一种基于列车转向架电化学侵蚀监测的回流动态调控方法

1.本发明属于电气化轨道交通领域，具体涉及一种基于列车转向架电化学侵蚀监测的回流动态调控方法。


背景技术：

2.作为轨道交通列车上最为重要的支撑部件，转向架通过空气弹簧支撑起车体。动车车厢的转向架还搭载了牵引电机，并在电机与轮对轴承间设置了齿轮箱等传动装置；此外还设置了速度传感器等弱电设备。但是，转向架又是由特种钢材锻造而成，虽然在一些关键设备之间设有绝缘层(涂有绝缘漆)，但是列车长期动态运行过程中，绝缘层的老化破损，会导致转向架与其搭载的关键电气、机械设备之间存在电气连接，如若长期有电流流经转向架及其搭载的关键设备，势必会造成设备严重电化学腐蚀。
3.随着负载能力和运营速度的上升，运行电流在不断上升，安全也面临着更大的挑战。在供电回路中，牵引电流从变压器一次侧通过碳刷、工作接地轮轴流入钢轨，而保证车体电位不过高的保护接地也将钢轨作为电流回流路径。但是由于车体阻抗明显小于钢轨阻抗，牵引电流极易从保护接地轮对重新流入车体以及电机外壳。另外，在电流泄放的过程中，转向架虽然与轮轴和车体在理论上实现了电气绝缘，但是在实际使用中，由于绝缘介质两端因零点漂移产生的电压差，在其表面不断产生小电流，同时，转向架外壳又从横、纵向将电流传导到其他位置，使得介质与外壳表面温度不断升高，最终导致相应位置发生电化学腐蚀的概率升高。上述两个问题明显影响了转向架外壳、轴承、电机以及接地碳刷的寿命。若不及时安排检修与维护，会导致电力设备损坏、机械结构受损等危害，严重影响电气化铁路的安全运营。
4.中国现投入运营的车载监测系统仅仅监测车体电流、电压，未涉及转向架及其装载的设备上流经的电流。但是，在实际运行过程中，转向架表面和电机外壳的电流越来越难以忽略。另外，转向架复杂的结构给实验测量带来了很大的困难。而在装设监测系统后，操作员可在列车上实时测量、记录转向架及其装载设备的电流情况，也为后续对转向架的耦合回流机理的研究提供了更快捷、准确的途径。
5.虽然工作接地轮轴与保护接地轮轴共用两条钢轨泄流的方法能让各轴电流分布更加均匀，但是这却是牵引电流从保护接地轴窜上车体的根本原因。针对这个问题，在列车接地电流因部分工况变大时，可以通过调整接地布局来解决，暂时让工作接地轮轴与保护接地轮轴分别使用独立的钢轨泄放电流，以减小甚至消除牵引电流选择转向架、车体作为回流路径的可能性。而调整接地装置到接地端子之间的外接电阻器，能在不影响转向架电流的同时，降低从接地装置流至电气、传动设备的电流电压。上述两种自适应调控方法均实现了延长转向架上电气设备、传动装置的寿命目的。


技术实现要素：

6.为解决无法测量电力机车转向架各方向上电流及其装载设备电流电压的问题，以
及如何在合适时机采取精准的抑制措施等问题。本发明提供了一种基于列车转向架电化学侵蚀监测的回流动态调控方法。
7.本发明的一种基于列车转向架电化学侵蚀监测的回流动态调控方法，在转向架的横向、纵向、径向上均安装电流电压监测系统的转向架电流传感器，在电机外壳、轴承上安装电流电压监测系统的电机外壳、轴承电流电压传感器，上述传感器均实时监测电流、电压并将数据传输至位于主控室的主控平台。
8.主控平台包括信号处理模块、比较分析模块、存储模块、人机互动面板。人机互动面板包含允许使用者向主控平台输入命令的操作按钮、能够清楚目前采用接地布局以及能将转向架各处实时电流、电压数值可视化的液晶显示屏、用于导入系统内容和下载测量数据的usb接口。人机互动模块的操作按钮不仅包含开机键，还有切换数据波形显示模式、查看峰值菜单功能，允许操作者清楚高效地观察特定波形或者对不同位置的电流、电压进行对比。
9.接着，主控平台中的信号处理模块处理、整合所有转向架测得的数据，人机互动模块显示处理后的数据，存储模块则负责保存测得的数据以及电流电压对照表，比较分析模块将处理好的数据与数字孪生模型生成的仿真数据进行快速对照比较，并生成指令传输给接地点切换与接地阻抗调节系统。
