HXN3机车雷达速度反馈异常分析与研究

刘洋,王鹏飞,刘子龙,杜永强

摘要：本文对HXN3机车雷达传感器工作原理进行了简要的介绍，同时说明了机车速度与雷达速度的对应关系。通过对故障雷达传感器检查分析，明确了由于雷达传感器内天线模块设计参数设定错误造成机车静置状态下雷达传感器采集到机车振动产生的多普勒信号，从而错误输出雷达速度。同时，分析验证了该故障对机车运用的影响，并制定了后续处置措施避免故障再次发生。

关键词：雷达传感器；雷达速度；机车速度；天线模块

1 前言

HXN3机车C6修后到段整备时静止状态下自负载测试雷达速度显示0-4.5km/h，通过更换进口雷达和国产雷达（2016年生产）测试，故障消失，再次换回原车雷达时故障复现，对原车雷达进行自测试通过。HXN3机车雷达传感器速度信号参与牵引控制，雷达速度反馈异常存在行车安全隐患，所以明确故障原因，制定后续处置方案是十分迫切的。

2  雷达工作原理

HXN3机车牵引系统的理论基础就是车轮滚动（或滑动）增加地面粘附力的受控量。为了成功地控制好这种车轮的滚动，控制系统必须具备一个有效的地面速度参照物，如果没有这种地面速度参照物，则控制系统将无法在车轮滚动过程中确定出真正的机车速度，而雷达恰好能提供这种地面速度参照物。如果机车控制系统确定雷达发生故障，则控制系统将会以矫正功率的模式来运行，这会使机车的5-8档位扭矩峰值降低大约25%。

SDR02/1a多普勒雷达速度传感器是针对铁路运输需要而研制的一种高精度测速装置。该装置可实现对机车绝对速度、行车距离的检测。它突破了机械传动的信号采集方法，并且克服了传统测速装置对于列车轮径的依赖和车轮相对与路轨滑动所造成的误差。它利用多普勒雷达感应技术，无需传统的机械传动，只要把多普勒测速雷达测速装置安装在机车底部的适当位置，经过简单的调整，在机车运行时能为机车提供实时的机车相对于路面的绝对运行速度，可满足长距离高速机车使用。最终实现了低速稳定、高速可靠、测量精度高、抗干扰能力强等特点。它所发射的无线波对人畜无任何伤害，能满足时速120英里以内的精确测量，输出速度信号可供给机车监控、ATP及其它测速测距单元使用。

3  雷达速度反馈异常原因分析

3.1 雷达传感器天线模块设计参数问题

按修程规定，HXN3机车C6修对原车雷达传感器进行换新处理，换新装车的雷达传感器型号为SDR02/1a。针对雷达速度反馈异常问题，通过组织生产厂家进行分析，并对产品设计变更进行追溯，发现当前的故障雷达、正常雷达以及进口雷达之间都存在差异的有“天线模块”和“内部程序”两项。内部程序基于自主设计的主板CPU开发，主要功能是采集天线模块的中频多普勒信号并计算速度后，通过脉冲输出。“自研程序II”在“自研程序I”的基础上为了解决隧道内平整道床路段高速存在2-3km/h的测速偏差而增加了平滑滤波的算法，使速度输出更加平稳，从理论上讲是降低了雷达速度采集的敏感度，不应该造成机车静止提手柄时有速度输出（且该项变更实施于2015年），故判断雷达速度异常与雷达传感器内安装的天线模块相关。

表1.雷达传感器变更追溯情况

结合机车空载主手柄0-2位和手柄3位以上机车工况的差异，手柄挡位越高，柴油机转速越快（5档位及以上达到最高转速1000rpm），带动机车振动越明显，我们推测在一定的振动频率下会使当前的SDR02/1a雷达传感器输出速度信号。通过对比进口天线、国产天线I和国产天线II的封样，采用同样的主板、同样的内部程序、同样的外壳进行“敲击测试”（即通过敲击雷达天线模块使其产生一定的振动），发现进口天线和国产天线I在敲击测试中，基本没有频率从主板输出；国产天线II在敲击测试中，主板输出了100Hz上下的频率。

