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

列車(chē)一旦開(kāi)始運(yùn)行，其動(dòng)輪與軌道間的黏著力會(huì)被破壞，輪對(duì)出現(xiàn)打滑并空轉(zhuǎn)，輕則造成輪對(duì)、鋼軌的磨損損傷，重則導(dǎo)致列車(chē)出現(xiàn)嚴(yán)重交通事故，危及生命安全，且隨著列車(chē)運(yùn)行距離的不斷增加，經(jīng)過(guò)的地域環(huán)境會(huì)不斷發(fā)生改變，導(dǎo)致動(dòng)輪與軌道之間的黏著力變小，最終導(dǎo)致列車(chē)出現(xiàn)空轉(zhuǎn)現(xiàn)象，這不僅增加了鐵路運(yùn)營(yíng)的維修成本，而且由于環(huán)境的多變，對(duì)軌面的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與后期的清理也會(huì)變得愈加困難，因此檢測(cè)空轉(zhuǎn)，須從機(jī)車(chē)本身入手，設(shè)計(jì)機(jī)車(chē)空轉(zhuǎn)故障檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)列車(chē)空轉(zhuǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并在出現(xiàn)空轉(zhuǎn)時(shí)及時(shí)采取相應(yīng)措施加以控制[3]，對(duì)保證列車(chē)正常安全的運(yùn)行尤為重要。

1 故障原因分析

空轉(zhuǎn)故障主要有兩大類(lèi)：一類(lèi)為真正意義上的空轉(zhuǎn)，即真空轉(zhuǎn)，若未能及時(shí)做出相應(yīng)措施抑制空轉(zhuǎn)，會(huì)導(dǎo)致輪對(duì)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(lèi)是假空轉(zhuǎn)，列車(chē)假空轉(zhuǎn)通常因?yàn)闋恳姍C(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(huì)使得機(jī)車(chē)牽引力降低，造成機(jī)車(chē)的途停，因此為了保證列車(chē)運(yùn)行安全，不管發(fā)生哪一類(lèi)空轉(zhuǎn)，均必須及時(shí)采取應(yīng)對(duì)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(huì)引起列車(chē)發(fā)生真空轉(zhuǎn)，造成電機(jī)與輪對(duì)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(chē)的齒輪在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，安裝在齒輪箱上的速度傳感器通過(guò)感應(yīng)頭產(chǎn)生脈沖來(lái)測(cè)速，若該間隙調(diào)整不當(dāng)，則導(dǎo)致各個(gè)軸速度傳感器輸出的脈沖幅值存在較大差異，該差異會(huì)通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)判定列車(chē)發(fā)生了空轉(zhuǎn)，激活機(jī)車(chē)空轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)，尋找新的黏著點(diǎn)。

(2)司機(jī)操作不當(dāng)。若司機(jī)在駕駛列車(chē)過(guò)程中因操作不當(dāng)，導(dǎo)致機(jī)車(chē)在啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生較大牽引電流，或手柄指令過(guò)高，均會(huì)導(dǎo)致電力機(jī)車(chē)出現(xiàn)真空轉(zhuǎn)。

(3)輪緣噴油量過(guò)大。若列車(chē)在行駛過(guò)程中輪緣噴油裝置噴油量過(guò)大，使得軌道道岔上出現(xiàn)過(guò)多油潤(rùn)，會(huì)導(dǎo)致列車(chē)黏著系數(shù)降低，從而黏著力被破壞，最終導(dǎo)致列車(chē)發(fā)生真空轉(zhuǎn)[5]。

1.2 假空轉(zhuǎn)

機(jī)車(chē)上某些硬件設(shè)備的連接線或插頭出現(xiàn)了松動(dòng)，或傳感器、插件板故障等都會(huì)引起機(jī)車(chē)空轉(zhuǎn)減載，此時(shí)稱(chēng)為假空轉(zhuǎn)。造成機(jī)車(chē)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(lèi)型較多，運(yùn)用在機(jī)車(chē)上的主要為T(mén)QG15B型。在使用過(guò)程中傳感器會(huì)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(huì)導(dǎo)致速度信號(hào)出現(xiàn)異常，檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到異常信號(hào)會(huì)判定機(jī)車(chē)出現(xiàn)假空轉(zhuǎn)。若傳感器在使用過(guò)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(huì)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(chē)輛轉(zhuǎn)向架或電子柜之間的線路出現(xiàn)開(kāi)路情況，或線路出現(xiàn)絕緣破損的情況，會(huì)導(dǎo)致速度信號(hào)出現(xiàn)異?；虿▌?dòng)，引起假空轉(zhuǎn)[6]。

