（交通信息工程及控制专业论文）机车闸瓦测温原理及应用研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t s of a r ，i n f r a r e dt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tt e c h n 0 1 0 9 yh a sb e e na p p l i e d i nt h e1 0 c o m o t i v er e l a x a t i o nd e t e c t i n ga n da l a r m i n ge q u i p m e n t s h o w e v e r ， i n f r a r e dt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yi t s e l fi si n f l u e n c e db y i a n y f a c t o r ss u c ha so b j e c te m i s s i v i t y ，a t m o s p h e r ee n v i r o n m e n te t c i nf a c t ， w o r k i n ge n v i r o n m e n tf o rt h e1 0 c o m o t i v ei sq u i t ef o u l ， a n dt h ed e t e c t i o n r e s u l ti sn o ts a t i s f i e d t h et h e s i sp u tf o r w a r dt h ea p p l i c a t i o no f m o n i t o r i n gt e i n p e r a t u r eo nb r a k es h o e ， w h i c hi su s e dt oe s t i m a t eb r a k e f a u l to fl o c o m o t i v e t h e nd e e pr e s e a r c ha n dd i s c u s so ni t st h e o r ya n d a p p li c a t i o na r et a k e n d i v e r s ec a u s e so ft v r er e l a x a t i o na n dv a r i o u sd e t e c t i o nm e t h o d si n t h ec o u n t r ya r ef i r s ti n t r o d u c e di nt h et h e s i s t h e na f t e rd e e p l y i n v e s t i g a t i n gt h eb r a k i n gs t a t ed e t e c t i o nm e t h o da n df u l l yc o n s i d e r i n g t h ep r a c t i c a lc h a r a c t e r so fl o c o m o t i v e ，as 0 1 u t i o ni sp r e s e n t e d ，w h i c h e s t i m a t e st h e l o c o m o t i v eb r a k i n gf a u l td i r e c t l yb yd e t e c t i n gt h e t e m p e r a t u r eo ft h eb r a k es h o e t h et e m p e r a t u r ed e t e c t i o no b j e c ta n d m e t h o da r ea l s o e s t a b l i s h e d ，c o r r e s p o n d i n gt e m p e r a t u r e s e n s o ri s d e s i g n e da n dt h ep r o p e ri n s t a l l a t i o np o s i t i o na n di n s t a l l a t i o nm e t h o d a r ef o u n d b e s i d e s ， t h et h e s i sa sw e l la n a l y z e st h ep r i n c i p l eo f t e m p e r a t u r ed e t e c t i n g ， d a t ar e c o r d ，d a t ac o 唧u n i c a t i o n ， d i s p l a y ， p h o n e t i ca l a r ma n du s bs t o r a g eo ft w e l v et y r ep a i r so fb r a k es h o ea n d s o f t w a r e ，h a r d w a r ed e s i g na b o u tt h es y s t e ma r ep r e s e n t e d n e