王冬冬

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 金屬及化學(xué)研究所， 北京 100081)

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基于加速度傳感器的一種輪緣潤(rùn)滑控制策略研究

王冬冬

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 金屬及化學(xué)研究所， 北京 100081)

為實(shí)現(xiàn)輪緣與鋼軌之間的優(yōu)化潤(rùn)滑，華寶輪緣潤(rùn)滑提出一種控制策略，即在定時(shí)噴脂基礎(chǔ)上，通過(guò)檢測(cè)機(jī)車車體橫向振動(dòng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)在曲線線路上選擇性的單側(cè)加量噴脂潤(rùn)滑，為了驗(yàn)證該控制策略的有效性，設(shè)計(jì)了一套機(jī)車振動(dòng)信號(hào)采集裝置。本采集裝置以微處理器C8051F020為控制核心，以鋰電池供電，通過(guò)加速度傳感器ADXL203檢測(cè)機(jī)車振動(dòng)信號(hào)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于Micro SD卡中。裝車試驗(yàn)后的數(shù)據(jù)分析表明：通過(guò)檢測(cè)基于加速度傳感器的機(jī)車車體振動(dòng)信號(hào)可以識(shí)別曲線線路，并可實(shí)現(xiàn)有選擇性的單側(cè)加量噴脂潤(rùn)滑。

輪緣潤(rùn)滑; 機(jī)車振動(dòng); 加速度傳感器; MicroSD卡

近年來(lái)鐵路運(yùn)輸不斷發(fā)展，提速重載機(jī)車逐漸成為貨運(yùn)主力，隨著軸重增加，運(yùn)行速度穩(wěn)步提高，行車密度加大，機(jī)車運(yùn)用效率不斷提高，其輪軌磨耗也日益突出[1]。列車用輪軌潤(rùn)滑裝置可以明顯減少這種磨損, 大大延長(zhǎng)車輪和鋼軌的使用壽命, 減少能源的不必要損耗, 減少機(jī)車車輛和線路維修工作。華寶輪緣潤(rùn)滑提出一種控制策略：在定時(shí)噴脂的基礎(chǔ)上，通過(guò)檢測(cè)基于加速度傳感器的機(jī)車車體橫向振動(dòng)信號(hào)，能夠?qū)崿F(xiàn)在曲線線路上有選擇性的單側(cè)加量噴脂。該控制策略的實(shí)現(xiàn)將優(yōu)化現(xiàn)有的控制模式，使輪緣與鋼軌的減磨效果更好。該控制策略的詳細(xì)描述為：當(dāng)機(jī)車運(yùn)行在直線線路時(shí)為定時(shí)噴脂；當(dāng)機(jī)車運(yùn)行在曲線線路時(shí)，由于速度與線路超高不匹配，或?yàn)檫^(guò)超高或?yàn)榍烦哌\(yùn)行時(shí)機(jī)車單側(cè)車輪磨耗嚴(yán)重，此時(shí)應(yīng)為單側(cè)加量噴脂模式；當(dāng)機(jī)車運(yùn)行在曲線線路時(shí)，速度與線路超高匹配，此時(shí)仍為定時(shí)噴脂。為了驗(yàn)證該控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)，設(shè)計(jì)了一套機(jī)車振動(dòng)信號(hào)采集裝置，后續(xù)的數(shù)據(jù)分析也說(shuō)明了基于加速度傳感器的機(jī)車車體振動(dòng)信號(hào)能夠識(shí)別曲線線路，并能實(shí)現(xiàn)有選擇性的單側(cè)加量噴脂。

1 采集裝置硬件設(shè)計(jì)

1.1 裝置組成與結(jié)構(gòu)

本裝置由加速度傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、主控制器及A/D轉(zhuǎn)換模塊、Micro SD存儲(chǔ)電路、同步時(shí)鐘電路及電源管理模塊組成，裝置結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

其中C8051F020作為裝置主控制器，其內(nèi)部集成了I2C、SPI、12位A/D轉(zhuǎn)換器、4個(gè)可位尋址的I/O口以及25MPIS的最高速度，使C8051F020完全勝任數(shù)據(jù)采集的操作。