10.为了获得当前时刻最优的外界电阻器阻抗值以及电流电压为何值时应该调整接地布局，本发明对转向架物理实体的机械结构与电流路径进行分析并根据物理空间的固有参数搭建初步“车体—转向架—钢轨”数字孪生体，再依照实际工况中的各个测点的电流电压信息对模型进行训练。经过反复训练后的孪生模型能产生与实际电流数据具有高度相关性的一系列孪生数据，利用该数据便可进一步服务于对接地布局与阻抗的选择，获得转向架不同电流电压情况下的最优接地布局和最优阻抗值，再由操作者将数据通过usb接口输入主控平台，比较分析模块将依此来输出指令。数字孪生模型在搭建时，需要对转向架物理实体的机械结构和电流路径进行分析处理，综合物理空间的固有参数搭建初步数字孪生体。接着，选取多组实际测得的电流、电压数据对模型进行反复训练，经过训练后获得与物理实体高度匹配的数字孪生模型。然后，基于该模型，获得对应所有工况的最优接地点布局方式与接地阻抗，形成准确的电流电压对照表。并且，在系统投入运行后，依照本系统监测所得数据以及列车检查维护数据进一步对数字孪生模型进行训练，让模型更完善的同时提升调控方法的可靠性与有效性。
11.主控平台的指令会传输给接地点切换与接地阻抗调节系统，而该系统包含针对转向架电流增大的接地布局切换模块和针对电气与传动设备电流电压过大的接地阻抗调节模块。接地点切换模块装设在动车接地端子与接地线缆之间，并且通过切换接地布局来降低流经转向架的电流。接地阻抗调节模块则装载于接地装置下方，通过调节动车接地装置与接地端子之间外接接地电阻器的电阻来降低电机外壳与轴承上的电流、电压。
12.在列车运行前，按下安装于主控平台上的开机键，系统会执行开机、自检流程，如果系统在运行过程中崩溃，使用开机键重启；自检完成后，转向架电流传感器与电机外壳、轴承电流电压传感器都将信号传输给信号处理模块；接着，信号处理模块将对信号进行放大、滤波、模数转化操作，并且在液晶显示屏上实时显示各处电流电压数据；接着，通过系统内部的传输线将处理结果传输给比较分析模块进行处理。
13.当转向架电流因某些工况过大时，比较分析模块在得出转向架电流过大的结论后，会将指令传入至接地切换模块。通过控制接地线缆与左右侧接地端子的接触，接地点切换模块完成接地布局的转换，从而降低通过保护接地轴窜上转向机和车体的牵引电流。
14.若比较分析模块得到电机外壳或者轴承电流电压异常的结论，会将指令传入阻抗调节模块。此时，阻抗调节模块通过增大动车接地装置与接地端子之间的外接电阻器的电阻，实现抑制轴承电压以及降低动车转向架上各处电流的效果。
15.具体监测、优化电流的过程为：与地面固定接地方式不同，接触网与列车和列车与钢轨之间的阻抗会由于火车和铁轨之间发生的相对运动而发生瞬态变化。因此，保护接地电流也是在实时变化中。基于该情况，电流、电压监测系统会实时监测转向架及其装载设备的电流值，并将其通过信号线传输给位于主控室的主控平台。主控平台收到后，会先由信号处理模块对其进行放大、滤波以及模数转化。比较分析模块将数值与设定值进行比较、分析后，会得出结论并向接地点切换与接地阻抗调节系统发出是否进行调整的指令。
16.如果转向架电流过高，接地布局切换模块在收到对应信号后，会将接地布局切换为保护接地与工作接地分别使用不同的钢轨的方式，窜上车体的牵引电流会因此下降。而当电流下降后，主控平台的比较分析模块会将恢复原接地布局的指令传输给接地布局切换模块，因此该模块又会恢复保护接地轴与工作接地轴交错分布的方式，以此保证车体电流的平均度。
