SS8型电力机车闸瓦制动工况在线监测的研究与实现

仪器仪表与检测技术INSTRUMENTATIONANDMEASURMENT自动化技术与应用2016年第35卷第4期SS8型电力机车闸瓦制动工况在线监测的研究与实现陈庆湖南铁道职业技术学院，湖南株洲412001摘要本文通过研究电力机车闸瓦制动工况现在的技术背景，针对以前制动器工况检测方法的不足，提出采用2个位移传感器来检测机车闸瓦制动工况的思路，其后描述了具体研究内容和实施思路，为铁路设备故障监测技术提供参考。关键词闸瓦，制动工况，位移传感器中图分类号TP2772文献标识码B文章编号10037241201604008504RESEARCHANDIMPLEMENTATIONOFSS8TYPEELECTRICLOCOMOTIVEBRAKECONDITIONMONITORINGCHENQINGHUNANRAILWAYPROFESSIONALTECHNOLOGYCOLLEGE，ZHUZHOU412001CHINAABSTRACTTHISPAPERTHROUGHTHESTUDYONELECTRICLOCOMOTIVEBRAKINGCURRENTTECHNICALBACKGROUND，INVIEWOFTHESHORTCOMINGSOFPREVIOUSBRAKEWORKINGCONDITION，ADETECTINGMETHODISPROPOSEDBYUSINGTWODISPLACEMENTSENSORTODETECTTHEIDEAOFBRAKESHOEOFLOCOMOTIVEBRAKINGFOLLOWEDBYADESCRIPTIONOFTHESPECIFICCONTENTSOFTHESTUDYANDIMPLEMENTATIONOFIDEASANDPROVIDESAREFERENCEFORRAILWAYEQUIPMENTMONITORINGANDFAULTDIAGNOSISTECHNOLOGYKEYWORDSBRAKE；BRAKING；DISPLACEMENTSENSOR1研究背景电力机车无论是在高速还是重载的运行过程中，制动都是一个非常关键的问题。目前我国电力机车的制动装置主要是踏面铸铁闸瓦制动，它采用铸铁或其他材料制成的闸瓦紧压运动的车轮踏面，通过闸瓦与车轮踏面的机械摩擦产生制动力。而关于电力机车运行的在线检测，没有对制动器工况的检测。有人研制了电力机车闸瓦踏面制动工况监测仪，采用一种新型的电力机车单元制动器工作状况监测传感器，并通过计算机使机车操纵者随时了解机车运行或准备作业时每个单元制动器的工作状况。基金项目2015年度湖南省教育厅科学研究青年专项列车制动及车轮失圆实时在线监测系统的研究与开发的阶段研究成果”编号L5B155收稿日期20160105单元制动器的制动工况分为制动和缓解2种状态，其工况监测的目的在于向机车操纵者、乘务员显示其状态，以避免由于故障工况而造成行车事故。制动器最终制动结果的检测有2种方案1制动器行程监测，即监测闸瓦的位移或闸瓦片与车轮的间隙，表现信号为开关信号；2对闸瓦制动力的监测，即检测闸瓦在气缸作用下的力，表现信号是模拟量信号。无论是行程还是压力的检测，制动工况监测仪可以将制动器的动作信号结合机车运行的速度和制动的气压压力信号，通过计算机程序进行逻辑分析判断，给出显示信息和相应的故障状态报警信号，让机车操纵者、乘务员随时了解机车运行或整备作业每个单元制动器的工作状况，从而防止单元制动器故障致使机车轮对弛缓、自动化技术与应用2016年第35卷第4期仪器仪表与检测技术INSTRUMENTATIONANDMEASURMENT踏面剥离或制动力不够而引发的行车事故】。该制动器工况检测方法为1检测闸瓦动作后对轮面的压力，采用压力传感器来检测闸瓦的动作，压力传感器的结构和形式取决于其在闸瓦托上的安装位置，采用应变电阻片作为其敏感元件，传感器输出为模拟电压或电流信号。2检测闸瓦片与车轮踏面接触和脱离2种状态，采用以微动开关为核心的设计，也可以将2闸瓦片作为电磁铁的两极，利用它们与车轮接触时的磁通变化来检测。以上方案采用的检测传感器有以下缺点第1种方法的检测电路设计复杂滤波、放大和AD转换，对于制动的程度，即制动力的大小没有定量的概念，同时需要设计专用的标定试验台，传感器成本高。在试验过程中发现无论压力传感器的结构如何改进，有一个问题始终没有得到较好的解决，就是在安装压力传感器时必须很小心地让传感器的受力部分和闸瓦接触面相垂直，不然会产生弯曲。