采用加速度傳感器ADXL203來(lái)檢測(cè)機(jī)車振動(dòng)信號(hào)，且ADXL203為兩軸加速度傳感器，可分別測(cè)量機(jī)車的縱向和橫向振動(dòng)信號(hào)，縱向振動(dòng)信號(hào)用于判斷機(jī)車運(yùn)行和停止工況，橫向振動(dòng)信號(hào)用于實(shí)現(xiàn)輪緣潤(rùn)滑控制策略。傳感器的量程為±1.7g，精度為1 mg。ADXL203采用先進(jìn)的MEMS技術(shù), 由一個(gè)利用表面微機(jī)械加工的多晶體硅機(jī)構(gòu)和一個(gè)差動(dòng)電容器組成[2]。在加速度的作用下, 多晶體硅結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生偏移, 于是就會(huì)拉動(dòng)電容的運(yùn)動(dòng)極板滑動(dòng)使電容值發(fā)生變化, 最終導(dǎo)致輸出電壓變化, 利用這個(gè)原理, 就可以通過(guò)差動(dòng)電容檢測(cè)到加速度的變化, 加速度值與輸出電壓成正比。

ADXL203既可以測(cè)量靜態(tài)加速度, 也可以測(cè)量動(dòng)態(tài)加速度, 其最小帶寬為 0.5 Hz, 最大帶寬可以達(dá)到2 500 Hz, 其滿足下面的關(guān)系式:

(1)

式中Rf為集成在芯片內(nèi)部為 32 kΩ的電阻;Cf為濾波器電容。由于列車橫向振動(dòng)能量主要集中在低頻段1～10 Hz[3]，故本系統(tǒng)的采樣帶寬選擇為50 Hz，由式(1)計(jì)算得到濾波電容值Cf=0.1 μF。

為了便于離線數(shù)據(jù)分析，采樣數(shù)據(jù)每隔1 min添加1次時(shí)間分鐘數(shù)值，裝置需要時(shí)鐘芯片，DS1302是DALLAS公司生產(chǎn)的一種具有涓細(xì)電流充電能力的低功耗實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，其內(nèi)部有一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘、日歷和31字節(jié)的靜態(tài)RAM，可對(duì)年、月、日、周、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，且具有閏年補(bǔ)償?shù)榷喾N功能，為該采集裝置的數(shù)據(jù)提供準(zhǔn)確可靠的時(shí)間參數(shù)。

電源轉(zhuǎn)換電路能夠?qū)崿F(xiàn)由鋰電池提供的12 V電壓轉(zhuǎn)換成其它器件所需的3.3 V和5 V電壓，發(fā)光二極管用來(lái)顯示裝置運(yùn)行過(guò)程中的各種狀態(tài)，用來(lái)判斷裝置是否正常運(yùn)行。

下面重點(diǎn)介紹信號(hào)調(diào)理電路和Micro SD存儲(chǔ)電路。

圖1 機(jī)車振動(dòng)信號(hào)采集裝置結(jié)構(gòu)框圖

1.2 信號(hào)調(diào)理電路

信號(hào)調(diào)理電路原理圖如圖2所示，主要作用是對(duì)傳感器輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行放大、濾波等處理，以獲取用戶所需并能滿足A/D 轉(zhuǎn)換芯片要求的信號(hào)。由于加速度傳感器輸出的模擬電壓信號(hào)最高可到4.2 V，已經(jīng)超過(guò)C8051F020的A/D輸入電壓要求，故采用由電壓跟隨器配合電阻分壓電路組成的信號(hào)調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)A/D采樣。電壓跟隨器可以解決由傳感器到A/D采樣的阻抗匹配問(wèn)題，提高A/D驅(qū)動(dòng)能力。在分壓電阻的選擇上，設(shè)計(jì)中選擇了1MΩ的大電阻進(jìn)行分壓，這樣做的好處也是為了提高系統(tǒng)的輸入阻抗，減小由于輸入阻抗過(guò)低對(duì)加速度信號(hào)的影響。

