的隱患。

1.2 復(fù)雜載荷作用下產(chǎn)生松動(dòng)

軌道車(chē)輛長(zhǎng)期在線(xiàn)路運(yùn)行中，會(huì)受到不同程度的變載、沖擊、振動(dòng)以及環(huán)境溫度變化的影響，當(dāng)有初始預(yù)緊力的螺紋聯(lián)接受到這些復(fù)雜載荷及溫度變化作用時(shí)，會(huì)破壞螺紋聯(lián)接的自鎖條件致使螺母松動(dòng)回轉(zhuǎn)，逐漸使預(yù)緊力減小，甚至消失，導(dǎo)致螺紋聯(lián)接失效。

2 常用螺栓防松預(yù)警方案

螺栓防松預(yù)警就是通過(guò)在線(xiàn)或離線(xiàn)的方式，及時(shí)發(fā)現(xiàn)有松脫或已經(jīng)掉落的螺栓，并發(fā)出預(yù)警提示，提醒檢修人員及時(shí)跟進(jìn)處理螺栓松脫故障。

2.1 基于防松標(biāo)記的人工目檢方案

人工目檢是當(dāng)前動(dòng)車(chē)組走行部關(guān)鍵部件螺栓防松脫預(yù)警的重要預(yù)警方案，其具體實(shí)施方案是在關(guān)鍵部件螺栓表面標(biāo)記防松檢測(cè)線(xiàn)，在動(dòng)車(chē)組回庫(kù)進(jìn)行例行檢修時(shí)，檢修人員逐個(gè)核實(shí)防松檢測(cè)線(xiàn)是否出現(xiàn)位移，從而判定螺栓是否出現(xiàn)松脫的異常現(xiàn)場(chǎng)，防松檢測(cè)線(xiàn)如下圖1所示。

2.2 基于圖像處理的動(dòng)車(chē)組走行部故障檢測(cè)

動(dòng)車(chē)組運(yùn)行故障動(dòng)態(tài)圖像檢測(cè)系統(tǒng)（TEDS），實(shí)現(xiàn)動(dòng)車(chē)組故障部件的自動(dòng)定位與故障識(shí)別，對(duì)提升動(dòng)車(chē)組車(chē)輛檢修工作的精確度、效率與安全性具有重要的實(shí)用價(jià)值。根據(jù)動(dòng)車(chē)組走行部的結(jié)構(gòu)特征及故障特性，結(jié)合特征提取與目標(biāo)識(shí)別，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)車(chē)組走行部典型故障的部件定位與故障檢測(cè)算法，典型故障包括軸箱螺栓丟失、牽引拉桿裂紋與抗側(cè)滾扭桿變形等三類(lèi)。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

動(dòng)車(chē)組走行部關(guān)鍵部件螺栓防松脫預(yù)警系統(tǒng)由傳感器層、采集層及應(yīng)用層組成。傳感器層采用RFID電子標(biāo)簽，存儲(chǔ)動(dòng)車(chē)組走行部關(guān)鍵部件螺栓的身份信息和緊固信息，并可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)電訊號(hào)識(shí)別，讀寫(xiě)相關(guān)數(shù)據(jù);采集層通過(guò)讀寫(xiě)設(shè)備采集RFID電子標(biāo)簽記錄的有關(guān)螺栓松脫的狀態(tài)信息，并將采集到的數(shù)據(jù)及時(shí)上傳應(yīng)用管理平臺(tái);應(yīng)用管理系統(tǒng)通過(guò)解析存儲(chǔ)螺栓松脫檢測(cè)數(shù)據(jù)，預(yù)警監(jiān)測(cè)螺栓松脫狀態(tài)。對(duì)檢修作業(yè)進(jìn)行管理，并通過(guò)數(shù)據(jù)分析來(lái)判斷動(dòng)車(chē)組走行部螺栓緊固整體情況。系統(tǒng)整體框圖如下圖2所示：

系統(tǒng)分析后臺(tái)設(shè)置基礎(chǔ)信息管理模塊、作業(yè)管理模塊、設(shè)備管理模塊、統(tǒng)計(jì)分析模塊、系統(tǒng)管理模塊等，對(duì)動(dòng)車(chē)組走行部關(guān)鍵部件，特別是轉(zhuǎn)向架連接部位的螺栓松脫狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)預(yù)警，在動(dòng)車(chē)組入庫(kù)時(shí)，達(dá)到自動(dòng)監(jiān)測(cè)識(shí)別轉(zhuǎn)向架各關(guān)鍵連接部件螺栓狀態(tài)，對(duì)出現(xiàn)松脫的螺栓進(jìn)行報(bào)警提醒，并整體分析動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架螺栓緊固性能狀態(tài)，為動(dòng)車(chē)組高質(zhì)量出庫(kù)、安全運(yùn)行提供更大的保障。

4 RFID標(biāo)簽防松預(yù)警檢測(cè)原理

4.1 RFID技術(shù)簡(jiǎn)介

無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別（RFID，Radio Frequency Identification）技術(shù)，是一種通信技術(shù)，可通過(guò)無(wú)線(xiàn)電訊號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫(xiě)相關(guān)數(shù)據(jù)，而無(wú)需識(shí)別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或光學(xué)接觸。通過(guò)RFID讀寫(xiě)設(shè)備輸出一定強(qiáng)度的無(wú)線(xiàn)電信號(hào)，激活RFID電子標(biāo)簽進(jìn)入采集模式，UHF RFID電子標(biāo)簽返回的有關(guān)狀態(tài)信息。