安装较垂直的传感器测得的压力值和在试验台测量的数据吻合，如有偏差测得的数据就大相径庭。由于闸瓦表面是弧形，安装在垂直的位置较困难。第2种方法只能监测闸瓦的动作，对闸瓦制动力不能检测，传感器输出为开关信号，传感器的安装位置、安装方法以及如何补偿由于闸瓦片的磨损带来的传感器与车轮踏面的间隙变化不能消除，由于传感器采集的信号是制动时闸瓦和车轮是否接触的开关信号，只能定性的检测机车制动时的状态。2研究内容针对以上情况，本文将研究采用位移传感器检测制动器的工况，用一种新型的电力机车单元制动器工作状况监测传感器。该电力机车闸瓦制动工况在线监测器包括四个模块电源模块、位移传感器模块、模数转换模块、计算机模块、声光报警模块，下面对各模块一一进行介绍口】。电源模块主要包括开关电源，开关电源为系统提供供电电源，开关电源的输入电源采用机车直流电源，该电源不会因机车行驶中出现断电的情况。位移传感器模块与电源模块连接，用于检测制动器及轮对踏面的机械位移，包括第一位移传感器和第二位移传感器。此模块拟采用分体式磁致伸缩位移传感器，型号为JWMF，此种传感器的可选行程范围507650MM，适用于对电子头安装空间有严格要求的内置测量场合。产品具有安装尺寸小、抗干扰能力强、许用温域宽一40。85。、非接触测量、替换方便、智能诊断等优点。多应用于高速铁路、风力发电、工程机械等高要求领域。输出的标准模拟信号可直接输出到PLC控制模块或者其它仪表。模数转换模块与位移传感器模块连接的电阻，用于将420MA的信号转换成卜5V的信号，以便于EM23L进行模数转换。计算机模块与位移传感器模块、模数转换部分连接，用于处理、计算各种参数以及显示、设定各参数。声光报警模块与计算机模块连接，用于报警制动器缓解不到位以及闸瓦厚度尺寸过小，轮对踏面磨损过度。本研究采用了两个位移传感器及安装位置来检测各参数、计算闸瓦的厚度、轮对踏面的磨损程度、制动器的缓解到位程度，同时将传感器机械变化产生的信号转换成闸瓦的厚度、踏面的磨损、制动器的缓解到位程度的信号。此研究可以克服前述制动器监测方法的一些不足，检测电路采用内置式，相对较为简单，检测较为全面，还可以定性、定量的检测机车制动时的状态。3具体实施思路以下对此研究结合附图进行进一步的详细说明。图1电力机车闸瓦制动工况在线监测的原理示意图图1主要由电源模块、位移传感器模块、模数转换模块、计算机模块及声光报警模块五个部分组成。电源模块为系统各模块提供直流电源，2个位移传感器检测制动器及轮对踏面的机械位移，将检测到的信仪器仪表与检测技术INSTRUMENTATIONANDMEASTLFLFLENT自动化技术与应用2016年第35卷第4期号通过模数转换模块转换成数字信号，然后提供给计算机模块进行计算和处理，其结果通过人机界面和声光报警模块进行显示和报警。位移传蕾曩1图2单元制动器正面及位移传感器1示意图轮I囊砸图3单元制动器背面及位移传感器2示意图在图2中，盖端与制动缸位于箱体的前端，位移传感器1的“固定外壳”固定在箱体上，位移传感器1的移动杆固定在闸瓦托杆与闸瓦托的连接轴上，闸瓦连接在闸瓦托上，位移传感器1的移动杆与闸瓦托杆间连接有防尘胶套，箱体与闸瓦托杆间连接有瓦托支座。位移传感器I的“固定外壳”固定在箱体上，位移传感器的移动杆固定在闸瓦托杆与闸瓦托的连接轴上，位移传感器1的固定端到移动杆的固定端在闸瓦无磨损、缓解到位、轮对踏面无磨损的情况下长度为X10。在闸瓦磨损、轮对踏面磨损、缓解到位的情况下，传感器1的固定端到移动杆的固定端的长度为X1【5L。当机车进行制动时，制动缸气动，闸瓦托杆动作，带动闸瓦托和闸瓦进对机车轮对踏面压挤，产生机械制动力，完成制动。在制动过程中，闸瓦托杆带动位移传感器1移动，移动的位移通过传感器变换成420MA，变换成的信号传送到监控器的中央处理单元S7200PLC及AD扩展模块，再通过触摸屏将位移大小显示出来，便于驾驶员及检修人员观察。在进行缓解控制时，通过位移的大小可判别制动器是否缓解到位，是否出现贴轮现象。当制动器进行制动时，列车的速度下降，此时PLC将列车速度和制动信号读出，表示列车产生制动，将对应的位移传感器1产生的位移AX1读出。该值便是闸瓦与轮对踏面的间隙。在图3中，盖端与制动缸位于箱体的前端，位移传感器2的“固定外壳”固定在箱体上，位移传感器2的移动杆固定在闸瓦托杆与闸瓦托的连接轴上，闸瓦连接在闸瓦托上，位移传感器2的移动杆与闸瓦托杆间连接有防尘胶套，闸瓦后面连接有机车轮对踏面，箱体与闸瓦托杆间连接有瓦托支座。