x t ， i no r d e r t os 0 1 v et h ep r o c e s s i n gw a yo ft h et e m p e r a t u r ed a t ao fb r a k es h o ea n d r e d u c et h em i s t a k ea n df a i la l a r ， a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r so ft h e f u z z yi n f e r e n c et e c h n o l o g ya n dc o m b i n i n gt h ef e a t u r e so ft h el o c o m o t i v e b r a k i n gf a u l td i a g n o s i ss y s t e m ， t h et h e s i sp r e s e n t sap r o c e s s i n gw a y w h i c ha d o p t sf u z z ym o d e ls y s t e m ，a n dd i s c u s st h et h e o r ym o d e la n d r e a l iz i n gm e t h o d i nt h ee n d t h et h e s i ss u m m a r i z e st h ef r u i t so ft h ee x d e r i m e n to f 西南交通大学硕士研究生学位论文第l li 页 t h es y s t e ma n dp o i n t so u tt h ed e f i c i e n c yo ft h er e s e a r c h p r o s p e c t so f t h es y s t e ma r ep r e s e n t e da sw e l l k e yw o r d s ： l o c o m o t i v e 。 t y r er e l a x a t i o n ， b r a k es h o e ， f u z z y 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 本课题的研究背景 高速和重载是世界铁路技术的两个重要方向，也是我国铁路技术的发展方 向。无论高速还是重载，“制动”都是一个非常关键的问题，制动问题如果没 有解决，即使有了高质量的线路，有了功率很大的牵引动力等，其安全性不能 保证，高速或者重载还是不可能实现的”1 。 对机车制动系统提出了更新更高的要求。提高制动系统可靠性和安全性， 实现制动系统的故障检测、诊断、显示与报警等功能，已成为未来机车制动系 统的发展方向。 机车轮对由一根车轴和两个车轮压装成一体，轮对不仅承受着机车的全部 重量和自身的重量，而且在轨道上高速运行时还承受着从车体、钢轨两方面传 来的其他各种作用力。轮对的质量直接影响列车运行安全，因此要求轮对必须 保持良好的技术状态，对它的制造、检修也均有严格规定。 机车制动作用按用途可分为两种：常用制动和紧急制动9 】。常用制动是正常 情况下为调控车速或进站停车所施行的制动，其作用较缓和，而且制动力可以 调节；紧急割动是在紧急情况下为使机车尽快停住而施行的制动，它不仅展上 了全部制动能力，而且作用较迅猛，制动力最大，制动时间要求最短，产生的 热量最多，对轮对的应力场影响最大，是最恶劣的工况。摩擦制动是我国采用 的主要制动方式。此外，还有动力制动和电磁制动两种方式。 当前国外的机车几乎都采用整体式车轮，因此一般是以整体轮对为研究对 象进行分析，对于轮轨关系的探讨较为深入一些。由于组装式轮对可延长其使 用寿命，节约成本，国内的机车多采用组装式车轮。组装式机车轮对的各部分 通过过盈配合来传递动力。组装式车轮是将轮箍用热套装法装在轮心上，镶入 扣环而成。由于轮箍和轮辋是过盈配合，故机车正常运行时轮箍和轮辋之间不 会发生相对位移。如果出于各种原因使得轮箍长时问发热膨胀，轮箍和轮辋的 过盈量就会基本消失，在牵引电机的转矩和轮对与钢轨的摩擦力( 或者牵引电 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 机的转矩和闸瓦的制动力矩) 作用下，轮箍和轮惘相对转动，产生相对位移， 这就是轮箍弛缓。一旦发生轮箍弛缓，轻则可能造成机车脱轨，重则造成列车 颠覆以至人员伤亡和财产的重大损失。特别是在列车运行速度越来越高的今天， 高速 亍驶的机车一旦发生轮箍弛缓事故，造成的后果将不堪设想。如2 0 0 3 年8 月4 日2 7 0 3 1 次货物列车机车车轮a 节1 ， 2 ， 4 位轴发生轮箍弛缓外窜的严 重故障，导致紧急停车。造成陇海下行线中断9 个小时。 轮箍弛缓会造成机车脱轨等重大安全事故，轮箍弛缓问题一直是世界铁路 部门所关注的课题。因此，机车轮箍弛缓一直困扰着铁路运输部门，成为制约 机车提速的一大隐患。为此铁道部和各应用部门采取了许多改进措施，如机车 轮箍加装扣环，采用整体轮，对乘务员操作订了许多规定以防止带闸运行等， 但仍不能满足机车提速的要求，机车轮箍仍经常发生弛缓。为有效地预防机车 轮箍弛缓，有必要加装机车轮箍弛缓监测装置，及时监视机车轮箍弛缓现象， 然后再采取有效措施，防止机车轮箍弛缓引发的重大事故。 