本方案采用無(wú)源型RFID，其主要技術(shù)特點(diǎn)有：

●辨識(shí)器可同時(shí)辨識(shí)讀取多個(gè)RFID標(biāo)簽;

●RFID標(biāo)簽更可往小型化與多樣形態(tài)發(fā)展，以應(yīng)用于不同產(chǎn)品;

●RFID對(duì)水、油和化學(xué)藥品等物質(zhì)具有很強(qiáng)抵抗性，抗污染能力和耐久性強(qiáng);

●RFID標(biāo)簽則可以重復(fù)地新增、修改、刪除RFID卷標(biāo)內(nèi)儲(chǔ)存的數(shù)據(jù);

●能夠進(jìn)行穿透性通信，能實(shí)現(xiàn)穿透性和無(wú)屏障閱讀;

●數(shù)據(jù)的記憶容量大;

●數(shù)據(jù)內(nèi)容可經(jīng)由密碼保護(hù)，使其內(nèi)容不易被偽造及變?cè)欤踩詮?qiáng)。

4.2 防松檢測(cè)的原理

RFID防松動(dòng)檢測(cè)通過(guò)在既有UHF RFID芯片內(nèi)部嵌入智能控制電路，對(duì)芯片外部獨(dú)有的防松動(dòng)檢測(cè)線(xiàn)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，使該芯片在使用過(guò)程中具防松動(dòng)檢測(cè)功能，并可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的UHF RFID協(xié)議讀取緊固狀態(tài)，可用于本文所涉及螺栓防松動(dòng)檢測(cè)。

同時(shí)，該產(chǎn)品可工作在極低的輸入功率信號(hào)，并提供較大的反射信號(hào)，使標(biāo)簽可以在極低的RF功率下進(jìn)行高速讀寫(xiě)操作。

5 RFID標(biāo)簽設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一種粘貼式防松動(dòng)檢測(cè)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。RFID標(biāo)簽和檢測(cè)線(xiàn)均緊密粘貼在現(xiàn)有螺栓外側(cè)，當(dāng)有螺栓松動(dòng)時(shí)，檢測(cè)線(xiàn)隨即斷裂，而后可通過(guò)RFID的方式讀取檢測(cè)線(xiàn)是否完好達(dá)到判定螺栓是否松動(dòng)的目的。

6 檢測(cè)試驗(yàn)

2019年7月在蘭州西動(dòng)車(chē)所組織了實(shí)車(chē)檢測(cè)試驗(yàn)，試驗(yàn)環(huán)境如下：

試驗(yàn)線(xiàn)路：蘭新客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)。線(xiàn)路途徑4大分區(qū)（部分區(qū)段最大風(fēng)速可達(dá)60m/s），另外還有高海拔、晝夜溫差大、風(fēng)沙大等特點(diǎn);

試驗(yàn)車(chē)型：選取CRH5G作為試驗(yàn)車(chē)型;

試驗(yàn)位置：選取01車(chē)底部主排障器固定螺栓為試驗(yàn)檢測(cè)位置，安裝了6枚防松脫RFID預(yù)警標(biāo)簽，如圖4所示。

經(jīng)過(guò)近1個(gè)月的跟車(chē)測(cè)試，試驗(yàn)里程共計(jì)55178km，從抗強(qiáng)風(fēng)、抗震動(dòng)、抗擊打等全方面驗(yàn)證了產(chǎn)品性能，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。從表信息可以看出：

（1）標(biāo)簽結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可靠，無(wú)破損情況;

（2）標(biāo)簽及檢測(cè)帶粘貼牢固，無(wú)脫落情況;

（3）標(biāo)簽檢測(cè)螺栓狀態(tài)可靠;

（4）軟件讀取標(biāo)簽信息正確;

（5）標(biāo)簽檢測(cè)范圍符合要求，軟件可一次性讀取所有標(biāo)簽信息。

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)在CRH5G型動(dòng)車(chē)組的主排障器上加裝基于RFID技術(shù)的防松動(dòng)檢測(cè)標(biāo)簽，經(jīng)過(guò)30天的檢測(cè)試驗(yàn)，所有標(biāo)簽粘貼牢固，環(huán)境適應(yīng)性好，可在動(dòng)車(chē)組運(yùn)行環(huán)境下保持良好工作性能;標(biāo)簽檢測(cè)信息可靠，能準(zhǔn)確檢測(cè)并傳遞檢測(cè)螺栓的緊固狀態(tài);標(biāo)簽檢測(cè)性能優(yōu)異，作業(yè)者正常通過(guò)檢修地溝，檢測(cè)裝置可一次性檢測(cè)到該位置所有標(biāo)簽狀態(tài)，能夠極大的減少作業(yè)者檢修強(qiáng)度。綜上所述，基于RFID技術(shù)的防松動(dòng)檢測(cè)標(biāo)簽可以作為動(dòng)車(chē)組走行部關(guān)鍵部件螺栓防松預(yù)警的檢測(cè)手段，有較好的推廣應(yīng)用前景，為動(dòng)車(chē)組行車(chē)安全提供有力的技術(shù)支撐。

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