魏 瑾 閆 鴿 吳雪純

(西安交通工程學(xué)院 陜西 西安 710000)

0 引言

近年來，我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展突飛猛進(jìn)，鐵路作為國民經(jīng)濟(jì)中的重要因素，承擔(dān)著重要的運輸任務(wù)，也面臨更嚴(yán)峻的考驗。為了滿足對鐵路貨運需求的增加，在我國鐵路干線中越來越多地使用大功率交流HXD型電力機(jī)車，其在我國貨運方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[1]。為了保證鐵路運輸任務(wù)的順利完成，整個運輸過程必須做到安全、快速，一般從提高列車運行速度與提高單位列車軸重兩方面來完成，但無論采取哪種方法，都必須保證動輪與軌道之間的有效黏著，防止列車出現(xiàn)空轉(zhuǎn)故障[2]。

列車一旦開始運行，其動輪與軌道間的黏著力會被破壞，輪對出現(xiàn)打滑并空轉(zhuǎn)，輕則造成輪對、鋼軌的磨損損傷，重則導(dǎo)致列車出現(xiàn)嚴(yán)重交通事故，危及生命安全，且隨著列車運行距離的不斷增加，經(jīng)過的地域環(huán)境會不斷發(fā)生改變，導(dǎo)致動輪與軌道之間的黏著力變小，最終導(dǎo)致列車出現(xiàn)空轉(zhuǎn)現(xiàn)象，這不僅增加了鐵路運營的維修成本，而且由于環(huán)境的多變，對軌面的實時監(jiān)測與后期的清理也會變得愈加困難，因此檢測空轉(zhuǎn)，須從機(jī)車本身入手，設(shè)計機(jī)車空轉(zhuǎn)故障檢測系統(tǒng)對列車空轉(zhuǎn)實時監(jiān)測，并在出現(xiàn)空轉(zhuǎn)時及時采取相應(yīng)措施加以控制[3]，對保證列車正常安全的運行尤為重要。

1 故障原因分析

空轉(zhuǎn)故障主要有兩大類：一類為真正意義上的空轉(zhuǎn)，即真空轉(zhuǎn)，若未能及時做出相應(yīng)措施抑制空轉(zhuǎn)，會導(dǎo)致輪對發(fā)生高速旋轉(zhuǎn)，造成輪軌擦傷并導(dǎo)致輪轂弛緩；另一類是假空轉(zhuǎn)，列車假空轉(zhuǎn)通常因為牽引電機(jī)控制系統(tǒng)相關(guān)傳感器異常而導(dǎo)致頻繁調(diào)整電流并撒砂所造成，假空轉(zhuǎn)會使得機(jī)車牽引力降低，造成機(jī)車的途停，因此為了保證列車運行安全，不管發(fā)生哪一類空轉(zhuǎn)，均必須及時采取應(yīng)對措施[4]。

1.1 真空轉(zhuǎn)

若遇到雨雪天氣或鋼軌表面存在污染物，都會引起列車發(fā)生真空轉(zhuǎn)，造成電機(jī)與輪對使用壽命降低的真空轉(zhuǎn)的原因主要如下：

(1)速度傳感器間隙調(diào)整不當(dāng)。HXD型機(jī)車的齒輪在轉(zhuǎn)動時，安裝在齒輪箱上的速度傳感器通過感應(yīng)頭產(chǎn)生脈沖來測速，若該間隙調(diào)整不當(dāng)，則導(dǎo)致各個軸速度傳感器輸出的脈沖幅值存在較大差異，該差異會通過檢測系統(tǒng)判定列車發(fā)生了空轉(zhuǎn)，激活機(jī)車空轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)，尋找新的黏著點。

(2)司機(jī)操作不當(dāng)。若司機(jī)在駕駛列車過程中因操作不當(dāng)，導(dǎo)致機(jī)車在啟動時產(chǎn)生較大牽引電流，或手柄指令過高，均會導(dǎo)致電力機(jī)車出現(xiàn)真空轉(zhuǎn)。