在f i i 本曾经有人建议，轮箍与轮毂过盈配合后，再用电焊机焊接，但是容 易引起裂损而没有最终实施。而有些国家已采用改进结构的整体式。苏联在6 0 年代初就在内燃机车上试用辗钢的整体式车轮，它能减少簧下质量，降低了与 轨道问的动作用力。美国铁路已在内燃机车上应用铸钢整体车轮 3 5 。整体车 轮有系列优点，其中之一就是从根本上消除了轮箍弛缓故障。在我国由于各 种原因还不可能达到全部采用整体轮，机车多采用带有轮箍的组合式车轮，我 们必须采取措旌来及时发现轮箍弛缓的出现。 由于机车的轮箍弛缓现象发生比例较高，且造成危害较大，许多单位、研 究机构都对此作了一些相关的研究，但效果都不是很理想。这些研究往往都是 针对引起弛缓的某一方面原因而展开的，例如，从压力的角度来监控利用压力 来监控，安装要求高，压力门限值难以确定。另外，压力值的测量受到制动部 份机械故障的影响较大。如机车轮箍加装扣环，对乘务员操作订了许多规定以 防止带闸运行等，但仍不能满足机车提速的要求，机车轮箍仍经常发生弛缓。 找到一种可行的方案一直是多方努力的方向。考虑到动轮弛缓发生的原因 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 主要是由于温度的升高，使轮箍和轮辋之间过盈量的消失而造成事故。因此， 我们可以从温度的角度来监控。因此，希望能设计出一套系统对机车运行过程 中轮箍温度进行自动监测，当轮箍温度超过一定温度时予以报警，避免出现运 行事故。用什么方法来进行温度的监测呢? 轮箍在机车运行过程中始终是高速运 行的，对温度的测量方法大体可以分为两类：接触式测量和非接触测温。 目前国内监测轮箍弛缓的方法主要采用非接触式测温，其中机车轮箍弛缓 的红外监测报警装置应用较为普遍。尽管非接触红外测温可以不必接触轮箍与 闸瓦。以及测温范围宽等优点，但是它易受外部环境如大气状况的影响，而且 传感器镜头也易被污染。所以这些测量方法缺点也是很明显的。通过对机车弛 缓进行了全面深入研究，在制动状态检测方法和监控系统的设计上充分考虑了 机车运用的实际特点，该文提出了通过检测闸瓦的温度来直接判断机车制动故 障的解决方案。 1 2 国内外轮箍弛缓检测方法概述 根据轮箍弛缓产生的不同原因，目前国内已经采用的检测方法有以下几种。 1 2 1 测制动缸的压强 适用对象：基础制动装置的意外充风制动。 这是因为这类意外制动的共同特点是意外制动时制动缸鞲鞴伸出，制动缸 内压强增加。可以通过测量制动缸的气压，如果汽缸气压长时间大于某临界值， 就可以断定发生了意外充风制动“。 目前应用情况： 一种是在d f 4 、 d f 4 b 、 脚型机车上使用的u u 9 3 型监测装置”1 。它是 在制动缸管上适当位置钻孔加焊接接头压力传感器再通过焊接接头检测气压。 另一种是在s s 4 型机车应用的n c b 1 型和h j l 型动轮弛缓报警器”1 。s s 4 型机车本身带有风压表，所以这两种万法是直接对风压表的数据处理。其中 n c b 1 型存在两个缺陷：一是在风压大于1 0 0 k 口a 时装置也不再报警，第二是 不能监测手动制动装置引起的轮箍弛缓。h 型在n c b 1 型上作了改进，克服了 上面的两个缺陷。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 优缺点：优点是设备简单，成本低( 如购买和安装u 口9 3 型监测装置的 所有费用也才1 0 0 0 多元) ，它能检测出的意外充风制动占了轮箍弛缓的大多数 情况。 缺点是适用范围窄。因为手制动装置制动是机械传动，与制动缸气压没有 任何关系，而弹簧止轮器意外制动时反而是制动缸气压降低，与上面的检测原 理相反，所以这种方法不适用于停车制动装置引起的意外制动。对于其他原因 造成的轮箍弛缓，与制动缸气压一点关系也没有，故它也不适用其它各种情况。 1 2 2 测闸瓦的压力 适用对象：机车意外制动和闸瓦问间隙调整不当引起的轮箍弛缓。 这是因为这两种情况都会使闸瓦压力增加，所以通过检测闸瓦压力就可以 检测是否发生轮箍弛缓。 优缺点：优点是比起测制动缸的压强来，测量范围大大增加。缺点是仍 然不能测量轮对空转使得轮箍发热、闸瓦散热效果差、闸瓦材质不良和轮对组 装时轮箍与轮辋过盈量不足等造成的轮箍弛缓嘲。 1 2 3 测轮箍和环境的温度差 适用对象：除了轮箍与轮辋过盈量不足和闸瓦材质不良造成的轮箍弛缓 不能测量外，其他都可以测量。 这是因为这些轮箍弛缓都会引起轮箍发热，当轮箍温度和环境温度差值达 到一定值，就会发生轮箍弛缓。 目前应用情况：如红外测温法，测闸瓦的压力和测轮箍和环境的湿度差 己经在s s 4 和d f 4 机车进行了装车实验，结果发现利用测轮箍和环境的温度差 来测量轮箍弛缓的效果要好一些”j 。 优缺点：能够检测出绝大部分的轮箍弛缓来，但是对于那些与轮箍发热 无关的弛缓却不能检测。红外测温法不受机车振动的影响，但是它易受外部环 境如大气状况的影响，而且传感器镜头也易被污染”“”。 以上介绍的三种方法都是间接检测轮箍弛缓法，它们具有明显的缺点，一 是不能检测所有轮箍弛缓；二是检测量是一些与弛缓位移相关的物理量，这些 量与弛缓位移并不存在单值关系，所以有可能出现误报警或不报警的情况。