（安全技术及工程专业论文）列车走行部动态安全监测系统研究.pdf

北京交通大学硕 论文:列车走行部动态女全监测系统研究 abstract t h e r u n n i n g m o n i t o r i n g s y s t e m o f t r a i n g e a r i s a n i m p o rt a n t p o rt i o n o f t h e r a i l w a y t r a i n o p e r a t i o n s a f e t y i n f o r m a t i o n s y s t e m , w h i c h c a n i n s p e c t t h e s t a t u s o f t h e r u n n i n g t r a i n b y t h e g r o u n d - t o - t r a i n d e t e c t i n g d e v ic e s . t h e s y s t e m c a n n o t o n l y f i n d t h e r a i l w a y v e h i c l e o f h i d d e n tr o u b l e , b u t a l s o p r o v i d e t h e fi r s t - h a n d d a t a f o r t h e v e h i c l e r e p a i r , s o w h i c h h a s t h e s i g n i f ic a n t m e a n i n g f o r e n s u r i n g t h e w a g o n d r i v i n g s a f e t y a n d t h e l e v e l o f c a r s u n d e r r e p a i r . b e y o n d w h a t h a s b e e n s t a t e d , i t a l s o i n te g r a t e s w i t h t h e s y s t e m o f a u t o m a t i c c a r i d e n t i f i c a t i o n , r e s u l t e d i n t h e a d v a n c e o f m a n a g e m e n t o f o p e r a t i o n a n d s a f e t y t o i m p r o v e t h e l e v e l o f s a f e t y m a n a g e m e n t i n c h i n a , a p r i m a r y d e s i g n o f t h e m o n i t o r i n g s y s t e m a b o u t t h e g e n e r a l l a y o u t , m a i n f u n c t i o n , n e t w o r k c o n n e c t i o n s , s o f t w a r e a n d h a r d w a r e d e s i g n , d a t a c o m m u n i c a t i o n a n d s o o n i s a c c o m p l i s h e d , w h i c h m a k e s u s e o f t h e i n c o r p o r a t e t e c h n o l o g y o f o p t i c s , e l e c t r i c s a n d m e c h a n i c s , i n c l u d i n g t h e t e c h n o l o g y o f l a s e r s c a n a n d p o s i t i o n s e n s i t i v e d e t e c t o r , f r e e - v i b r a s e n s o r , c a n - b u s , a u t o m a t i c i n s p e c t i o n a n d m e s u r e m e n t , d c s a u t o c o n t r o l . t h e e q u i p m e n t w i l l i m p r o v e t h e l e v e l o f s a f e t y m a n a g e m e n t o f o u r c o u n t ry . t h e m a i n w o r k s d o n e i n