圖2 信號(hào)調(diào)理電路

1.3 Micro SD存儲(chǔ)電路

由于采樣裝置安裝在機(jī)車上，振動(dòng)能量較強(qiáng)，也為了節(jié)省電路板空間，選用質(zhì)量較輕，體積較小的MicroSD作為存儲(chǔ)介質(zhì)。MicroSD卡支持兩種通信模式，分別是SD模式與SPI模式。由于所選控制器C8051F020具有SPI硬件接口，支持SPI模式，只需要簡(jiǎn)單配置軟件參數(shù)就可實(shí)現(xiàn)與MicroSD卡進(jìn)行通信。

MicroSD卡與C8051F020硬件接口電路如圖3所示，在SPI模式下通信共需要連接4根信號(hào)線，分別連接：同步時(shí)鐘信號(hào)CLK與P0.0、信號(hào)輸出MISO與P0.1、信號(hào)輸入MOSI與P0.2、片選信號(hào)線CD/DA與P0.3。3.3V的工作電壓與單片機(jī)供電電壓兼容。為了提高M(jìn)icroSD卡讀寫數(shù)據(jù)時(shí)的可靠性，在盡量靠近SD卡的供電電源引腳處使用0.1 μF去耦電容；第一引腳和第八引腳通過(guò)10 kΩ上拉電阻與電源相連。

圖3 Micro SD卡接口電路

2 軟件設(shè)計(jì)

采樣裝置的軟件采用C語(yǔ)言編程，模塊式設(shè)計(jì)，主要有主循環(huán)程序，AD采樣程序，SD卡讀寫程序，時(shí)鐘讀取程序，fat文件系統(tǒng)程序等。為保證數(shù)據(jù)精度，設(shè)定該采集裝置兩個(gè)通道(橫向與縱向振動(dòng)信號(hào))的采樣頻率為500 Hz，是加速度傳感器有效數(shù)據(jù)帶寬的10倍。

2.1 軟件主程序

該采集裝置的軟件流程圖如圖4所示，初始化程序先對(duì)處理器的時(shí)鐘，SPI通信，ADC采樣及I/O端口進(jìn)行設(shè)置，ADC采用定時(shí)器3中斷的方式進(jìn)行采樣，定時(shí)器3的特殊功能寄存器設(shè)定值如下所示：

TMR3CN=0X06;∥允許定時(shí)器3，且使用系統(tǒng)時(shí)鐘

TMR3RLL = 0X34;∥定時(shí)器3重載寄存器低字節(jié)

TMR3RLH = 0X53;∥定時(shí)器3重載寄存器高字節(jié)

處理器晶振頻率為22.118 4 MHz，采樣頻率為500 Hz，即定時(shí)器周期為2 ms，重載值由式(2)計(jì)算得出：

(2)

α=0X5334，即為所需重載值。

需要注意的是，在進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸時(shí)，為解決處理器讀入和寫出數(shù)據(jù)時(shí)的速度不匹配問(wèn)題，還需要設(shè)置一塊專門的數(shù)據(jù)緩存區(qū)，以250個(gè)數(shù)據(jù)為一組，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖存入，避免寫入到Micro SD卡時(shí)丟掉數(shù)據(jù)。在主循環(huán)中還需檢測(cè)時(shí)鐘芯片DS1302的時(shí)間值是否發(fā)生變化，當(dāng)增加整1 min時(shí)，即在采樣數(shù)據(jù)中插入一個(gè)時(shí)間值，便于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析。

圖4 軟件主流程圖

2.2 中斷服務(wù)程序

ADC中斷服務(wù)流程圖如圖5所示，采用定時(shí)器3以2 ms時(shí)間間隔作為中斷源進(jìn)入AD采樣程序，分別采集加速度傳感器兩軸數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)先存入緩存數(shù)據(jù)中，當(dāng)單軸數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)達(dá)到250個(gè)時(shí)，即0.5 s時(shí)置位標(biāo)志位，將緩存中的數(shù)據(jù)存入Micro SD卡中。