(3)輪緣噴油量過大。若列車在行駛過程中輪緣噴油裝置噴油量過大，使得軌道道岔上出現(xiàn)過多油潤，會導(dǎo)致列車黏著系數(shù)降低，從而黏著力被破壞，最終導(dǎo)致列車發(fā)生真空轉(zhuǎn)[5]。

1.2 假空轉(zhuǎn)

機(jī)車上某些硬件設(shè)備的連接線或插頭出現(xiàn)了松動，或傳感器、插件板故障等都會引起機(jī)車空轉(zhuǎn)減載，此時稱為假空轉(zhuǎn)。造成機(jī)車發(fā)生假空轉(zhuǎn)的主要原因有：

(1)光電傳感器故障。光電傳感器類型較多，運用在機(jī)車上的主要為TQG15B型。在使用過程中傳感器會出現(xiàn)芯片燒損、傳感器引出線絕緣破損或接觸不良等情況，均會導(dǎo)致速度信號出現(xiàn)異常，檢測系統(tǒng)檢測到異常信號會判定機(jī)車出現(xiàn)假空轉(zhuǎn)。若傳感器在使用過程中出現(xiàn)接線盒進(jìn)水情況，引起線路短路或線路接地等，也會引起假空轉(zhuǎn)。

(2)接線故障。若位于司機(jī)室端子排的光電傳感器到車輛轉(zhuǎn)向架或電子柜之間的線路出現(xiàn)開路情況，或線路出現(xiàn)絕緣破損的情況，會導(dǎo)致速度信號出現(xiàn)異常或波動，引起假空轉(zhuǎn)[6]。

2 檢測系統(tǒng)總體方案

2.1 檢測原理

機(jī)車各軸的速度由安裝在軸頭的脈沖速度傳感器進(jìn)行檢測，速度傳感器在車軸轉(zhuǎn)動一周時產(chǎn)生200個方波脈沖，脈沖信號經(jīng)過電纜送入電子柜頻率變換插件，頻率變換插件將各軸對應(yīng)的方波頻率信號成比例地變換成電壓信號，送入防空轉(zhuǎn)插件，最后經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換供CPU讀取，CPU計算出轉(zhuǎn)向架各軸電壓差，依據(jù)各軸電壓差輸出列車是否發(fā)生“真空轉(zhuǎn)”或“假空轉(zhuǎn)”。

在大多數(shù)情況下，通過頻率變換插件將各軸對應(yīng)的頻率信號轉(zhuǎn)換為0～5 V的電壓值信號。機(jī)車速度信號范圍一般介于0～100 km/h，對應(yīng)電壓信號為0～5 V，其中0.5 V時機(jī)車速度為10 km/h。判斷機(jī)車是否發(fā)生空轉(zhuǎn)有多種方法，本系統(tǒng)采用電壓差判別法，正常情況下四軸電壓差絕對值不大于0.1 V。若在機(jī)車運行過程中，檢測系統(tǒng)檢測到某一軸電壓值與其他軸電壓差絕對值大于0.5 V時，則判定列車發(fā)生空轉(zhuǎn)現(xiàn)象，其中若該軸電壓信號小于其他任意軸電壓信號時，機(jī)車發(fā)生“假空轉(zhuǎn)”，若該軸電壓信號大于其他任意軸電壓信號時，機(jī)車發(fā)生“真空轉(zhuǎn)”。在系統(tǒng)檢測到機(jī)車發(fā)生空轉(zhuǎn)故障時，系統(tǒng)自動記錄故障情況與發(fā)生故障時間，并在列車發(fā)生故障時發(fā)出音頻報警提示。在進(jìn)行空轉(zhuǎn)故障檢測時，若出現(xiàn)電壓信號遠(yuǎn)超正常范圍、電壓信號時有時無或無規(guī)則的情況，此時應(yīng)判斷相應(yīng)的動輪發(fā)生了“假空轉(zhuǎn)”。