t h i s p a p e r i s a s f o l l o w s : 1 . a g e n e r a l o u t l in e o f t h e t h e r u n n i n g m o n i t o r i n g s y s t e m o f t r a i n g e a r , b a s e d o n t h e p a t t e rn o f c e n t r a l i z e d - m a n a g e a n d d i s p e r s i v e c o n t r o l , i s f o u n d e d , w h i c h i s o n th e p r e m i s e o f a n a l y s i s o n t h e h i s t o ry a n d a c t u a l i t y o f i t . 2 . s o m e i n s p e c t i o n a n d m e a s u r e m e n t m o d e l s a b o u t s h e l l e d t r e a d , fl a t s l id i n g , wh e e l fl a n g e w e a r , e n h a n c e d a n d u n b a l a n c e d l o a d i n g a r e f o u n d e d , w h i c h a r e s u i t e d t o t h e b a d e n v i r o m e n t i n t h e r a i l w a y . 3 . t h e g e n e r a l d e s i g n a n d l a y o u t t o t h e n e t w o r k c o n n e c t i o n s , s o f t w a r e 北京交通大学硕十论文:列车走行部动态安全监测系统研究 a n d h a r d w a r e a c c o m p l i s h e d . d e s i g n、d a t a c o m m u n i c a t i o n a n d p r o c e s s c o n t r o l a r e t h e f e a s i b i l i t y o f i t i s a l s o a n a l y z e d k e y w o r d s : t r a i n g e a r s a f e t y in s p e c t i o n a n d m e s u r e m e n t d c s r e l i a b i l i t y 北京交通大学硕 论文:列车走行部动态安全监测系统研究 前言 铁路运输工作是一个庞大的联动系统，影响行车安全的因素众多， 涉及到人、机 ( 设备)、环 ( 环境)与管理四大方面，随着铁路运输不 断向重载和高速方向发展， 对铁路行车安全提出了更高的要求， 单纯依 靠提高人的管理水平难以保证行车安全， 必须开发先进、 高效的行车安 全设备， 优良的行车安全设备不但能从设备本身来保障行车安全， 还能 够对人和环境实现有效的监控， 从而极大地提高了行车的安全水平。 行 车安全保障信息系统就是为保障行车安全而开发的专用的的行车安全 设备。 列车走行部动态安全监测系统是货车运行状况地面安全监测系统 的一部分， 是行车安全保障信息系统重要信息来源， 它充分地利用了现 有的计算机技术和通信技术， 通过地对车非接触检测的方式， 及时识别 运行状况不良的车辆， 并监测货车超偏载、 垂下品， 识别车轮踏面故障 等， 是科学管理、 确保行车安全的高新技术设备， 它汇集了与行车安全 息息相关的各种列车走行部安全状态信息， 并通过专用通信网络实时地 传送到各行车有关部门， 为行车安全提供了第一手数据， 为维修部门实 现状态修、 设备远程监控提供了最全面的资料， 对于预防货物列车行车 事故，减少轨道车辆零部件的损伤具有重要的意义。 由于货车运行状况地面安全监测系统是一个庞大的系统，限于篇 幅，本文仅着重论述了货车走行部的动态安全监测系统的主要功能、总 体构成、基本原理、系统的主要技术要求及信息的传输与接口等，并根 据各子系统的特点提出了满足在线非接触检测要求的部分动态采集模 型。 北京交通大学硕 二 论文: 列乍 走行部动态文全监 测系统8 1 f 究 第 1 章绪论 1 . 1 论文研究的目的和意义 列车走行部动态安全监测系统是铁路行车安全保障信息系统的一 个重要组成部分。铁路行车安全保障体系己经历了近百年的发展历程， 近年来， 随着计算机和电子技术、 网络技术的迅猛发展， 铁路行车安全 保障信息系统的技术装备和手段都有了很大的提高， 己经成为一个综合 性的系统工程。