图1.进口天线和国产天线I的敲击测试

图2.国产天线Ⅱ的敲击测试

基于上述测试结果分析，确认从2018年开始换型的天线模块存在问题。该型天线模块在设计时为了提升速度信号精度，进行了设计参数调整，但参数调整未考虑低速区（1.6km/h以下，包括静止）的特殊性，天线模块对机车振动产生的多普勒信号未做处理，作为正常信号输出，导致雷达传感器在机车静置提手柄产生较大振动时，发出了异常速度信号。

3.2 雷达速度反馈情况的验证

根据多普勒效应，在机车有速度运行的情况下，由机车振动产生的多普勒信号是比较微弱的（幅值小，频率不恒定），相对于由机车运动时产生的较强多普勒频信号，振动产生的微弱信号不会被天线模块采集到，所以机车有速度运行的情况下天线模块能正确采集和输出速度信号，雷达传感器工作正常。为验证以上分析的准确性，在HXN30038机车（C6修机车，安装的是2018年后生产的雷达）上进行了测试，当机车在静置提手柄时，雷达速度在0～2.3km/h之间跳动；当机车机车速度达到约1.6km/h后，雷达速度不再跳动，一直与机车速度信号（此时来自于牵引电机转速传感器）保持一致，雷达速度信号正常。

3.3 机车速度与雷达速度的关系

HXN3机车微机显示屏上有两个速度显示，分别是“雷达速度”和“机车速度”。雷达速度取自雷达传感器信号即机车与地面的相对速度。机车速度分为以下三种情况，当机车速度小于5km/h时，取牵引电机转速传感器信号；当机车速度大于5km/h且雷达正常时，取雷达传感器信号；当机车速度大于5km/h但雷达故障（无速度反馈）时，取牵引电机转速传感器信号。HXN3机车牵引控制系统运行时采用牵引电机转速传感器和雷达传感器这两种传感器产生的信号。其中，牵引电机转速传感器信号始终参与牵引控制系统运行，而雷达传感器信号在2.4km/h后参与控制，以得到更好黏着控制性能。当雷达故障（无速度反馈）时，牵引控制系统将始终采用牵引电机转速传感器信号，保持机车正常运行。

综上所述，供应商2018年后生产的雷达传感器天线模块设计参数存在问题，导致机车在静置和低速提手柄时输出异常速度信号，当机车速度超过1.6km/h后恢复正常。因雷达速度信号在机车速度高于2.4km/h后才参与牵引系统控制，所以综合来讲，当前C6修机车上装用的雷达传感器，对机车的牵引作业和黏着性能没有任何影响。

4  后续处置措施

根据以上分析和验证，鉴于装用2018年后生产的雷达传感器的HXN3系列机车已正常运用多年，因此建议装用当前速度反馈异常的雷达传感器的C6修HXN3机车暂时维持运用，保证用户正常生产运输需求。同时组织生产厂家对雷达传感器天线模块低速区（尤其静置时）的设计参数进行改进调整，改进后的天线模块装车后已通过“敲击测试”验证及静态试验，后续装车验证考核后结合C6修进行全面整改。

参考文献：

[1]  中车大连机车车辆有限公司.6000马力过渡方案HXN3高原内燃机车检修手册[M].大连：中车大连机车车辆有限公司，2017.

[2]  上海德意达电子电器设备有限公司.SDR02/1a雷达传感器使用手册[M].上海：上海德意达电子电器设备有限公司，2015.

[3]  中车大连机车车辆有限公司.关于C6修HXN3型机车雷达速度反馈异常的说明[M].大连：中车大连机车车辆有限公司，2022.