2.2 總體方案設(shè)計

本故障檢測系統(tǒng)主要由兩大部分組成，一部分為由速度傳感器、采集模塊、單片機(jī)、WIFI模塊等組成的硬件結(jié)構(gòu)，另一部分為包括數(shù)據(jù)采集與上位機(jī)顯示等在內(nèi)的軟件設(shè)計，其中軟件設(shè)計部分主要通過VB.Net與數(shù)據(jù)庫SQL完成，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。機(jī)車各軸轉(zhuǎn)速信號通過速度傳感器采集，并將采集的信號輸出至采集模塊ADAM4117，再由采集模塊將信號傳輸至控制模塊STC89C51單片機(jī)，最后由WIFI模塊將單片機(jī)傳輸來的數(shù)據(jù)通過無線傳輸?shù)姆绞缴蟼髦辽衔粰C(jī)，并在上位機(jī)界面進(jìn)行實時顯示。

圖1 檢測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

3 硬件構(gòu)成及工作原理

空轉(zhuǎn)故障檢測系統(tǒng)硬件部分主要由速度傳感器、采集模塊、單片機(jī)、WIFI模塊與上位機(jī)等組成。

3.1 速度傳感器

要實現(xiàn)空轉(zhuǎn)故障檢測，首先必須采集速度信號，速度傳感器種類眾多，由于無源永磁式電磁感應(yīng)脈沖轉(zhuǎn)速傳感器無傳動接觸、無磨損且簡單可靠，因此本系統(tǒng)采用該類傳感器。該傳感器是一種磁電式轉(zhuǎn)速傳感器，永磁材料為鋁鈷鎳，使用過程中不需電源，使用速度范圍廣。

脈沖轉(zhuǎn)速傳感器的磁鐵與內(nèi)部線圈均靜止不動，用于測量的齒輪安裝在被測旋轉(zhuǎn)物體上，跟隨被測物體一起轉(zhuǎn)動，如圖2所示。當(dāng)齒輪隨著被測物體轉(zhuǎn)動時，導(dǎo)致傳感器內(nèi)部磁場和磁通量發(fā)生變化，使得傳感器內(nèi)部線圈中產(chǎn)生周期性變化的感應(yīng)電動勢，即感應(yīng)電壓，輸出頻率與轉(zhuǎn)速成正比，該電壓信號經(jīng)過整形調(diào)理以脈沖形式輸出，通過對脈沖信號進(jìn)行運算處理即可測出被測物體的轉(zhuǎn)速。

1—齒輪；2—感應(yīng)線圈；3—軟鐵；4—永久磁鐵。

3.2 采集模塊

脈沖轉(zhuǎn)速傳感器輸出的電壓信號，需經(jīng)過ADAM模塊轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能識別的信號并輸出至控制模塊單片機(jī)。ADAM模塊是一類模擬量輸入模塊，可以實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，在工程應(yīng)用中通常用來采集電壓或電流信號，并將采集到的信號轉(zhuǎn)換為RS485信號傳輸至單片機(jī)，在使用過程中，必須給采集模塊提供電源。采集模塊采集脈沖轉(zhuǎn)速傳感器輸出的電壓信號，并將信號輸出到單片機(jī)，接線圖如圖3所示。

圖3 采集模塊接線圖

3.3 單片機(jī)

檢測系統(tǒng)中控制模塊采用STC89C51單片機(jī)，該單片機(jī)性能好、功耗低，其內(nèi)部含有可編程Flash存儲器與8位CPU，使得STC89C51單片機(jī)在各控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