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 虽然引起轮箍弛缓的原因很多，但从最终的结果来看，都是因为轮箍与轮 辋装配面间的温度差达到一定数值后所引起的，因此，我们可以从温度的角度 来监控。当温度升高到一定值后，报警装置及时予以报警，防止机车事故的出 现。用什么方法来进行温度的监测呢? 轮箍在机车运行过程时始终是高速运行 的，对温度的测量方法大体可以分为两类：接触式测量和非接触测温。 机车在制动时闸瓦与轮箍直接接触磨损，所以目前国内监测轮箍弛缓的方 法主要采用非接触式测温，如机车轮箍弛缓的红外监测报警装置应用较为普遍。 尽管非接触红外测温可以不必接触轮箍与闸瓦，以及测温范围宽等优点，但是 红外测温本身要受到物体发射率、大气环境等诸多因素的影响，而且传感器镜 头也易被污染。红外测温要求应在无雨、无雾、无尘、无风，并且空气湿度最 好低于7 5 空气较为清新的环境下进行唧，但实际上机车根本无法在以上提到 的理想条件下进行运行，其工作环境极其恶劣，特别是一年四季天气的变化较 大，受到雨、雾、雪、温度、灰尘的影响程度各异，既使在同一时刻，左、右 轮受天气的影响程度、污染程度也不一样。即使在冬季的同一天，火车到达哈 尔滨和到达广州的天气温度差别就很大。所以这些测量方法缺点也是很明显的。 因此本文提出了通过检测闸瓦的温度来直接判断机车制动故障的解决方案。 1 3 本文所作的工作及其特点 在“机车闸瓦测温系统的原理及应用研究”的研究过程中，我做的主要工 作包括以下几个方面。 1 通过查阅大量文献和到机务段进行现场调研，总结了产生轮箍弛缓的各 种原因，并分析了各种原因引起弛缓的物理过程。了解了国内外各种轮箍检测 的方法。 2 通过对轮箍温度分布和闸瓦测温原理的讨论，设计出相应的温度传感器。 并确定了测温对象和解决测温误差的方法。通过到机务段的现场调研和查阅机 车的相关资料，讨论了系统的安装对测量带来的误差，找到了传感器合适的安 装位置和安装方法。 3 为了寻求解决机车闸瓦温度数据的处理方法，在定程度上减少制动故 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章测温原理及传感器设计 前一章主要介绍本课题的研究背景和国内外各种轮箍检测的方法，并指出 了各自存在的不足。进而提出一种新的检测方法通过机车闸瓦测温来监测 机车弛缓。因此本章将要围绕从分析机车弛缓产生的原因、形成的机理着手， 通过对轮箍温度分布和闸瓦测温原理的讨论，确定了测温对象和解决铡温误差 的方法，设计出相应的温度传感器。 2 1 机车弛缓 要寻求一个行之有效的监测机车弛缓的方法，得首先探明产生轮箍弛缓的 各种原因，以及发生弛缓的物理过程。然后提出了相应的解决方案，并予以实 现之。 21 1 机车弛缓 机车轮对主要由车轴、轮辋和轮箍等组成。在安装机车轮箍和轮心时，通 常是通过加热后，以过盈配合的方式将二者紧固在一起。轮箍与轮心的过盈量 一般为1 1 5 1 3 5 毫米。过盈量过大，会造成轮箍内应力过大。过盈量过小， 容易产生轮箍弛缓。在机车正常运行时，轮箍与轮辋之间不会产生相对位移。 如果机车制动系统出现故障，就有可能产生机车闸瓦紧抱轮箍表面，造成轮箍 因长时问摩擦而发热膨胀。当轮箍温度超过1 7 1 3 时”3 ，轮箍与轮辋的配台过 盈量会基本消失，在轮对上牵引力矩和制动力矩的作用下，轮箍和轮辋互相转 动，产生相对位移这种现象称为轮箍弛缓。轮箍弛缓严重威胁着运输安全， 轻则造成机破事故，重则会由于轮箍脱出而造成列车颠覆。其造成的经济损失 和社会不良影响是难以估量的。 轮箍是承受机车动轴载荷及轮周牵引力、机车制动力的重要部件。车轮在 钢轨上跑，既有滚动又有震动，紧急停车时闸瓦抱紧车轮，车轮还要在钢轨 上剧烈摩擦。如果车轮的钢材软了，经不住磨耗，不圆了，列车的振动就增大： 如果铡材叉硬又脆，经不住在钢轨接头外和遭岔处的震动，会崩裂，列车还会 如果铡材叉硬又脆，经不住在钢轨接头外和遭岔处的震动，会崩裂，列车还会 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 出现险性事故。所以做车轮的钢必须既耐磨，又耐震，材质必须软中带硬，又 有弹性。为此，人们把机车轮子做成两部份，轮芯部分钢质主要为了增加韧性， 软一点；轮箍部分钢质主要提高耐磨性，硬一点。 在闸瓦制动工况下，轮箍受热后，一部分热量传绘轮辋( 另一部分热量由轮 箍散向大气中) 。据国外资料介绍，闸瓦制动是产生的热量有6 6 9 0 传给轮 箍或车轮，对灰铸铁闸瓦取低值，对合成闸瓦取高值”。由于轮箍与轮辋的装 配面间存在着传热阻力，故而产生温度差。传热阻力的大小，由装配面的粗糙 度、接触面积及接触压力所决定。当闸瓦制动时，由于轮箍与轮辋装配面间存 在温度差出，当此达到一定数值出时， f 。盟 a 轮箍所产生的线膨胀使过盈量抵消。 ( 2 1 ) 其中： 口为线膨胀系数，钢的线膨胀系数口= 1 2 5 1 0 。锄f 锄) y 为过盈量，我国机车过盈量一般取轮心直径的1 2 1 5 ，d f 4 车轮 轮心直径9 0 0 i i i l m ，过盈量应为1 0 8 1 3 5 m m ，新轮箍过盈量一般按1 3 5 m m 掌 握。这样按上式可计算出址= 1 0 8 ”1 。在实际过程中，当温差达到8 8 1 2 4 时，就可以使过盈量全部抵消，产生轮箍弛缓现象”“。