顧樹偉, 谷郎野, 張海滄

(中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062)

0 引 言

隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展和城市化水平的提高，軌道交通已成為大中城市居民出行的重要方式[1]。軌道車輛生產(chǎn)商將所生產(chǎn)車輛交付業(yè)主過程中，經(jīng)常受各種條件制約而采用部分或全部公路運輸，運輸過程中的軌道車輛牽引電機處于停止轉(zhuǎn)動狀態(tài)，其主軸軸承下表面在運輸中長時間承受大質(zhì)量主軸體的垂向振動沖擊，極易發(fā)生疲勞損傷。目前，國內(nèi)外對車輛運輸中的振動研究的主要集中在車輛發(fā)動機、駕駛艙及車身的懸置系統(tǒng)設(shè)計[2～4]，彈藥類危險品運輸監(jiān)測及模型分析[5～8]等。劉書瓊等人分析了軌道車輛在運輸過程中的受力情況導(dǎo)致電機失效問題，并據(jù)此提出了相應(yīng)的防護方案[9～11]，但仍局限于原有的收緊帶固定等常規(guī)運輸方法，而對于軌道車輛運輸中的狀態(tài)監(jiān)測及振動影響未做實際測量及分析。以美國NI儀器公司的cRIO系統(tǒng)為平臺，對公路運輸中的軌道車輛的電機振動、運輸卡車的速度及行駛道路的路面質(zhì)量等參數(shù)進行關(guān)聯(lián)性監(jiān)測，分析運輸過程與電機主軸軸承疲勞損傷之間的關(guān)系。統(tǒng)計分析了哈爾濱地鐵1號線運輸(中車長春軌道客車廠-哈爾濱地鐵車輛段)中的監(jiān)測數(shù)據(jù)，為進一步深入研究電機主軸軸承疲勞損傷的形成及影響提供一定的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 硬件架構(gòu)

系統(tǒng)由2部網(wǎng)絡(luò)攝像機，GPS天線，加速度計，cRIO數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)和中控計算機等組成，如圖1所示：

圖1 軌道車輛運輸振動監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

運輸車輛中安裝GPS天線，GPS天線通過GPS控制器以串口與中控計算機連接，波特率可以達(dá)到115200。數(shù)據(jù)實時上傳到中控計算機進行解析，并對對應(yīng)的位置和速度等信息進行記錄。

加速度計的主要作用是檢測軌道車輛的牽引電機的振動情況，一共有4支，如圖2所示。其中兩支垂直安裝在軌道車輛電機外殼的表面，水平及垂直方向加速度計分別用來檢測軌道車輛電機水平和垂直兩個方向的振動情況；另外兩支垂直地安裝在軌道車輛電機主軸的表面，用來檢測軌道車輛電機主軸在運輸過程中的振動情況。

振動數(shù)據(jù)由NI公司的cRIO系統(tǒng)進行采集和預(yù)處理，并實時上傳到中控計算機進行進一步處理，獲得振動的數(shù)據(jù)矢量。

運輸車輛裝配兩部攝像頭，一部放在運輸車輛前部，對路面長時間攝錄，作為事后的對照；另一部放在運輸車輛后部，對準(zhǔn)經(jīng)過的路面，在振動超過設(shè)定的閾值后觸發(fā)，對道路拍照，從而獲得產(chǎn)生較大振動位置的路面圖像，方便人為比對，分析振動產(chǎn)生的原因。

中控計算機用于接收上傳數(shù)據(jù)，進行處理，并根據(jù)處理結(jié)果控制攝像機拍照，另外進行數(shù)據(jù)的實時顯示和記錄。

1.2 控制軟件架構(gòu)

系統(tǒng)中軟件包括cRIO中的數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理軟件，以及中控計算機中的集中控制和數(shù)據(jù)處理軟件。中控計算機采用多線程并行控制方式接收cRIO、GPS和網(wǎng)絡(luò)攝像機等傳來的數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)在中控計算機中進行后期處理，并根據(jù)處理結(jié)果進行顯示和保存。中控計算機中軟件流程圖如圖3所示：