我国铁路信息系统的建设起步虽然较晚，但成绩斐然， 铁路传输网、 交换网和数据通信网三大基础网初步形成， 铁路运输管理 信息系统 ( t i mi s ) 初步建成并部分投入使用， 调度指挥系统 ( d i mi s ) 也取得了很大的进展。 但全路统一的行车安全保障信息系统至今尚未建 成， 其中的原因有很多， 而最重要的在于， 铁路行车是一个不间断的大 联动系统， 影响行车安全的因素太多， 太复杂，很多因素始终处于一种 动态的变化过程中， 要建立动态的安全保障信息系统， 就必须根据不同 的对象， 研究相对应的 检测系统， 建立实时的动态检测与监测网络， 以 实现对影响行车安全的主要因素全天候的动态监测。 动态安全保障信息 系统的建成， 不但将为各级运输组织部门， 运输安全部门提供最及时的、 最全面的行车安全设备运行参数， 确保行车安全; 而且可以为维修部门 实现状态修提供最有利的资料， 大大减少日 常维修工作量， 提高运营效 率。 列车走行部是和行车安全息息相关的重要设备， 走行部故障一旦发 生， 往往会造成严重的事故后果。 为此， 铁道部建立了严格的车辆走行 部检修制度， 并在全路建立了红外线轴温监测网络系统， 这些措施为预 防列车轮对事故的发生、 保证行车安全起到了很好的效果。 但是由于列 车车辆是处于一个不断运动的过程中， 且列车在运行过程中不断地受到 巨大的冲击和磨耗， 列车走行部的各项参数处于不断的变化过程中， 因 此， 仅仅依靠周期性的检修制度， 难以完全杜绝走行部故障的发生， 建 北京交通人学顿 l 论文:列车走行部动态女全监测系统研究 立全路的列车走行部检测与监测系统， 实时跟踪走行部的各项参数的变 化， 可以让我们及时掌握列车走行部的性能参数的准确变化情况， 有效 地预防由于走行部故障引发的行车事故。 列车走行部动态安全监测系统就是建立在在线检测基础之上的动 态安全信息系统， 其难点主要体现在对列车走行部相关参数的在线动态 采集与准确判别， 由于列车走行部结构复杂， 在线检测的工况极差， 使 在线检测的难度大大增加， 因此， 本系统建立的关键在于， 针对不同的 检测参数的特点和要求， 建立满足现场检测要求、 高稳定性能、 高精度、 施工简便的各检测子系统，并根据各子系统采集模型和精度要求的不 同， 建立由计算机自 动完成的判别程序， 实现走行部故障的在线检测与 自诊断，并通过计算机网络实现信息的实时传输与资源共享。 我国的列车在线动态检测技术还很落后，具体表现在以下几个方 面: 一是检测的手段和方法比较落后，不能满足现场监测的要求: 二是 检测制式多样， 影响了全路的推广和统一; 三是各检测子系统独成一体， 未形成统一的信息网络。 随着我国铁路现代化进程的加快，目前的检测 手段己愈发不能满足铁路发展的需要。 本论文针对目前列车在线检测中 存在的一些关键问题， 利用激光测量技术、 振动谱技术、 超声波技术等; 建立了一 套能全面实现列车走行部主要参数在线检测的理论模型， 并在 此基础上， 提出了铁路列车走行部动态安全监测系统的总体设计和构 成， 系统的软硬件设计和信息系统构成， 系统的可行性分析比 较等。 本 系统不但能实时检测列车走行部的主要运行参数， 而且能实现实时自 动 诊断和报警。对于保证铁路行车安全具有重大的现实意义。 1 .2 列车走行部动态监测系统国内 外发展概况 1 . 2 . 1列车走行部概述 北京交通人学硕 卜 论文:列布走行部动态安全监测系统研究 列车走行部是支承车体并担负车辆走行任务的部分， 其由两个或两 个以上的轮对及其他的配件组成一个独立的结构- 一转向架，一般车辆 的走行装置由两台二轴转向架组成，转向架由两组轮对、侧架、摇枕、 弹簧减振装置和轴箱油润装置等组成，如图1 - 1 : u 所示。 劳承下心盘 摇枕 轴箱 轮对 钡 架 摇枕弹簧 图1 - 1 列车车辆转向架结构示意图 列车走行部是和列车安全直接相关的重要环节， 由于列车运行条件 恶劣， 对列车走行部的安全性能提出了很高的要求， 列车走行部不可避 免地要面对列车运行过程中带来的巨大的冲击和振动、 与钢轨轨面、 轨 内侧的磨耗、 以及在运行过程中的相互摩擦而发生的高温等现象， 资料 表明，在车辆运行过程中发生的行车事故中，因为车辆轮对部分燃轴、 断轴、 轮对等故障所造成的占了绝大部分， 为此， 我国铁路从上世纪7 0 年代起， 开始在全路全面推广红外线轴温检测技术， 以实现对列车运行 过程中轴温变化情况的自 动监测，目 前， 红外线轴温检测技术己经发展 到了第三代，全路建立了完善的红外线轴温监测网络和技术管理体制， 使轴温故障得到了有效的控制， 大大降低了由于轴温故障引发的燃轴等 重大事故的发生。 除了轴温故障外， 车辆运行过程中由于不断地受到来 自 钢轨的振动、 冲击和磨耗， 极易形成车轮踏面剥离损伤和轮缘过度磨 耗，对列车的运行安全造成危害。