中車唐山機車車輛有限公司 趙風啟

今創(chuàng)集團股份有限公司 李 杰 翟泉新

高速列車塞拉門結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零件繁多、檢修工作量大，很多故障隱患不易發(fā)現(xiàn)。通過當前的手段多以驅(qū)動系統(tǒng)電壓、電流等電氣信號的采樣數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進行故障的分析和診斷，在機械系統(tǒng)故障的診斷過程中，這些方法存在明顯的缺陷。本文設(shè)計了一種針對門機構(gòu)不同頻段振動信號的檢測裝置，利用計算機對振動信號的處理分析，提取開門、關(guān)門過程中門機構(gòu)的運行特征，通過對比實際門機構(gòu)與正常狀態(tài)下的各項振動信號特征的差異可以為機械故障的診斷提供輔助參考依據(jù)，大大提高門機構(gòu)檢修工作的效率和故障診斷準確性。

塞拉門是高鐵車輛車體上的關(guān)鍵設(shè)備，其運行狀態(tài)直接關(guān)系到旅客的人身安全，為滿足地鐵車輛高可靠性和安全性要求，故塞拉門的檢修一直是車輛維護工作中的重點之一。

目前，關(guān)于塞拉門輔助檢修系統(tǒng)和故障診斷的研究都集中在對控制器輸入輸出端口上電信號的采集、處理和分析，根據(jù)信號的不同特征判斷門系統(tǒng)是否存在故障或故障隱患。作為門系統(tǒng)主體組成的電機、傳動和門體等機械系統(tǒng)所引入的碰撞摩擦、壓痕、熱變形等各種損傷，癥狀信息微弱、特征不明顯，很難通過電機驅(qū)動信號的分析準確判斷。特別是在這些機械損傷發(fā)展初期，多種故障長期存在，誘發(fā)多故障耦合，更進一步增加了信號分析的難度。為了能夠?qū)﹂T機構(gòu)的各種機械損傷進行準確分析診斷，需要能夠直接對機械系統(tǒng)運動過程中狀況進行監(jiān)測。振動是機械系統(tǒng)不可避免的現(xiàn)象，系統(tǒng)在正?；蚍钦５墓ぷ鳡顟B(tài)下會表現(xiàn)出不同的振動形態(tài)，通過對振動信號的分析處理可以更對系統(tǒng)存在的各種損傷做出準確判斷。

鑒于此，本文針對塞拉門系統(tǒng)設(shè)計了一種基于FPGA的振動信號采集儀器，對門體、門框等部位的振動信號進行采集、處理，并實時傳送至計算機進行分析、顯示，對門機構(gòu)工作狀態(tài)做出診斷，并可針對各種不同狀態(tài)提出相應(yīng)維護建議。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個振動檢測分析系統(tǒng)包含若干前端信號采集裝置和分析計算機兩部分、為了方便系統(tǒng)在具體門機構(gòu)對象上的部署，每個信號采集裝置采用電池供電，與外界數(shù)據(jù)通信采用無線互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)，保證每個裝置與外部沒有導線連接，具有較高的獨立性。所有信號采集裝置通過無線路由器連接在一起，與同時接入網(wǎng)絡(luò)的分析計算機實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

每個信號采集裝置配置三軸直線加速度傳感器和一路壓電陶瓷振動傳感器，分別檢測不同頻段的門機構(gòu)振動信號。其中3路直線加速度信號相互之間具有明顯的相關(guān)性，為保證信號分析的精度，通過外部具備同步采樣功能的AD轉(zhuǎn)換器接入FPGA。壓電陶瓷振動傳感器輸出信號頻帶較寬，需具備較高的采樣率。

為了保證一次開門或關(guān)門過程中的數(shù)據(jù)得到完整記錄，采集裝置需要較大的數(shù)據(jù)存儲空間。采集裝置在充分利用單片機內(nèi)部SRAM的同時配置了外部SRAM，分別用于存儲速度較低的直線加速度檢測數(shù)據(jù)和較高采樣率的壓電陶瓷傳感器數(shù)據(jù)。