3 采集試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

將該采集裝置安裝到HXN5機(jī)車上對(duì)車體振動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，機(jī)車實(shí)際運(yùn)行區(qū)間為興安嶺站到西嶺口站，采集得到的原始數(shù)據(jù)如圖6所示。X坐標(biāo)軸為采樣數(shù)據(jù)的點(diǎn)數(shù)，Y坐標(biāo)軸為加速度傳感器橫向振動(dòng)幅值。從檢測(cè)數(shù)據(jù)可以得出車體最大振動(dòng)幅值為1.2g。

所檢測(cè)的原始數(shù)據(jù)中包含大量的高頻成分，為了直觀地反映振動(dòng)數(shù)據(jù)與線路的對(duì)應(yīng)關(guān)系，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理。使用Matlab工具箱對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波，所選濾波器為巴特沃斯低通濾波器，濾波參數(shù)為：采樣頻率Fs=500，通帶頻率Fpass=15，阻帶頻率Fstop=20，截止頻率對(duì)應(yīng)的衰減系數(shù)Astop=80，經(jīng)過(guò)濾波后的數(shù)據(jù)如圖7所示，X坐標(biāo)軸表示采樣數(shù)據(jù)的點(diǎn)數(shù)，Y坐標(biāo)軸表示加速度傳感器橫向振動(dòng)幅值。從圖7中可以得出下列有效信息：

圖5 中斷采樣流程圖

(1)中點(diǎn)示數(shù)值為2 048，表示加速度值為0g，所反映的實(shí)際工況是：機(jī)車運(yùn)行在直線線路上，或在曲線線路上機(jī)車運(yùn)行速度與線路超高相匹配，此時(shí)輪緣與鋼軌磨耗較低，不需要單側(cè)加量噴脂；

(2)示數(shù)值大于或者小于2 048，表現(xiàn)為向上或者向下的彎曲段，所反映的實(shí)際工況是：機(jī)車運(yùn)行在曲線線路上，機(jī)車運(yùn)行速度與線路超高不匹配，此時(shí)機(jī)車一側(cè)輪緣與鋼軌磨耗嚴(yán)重，需要進(jìn)行單側(cè)加量噴脂。

為了驗(yàn)證所采集到數(shù)據(jù)的有效性，添乘了試驗(yàn)機(jī)車，在添乘過(guò)程中，通過(guò)視頻記錄儀拍攝機(jī)車運(yùn)行監(jiān)控屏顯，監(jiān)控屏上實(shí)時(shí)顯示機(jī)車運(yùn)行速度與走行線路數(shù)據(jù)。所拍攝的視頻與采樣裝置中的數(shù)據(jù)在時(shí)間上是一一對(duì)應(yīng)的。將視頻中的運(yùn)行速度值與線路數(shù)據(jù)通過(guò)Matlab軟件顯示在同一幅圖中，如圖8所示。為便于分析將時(shí)間值轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)采樣裝置中采樣數(shù)據(jù)的點(diǎn)數(shù)示于X坐標(biāo)軸上，Y坐標(biāo)軸表示速度值。圖8中虛線表示機(jī)車速度曲線，實(shí)線表示機(jī)車走行線路示意圖，所示線路圖向上彎曲表示機(jī)車右拐進(jìn)入曲線線路，向下彎曲表示機(jī)車左拐進(jìn)入曲線線路，所標(biāo)的數(shù)字表示曲線半徑。

通過(guò)圖7與圖8對(duì)比可以得出以下結(jié)論：

(1)該采集裝置所采集的機(jī)車振動(dòng)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)濾波處理后與實(shí)際線路數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)良好，即通過(guò)機(jī)車振動(dòng)信號(hào)能夠識(shí)別曲線線路；

(2)圖7中標(biāo)識(shí)為“振動(dòng)1”對(duì)比圖8中標(biāo)識(shí)為“曲線1”部分，表示機(jī)車右拐進(jìn)入半徑為600的小曲線線路，機(jī)車速度為30 km/h，所檢測(cè)得到的振動(dòng)數(shù)值大于2 048，為過(guò)超高運(yùn)行，此時(shí)機(jī)車前進(jìn)方向的右側(cè)進(jìn)行加量噴脂；