车辆轮对部分的构造如图1 - z 所示， 北京交通火学硕 卜 论文:列布走行部动态安全监测系统研究 轮缘踏面 图1 - 2车辆轮对结构示意图 由铁道部四方车辆研究所研制的l m 型车轮踏面和轮缘主要尺寸如 图1 - 3 所示。 图1 - 3 车轮踏面和轮缘结构示意图 由轮背内侧面测量到7 0 m m 处踏面上，此点称为基准线，它是测量 北京交通大学硕士论文:列车走行部动态安全监测系统研究 车轮直径的中心线，由图1 - 3 可以看到，车轮踏面上有两个不同的锥形 斜面:由基线起向左2 2 m m ，向 右3 0 m m ，合计5 2 m m 部分上设有1 : 2 0 的斜 度，踏面最右边一段设有1 : 1 0 的斜度。 l m 型踏面主要技术参数如下: 轮缘高度:2 7 m m ; 轮缘厚度:3 2 m m ; 轮 缘 宽 度: 1 3 5 m m ; 轮缘转角:7 0; 轮缘根部圆狐半径:r 1 4 m m ; 在我国 铁路技术管理规程中， 规定了对于轮对踏面剥离和轮缘 磨耗的主要技术指标，如表1 - 1 所示。 车 辆 轮 对部 分主 要 技术 参 数 表 * 表1 一 1 一一一 一 一 班 迁 w 度 m m 分 类 客车货车 项 目一 一一 一一 一一 之乏备. 车轮轮缘厚度 )2 3 3 2 3 车轮轮缘垂直磨耗 ( 接触位置)高度 蕊 1 5 簇 1 5 车轮踏面 擦伤及局 部凹 卜 深 度 滚动轴承 本属客车出 库0 . 5 1 外属客车出 库共1 途中运行 1 . 5 滑动轴承 簇2 车轮踏面 剥离长度 滚动轴承 一处时 簇3 0 蕊5 0 二处时 ( 每一处) 蕊2 0 毛 4 0 滑动轴承 一处时 蕊7 0 二处时 ( 每一处) 最高速度仅为 1 6 0 k m l h ，差距十分明显。 北京交通人学硕士论文 列车走行部动态安全监测系统研究 1 .3本论文的主要研究范围 和内 容 1 .3 . 1本论文的主要研究范围 列车走行部涉及行车安全的因素众多，根据其易发生程度和对行 车的影响程度，目 前涉及较多的有轮对踏面故障、 轮缘磨耗故障、轴温 故障、垂下品故障、超偏载故障、轮对损伤、轴承故障等，限于篇幅， 本论文在重点讨论系统的总体构成的基础上， 对于子系统， 只着重论述 了踏面故障、轮缘磨耗故障等检测模型和软硬件构成等。 1 . 3 . 2 本论文的主要研究内 容 本论文的研究目的旨在建立全面的列车走行部动态安全监测系 统， 为全路统一的行车安全保障信息系统提供信息支持， 该系统是建立 在在线非接触测量的基础上， 系统的建立涉及到自动测量、 机电一体化、 光电子学、 信息系统、 安全技术等诸多学科，本系统的研究内容主要包 括: 1 ) 在线自动检测模型的建立及优缺点比较; 2 ) 利用激光、振动测量等技术实现数据的采集与处理; 3 ) 系统的网络结构设计; 4 ) 部分检测子系统的硬件设计 5 ) 系统界面和软件设计 6 ) 系统可行性比较分析 1 . 4 本章小结 列车走行部动态安全监测系统是列车行车安全保障信息系统的重要 组成部分。本章充分分析了列车走行部动态安全监测系统的特点和国内 外发展现状和趋势，提出了本文的主要研究范围和内容。 北京交通大学硕 1 论文列车走行部动态安全监测系统研究 第2 章列车走行部动态安全监测系统的总体设计 2 . 1 系统的总体目 标 列车走行部动态安全监测系统是现代化铁路行车安全保障体系的重要 组成部分，随着我国铁路的大面积提速和高速铁路的准备兴建，保障行车 安全的思想和手段必须由局部安全转向整体安全，安全参数的监控由点式 静态观测转向连续式动态监测，数据的传输与分析由以人为主转向以计算 机为主的现代化手段转变17 1 ，建立全路联网、集中管理的行车安全保障体 系是铁路安全管理发展的必然趋势，也是铁路信息化建设的必然要求。列 车走行部动态安全监测系统就是其中的一个重要分支，其功能在于，通过 对运布 : 中列车走行部的动态监测，实现对影响运营安全的故障进行自动分 析和报警，并将检测信息通过行车安全保障信息系统专用网络实时反馈给 前方车站、车辆维修部门和路局安全中心，及时地预防预测事故，排除安 全隐患。 系统以列车在线动态检测为基础，以工业控制机为核心， 利用激光传 感器、 振动传感器、 红外线传感器等检测手段， 可以实现对列车轮对参数、 轴温信息、超偏载、垂下品等的实时监测与分析，并与列车车号识别系统 相结合，实现对车辆运行安全信息的准确管理。 2 . 2 检测系统的方案选择与功能设计 2 ， 2 . 1检测系统的方案选择 目 前，由于走行部需要检测参数的多种多样，实现检测的方法也各 不相同.为此，本课题将从工程适用性、可靠性等方面进行综合比较， 确定本系统采取的最佳方案。 1 .几种检测系统结构的比 较 北京交通大学硕上 论文:列车走行部动态安全监测系统o f 究 1 ) 集中型检测结构 集中型检测结构如图 2 - 1所示。