2 信號采集電路硬件設(shè)計

裝置分別采用亞德諾公司ADXL335型三軸加速度計和H4P8型壓電陶瓷換能器實現(xiàn)門機構(gòu)0～200Hz頻段和100Hz～2kHz頻段振動信號的檢測。

ADXL335是一款小尺寸、薄型、低功耗、完整的三軸加速度計，可直接輸出經(jīng)過調(diào)理的電壓信號，滿量程加速度測量范圍可以達到±3g，既可測量傾斜檢測應(yīng)用中的靜態(tài)加速度，也可測量運動、沖擊或振動導致的動態(tài)加速度。

H4P8型壓電陶瓷換能器厚度采用1mm，信號帶寬可以達到2MHz。利用寬帶運算放大器實現(xiàn)換能器輸出信號的前置放大，并偏移至合適的動態(tài)范圍接入AD轉(zhuǎn)換。

根據(jù)各檢測電路的檢測需求容易確定，加速度采集電路的通頻帶為0～200Hz，壓電換能器放大電路的通頻帶為100Hz～2kHz。根據(jù)這樣的頻帶要求，可以確定電路各項阻容參數(shù)。針對上述設(shè)計電路進行交流仿真分析，可得電路頻率響應(yīng)。

壓電陶瓷換能器負責對門機構(gòu)100Hz～2kHz頻段內(nèi)的振動信號進行采集，因此其ADC采樣率設(shè)置為40kHz。加速度傳感器負責檢測門機構(gòu)0～200Hz頻段內(nèi)的振動信號，因此其采樣率設(shè)置為4kHz即可。為協(xié)調(diào)兩組信號的采樣，系統(tǒng)采用12位AD轉(zhuǎn)換器LTC2423，此款A(yù)DC具備4個同步采樣通道，采樣率可達2MHz，可以保證各傳感器檢測到的信號存在嚴格的同步關(guān)系。工作中，ADC以40kHz的采樣率工作，但加速度采集通道對連續(xù)8個采樣點進行平均后作為一個有效樣點，實際采樣率為5kHz。

系統(tǒng)總有效采樣率為52kHz/s，系統(tǒng)測試時間設(shè)為20s，由此可得12.48Mbit的數(shù)據(jù)總量，組合可得1.56MByte。因此，系統(tǒng)配置了2MBtye的RAM存儲容量。

3 振動信號采集器軟件設(shè)計

采集器的核心是FPGA，兩類傳感器檢測電路經(jīng)ADC接入FPGA。ADC驅(qū)動實現(xiàn)LTC2423的邏輯接口，4個通道的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)分別送入緩沖區(qū)。加速度采集通道的采樣數(shù)據(jù)首先分別存入8個單元的緩沖區(qū)，完成8次數(shù)據(jù)采樣后對這8個數(shù)據(jù)進行算術(shù)平均，而后以平均值為有效數(shù)據(jù)存入主數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。另一路陶瓷換能器通道則以8倍的速率將每次采樣的數(shù)據(jù)存入主緩沖區(qū)。主緩沖區(qū)在數(shù)據(jù)記錄狀態(tài)管理器控制下在空閑、觸發(fā)搜索、采樣計數(shù)、數(shù)據(jù)記錄完成等狀態(tài)中切換。

