列控车载设备故障分析及维修技术改进.docx

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列控车载设备故障分析及维修技术改进

列控车载设备故障分析及维修技术改进

摘要:

高速铁路列车运行控制系统（简称列控系统）,是保障行车安全、提高运输效率的安全苛求系统。

因此对列控车载设备建立完善的维修维护技术具有重要意义。

本文是在分析高铁列控车载设备的故障原因的基础上,提出了现行维修过程中的不足,并最终提出了一系列涉及维护维修技术的改进措施。

关键词:

列控维修分析改进

在我国客运专线、高速铁路建设中,列控车载设备占据着十分关键的地位。

健全的设备维修体系,可以及时检查、排除故障,最大限度的降低经济损失,避免造成严重的社会不良影响。

目前,在车载列控设备的维修维护规范方面,我国铁路部门实行的规范多为临时性的,体制问题尚未根本解决。

特别是在维修制度方面,统一的、一刀切的定期维修方式多被采用,列控设备的实际运行情况未被考虑其中,这必将导致一些状态良好的设备出现故障或潜在的故障,进而影响设备原有的可靠性的恢复,以及使设备的故障隐患和故障率大为增加。

此外,为了减少不必要的检修造成的列控车载设备被迫下道的情况出现,因此,对我国目前列控车载设备的维修方式做详细分析和改进日益成为不可忽视的问题。

1列控车载设备故障分析

列控车载设备主要由安全计算机（VC）、应答器信息接收模块（BTM）、轨道电路信息接收模块（STM）、速度传感器、列车接口单元（TIU）、人机界面（DMI）、运行记录单元（DRU）、轨道电路信息接收天线、应答器信息接收天线等部件组成,如图1所示为CTCS-2级列控系统结构图。

车载设备通过通信信道将地面传来的信号进行处理,形成列车速度控制数据及列车制动模式,监督和控制列车安全运行,因此对列车车载设备进行故障分析及诊断就显的尤为重要。

在实际运用中,由于运行环境的复杂多样,列控设备遇到的故障也是层出不穷,所以根据列控车载设备的机械和电器特性的不同,按照引起故障的原因将这些设备分为以下三类。

（1）机械类设备,包括轨道电路信息接受天线、应答器接受信息天线、速度传感器的保护钢套和连接电缆等,它们的故障通常是由于腐蚀、磨损、蠕变和疲劳损伤等引起的。

（2）电路板类设备,包括VC内部的主板和集成电路、STM和BTM的内部电路板、各类传感器中的电子元件和传感线圈、TIU和DRU内部的电子元件等。

它们的故障通常是由电子元件的各种逻辑故障和非逻辑故障引起的。

（3）软件设备,主要是指安全计算机内的相关软件系统,其故障通常是由列控系统软件缺陷引起的。

下面就根据实际运用中发现的故障情况分别分析各类设备的故障原因。

1.1机械类故障

腐蚀、磨损、老化、疲劳、蠕变等外在原因常常使设备偏离其设计状态并最终丧失部分或全部功能,这些外在原因也可以说是造成机械类设备故障的主要原因。

如,设备的磨损是逐步产生的,设备的性能也是逐渐恶化的,结构参数也是缓慢变化的,所以在实际使用中不容易被发现。

使用时间的延长会加剧设备性能恶化的程度,加之机械性故障具有潜在性、不可逆性、不确定性、复杂性以及发展性的特点,这些都会再在无形中对列控车载设备的安全、可靠方面增添不利因素。

虽然通过润滑、调整、清洁等方法可以减缓或消除部分故障的发展,但此时设备结构参数和故障的判断的标准已经发生了变化,维修不能使设备的性能恢复到出厂时的良好状态。

1.2电路板级故障

通常来说,设备自身不完善的设计或物理原因是造成电路板故障的主要原因。

在很大程度上,亚稳触发或竞争冒险等问题是由不完善的设计所造成的。

尽管大部分设计故障在印制电路板的设计阶段就能通过逻辑验证来消除,但不能完全排除某些设计故障进入生产阶段。

物理原因造成的故障,多是由于电路板的物理结构或者电子元器件的电气性能参数改变引起的,包括由制造环节引入的物理故障（例如元器件安装错误、焊接不当造成的地线、信号线、电源线的开路或短路等）和外界环境造成的物理故障（例如搁置时间过长、温度变化剧烈、大幅度振动、强光、电、辐射干扰等产生的故障）。