但由于f 是装配面的 温度差，可以通过其他点的温度来达到间接测量接触面的温度值。 2 1 2 轮箍弛缓原因分析 根据文献h 知道轮箍弛缓的原因是多方面的，主要有以下几种： 1 意外制动 这是指驾驶员失误或者制动系统本身出了问题，使得制动系统不该制动时 却发生了制动或者该缓解时没有缓解。造成机车长时间带闸运行，轮箍和闸瓦 长时间摩擦发热，发生轮箍弛缓。 机车上的制动装置有两套，一是机车停车和减速时用到的基础制动装置， 另一是机车长时问停留在轨道上时用到的停车制动装置。这两种装置制动时气 缸的压力町 x 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 缓解”，故由它引起的弛缓的共同特点是意外制动时制动缸鞲鞴( 活塞) 伸出， 制动缸内压强增加。大多数的轮箍弛缓都是由这种情况引起的。 ( 2 ) 停车制动装置的意外制动 手制动装置的意外制动( 如s s 4 和d f 4 b 机车) 。手制动装置一种机械制动， 它通过机械结构把手柄的作用力传递到闸瓦上面达到制动作用。所以其特点是 意外制动与气缸压力无关。 弹簧止轮器的意外制动( 如s s 7 和s s 8 机车) 。弹簧止轮器的工作原理是 “放气制动，充气缓解”，所以这种意外制动的特点是意外制动时制动缸内压强 减少。当机车无压缩空气进行“充气缓解”时，就只能采用手动缓解。此时， 缓解气压也可能和制动气压一样。 2 轮对或闸瓦的质量问题 ( 1 ) 轮对组装时，轮箍与轮辆过盈量不足。在轮对组装过程中，由于轮箍和 轮惘豹过盈量选配不当，过盈量小，机车运行中正常制动，在牵引力矩和制动 力矩的作用下，轮箍就会弛缓。 ( 2 ) 闸瓦间间隙调整不当。这种情况主要是指机车闸瓦间隙较小，闸瓦长时 间抱住车轮，两者摩擦发热引起轮箍弛缓。 ( 3 ) 闸瓦材质不良。由于轮箍材质不良，一方面是机车运行的频繁碾压造成 车轮塑性变形，另一方面是正常的制动也可能使轮箍产生热塑性变形，这两种 情况都会使轮箍周径变长使轮箍镶装过盈量降低而弛缓。 ( 4 ) 闸瓦散热效果差。在正常制动时都会使轮箍的温度超过某一临界温度， 此时轮箍和轮惘的过盈量基本消失，在牵引力矩和制动力矩的作用下，轮箍就 会弛缓。 3 轮对空转使得轮箍发热 这种情况一般发生在雨天或者长大上坡道上，此时车轮受到钢轨的摩擦力 减小，车轮就会在钢轨上打滑( 空转) ，车轮与钢轨之自j 的摩擦力由静摩擦力变为 滑动摩擦力。静摩擦力不会产生热量，滑动摩擦力会产生热量。空转时间过长 的话就会使轮箍长时间发热而发生轮箍弛缓。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 于是，本论文中采用了机车闸瓦测温监测机车弛缓的方法并采用模糊专家 系统来判断故障类型，在国内还未见报道。 2 2 测量原理 2 2 1 弛缓的产生及表征 由上述可知：机车弛缓是指轮箍和轮辋之间发生的相对转动。当出现抱闸 时，闸瓦与轮对之间摩擦的存在会产生大量的热，热量通过轮对、闸瓦等向外 界传递。即当发生抱闸时，闸瓦温度迅速上升，并迅速扩散到闸瓦托支架上。 所以，可以用检测闸瓦托的温度来判定机车是否发生弛缓。 2 2 2 弛缓的检测原理 引发机车制动故障的原因有很多。但机车制动故障可以归结为两个方面： 制动不力。该制动时，制动不起作用。制动过死。闸瓦和轮箍长时间抱在 一起，导致温升很高，产生驰缓现象。根据文献资料“2 “2 5 1 ，对机车制动的检测 方案可能性主要概括为以下三种：间隙检测，即检测闸瓦的位移或闸瓦片与 车轮之间的间隙。压力检测，即检测气缸作用在闸瓦上的压力。温度检测， 即通过检测闸瓦或闸瓦托的温度，来判断机车制动是否出现故障。 第一种方案信号的采集和处理比较容易，缺点是传感器的设计难度大，更 何况机车在运行过程中振动和摆动比较大，测量的准确性太差。第二种方案采 集的压力信号是模拟量，传感器的设计容易实现，而闸瓦因材质、磨损等诸多 因素引起制动不力，但制动压力有可能是正常，这种检测效果也不好。第三种 方案温度检测，当发生抱闸时，闸瓦温度会迅速上升，并迅速传递到闸瓦托支 架上，所以可以通过检测闸瓦或闸瓦托的温度来检测机车制动是否过死。同理 也可以用温升来判断制动不力这类故障。因此论文采用第三种检测方案。 通过上述分析，可以用温升来表征驰缓，若能测出车轮温升，就能实现驰 缓的检测。温升与机车制动系统有关，制动时闸瓦连同托架一起压向车轮，在 闸瓦与车轮的摩擦部位产生摩擦热，并传向托架。由于托架相对于车轮的位置 在制动过程中保持相对稳定，故托架上任一点相对于环境的温升l 。结合文 献“。可用如下公式来表示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 4 0 - ， 1 ，七2 ，f ，出f ) ( 2 2 ) 式中z 为检测点到热源的距离；七。为闸瓦材料的导热系数；七2 为托架材料的 导热系数；址f 为热源相对环境温度的温升。机车制动示意图如图3 1 所示。 轮箍斓瓦羲 图3 1 机车闸瓦制动示意图 由传热学可知：当闸瓦和托架材料己知，即氘，七：为常量，检测点到热源 的距离f 为一确定值时，则托架温升与热源温升形成了一一对应的函数关 系。这样可以通过测量检测点的温升而得出车轮与闸瓦摩擦区的温升，机车制 动时，温度上升是从轮箍踏面开始的，即由踏面沿线方向至内踏面产生一定的 温度梯度，该梯度正是使轮箍膨胀的原因。