(3)圖7中標(biāo)識(shí)為“振動(dòng)2”對(duì)比圖8中標(biāo)識(shí)為“曲線2”部分，表示機(jī)車左拐進(jìn)入半徑為560的小曲線線路，機(jī)車速度為28 km/h，所檢測(cè)得到的振動(dòng)數(shù)值小于2 048，為過(guò)超高運(yùn)行，此時(shí)機(jī)車前進(jìn)方向的左側(cè)進(jìn)行加量噴脂；

(4)圖7中標(biāo)識(shí)為“振動(dòng)3”對(duì)比圖8中標(biāo)識(shí)為“曲線3”部分，表示機(jī)車左拐進(jìn)入半徑為3 000的大曲線線路，機(jī)車速度40 km/h，由于速度與線路超高相匹配，振動(dòng)數(shù)值在2 048附近，此時(shí)機(jī)車不需要單側(cè)加量噴脂。

圖6 車上原始振動(dòng)數(shù)據(jù)

圖7 振動(dòng)數(shù)據(jù)經(jīng)15 Hz濾波后波形

圖8 速度與線路圖

4 采樣裝置安裝時(shí)需注意的地方

在實(shí)際采樣過(guò)程中需要注意以下幾點(diǎn)：

(1)由于采樣裝置安裝在機(jī)車各處，振動(dòng)情況比較惡劣，所安裝的鋰電池需要加以固定，可以采用雙面膠粘貼于采樣裝置底板內(nèi)側(cè)；

(2)采樣裝置上較大電解電容及晶振等器件采用專用膠加以固定；

(3)采樣裝置選擇能夠代表機(jī)車實(shí)際運(yùn)行工況的位置進(jìn)行安裝，比如機(jī)車底板正中間位置。

5 結(jié)束語(yǔ)

華寶輪緣潤(rùn)滑提出一種控制策略，以定時(shí)噴脂為基礎(chǔ)，通過(guò)檢測(cè)機(jī)車車體橫向振動(dòng)信號(hào)識(shí)別曲線線路，并有選擇性的實(shí)現(xiàn)單側(cè)加量噴脂，應(yīng)用所設(shè)計(jì)的采集裝置進(jìn)行裝車試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明該控制策略可以實(shí)現(xiàn)。所提出的控制策略和所設(shè)計(jì)的硬件結(jié)構(gòu)對(duì)后續(xù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化有積極作用。

[1] 劉穎鑫，武小鵬，楊興寬.HB-3型輪軌潤(rùn)滑裝置及其應(yīng)用[J].鐵道機(jī)車車輛,2012,32(2):71-75.

[2] 彭 濤,姚伯威.基于 DSP 的數(shù)字式 MEMS 加速度傳感器 ADXL203 的設(shè)計(jì)與應(yīng)用 [J].微計(jì)算機(jī)信息,2006,22(10-2):308-309.

[3] 李廣軍，金煒東.列車橫向加速度傳感器的誤差補(bǔ)償[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2012,48(5):15-18.

The Research of a Flange Lubrication Control Strategy Based on Acceleration Sensor

WANGDongdong

(Metals & Chemistry Research Institute，China Academy of Railway Sciences， Beijing 100081， China)

In order to realize the optimization of lubrication between the flange and rail, HB wheel flange lubrication put forward one control strategy, based on the timing injection, implementation of unilateral plus the amount of spray lipid lubrication in the curve on the line through the selective detection of locomotive transverse vibration signal, in order to verify the effectiveness of the proposed control strategy, a set of vibration signal acquisition was designed. Data acquisition device based on microprocessor C8051F020 as the control core, the lithium battery, the acceleration sensor ADXL203 to detecting the vibration signal, and the data stored in the micro SD card. After testing, the data analysis shows that: the detection of vibration signal of locomotive based on acceleration sensor can identify the curve line, and can realize additional spray lipid lubrication selectivity.

wheel flange lubrication; locomotive vibration; acceleration sensor; card of micro SD

??)男，助理研究員(

2016-03-27)

1008-7842 (2016) 05-0057-05

U260.71

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2016.05.12