1.3列控软件故障

列控软件的故障或错误通常是由于软件研发过程中程序结构错误（程序控制顺序有误）、软件实现和编码错误（编码错误、语法错误、与编码标准不符、程序逻辑不当等）、软件模块间的集成错误（程序的对内对外接口定义有误、程序各模块间的数据交换和时间配合不协调等）、软件系统结构错误（操作系统调用错误或引用环境错误）和测试定义与测试执行错误（测试方案错误、测试用例不典型）等导致的一些疏忽性错误、实际运行错误、清晰（或模糊）错误、速度错误和能力错误。

列控软件在使用过程中会碰到各种类型的软件故障,这些故障的灵活性都很强。

2列控车载设备的维修技术改进

目前我国高铁列控系统的维修制度都是按照设备生产厂家提供的修程修制定期对设备进行检修,但遵循这种统一的方式去检修显然存在一些弊端。

（1）未能充分考虑到各设备的实际健康状况。

造成多数设备维修过剩,少数设备维修不足,这样既增加了不必要的工作量,也可能会增加设备的潜在故障。

（2）铁路运用所缺乏维修能力。

目前我国运用所只能进行最基本的一级出入库检修和二级月检修,三级修及以上级别的检修维护都要交给设备生产厂家进行检修。

（3）不能对列控车载设备的运行状态进行全面监测。

目前的检测系统仅能获得少量的实时检测数据,对列控车载设备运行状态监测力度明显不足。

（4）列控软件在交付使用后,因开发测试时的不彻底、不完全性,会有部分隐藏的错误遗留到运行阶段,造成巨大的安全隐患。

同时软件在使用过程中,不能随着其外部环境（如硬、软件配置等）、数据环境（数据库、数据格式、数据存储介质等）的变化进行相应的升级更新。

通过上述四点可知,我国铁路需在当前列控设备维修维护方式的基础上对当前的维修维护方式进行改进,使修程修制更科学,更合理。

通过对国外高速铁路列控设备维修技术及标准和航空航天、军事等领域等先进装备维修技术的研究,吸收先进的、成熟的方法和技术,在此基础上提出列控车载设备的一系列维修技术改进措施。

2.1机械类设备维修技术改进

列控车载系统机械类设备维护技术应当结合现代先进的维修技术,将表面工程技术引入列控设备维修领域,最大限度的保持和恢复设备良好工作状态,实现设备维修的快速化、自动化和智能化。

（1）纳米固体润滑干膜技术。

该技术是在固体润滑干膜中添加润滑和抗磨作用的纳米粒子,能够在常规油脂不宜使用的特殊环境下实现有效润滑,改善固体润滑干膜的耐磨和润滑性能。

该技术最显著的优点就是不需要改变部件尺寸就可以用到几乎所有摩擦部件上,具有良好的减磨、耐磨和防腐性能。

（2）高速电弧喷涂技术。

该技术采用多种喷涂材料（如防滑涂层、防腐涂层、耐磨涂层等）,以电弧为热源,快速修复和强化磨损零部件。

其主要用于损伤表面涂层的制备,装备结构件的防腐、防滑、电磁屏蔽等。

（3）划伤快速填补技术。

该技术是利用专用材料和微区脉冲点焊设备等对列控车载设备零部件的损伤部件进行快速修复。

该技术能对特型表面棱边损伤、沟槽和非均匀磨损等进行快速修复。

（4）耐磨修补技术。

该技术可以对列控车载设备零部件的腐蚀、划伤、磨损等进行快速修复。

这项技术采用的金属修补剂是以金属、陶瓷材料、合金、减磨材料等作为增强材料的聚合物复合材料,这些材料具有优异的力学性能、摩擦学性能和机械性能,固化后可进行各类机械加工,能够用于修复摩擦磨损情况下的设备和零部件,耐磨性是一般金属的2～8倍,而且可以任意成型。