位移传感器2的“固定外壳”固定在闸瓦托杆与闸瓦托的连接轴上，位移传感器2的移动杆为自恢复的，即没有机械碰撞时，为初始位，固定端到检测头的长度为长，有机械碰撞时，移动杆回缩，产生位移。位移传感器2在初始情况下的长度为X2。当制动器缓解时，位移传感器2的移动杆不与机车轮对踏面没有磨损过的尺寸接触，预留LMM的间隙间隙可通过固定外壳的安装改变。当制动器进行制动时，移动杆与被轮对踏面挤压，移动杆回缩，产生位移X2。移动的位移通过传感器变换成420MA，变换成的信号传送到监控器的中央处理单元S7200PLC及AD扩展模块，产生的位移AX2X1X10LMM的结果即是轮对踏面的磨损尺寸。再通过触摸屏将位移大小显示出来，驾驶员或检修人员可知道，轮对的磨损情况，以便及时处理。位移2X1一XL0AX1X2I516是初始间隙的结果便是闸瓦的厚度，通过触摸屏显示出来，提示工作人员及时更换闸瓦。如果采用8套检测传感器每套2个，4个EM231，1个PLC，即可检测4轴的机车8个车轮和制动器。4结束语下转第117页行业应用与交流NDUSTRIALAPPLICATIONSANDCOMMUNICATIONS自动化技术与应用2016年第35卷第4期表，然后按照新的路由来发送数据，直到将数据发送成功为止。数据发送结束后，单片机进入低功耗模式，1S后由定时器唤醒，然后重复执行上述过程。具体流程如3图所示。4结束语本文设计的节点主要用于采集温度和人体热释红外信息，但只要稍做修改，就可以用于采集其它的参数，以满足不同应用场合。无线网络采用的通信频率是433MHZ，这一点与真正意义上无线传感器网络的通信频率是不同的，本文只是对于无线传感器网络研究的一次尝试。参考文献【1】于海斌，曾鹏智能无线传感器网络系统M】北京科学出版社，2006【2】洪锡军无线自组网路由协议研究J】计算机工程，2005，3181051073】魏小龙MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例M】北京北京航空航天大学出版社，20034】胡大可MSP430系列单片机C语言程序设计与开发M】北京北京航空航天大学出版社，2003【5】DALLASSEMICONDUCTORDS18B20PROGRAMMABLERESOLUTION1一WIREDIGITALTHERMOMETER作者简介唐磊1986，男，研究实习员，研究方向核探测技术与核电子学。上接第70页THEIASTEDINTERNATIONALCONFERENCEONMODELLINGSIMULATION，ANDIDENTIFICATION，MSI200917】JINBOZHANG，WEILIANEWMETHODFORMEASUREMENTOFPERFORMANCEOFOXIDELIGHTNINGARRESTERSC】PROCEEDINGSOFTHE3THINTERNATIONALCONFERENCEONIMPULSIVEANDHYBFIDDYNAMICALSYSTEMS，200618】KARIMIMJ，REZAEIGEFFECTSOFEXTERNALELECTRICANDMAGNETICFIELDSONTHELINEARANDNONLINEARINTERSUBBANDOPTICA1PROPERTIESOFFINITESEMIPARABOLICQUANTUMDOTSJ】PHYSICABCONDENSEDMATTER，2011，406234423442819】GWOFGENERALSYSTEMSUBCOMMITTEEIEEEELECTROSTATICEFFECTSOFOVERHEADTRANSMISSIONLINE，PARTLHAZARDSANDEFFECTSJIEEETRANSONPOWERAPPARATUSANDSYSTEMS，1972，912422426作者简介张博1995，男，本科生，现从事配用电设备在线监测等方面的研究工作。上接第87页此研究采用位移传感器检测，解决了安装压力传感器时难与闸瓦接触面相垂直的问题。采用内置式检测电路，实现了机车制动状态的定性、定量的检测。同时，通过计算机使机车操作者、乘务员随时了解机车运行或准备作业时每个单元制动器的工作状况。它的应用可以防止因单元制动器故障导致的机车轮对弛缓、踏面剥离或制动力不够而引发的行车事故，对确保机车运行安全具有重要意义。参考文献1】严俊SS系列机车制动工况及轮对椭圆化在线监