车轮结构是轴对称的，而且尽管车 轮踏面与闸瓦的接触并不是在车轮圆周上同时产生的，但车轮在高速运行中， 踏面的温度无法迅速扩散，所以轮箍外缘与闸瓦的接触面的温度可认为是相同 的。另外认为材质均匀，温度梯度线性变化。由于轮子在转动，该区域的温度 可以认为是轮箍的温度，据此，就可用检测点的温升来判定是否发生驰缓现象。 2 2 3 弛缓检测元件的安装 检测弛缓现象发生的温度传感器的安装要考虑三个问题：一是制动器托架 结构和安装空间限制；二是检测温度点应尽可能靠近摩擦热源；三是最大限度 的减小托架与传感器之间的热阻，以减小测量滞后。通常机车不允许在车体上 进行“去除材料”的加工，故只能考虑托架的现有结构和安装空间，机车的制 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 动托架上有一备用闸瓦销子孔。由于该孔距摩擦热源韵距离较近所以，将该 销子孔作为温度传感器安装孔。该传感器与托架之间采用铰孔配合，以增加接 触紧密程度；采用端面和圆柱面以增加接触面积、提高热传导效率、降低热阻。 2 3 温度传感器的设计 2 3 1 温度传感器概述 温度是生产现场需要测量的最基本物理参数之，温度测量占有重要地位。 温度传感器是检测温度的器件，其种类最多，应用最广。因时间和条件限制， 本课题就机车闸瓦测温的温度传感器进行分析和设计。 温度传感器一般分为接触式和非接触式两大类。接触式就是传感器直接与 被测物体接触进行温度测量，通过接触方式把被测物体的热量传递给传感器， 是温度测量的基本形式。非接触式是测量物体热辐射而发出的红外线从而测量 物体的温度。测量温度的传感器常见的有热电式传感器，如热电偶；热电阻式 传感器，如铂热电阻、铜电阻；集成温度传感器，如a d 5 9 0 温度传感器、d s1 6 2 0 数字温度传感器”“ 温度传感器的选择要根据具体的测温要求而定，通常情况下要考虑温度的 测量范围、测量精度、酸应速度、线性度、互换性、寿命、价格等。 1 热电偶温度传感器 热电偶有相当好的长期稳定性，工作温度范围宽，可以从低温直到喷气发 动机的高温，由于热电偶体积小，相应也快，而且具有合理的直线性和精确度， 被普遍应用于工业高温检测。 1 ) 热电偶类型 理论上任何两种导体均可配成热电偶，但在工业生产中使用的热电偶，对 热电极材料有一定要求：热电特性稳定、化学性能稳定、足够的灵敏度、电阻温 度系数小、机械加工性能好。 现在已有7 种规格的热电偶列入工业标准：低温测量t 型( 一2 0 0 3 j 0 ) ；中温测量j 型( 一2 0 0 7 5 0 ) ，b 型( 一2 0 0 8 0 0 ) ；高温测量k 型( 一2 0 0 1 2 0 0 ) ：超高温测量r 型( o 1 6 0 0 ) ，s 型( 0 1 6 0 0 ) 、b 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 型( + 5 0 0 1 7 0 0 ) 。针对不同类型和温度范围有不同的精度等级( 0 2 5 级、 o 4 级、0 5 缓、o 7 5 级) 。 2 ) 热电偶构造形式 实际使用的热电偶大多都由热电极、绝缘套管、保护套管和接线盒等几部 分组成。根据热电偶的用途不同，常铝4 成以下几种形式： ( 1 ) 普通型热电偶主要用于测量气体、蒸汽和液体介质的温度，已标准化、 系列化，按其安装形式可分为螺纹连接和法兰连接两种。 ( 2 ) 铠装热电偶 由热电极、绝缘材料和金属保护管组成，可分为单芯和多 芯两种。铠装热电偶热惯性小，动态响应快；有良好的柔性，便于弯曲，抗震 性能好。它己广泛应用于航空、电力、冶金等部门。 ( 3 ) 薄膜热电偶用真空蒸镀的方法，将热电偶材料沉积在绝缘基板上而形 成热电偶。常用于测量各种表面温度。 ( 4 ) 表面热电偶用来测量圆弧形表面温度。 2 热电阻温度传感器 热电阻是由固态导体制成的电路元件，具有正的电阻温度系数、非线性特 性，具有极好的稳定性和精确度。铂热电阻、铜热电阻是用的最广泛的类型。 铂测温电阻是使用高纯度铂制成的温度传感器，被公认为温度敏感元件中 精确度和重复性的标准，在一2 5 9 + 6 3 1 的临界温度之间，它是标准的校 正元件。虽然是非线性的，但都是可以预知的，在1 0 0 的范围内可以达到几度 以内的直线性。一般工业用标准电阻r o 值有l o o q ，5 0 0 q 和l0 0 0 q 几种，广 泛用于一2 5 0 + 8 5 0 范围内的温度测量，通常用于6 0 0 以下。 铜热电阻有以下优点：容易提纯，价格便宜；铜的电阻与温度几乎是线性关 系：铜的电阻系数比较大。铜热电阻的缺点是电阻率比较小，另外，铜易氧化， 只能用于低温及没有侵蚀性介质的温度钡4 量。因此，当测量精度要求不高，温 度范围在一5 0 1 5 0 场合，普遍采用铜电阻。 3 集成温度传感器 集成温度传感器使传感器和集成电路融为一体，极大地提高了传感器性能， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 型( + 5 0 0 1 7 0 0 ) 。针对不同类型和温度范围有不同的精度等级( 0 2 5 级、 o 4 级、0 5 缓、o 7 5 级) 。 2 ) 热电偶构造形式 实际使用的热电偶大多都由热电极、绝缘套管、保护套管和接线盒等几部 分组成。