系统由一台计算机担当控制、检 测、 输出任务，各路传感器感应的模拟信号经放大器放大后， 经选择开 关、a 江 ) 变换送往中心计算机处理。 图2 - i 集中型检测结构框图 集中型检测结构的优点是结构简单、成本低，其缺点是可靠性差、 千扰大、开发复杂。 一旦工控机发生故障， 整个系统就将停止工作。因 此，集中型检测结构一般应用于中、小型检测系统。 2 ) 分布式检测结构 分布式检测结构(a 1 如图2 - 2 所示。它成功地实现了 信息集中管理、 过程分散控制的有机结合。 北京交通大学硕士论文:列车走行部动态安全监测系统研究 图2 - 2分布式检测系统的基本结构示意图 该种模式结构简单， 成木较集中管理模式有所增加。 其缺点是没有 一个统一的控制管理中心， 使它的应用范围受到限制， 不能满足自动化 程度要求较高的检测系统。 3 ) d c s 集散检测结构 d c s 集散控制检测结构， 是以微处理器技术为基础， 综合了计算机、 数据通讯、控制、模/ 数转换、图形显示等为一体的综合检测系统，如 图2 - 3 所示。 该系统采用智能工作站、 令牌式的通讯方式， 系统无上下位机之分， 每个现场工作站可以独立工作， 可以避免全局的故障， 使系统的可靠性 大大增强，同时也方便系统功能的 扩展和维护19 1 。 其缺点是软件的开发 工作量太大，尤其是控制模块的开发难度较大。 北京交通大学硕 论文:列车走行部动态安全监侧系统研究 crt打印机 u o 卡 中央控制机 c r t i打印机u o卡c r t i i打印机 】i v 0卡 监控机监控机 现场控 制机 1 现场控 制机 n 现场控 制机 1 现场控 制机 n 图2 - 3 d c s 集散控制检测结构示意图 2 , 系统检测方案的选择 本系统的总体目 标是将列车走行部的主要安全参数实现动态采集、 集中管理， 而列车走行部需检测参数多样， 不同的参数必须采用不同的 控制方法和采集模型，因此，本系统将采用d c s 控制检测模式。 由于建设全路联网的列车走行部动态安全信息系统，是一项十分复 杂的工程， 系统建设之初， 不可能实现对走行部所有参数的监测， 采用 d c s结构，将很方便今后系统功能的扩展。 2 . 2 . 2检测系统的功能设计 本检测系统的功能主要体现在以下几个方面: . 完成货车走行部运行状态信息的实时采集，包括轴温、踏面、 北京交通大学硕上论文:列车走行部动态安全监测系统研究 轮缘、裂纹、垂下品等，并根据相关技术标准自动实现安全状 况判别，数据的记录、存储、交换，故障自动报警等。 实现检测过程的全自动化控制，检测工作的起始有现场监控点 的监控机统一控制，不同参数的检测工作流程，由其对应的微 处理器和可编程逻辑控件自 动完成。 与车号识别系统相结合，实现车辆安全信息的全程跟踪管理; 具 备局 部图 形 再 现 功能， 为 维修 单 位状 态修 提 供参考 依据。 2 . 3 系统的总体结构设计 列车走行部动态安全信息系统包括中央处理机、监控机、现场控制 机、 数据采集与处理部分、网络通信部分、 现场总线、 数据库管理软件、 显示与打印等部分，其总体结构框图如图2 - 4 所示。 调 度 中 心 目 分 局 监 测 中 心 曰安 监 室 车辆段监测中心 货运室 车站中央控制机 过程控制级 监控机 心 = = 】 现场控制级 内部总线 现场控制机 1现场控制机 2 现 场控 制 机n - 1 现 场 控制 机n 轮缘路面 轴温超偏载 图2 - 4 系统总体结构原理图 由于列车走行部监测系统功能较单一 ( 只测不控)，检测点不多 北京交通大学硕十论文:列车走行部动态安全监测系统研究 因此，系统按照 d c s系统的两层结构模式设计，即分为现场控制层和 过程控制层。过程控制层由车站的中央控制机和车辆段的监测机构成， 现场控制层由监测点附近的监控主机和现场控制机组成。 . 车站中央控制机 车站中央控制机是本系统的核心，其核心任务是负责与分散的监控 机之间的信息交换、 信息的分析与处理、 共享数据库的管理、 图形再现、 报表的打印与输出、与网络上其他监测主机和终端进行数据通信等。 . 监控主机 监控主机负责管理现场控制机的工作， 接受磁感应开关的感应信号 控制现场控制器的l作起始， 并实时监测微处理器和检测系统的工作状 态， 与现场微处理器之间进行实时信息交换， 系统之间及与中央控制器 之间的通信管理等。 由于系统数据处理量很大，要满足列车在高速通过下 ( 1 2 4 k m / h以 下) 的实时数据采集， 要求具有较高的处理速度，同时考虑到系统今后 的扩展，本系统中可采用台湾研华的工控机作为监控主机，其配置为: 处理器:i n t e l p e n t i u m 4 :内存:2 5 6 m . 