系統(tǒng)啟動和完成一次數(shù)據(jù)采樣記錄流程后即進入空閑狀態(tài)。在空閑狀態(tài)下，系統(tǒng)默認此時門機構(gòu)處于完全靜止狀態(tài)，因此，分析計算機可以以此時的采樣數(shù)據(jù)為基準。在完成測試準備工作后，分析計算機通過數(shù)據(jù)通信下達啟動測試指令，系統(tǒng)進入觸發(fā)搜索狀態(tài)。一旦系統(tǒng)啟動測試，系統(tǒng)即開始不停進行AD轉(zhuǎn)換并將采樣數(shù)據(jù)存入主數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。主數(shù)據(jù)緩沖區(qū)組織為環(huán)形隊列，數(shù)據(jù)可不斷循環(huán)存入，超出總存儲容量后即替換最早記錄的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)的同時，狀態(tài)管理器對最新采集的一段數(shù)據(jù)進行分析，當各路數(shù)據(jù)符合開門啟動或關(guān)門啟動的數(shù)據(jù)特征時立即觸發(fā)數(shù)據(jù)記錄計數(shù)狀態(tài)。此狀態(tài)下，系統(tǒng)繼續(xù)對采樣數(shù)據(jù)進行記錄的同時開始從0計數(shù)，當計數(shù)值達到門限時即意味著完成一次完整的開門或關(guān)門數(shù)據(jù)采樣記錄，系統(tǒng)進入數(shù)據(jù)記錄完成狀態(tài)，數(shù)據(jù)通信模塊啟動開始通過WiFi模塊將采樣數(shù)據(jù)傳送至分析計算機，全部數(shù)據(jù)傳送完成后系統(tǒng)返回空閑狀態(tài)。

信號采集器安裝在門機構(gòu)的過程存在較嚴重的隨機性，無法保證裝置自身坐標系與門機構(gòu)坐標系之間完全重疊，為保證數(shù)據(jù)分析的一致性，需要將檢測數(shù)據(jù)變換至標準的坐標系上。如前所述，空閑狀態(tài)下系統(tǒng)仍在不斷采集各傳感器通道的數(shù)據(jù)。在此狀態(tài)下，系統(tǒng)不斷檢測三軸加速度數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行分析，根據(jù)式(1)可以得到實測數(shù)據(jù)坐標系與標準自然坐標系之間的夾角。

如圖1所示，X軸方向的加速度大小為Ax，其與水平面的夾角為α1，與重力加速度的夾角α；同理，Y軸方向的加速度為Ay，與水平線的加速度為β1，與重力加速度g的夾角為β；Z軸方向的加速度為Az，與水平線的加速度為γ1，與重力加速度g的夾角為γ。α= 90°- α1，β= 90°-β1，γ=90°-γ1。

圖1 加速度傳感器坐標示意

系統(tǒng)在空閑狀態(tài)下檢測、計算并記錄上述夾角關(guān)系，在數(shù)據(jù)記錄狀態(tài)下，系統(tǒng)則在采樣的同時對數(shù)據(jù)進行坐標變換校準。

4 計算機分析軟件設(shè)計

信號采集器完成數(shù)據(jù)采集記錄，并傳送至數(shù)據(jù)分析計算機，在計算機平臺上完成對門機構(gòu)不同位置加速度與振動數(shù)據(jù)進行分析，最終為門機構(gòu)是否存在故障或損傷的判斷提供參考依據(jù)。

系統(tǒng)首先對數(shù)據(jù)按時間對開門和關(guān)門過程進行分解，在對每個分段數(shù)據(jù)進行頻譜分析得到各路信號的主要參數(shù)指標，包括時間長度、最大值等時域參數(shù)和各次諧波分量的幅值等頻域參數(shù)。通過對這些參數(shù)與正常門機構(gòu)運行過程中的參數(shù)進行對比，即可對門機構(gòu)各工作環(huán)節(jié)、零件可能存在的故障或損傷進行判斷。

結(jié)論：塞拉門系統(tǒng)系統(tǒng)復(fù)雜，功能繁多，檢修過程中故障部位查找困難、故障隱患難以排除，導致檢修成本高。本文利用FPGA設(shè)計了的振動信號采集儀器，對門體、門框等部位的振動信號進行采集、處理，并實時傳送至計算機進行分析、顯示，對門機構(gòu)工作狀態(tài)做出診斷，實現(xiàn)塞拉門輔助檢修，簡化檢修工作，提高故障診斷的準確性。