17.当工作接地端子与接地装置之间的外接电阻器阻抗与当前电机外壳电流电压的最优值不匹配时，主控平台则会及时将指令传达给阻抗调节模块。为了降低轴承上的电压，降低轴承上出现小电流的概率，减少甚至避免轴承上出现电化学腐蚀现象，阻抗调节模块将会调整在接地装置至工作接地轮轴之间外接电阻器的阻抗。当电机外壳电流以及轴承电压降低之后，再恢复被调整的阻抗，避免因增大阻抗导致长时间的车体电位过高，影响车载牵引设备的使用。
18.本发明与现有技术和装置相比的有益技术效果是：
19.1、在转向架的各个方向的特定点及其装载的电机上装设了电流、电压监测系统，在列车运行过程中，能够对每个转向架外壳在各个方向上的电流以及动车转向架上搭载的电气传动设备上的电流实时监测，同时通过信号线还能将电流电压数据完整、迅速地汇总至主控平台。
20.2、主控平台能将测得的参数进行准确的分析，并快速地给出基于目前转向架电流电压情况的最优化指令。除此之外，操作者在主控室能通过液晶显示屏实时观察、通过usb接口下载记录在存储模块的电流测量数据。既给本发明基于电流电压监测结果进行实时调节提供了技术基础，又极大程度地给后续其他研究工作者更深入的现场测试提供了便利。
21.3、本发明在转向架上还安装了接地点切换与接地阻抗调节系统，这套设备的接地点切换模块能根据主控模块的指令，在转向架上调整接地布局，可有效降低保护接地轴的电流，实现保护转向架、延长转向架外壳及其搭载装置使用寿命的目的。而阻抗调节模块则是能够根据实际电流、电压情况，实时调整接地装置与接地轮轴之间的电阻，既能降低电机外壳上的电流与轴承上的电压，减少轴承上小击穿电流的产生频率，又能避免因车体电位长时间过高影响诸如变流器、变压器等装设在车体上的重要牵引设备以及接地线缆和信号线，提高了转向架系统的安全、可靠性。
22.4、本发明在接地点布局方式和阻抗的实时选择上使用了基于“车体—转向架—钢轨”数字孪生模型生成的电流电压对照表。由于搭建的数字孪生模型能够清楚反映出实际转向架的各项参数，在与实际数据对照匹配后能准确给出最优的处理方案。另外，“车体—转向架—钢轨”数字孪生在产品生命周期管理中起到的作用并不局限于实时监测优化，还能与之后转向架机械机构和电流路径的设计与深入研究进行多尺度的数据交互。
附图说明
23.图1为整体回流系统电流图。
24.图2为电流、电压监测系统安装位置图。
25.图3为接地综合调整系统分布图。
26.图4为系统逻辑流程图。
27.图5为主控平台人机互动模块、内部示意图。
28.图6为数字孪生介绍图。
29.附图标号及释义：
30.1-接触网；2-受电弓；3-变压器一次侧电缆；4-车顶电缆；5-工作接地端子；6-保护接地端子；7-钢轨；8-牵引变电所；9-车体；10-接地线缆；11-接地装置；12-转向架；13-电机外壳；14-轴承；15-轴箱；16-主控平台；17、18、19、20、21、22、23、24-转向架电流传感器；25、26、27、28-电机外壳、轴承电流电压传感器；29-人机互动模块；30-信号处理模块；31-比较分析模块；32-存储模块；33-操作按钮；34-usb接口；35-液晶显示屏；36-初步数字孪生体；37-数字孪生模型；38、39-接地点切换模块；40-阻抗调节模块；41-接地端子。
具体实施方式
31.下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细说明。
32.本发明对应的牵引供电系统如图1所示，其中包括传输电能的接触网1、从接触网获流的受电弓2、变压器一次侧电缆3、传输电流的车顶电缆4、用于泄放牵引电流的工作接地端子5、用于保证车体电位不过高的保护接地端子6、用于提供回流途径的钢轨7，最终电流由钢轨流回牵引变电所8。