现场控制机 现场控制机是本系统正常工作的关键，根据监测对象的不同，在区 间监测点分别设置了 若干现场控制机， 如踏面监测控制机、 轮缘监测控 制机、 轴温监测控制机等， 其主要功能有: 现场信号的采集与处理， 包 括信号的采集、放大、滤波、隔离，信号的报警极限的检查和处理等; 采集过程的自 适应控制: 系统自 检测与诊断; 与监控主机之间的数据通 信。 根据现场控制机的功能要求，其硬件配置可包括: 主机部分: a t m e l 8 9 c 5 1 c p u主板， 扩展存储器板、“ 看门 狗” 电路、 c p l d电路、稳压电源、计数器、键盘接口等。 u o接口 板:该部分的主要工作是将采集的模拟信号转换成数字信 号， 输送到c p u的1 / o口， 为保证检测精度， 采用1 2 位的a / d转换器。 北京交通大学硕 论义: 列布走行部动态安全监测系统研究 前置电路:完成传感器输出信号的多路选择、放大处理等工作，使 之输出为 0 一 士5 v或士l o v的标准信号。 通信板: 系统采用s j a通信控制器和8 2 c 2 5 0 通信接口 器通过c a n 总线实现与监控主机的通信。 现场控制机的硬件配置图如图2 - 5 所示口 图2 - 5现场控制机硬件结构图 2 .4各子系统的检测模型及检测参数 根据各检测对象的不同， 必须设计不同的检测模型，由彼此独立的 现场控制机负责完成参数的采集与前期处理工作。 2 .4 . 1检测参数的归类 列车走行部近期需重点监测的运行参数有:轮缘厚度、踏面磨耗、 踏面破损、轮箍直径、轴承温度、超偏载、垂下品、轮轴伤损等。根据 北京交通人 学硕 论文:列布走行部动态安全监测系统1 0 l 究 参数的检测特点对其归类如表2 - 1 所示。 序号检测参数采集信号类别 属性 实时、非 实时) 各注 1轮缘厚度数据信号实时 采用激光扫描 2轮箍直径数据信号实时 采用激光扫描 3路面磨耗数据信号实时振动信号 4踏面破损数据信号实时振动信号 5轴承温度数据信号实时红外线温度信号 6超偏载数据信号实时激光 7垂 卜 品数据信号实时激光 表 2 - 1检测参数表 2 .4 . 2检测数学模型 检测模型的确定， 直接决定了现场控制站的工作方式和采集参数的 特性、精确度等，确定检测模型，必须综合考虑系统的工况、可靠性、 工 程实用性等因素。本系统设计的轮缘、 踏面、超偏载检测模型， 均采 用非接触测量方式， 其操作性能、 精确度和安全性能均能很好的满足现 场检测的需要。 1 . 轮缘和轮箍直径检测模型 轮对的轮缘部分是防止列车脱轨和通过道岔区段的重要部件。 轮缘 必须满足一定的高度和厚度。由于 列车偏载和通过曲线和道岔时， 使轮 缘不断地受到磨耗，当磨耗过量，轮缘高度和厚度达不到安全限值时， 将可能造成列车掉道、 脱轨等事故， 严重影响到行车的安全。 根据铁道 部的相关数据显示， 此类事故几乎每年都有发生。 在对这类事故的技术 分析中， 都存在着同样的一个原因， 就是轮缘的过度磨耗， 尤其是偏磨 的存在。 北京交通大学硕士 论文:列t - 走行部动态安全监测系统研究 我国目前对于轮缘磨耗故障， 还仅局限于在车辆段检修车间， 通过 周期性地检修来预防事故的发生。 由于轮缘磨耗的发生是一个动态的变 化过程， 在轮对的相邻两次段修之间， 轮缘的厚度就有可能超限， 因此， 通过周期性的检修， 很难彻底地预防该类事故的发生。 另一方面， 随着 我国高速、重载和牵引动力的更新， 加剧了车轮和钢轨之间的磨耗， 新 的轮轨关系随着增多。而以往的大多数轮对尺寸检测装置，采用的是 c c d成像技术测量，结构复杂， 投资较大，不适应现场的需要。本系 统采用的是激光扫描技术，可以方便地实现非接触测量。 传感器分布原理: 如图2 - 6 所示，每两个传感器为一组，用专用夹具固定在钢轨上， 对轮缘实行对夹的方式测量。为了便于前置机对测量数据进行实时处 理， 各测量点采用交错的方式布置， 在每一根钢轨上设置有两个测量点， 对测量结果进行对比，以提高测量的精确度，减少误报率。 1* 丝 6 7 孰 道 图2 -6轮缘测量传感器布置图 传感器设计原理: 利用光成像原理， 让一束激光以一定高度垂直打 到列车轮缘弧面上，其反射光经透镜成像于光电位置敏感探测器 ( p s d ) ， 通过p s d检测出轮缘被激光照射点像的位置尺寸， 然后反推 出其被照点的位置尺寸。 当激光点固定而列车以一定速度运行时， 轮缘 北京交通大学硕士论文:列东走行部动态安全监测系统研究 上 将有一系列点被激光打中，其像为一直线。如图2 - 7 所示。 厚度测量原理: 传感器相夹被测量部分， 测量出被测点到各传感器 的相对尺寸后， 与两传感器之间的绝刘距离进行相应的数学运算就可以 得出其被测点的厚度。 