步驟如下：

① 接收GPS數(shù)據(jù)和cRIO傳來的振動數(shù)據(jù)并進行解析；

② 判斷振動是否超過閾值，如果超過閾值，則給后部攝像機發(fā)送命令，抓拍圖像并保存；

③ 實時顯示振動曲線，利用第三方繪圖控件，顯示綜合振動幅度和各幅度分量；

④ 按照固定格式保存數(shù)據(jù)，其中格式為自定義，主要是為了后期數(shù)據(jù)分析方便。

其中，GPS采用的是主動發(fā)送模式，只要連接到串口就定期向中控計算機發(fā)送，中控計算機接收之后進行解析，得到速度和位置等信息；在cRIO中以10ksps的頻率接收振動數(shù)據(jù)，為了減少高頻干擾，每10個數(shù)據(jù)進行平均，因此實際的采樣率為1ksps，4個通道的數(shù)據(jù)以自定義的格式進行打包，通過網(wǎng)絡(luò)傳送到中控計算機；中控計算機接收到數(shù)據(jù)后，按照定義的格式進行解析，獲得每通道的振動信號，然后利用公式(1)計算得到振動合成矢量的幅值：

(1)

其中Vibration1,v，Vibration1,h，Vibration2,v和Vibration2,h分別為電機殼體的垂直和水平方向振動幅度以及電機主軸的垂直及水平方向振動幅度。

圖2 加速度計的安裝固定位置及工裝

如果振動合成矢量ComposedVector幅度超過指定的閾值，則中控計算機向后部攝像機發(fā)送命令，抓拍路面圖像。這種大幅度的振動多數(shù)都是由路面上的坑或鼓包引起的，在此過程中，為了保證能夠比較準(zhǔn)確地抓拍到異常路面，采用了自動延時抓拍技術(shù)，即根據(jù)運輸車輛的當(dāng)前運行速度、加速度計和攝像機直接的距離以及網(wǎng)絡(luò)攝像機的反應(yīng)速度確定每次抓拍的延遲時間。

圖3 中控計算機的軟件流程圖

2 實驗結(jié)果分析

實驗選用哈爾濱地鐵1號線運輸(中車長春軌道客車廠-哈爾濱地鐵車輛段)為監(jiān)測對象，由于市區(qū)路段和高速公路在路面質(zhì)量、車輛行駛速度及平穩(wěn)性方面存在較大差異，分別選取了12min的市區(qū)和高速路段的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了對比處理和分析。

圖4a和b分別為市區(qū)和高速路段的車輛行駛速度及振動合成矢量的時域圖譜。市區(qū)內(nèi)行駛車輛頻繁啟停，速度分布在0-55km/h之間，振動合成矢量起伏較大；高速路段車輛行駛平穩(wěn)，速度分布在55-75km/h之間。振動合成矢量背景幅值較大，整體高于市區(qū)內(nèi)行駛中的振動水平。

圖4 車輛行駛速度及振動合成矢量的時域圖譜：a)市區(qū)，b)高速路段

圖5為市區(qū)和高速路段振動合成矢量功率譜密度圖，該圖譜由市區(qū)和高速路段的時域振動合成矢量數(shù)據(jù)經(jīng)傅立葉變換獲得，表現(xiàn)為市區(qū)及高速路段的振動合成矢量主要能量集中在20Hz左右，推測該頻率來自于由卡車及軌道車輛組成的彈性振動系統(tǒng)的自然頻率，對比市區(qū)及高速路段振動的功率譜密度，高速路段各頻點能量密度均高于市區(qū)水平，尤其是50Hz以上頻點。

圖5 市區(qū)和高速路段振動合成矢量功率譜密度圖

圖6為市區(qū)和高速路段不同速度區(qū)間的振動合成矢量平均值，表現(xiàn)為高速路段振動水平遠(yuǎn)高于市區(qū)振動，市區(qū)低速行駛路段，振動合成矢量與車輛行駛速度呈近似線性關(guān)系；振動合成矢量隨車輛運行速度的增加先降后升，平均時速60km/h左右振動強烈，推測為公路車輛駕駛員在發(fā)現(xiàn)路面質(zhì)量出現(xiàn)異常，剎車后的通過速度。

圖6 市區(qū)和高速路段不同速度區(qū)間的振動合成矢量平均值

3 結(jié) 論

設(shè)計的軌道車輛運輸中的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)由2部網(wǎng)絡(luò)攝像機、GPS天線、加速度計、cRIO數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)和中控計算機等組成，通過對哈爾濱地鐵1號線運輸(中車長春軌道客車廠-哈爾濱地鐵車輛段)的監(jiān)測，獲得了運輸卡車的速度、路面質(zhì)量及電機振動等關(guān)聯(lián)性數(shù)據(jù)。分析結(jié)果表明：振動合成矢量的能量主要集中在20Hz頻點附近，市區(qū)內(nèi)的車輛運行速度與車輛振動水平大體呈線性關(guān)系，高速路段的振動較市區(qū)更為劇烈。運輸監(jiān)測實驗結(jié)果表明了所設(shè)計系統(tǒng)的有效性及實用性。