根据热电偶的用途不同，常铝4 成以下几种形式： ( 1 ) 普通型热电偶主要用于测量气体、蒸汽和液体介质的温度，已标准化、 系列化，按其安装形式可分为螺纹连接和法兰连接两种。 ( 2 ) 铠装热电偶 由热电极、绝缘材料和金属保护管组成，可分为单芯和多 芯两种。铠装热电偶热惯性小，动态响应快；有良好的柔性，便于弯曲，抗震 性能好。它己广泛应用于航空、电力、冶金等部门。 ( 3 ) 薄膜热电偶用真空蒸镀的方法，将热电偶材料沉积在绝缘基板上而形 成热电偶。常用于测量各种表面温度。 ( 4 ) 表面热电偶用来测量圆弧形表面温度。 2 热电阻温度传感器 热电阻是由固态导体制成的电路元件，具有正的电阻温度系数、非线性特 性，具有极好的稳定性和精确度。铂热电阻、铜热电阻是用的最广泛的类型。 铂测温电阻是使用高纯度铂制成的温度传感器，被公认为温度敏感元件中 精确度和重复性的标准，在一2 5 9 + 6 3 1 的临界温度之间，它是标准的校 正元件。虽然是非线性的，但都是可以预知的，在1 0 0 的范围内可以达到几度 以内的直线性。一般工业用标准电阻r o 值有l o o q ，5 0 0 q 和l0 0 0 q 几种，广 泛用于一2 5 0 + 8 5 0 范围内的温度测量，通常用于6 0 0 以下。 铜热电阻有以下优点：容易提纯，价格便宜；铜的电阻与温度几乎是线性关 系：铜的电阻系数比较大。铜热电阻的缺点是电阻率比较小，另外，铜易氧化， 只能用于低温及没有侵蚀性介质的温度钡4 量。因此，当测量精度要求不高，温 度范围在一5 0 1 5 0 场合，普遍采用铜电阻。 3 集成温度传感器 集成温度传感器使传感器和集成电路融为一体，极大地提高了传感器性能， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 它与传统的热电偶、热电阻等温度传感器相比，具有测温精度高、复现性好、 线性优良、体积小、热容量小、稳定性好、输出电信号大等特点。集成温度传 感器按输出形式可分为电压型和电流型两种。电压型的温度系数为1 0 m v ；电 流型的温度系数为1ua ，它们还具有绝对零度时输出电量为零的特性。 新型数字温度传感器将原来由外围电路构成的采样、放大、a d 电路，甚 至包括多路开关、r o m 、寄存器与温度传感器直接做在一起，实现温度传感器的 数字化。 2 3 2 温度敏感元件的选取 本文设计的测温系统，应用熟电阻原理测温，温度敏感元件选取铂热电阻， 因为铂热电阻具有性能稳定、分辨率高、很好的温度线性等优点。铂热电阻是 利用铂丝的电阻值随温度的变化而变化这一基本原理设计和制作的。按o 时 的电阻值r o 的大小分为1 0 q ( 分度号为p t l o ) 、1 0 0 q ( 分度号为p t l o o ) 、 5 0 0 q ( 分度号为p t 5 0 0 ) 和1 0 0 0 q ( 分度号为p t l o o o ) 等。各类电阻每变化 1 时，对应热电阻的阻值变化有所不同，例如：p t l 0 温度每升高1 ，电阻 阻值将增加0 0 3 9 q ；p t l o o 温度每升高1 ，电阻阻值将增加0 3 9q ；p t l o o o 温度每升高1 ，电阻阻值将增加3 8 5q 。p t l o 和p t l 0 0 的测温范围均为 一2 0 0 8 5 0 ，p t l 0 的感温元件是用较粗铂丝绕制而成，耐温性能明显优于 p t l o o ，主要用于6 5 0 以上的高温区 而p t l o o 主要应用于6 5 0 以下的温 区，虽也可用于6 5 0 以上温区，但在6 5 0 以上温区不允许有a 级允差， p t 5 0 0 和p t l 0 0 0 的测温范围均为一2 0 0 6 0 0 ，当然这只是个大致的温度范 围，根据电阻系列不同、及等级级别的不同，其温度测量范围是不同的。例如c r z 系列a 等级的铂电阻温度测量范围是：一2 0 4 0 0 ：而c r z 系列b 等级的铂 电阻温度测量范围是：一5 0 5 0 0 。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第18 页 电桥电置至釉割缸国格翱蕈! | 至， 镕。麴囊蓁蔷璺霎薹誊矍囊羹霎霎蔚誊积l 刑j 智；! j | jl l 稚； 卿型刷鲋雾基禽目i 懈学。罐篓塑嚣f 这稃l i 甄g l ，廿臼蝻l i | ! 躺 一塞! 翼i 藕；曼，薹蠢冀蒿羹雾蚕 经过撒二= 韵巍鳓秘飘眵锤懿磷魏鸥蹦确i 分接收和处理稀辐奏誊黔婢静 驰弼型j 霹西并签再彗毯雾甄努凄黍； 根毙对误差与a d 的输入电压v _ 成反比，电压信号的放大倍数要 与a d 的输入范围相匹配，这样才能保证测量的准确性。在本系统设计中，选 择了a d 5 7 4 a 的满量程输入电压为1 5 v。故选择使传感器的输出电压放大1 0 0 倍后送入a d 转换器进行模数转换。 图3 5传感器输出信号放大调理电路 信号调理电路的核心芯片使用的是a d 6 2 4 。a d 6 2 4 芯片是一种精密单片仪 表放大器，有较强的抗干扰能力。在本系统中采用t1 5 v 电源供电，两电源分 4 , $ 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 图3 1 系统总原理框图 动时，造成数据存储器误写入，在硬件电路上设置了数据存储器以及时钟芯片 读写操作的保护措施。 