高度测量原理: 传感器仍然为测量厚度时所用传感器， 在测量厚度 时我们将所得数据处理后可得到如图2 - 9 所示虚线圆中的图形， 在测量 厚度时只得到厚度方向的一维数据， 但将这些数据在时间序列展开后就 可以得到一个两维的图形， 此时， 我们就可以将轮缘高度所占的尺寸截 取出来，从而得到轮缘高度的尺寸。 轮箍直径测量原理: 激光打到轮箍表面反射回来的数据在时间序列 展开， 可以得到车轮的两维图形， 经计算机处理可得到轮子的一条玄长， 通过换算即可求出车轮的直径。 图2 一轮缘测量传感器原理图 其中:a -滤光片; b :透镜;p s d :位置敏感探测器 l :物点长度 ( 相当于轮缘的厚度); a :激光束与透镜中心线夹角 ( 由传感器结构决定，为确定 值): u :物点中 心点距透镜中心的距离 ( 物距); 北京交通大学硕士 论文:列车走行部动态安全监测系统研究 r : 像距; p :透镜焦距; 1 :像的大小; b : p s d与透镜中心线 的夹角 ( 根据轨道结构和传感器结构设定，为确定值); 其中: k : 轮缘高度为 1 6 m m处的厚度:l :轮缘高度为2 5 m m处的厚度 图2 - 8轮缘厚度测量原理图 其中: h :轮缘高度 图2 - 9 轮缘高度测量原理图 北京交通大学顿 卜 论文: 列车走行部动态安全监测系统研究 2 .踏面故障检测模型 踏面故障包括踏面过度磨耗造成的平轮或车轮不圆以及踏面剥 离，一般来说，在运行中车轮的不圆度、 平轮或剥离均会引起振动， 这 就影响了旅行舒适度以及产生很大的噪声。 随着振动的持续， 增加了危 及行车安全的疲劳断裂的可能性， 特别是弹簧装置以下的部件， 如轴承 和车轴( 轴颈) 产生疲劳断裂的可能性就很大。 依据结构简单、测量准确、耐用性好、系统稳定、维修方便、造价 低等设计原则，我们认为，检测车轮振动的方法是最佳方案。当然，检 测轨道振动方法的外部环境因素较多， 这是所有振动类测量的共性。 踏面擦伤的检测涉及因素较多，工况复杂， 单就振动而言， 同样大小的 擦伤， 其噪声和振动往往会有很大的差异。因此，不仅要从纵向和横向 来确定擦伤的平面尺寸， 而且还要从深度和角度的三维方向来确定擦伤 状态。 擦伤会引起冲击， 冲击会引起振动， 而振动信号不仅和擦伤有关， 而且还和列车运行速度、货物装载状态、 车辆载重、路基、 钢轨等诸因 素有关。 对于这样一种复杂系统工程， 系统采用了模糊控制理论进行分 析， 用和差比幅、 时域门、自 适应等技术， 用快速傅立叶变换， 据擦伤 冲击的振谱做出分析判断。 研制过程中的技术难点为距离补偿、 邻轮干 扰和速度重量修正。 1 、基本结构及原理 当有擦伤的车轮走行时， 将在钢轨上产生很大的振动加速度， 如图 2 - 1 0 所示。 研究表明: 带有擦伤的车轮走行时在钢轨上会产生很大的振 动加速度， 其大小随列车速度的增加而提高。车轮有1 8 x 3 3 m m 、深度 为 i m m的擦伤时，轴箱的垂直、左石振动加速度较正常车轮高3 .5 倍， 在擦伤长度达7 5 m m 时， 在2 7 . 8 m / s ( 1 0 0 k m / h ) 运行速度下， 可在钢轨 l 产 生 约4 0 0 g 的 垂 直 振动 加 速 度lo 。并 且 在 运行 过 程中 产生的 振动 加 速度大小还随着列车速度的增加而增加。 北京交通人学硕士论文:列车走行部动态安全监测系统研究 振动加速度 a 杏 图2 - 1 0踏面剥离后产生振动加速度示意图 根据振动加速度测量原理，在监测点附近钢轨轨底固定若干振动 传感器， 实时检测轮对通过时产生的垂直振动加速度， 即可判别出踏面 故障。传感器布置如图2 - 1 1 所示。 其 中 : 令 振 动 传 感 器 ; o车 轮 传 感 器( 俗 称 磁 钢 ) 图2 - 1 1监测点踏面故障监测传感器布置图 在监测点的一段钢轨上设置 2 个检测区，2 个检测区相距为 l ( 车 轮踏面周长 ) ， 每个检测区长度为 l/ 2 ， 在每个检测区中间分别安装 能检测车轮踏面振动加速度振幅的传感器 ( 加速度计)， 检测区外放 2 个，共 1 2个振动传感器和 4个车轮传感器。车轮传感器主要用于计 北京交通人学硕士论文:列车走行部动态安全监测系统研究 算列车速度和轴距、 轴数、辆数， 决定时域门大小，同时结合振动传感 器确定邻轮干扰;振动传感器主要是把非电量的振动信号变为电信号， 电信号大小和振动大小有关。 1号和 2号车轮传感器之间的振动传感 器用于检测车轮前半周的擦伤; 3 号和 4号车轮传感器之间的振动传感 器主要用于检测车轮后半周的踏面擦伤， 检测区外边的振动传感器主要 判别邻轮干扰及距离补偿 系统由振动传感器、车轮传感器、信一号传输转换系统、信号处理 系统和软件控制分析系统组成。 振动传感器输出的信号经 a / d转换后 送给前置计算机进行运算、校正、 补偿， 检测出车轮踏面的故障，并送 c r t显示，自动打印出检测结果。 