單片機(jī)與采集模塊接線圖如圖4所示。

圖4 單片機(jī)接線圖

3.4 HLK-M50無線傳輸模塊

系統(tǒng)WIFI模塊采用HLK-M50無線傳輸模塊，該模塊為基于通用串行接口且符合網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式模塊，其內(nèi)部含有TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)串口和無線網(wǎng)(WIFI)接口之間的轉(zhuǎn)換，使得串口和網(wǎng)絡(luò)之間透傳數(shù)據(jù)。通過M50模塊，傳統(tǒng)的串口設(shè)備在不需要更改任何配置的情況下，即可通過Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸自己的數(shù)據(jù)。

WIFI模塊與STC89C51單片機(jī)間的傳輸信號為RS232，只需保證WIFI模塊與上位機(jī)連接在同一個局域網(wǎng)，即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)傳輸，HLK-M50與單片機(jī)接線如圖5所示。

圖5 無線模塊接線圖

3.5 上位機(jī)

上位機(jī)采用支持Win7系統(tǒng)的觸摸工業(yè)平板電腦，其響應(yīng)速度快，使用壽命長，處理器采用J1800/N2840，主板采用MINI-IT工業(yè)主板，含有集成顯卡與音頻芯片等優(yōu)點。

3.6 電源

對整個系統(tǒng)的供電設(shè)有兩套方案，其一可直接采用能量高、使用壽命長的5 V鋰電池對系統(tǒng)供電，其二可直接采用列車上的交流220 V電源，經(jīng)過轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需的5 V電壓。

4 軟件設(shè)計

檢測系統(tǒng)中的軟件設(shè)計包括對采集模塊串口參數(shù)的設(shè)置、速度信號的采集、故障時的音頻報警提示、數(shù)據(jù)保存等，其中對采集模塊串口參數(shù)的設(shè)置通過測試軟件Utility調(diào)試，速度信號的采集、上位機(jī)顯示、故障時的音頻報警提示均通過編程軟件Visual Basic.Net來編寫相關(guān)程序。Visual Basic.NET基于微軟.NET Framework的編程語言,可編出功能更加強(qiáng)大的Windows程序，簡化了編碼的過程和出錯的機(jī)會，使編程更簡單、更易維護(hù)。

由于檢測系統(tǒng)中需要將采集的數(shù)據(jù)保存方便后續(xù)查看，因此系統(tǒng)中采用了數(shù)據(jù)庫SQL，通過對SQL本身的相關(guān)設(shè)置，且在軟件Visual Basic.NET中通過相關(guān)編程完成SQL與上位機(jī)顯示界面的連接，將采集到的速度數(shù)據(jù)實時保存至數(shù)據(jù)庫SQL中，方便工作人員對列車空轉(zhuǎn)情況的掌握，系統(tǒng)主程序流程圖與數(shù)據(jù)采集流程如圖6所示。

圖6 程序流程圖

5 結(jié)論

機(jī)車車輛運行的安全性隨著機(jī)車運行速度的提升面臨著更嚴(yán)峻的考驗，空轉(zhuǎn)故障的發(fā)生對列車運行安全性產(chǎn)生極大威脅。為了能夠及時快速地發(fā)現(xiàn)列車空轉(zhuǎn)故障，本文通過建立一套基于無線傳輸?shù)臋C(jī)車空轉(zhuǎn)故障檢測系統(tǒng)，根據(jù)檢測系統(tǒng)記錄的速度數(shù)據(jù)進(jìn)行空轉(zhuǎn)故障的判斷與處理，來促進(jìn)機(jī)車的檢修效率與機(jī)車運用質(zhì)量。該檢測系統(tǒng)可用于檢測HXD型機(jī)車空轉(zhuǎn)情況，系統(tǒng)所用硬件體積小，便于攜帶與安裝， 且系統(tǒng)傳輸方式從傳統(tǒng)有線改為無線傳輸，避免了傳統(tǒng)有線傳輸布線繁瑣、成本高的缺點。為了判斷速度更快列車的空轉(zhuǎn)情況，可采用精度更高、測量范圍更廣的速度傳感器，對鐵路系統(tǒng)中其他型列車空轉(zhuǎn)故障的判斷有一定的參考價值。