2 檢測(cè)系統(tǒng)總體方案

2.1 檢測(cè)原理

機(jī)車(chē)各軸的速度由安裝在軸頭的脈沖速度傳感器進(jìn)行檢測(cè)，速度傳感器在車(chē)軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周時(shí)產(chǎn)生200個(gè)方波脈沖，脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)電纜送入電子柜頻率變換插件，頻率變換插件將各軸對(duì)應(yīng)的方波頻率信號(hào)成比例地變換成電壓信號(hào)，送入防空轉(zhuǎn)插件，最后經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換供CPU讀取，CPU計(jì)算出轉(zhuǎn)向架各軸電壓差，依據(jù)各軸電壓差輸出列車(chē)是否發(fā)生“真空轉(zhuǎn)”或“假空轉(zhuǎn)”。

在大多數(shù)情況下，通過(guò)頻率變換插件將各軸對(duì)應(yīng)的頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～5 V的電壓值信號(hào)。機(jī)車(chē)速度信號(hào)范圍一般介于0～100 km/h，對(duì)應(yīng)電壓信號(hào)為0～5 V，其中0.5 V時(shí)機(jī)車(chē)速度為10 km/h。判斷機(jī)車(chē)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(duì)值不大于0.1 V。若在機(jī)車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到某一軸電壓值與其他軸電壓差絕對(duì)值大于0.5 V時(shí)，則判定列車(chē)發(fā)生空轉(zhuǎn)現(xiàn)象，其中若該軸電壓信號(hào)小于其他任意軸電壓信號(hào)時(shí)，機(jī)車(chē)發(fā)生“假空轉(zhuǎn)”，若該軸電壓信號(hào)大于其他任意軸電壓信號(hào)時(shí)，機(jī)車(chē)發(fā)生“真空轉(zhuǎn)”。在系統(tǒng)檢測(cè)到機(jī)車(chē)發(fā)生空轉(zhuǎn)故障時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)記錄故障情況與發(fā)生故障時(shí)間，并在列車(chē)發(fā)生故障時(shí)發(fā)出音頻報(bào)警提示。在進(jìn)行空轉(zhuǎn)故障檢測(cè)時(shí)，若出現(xiàn)電壓信號(hào)遠(yuǎn)超正常范圍、電壓信號(hào)時(shí)有時(shí)無(wú)或無(wú)規(guī)則的情況，此時(shí)應(yīng)判斷相應(yīng)的動(dòng)輪發(fā)生了“假空轉(zhuǎn)”。

2.2 總體方案設(shè)計(jì)

本故障檢測(cè)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(jì)，其中軟件設(shè)計(jì)部分主要通過(guò)VB.Net與數(shù)據(jù)庫(kù)SQL完成，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。機(jī)車(chē)各軸轉(zhuǎn)速信號(hào)通過(guò)速度傳感器采集，并將采集的信號(hào)輸出至采集模塊ADAM4117，再由采集模塊將信號(hào)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(lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)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(shí)時(shí)顯示。