除此之外,还有结构贴片修复技术、纳米颗粒复合电刷镀技术、纳米减磨与原位动态自修复技术等,根据列控车载设备的具体性能指标、使用情况和经济成本等综合考虑选用其中的一种或多种技术,提高列控车载设备的安全性、可靠性,维修的高效性、准确性。

2.2电子类设备的维修技术改进

高铁列控车载设备中的电子设备通常是由成百上千个元器件组成,对故障的排除采用逐个检查元器件的方法显然是行不通的,因此必须提出一种可行的电子设备故障检测技术或方法。

由于电子类设备的故障种类繁多,有些故障仅从表面观察就能够发现原因,有些故障需要多次检查才能发现原因,而有些故障需要借助专门的检测仪器仪表才能发现,为此需要开发出专门的维护测试分析仪。

维护测试分析仪应能实现设备的各项性能检测,包括检测电路板的安装故障和连接故障检测,以及设计故障和元器件故障检测等,包括在线功能测试,电容感应式测试,红外焊点检查,针床式在线测试,光学成像检测等设备,将电子设备中的设计错误、元件失效、安装错误以及接线的开路短路等故障如实反映,同时对电路板的故障分布能进行统计汇总。

电路板的制造缺陷是导致其故障的主要原因,而维护测试分析仪可以直接描述其故障特征,给故障的定位带来了方便,也为铁路相关人员的分析和统计各种故障的原因和数量提供方便。

利用这些统计数据可以方便的估计电路板的各种故障分布,为电路板检测策略和制度的优化提供依据,便于电路板维修。

表1列出了维护测试分析仪实现的部分检测内容。

采用维护测试分析仪可以实现对于电子设备的故障分析排除,而对电子设备的维护还可采用电子设备快速清洗技术。

它可以对设备进行不拆卸清洗,仅用喷雾清洗剂（该喷剂能提导电部位的导电性和绝缘部位的绝缘性）就能完成电子设备保养,非常适合电子设备的现场维修保养。

该技术能够对电子设备在带电状态下进行原位清洗,操作方便简单、快捷高效,在紧急状态下能发挥重要作用。

除此之外,还可以结合常用的直接观察法、测量电压法、信号注入法和替换比较法实现电子设备的故障准确定位。

在实际维修过程中应根据具体故障情况灵活采用某种方法或综合采用集中方法诊断故障、维修设备,提高维修维护的高效性和准确性。

2.3列控车载设备软件维护技术改进

高速铁路列控车载设备大量采用软件系统控制列车超速防护和自动驾驶等。

由于列控软件是保证列车安全运行的核心,所以对列控软件的维护操作流程要求比其他领域的软件维护更为严格。

所以在列控软件交付使用后,必须实现错误纠正、功能扩充、性能改进等功能。

（1）错误纠正。

主要是识别和纠正一些隐蔽的软件错误,包括设计错误,编码错误和文档错误等,能尽最大可能识别和纠正软件中隐藏的错误、改正软件性能上的缺陷、排除实施中的误使用。

（2）功能扩充。

为了使软件产品适应运行环境的变化（如C2、C3间的切换）,有必要对软件部分进行相应的修改。

当外界环境（如硬软件配置、数据库、数据格式、数据存储介质、数据输入输出方式等）发生变化后,通过适应性维护能使软件正常运行。

（3）性能改进。

为满足用户在列控设备使用过程中出现的新需求,能够修改和再开发软件,以扩充软件功能、增强软件性能,需要对软件进行扩充和完善。

（4）为了提高软件的可维护性、可靠性、安全性,以及为以后进一步改进软件打下良好基础也需要对软件做预防性维护。

3结语

根据高铁列控车载设备中的故障分析及改进措施,以及各种设备在不同阶段的状态建立适合于各自需要的修程修制,最大限度的降低甚至消除过剩修,对确定故障源、维修技术和方法准备了条件,也为后期建立电子设备故障诊断系统奠定了基础。

同时还可以减小维修技术不足,使设备的修程修制更加科学和合理。

参考文献

[1]王青亮,张杰.列控车载设备故障模型分析及探讨[J].工业技术,2011,21:

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[2]许客亮.高速铁路综合维修必要性分析及方案建议[J].铁道勘察,2010,3:

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[3]铁道部.客运专线CTCS-3级列控车载设备人机界面（DMI）显示规范（V0.5）[S],2008，10.