4 在机车接口电路与计算机基本系统之间，全部采用光电隔措施，以提 高整个系统工作的可靠性。 5 该装置采用了输入、输出全隔离，高效率、高稳定性的直流逆变电源。 6 针对我国目前机车种类繁多，机车信号制式不一致等特点，硬件电路 设计时留有了充分的余地，以便进一步的扩充和完善。 7 为保证机车现有设备布局与结构，减少一次性投资，该系统在使用时， 对所需采集的机车条件，除多加装了一个温度传感器外，其余均从机车现有设 备上采集。 3 2 主机及副机系统 主机是一台采用单片机衄8 9 c 5 2 芯片为c p u 的控制系统，主机系统由硬 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 件和软件系统组成，硬件部分包括主机电路、数据存储以及转出、显示及键盘 接口电路、语音报警电路、与副机串行通信电路、其他外部接口电路。 3 2 1 主机系统原理及功能 主机系统主要承担的任务有： 1 系统具有数据记录和u s b 转储功能。系统接受下位机( 采集模块) 通 过r s 4 8 5 通讯传送来各个车轮的温度采集信号，并能记录相应的车轮编号、初 始温度、环境温度、时间。采用2 5 6 k b 带8 位的r a m 进行数据存储。 2 系统具有自检功能， 通过软件对两个采集模块循环查询。 3 具有操作面板、显示、报警功能。根据实际车轮状态，由软件判断出 是那一类故障，然后触发相应地址的语音，进行报警。并且通过主机上l c d 显 示温度值和位置。司乘人员也可以操作面板实现开机( 复位) 、关机、调整时钟 等操作。 4 u s b 转储接口。为了将监测烈的相关数据通过u s b 接口转出到地面的 微机中，以便建立起相应的机车制动故障数据库，帮助技术人员分析评估机车 制动设备的工作状况。 报警模块卜_ 一剐睛4 8 5 丰 l 【按键输入卜 机 一雠4 8 5 显示模块卜_ 岛 一潮8 5 均 n 铆 r a m l - 一一u s b 转储 3 2 主机系统原理框图 5 副机通讯接口。主机系统还要将相关监测数据送给副机显示、报警。 所以还必须提供一个与副机通讯的接口。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 图3 4u s b 转储卡原理图 3 2 3 副雾增羹 瑶季匹i | 墓耋蠢霾嚣蓐盖薹萋蚕黪誉。雪刹斟。型耗管燮焉积弱鞘，i 节寤疑疆阻的阻值匕鬻瓣篓雾丞氡f 酥；鳓葡f 毹：碡甬囊睇羹孽盹鲻霆瞒； 感粥硅街浠艘坤疆酾矗两瘩薅妻喾鞯竿：鑫蜗銎登出静警瓤努至薹霪菱嚣， 繇臻慝博量鍪函篓蓁镒嚣霎纛羹婚淀懑溘膨剪j 垃在裂窜甄 6 ) 电路中r。= l o k q 、r 5 = 2 4 k q 、鸩= 5 k q 决定增益的大小，在2 4 2 9 之 间通过rp 进行增益调整。 2 4 2 测温误差分析 该传感器测温误差主要包括：铂热电阻温度误差、电桥恒流电路误差、放大 电路误差 。 1 铂热电阻温度误差p t l o o o 铂热电阻在o 2 0 0 范围内a 级温度误差 为o 5 5 。 2 电桥恒流电路误差主要包括l m 3 5 8 放大器电压偏移误差、电流偏移误差 和r 3 温度引起的电压偏移误差。 放大器电压偏移误差包括：初始电压偏移2 m v ，折合温度误差o 3 ，该误 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 7 页 的连接方式即可获得不同的增益。改变增益最简单的是通过跳线将3 脚分别与 1 3 ，1 2 ，1 1 脚相连即可得到1 0 ，1 0 0 ，1 0 0 0 倍的增益。 由于本系统中各被测温度的变化范围及最高温度有所不同，因此希望得到 1 0 0 到1 0 0 0 倍之间的可调节增益，故在电路连接上使用了外接电阻的方式来根 据实际需要调节放大器的增益。传感器输出信号的放大调理电路如图3 5 所示。 传感器的输出信号由j l 的2 ，3 端输入，传感器的电源和接地端分别与j 1 的4 ，1 脚相连。放大器的增益范围通过j p l 跳线来改变，电阻r w 3 用于调节放 大器的增益，放大后的输出k 由9 脚输出。 传感器的输出信号经放大调理后得到的输出信号是电压信号，由于机车上 被测车轮温度的位置较为分散，当使用一个数据采集模块对多个温度信息采集 时，各传感器的输出电压要传送到数据采集模块进行a d 转换，而电压信号远 传时损失较大，会给测量结果的精度带来较大影响。电流信号比较适合远距离 传输，因此需要将放大器的输出信号调理成电流信号”。v i 变换的方法较多， 为了简化设计，本系统选用了外围电路连接简单的a d 公司的a d 6 9 4 芯片来实现 v i 变换。a d 6 9 4 是一种4 2 0m a 转换器，适当接线也可使其输出范围为o 2 0 m a 。a d 6 9 4 的主要特点是：输出范围是4 2 0m a ，o 2 0m a ；输入范围：o 2 v 或0 1 0v ；供电电源范围宽；具有开路或超限报警功能。v i 变化电路原理如 图3 6 所示。 根据前面设计要求，a d 6 2 4 的最大输出达到1 0 v ，因此应v i 变换时应使 a d 6 9 4 的4 脚悬空，选择a d 6 9 4 的输入范围为o l o v ，若要选择o 2 v ，则应使 4 脚接地。在