圖1 檢測(cè)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(cè)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(shí)現(xiàn)空轉(zhuǎn)故障檢測(cè)，首先必須采集速度信號(hào)，速度傳感器種類(lèi)眾多，由于無(wú)源永磁式電磁感應(yīng)脈沖轉(zhuǎn)速傳感器無(wú)傳動(dòng)接觸、無(wú)磨損且簡(jiǎn)單可靠，因此本系統(tǒng)采用該類(lèi)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(guò)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(dòng)，用于測(cè)量的齒輪安裝在被測(cè)旋轉(zhuǎn)物體上，跟隨被測(cè)物體一起轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖2所示。當(dāng)齒輪隨著被測(cè)物體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)致傳感器內(nèi)部磁場(chǎng)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(dòng)勢(shì)，即感應(yīng)電壓，輸出頻率與轉(zhuǎn)速成正比，該電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)整形調(diào)理以脈沖形式輸出，通過(guò)對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理即可測(cè)出被測(cè)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(hào)，需經(jīng)過(guò)ADAM模塊轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能識(shí)別的信號(hào)并輸出至控制模塊單片機(jī)。ADAM模塊是一類(lèi)模擬量輸入模塊，可以實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，在工程應(yīng)用中通常用來(lái)采集電壓或電流信號(hào)，并將采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為RS485信號(hào)傳輸至單片機(jī)，在使用過(guò)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(hào)，并將信號(hào)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(cè)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(chǔ)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(wú)線傳輸模塊

系統(tǒng)WIFI模塊采用HLK-M50無(wú)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(wú)線網(wǎng)(WIFI)接口之間的轉(zhuǎn)換，使得串口和網(wǎng)絡(luò)之間透?jìng)鲾?shù)據(jù)。通過(guò)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(guò)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(hào)為RS232，只需保證WIFI模塊與上位機(jī)連接在同一個(gè)局域網(wǎng)，即可實(shí)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(wú)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(zhǎng)，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(diǎn)。

3.6 電源

對(duì)整個(gè)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(zhǎng)的5 V鋰電池對(duì)系統(tǒng)供電，其二可直接采用列車(chē)上的交流220 V電源，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需的5 V電壓。

4 軟件設(shè)計(jì)

檢測(cè)系統(tǒng)中的軟件設(shè)計(jì)包括對(duì)采集模塊串口參數(shù)的設(shè)置、速度信號(hào)的采集、故障時(shí)的音頻報(bào)警提示、數(shù)據(jù)保存等，其中對(duì)采集模塊串口參數(shù)的設(shè)置通過(guò)測(cè)試軟件Utility調(diào)試，速度信號(hào)的采集、上位機(jī)顯示、故障時(shí)的音頻報(bào)警提示均通過(guò)編程軟件Visual Basic.Net來(lái)編寫(xiě)相關(guān)程序。Visual Basic.NET基于微軟.NET Framework的編程語(yǔ)言,可編出功能更加強(qiáng)大的Windows程序，簡(jiǎn)化了編碼的過(guò)程和出錯(cuò)的機(jī)會(huì)，使編程更簡(jiǎn)單、更易維護(hù)。

由于檢測(cè)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(kù)SQL，通過(guò)對(duì)SQL本身的相關(guān)設(shè)置，且在軟件Visual Basic.NET中通過(guò)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(shí)時(shí)保存至數(shù)據(jù)庫(kù)SQL中，方便工作人員對(duì)列車(chē)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(chē)車(chē)輛運(yùn)行的安全性隨著機(jī)車(chē)運(yùn)行速度的提升面臨著更嚴(yán)峻的考驗(yàn)，空轉(zhuǎn)故障的發(fā)生對(duì)列車(chē)運(yùn)行安全性產(chǎn)生極大威脅。為了能夠及時(shí)快速地發(fā)現(xiàn)列車(chē)空轉(zhuǎn)故障，本文通過(guò)建立一套基于無(wú)線傳輸?shù)臋C(jī)車(chē)空轉(zhuǎn)故障檢測(cè)系統(tǒng)，根據(jù)檢測(cè)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(lái)促進(jìn)機(jī)車(chē)的檢修效率與機(jī)車(chē)運(yùn)用質(zhì)量。該檢測(cè)系統(tǒng)可用于檢測(cè)HXD型機(jī)車(chē)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(wú)線傳輸，避免了傳統(tǒng)有線傳輸布線繁瑣、成本高的缺點(diǎn)。為了判斷速度更快列車(chē)的空轉(zhuǎn)情況，可采用精度更高、測(cè)量范圍更廣的速度傳感器，對(duì)鐵路系統(tǒng)中其他型列車(chē)空轉(zhuǎn)故障的判斷有一定的參考價(jià)值。