33.由于车体9的阻抗小于钢轨7阻抗，因此在上述回流过程中，本应从钢轨返回牵引变电所8的电流会流经车体9。详细过程为:牵引电流从工作接地端子5释放后，从保护接地端子6经接地线缆10下半部分流入接地装置11，再由接地线缆10上半部分流回车体。而在电流流经接地装置11与接地端子41时均会有一部分窜入转向架12以及电机外壳13，导致转向架12更容易发生电腐蚀、轴承14电压变大。而当轴承14电压长期过大时，会劣化或者破坏轴箱15的绝缘，形成轴承电流。
34.本发明的电流电压监测系统在转向架12上的安装布局如图2所示，转向架转向架电流传感器17-24安装在每一个转向架12的三个方向上，能够实时监测电流并且将信号通过信号电缆传回主控平台16。而电机外壳、轴承电流电压传感器25-28则安装在电机外壳13与轴承14外表面，均可将信号传输给主控平台16。
35.主控平台16的人机互动模块29与内部结构如图5所示，主控平台16内部分为信号处理模块30、比较分析模块31、存储模块32，在信号传输入主控平台16后，先由信号处理模
块30对各个转向架上的电压电流数据进行放大、滤波、模数转化，再在系统内部将转化后的信号传送给比较分析模块31。得出结论后，比较分析模块31会将对应指令传输至接地综合调整系统。而操作按钮33安装在人机互动模块右侧，允许使用者进行开机、切换显示模式、求信号峰值等操作。另外，使用者可以使用usb接口34来上传或者下载暂存于主控平台16的存储模块32中的数据。操作界面的其他部分为液晶显示屏35，在上面可以清楚看到实时监测的数据以及接地综合调整系统的当前状态。系统运行逻辑如上图4所示。
36.数字孪生与物理实体的关系图如图6所示，首先需要根据物理实体搭建初步数字孪生体36，再通过反复的训练完善优化得到与物理实体具有高度相关性的数字孪生模型37。使用该模型反复运算可以得到精准的电流电压对照表，能够给予转向架12的接地点布局方式优化以及阻抗调节提供精确实时的参考；同时，在实际测量中得到的数据也能反过来用于进一步提升模型的准确性。另外，数字孪生模型37在后续转向架12的设计生产中也能提供关键参考，优化转向架自身的机械结构和电流导通路径。
37.接地点切换与接地阻抗调节系统安装示意图如图3所示，当列车因过吸上线或者其他原因致使转向架外壳电流增大时，比较分析模块31会迅速得出转向架12外壳电流过大的结论，并将切换布局的指令传输给接地点切换模块38-39。此时安装在接地端子41附近的接地点切换模块38-39会将保护接地的接地轴统一调整至钢轨一侧，而工作接地的接地轴则会被设置成另一侧。调整后，由于保护接地轴与工作接地轴不在钢轨同一侧，工作接地轴泄出的牵引电流便会直接从钢轨7返回牵引变电所8，而无法从保护接地轴返回车体9、转向架12，从而降低了转向架12上的电流，减少了甚至消除了电腐蚀对其外壳的影响。而当电流变小时，比较分析模块31同样会给出指令，恢复至原来的接地布局从而保证接地电流的均匀度。
38.而当某个转向架上的电机外壳13电流或者轴承14电压过大时，分析比较模块31也能根据实时监测到的数据分析得到需要调节某个转向架的接地轴的接地装置11与接地端子41之间电阻器的结论，并将指令传输给阻抗调节模块40，在接地装置11与接地端子41之间的阻抗调整后，从接地轴窜上的电机外壳13与轴承14的电流将被抑制，从而延长了转向架上电气与传动设备的寿命。与上一个模块相同的是，如果电机外壳13与轴承14的电流电压恢复至正常值，外接电阻器的阻抗也会被阻抗调节模块40恢复，保证车体9电位不会长时间过高，影响其他重要车载设备的正常工作。
39.本发明提出的一种基于列车转向架电化学侵蚀状态监测的接地回流动态调控方法，通过实时监测转向架及其搭载的电机外壳、轴承电流电压，有效帮助操作者观察以及后续研究转向架的回流情况，并通过切换接地布局适时降低了因钢轨回流而流过转向架的牵引电流，通过调整接地装置与接地端子之间的电阻针对性降低了流过特定转向架上的电机外壳与轴承的电流、电压，延长了转向架整体使用寿命，保证了列车运行的稳定性与可靠性。