c r t不仅可显示出列车通过日期、 时间、 车辆种类、列车总辆数、总轴数及列车运行速度，而且还可显示 出擦伤面积大小和擦伤深度。 3 .超偏载检测模型 在列车的行驶过程中，如果超载或偏载严重，将会严重破坏路轨 和车轮等， 在曲线处还容易造成脱轨及颠覆事故。因此， 本系统在对列 车走行部运行状态进行动态检测的同时， 可将列车超偏载或重载等应用 情况进行动态监测，使本系统的功能更加完善。 在现有的超偏载检测中，主要的方法有:利用电阻片及电涡流来 探测钢轨的上下浮动及变形。 但是电阻应变片一般为胶粘贴， 不能适应 钢轨的长期振动特性，因此，目 前大都内置成应变传感器， 但需要在轨 上钻孔或换轨安装; 而电涡流测量则需要将电涡流传感器埋设在钢轨底 面下的地基中， 与轨底面有一定的距离， 当列车通过时将电涡流的变化 反映出轨的变形的大小， 这种测量有着太多的不确定因素， 如传感器的 移动等，因此，也不能很好的满足现场的应用需要。 本系统中将仍然采用激光测量的办法来测量钢轨的变形。具体原 理如图2 - 1 2 示。 北京交通大学硕 卜 论文:列布走行部动态安全监测系统研究 轨l 一一一_一上 一一 一 一 一 -r 月 一一 二二- 一 片一 11以曰川曰 产二姗 一 二 r叶一一 一 一 _ _ _ 一一一一一一一一 -二二 二 三三三 - t献 竟 一一一一一一 少 图2 - 1 2激光测量钢轨变形示意图 图2 - 1 2为放大后的变形。传感器在无列车通过时钢轨无变形，激 光传感器发出的光束经过平面镜反射后光点又原位返回， 光点落在p s d 中心，当有列车通过时由于列车自 重引起钢轨变形， 使得激光束主方向 与平面镜法线有一夹角进而导致光束经平面镜发射后有一偏移。 偏移量 与转角量成比例。 钢轨的变形量与钢轨所受载荷及列车的速度有关， 当 列车以某一速度通过时， 有确定自 重的机车头将产生一定量的变形， 其 他货车及载重产生的变形以机车负重产生的变形为标准， 从而可以确定 各车厢的重量， 利用两根钢轨上变形量进行比较， 从而可以确定是否偏 载。考虑到 p s d和反射镜之间的距离不能太大，当列车速度较低或载 重较轻时， 钢轨的变形将比 较小， 为此， 可将反射用平面镜换成柱面镜， 对钢轨的变形量进行有效放大。 放大的原理见图2 - 1 3 所示。 北京交通大学硕上 论文:列车走行部动态安全监测系统研究 柱面反4 1 光 、 、 平面反敷光 了 入 剔光 p s ! 接收面 _ 、一 二 二 止 一 镜 尹 一 柱 mo 干 图2 - 1 3 柱面反射原理图 由上图可以看出，柱面镜的反射面的法线随着入射光的入射角度 的改变而改变，从而起到了对钢轨变形量的放大作用。在放大的同时， 柱面镜也将造成光线的发散传播， 但由于在钢轨变形较小的情况下， 入 射角也较小， 发散不会太大， 且我们在使用中采用的光源为准直激光源， 其方向性较好，因而从理论上说， 光源、 p s d接收面、 柱面镜法线应处 于同一平面内， 但在实际现场安装中， 很难保证他们是完全共面的，因 此， 我们可以将点激光源改用线激光源， 把点变成了线， 使安装要求大 大降低，但又能保证系统的性能。 钢轨弯曲转角计算: 根据钢轨弯曲转角计算公式: k = p * l * l 1 6* e*i 公式 ( 2 -1 ) 其中:设钢轨在两轨枕之处的支点为a , b p :轮对在两轨枕之间某点c的垂直压力 e * i :钢轨的弯曲钢度，为一常数 北京交通大学硕 ! : 论文:列车走行部动态安全监测系统研究 b : b点到c点之间的水平距离 无弯曲时) l :两轨枕间钢轨水平长度即a b长 ( 无弯曲时); 如图2 - 1 4 所示。 b枕木 、l洲l 2 - 1 4 钢轨弯曲转角计算原理图 根据本处情况， 取a b = b c = u2 ， 即最大弯曲点在中间点时， 弯距最 大， 转角 也 最 大， 若 取p = 2 .5 吨 = 2 5 0 0 k g , b = u 2 = 0 .3 m , e * 1 为6 0 k g 钢 轨的 弯曲 钢度 常 数， 根 据 g b 2 5 8 5 - 8 1 ) ， 6 0 k g 轨的e = 2 1 0 g i m , 1 = 3 2 1 7 c m 0 。 将以上数据代入公式( 2 - 1 ) , 得最大转角为k = 0 .0 8 3 2 6 m r a d , 通过0 .6 m处的平面镜反射放大后， 光点在p s d上的偏移根据平面镜成 像原理及几何运算为: 2 * 0 .6 * 1 0 0 0 * s i n ( 0 .0 8 3 2 6 m r a d ) = 0 . 2 m m o 本系 统拟采用的p s d的 分辨率为1 n m ， 不定 度为5 0 p m ， 如此系 统的 理 论精 度为7 0 0 k g ， 如果再将p s d与 平面 镜之间的 距离 适度扩大 或采用柱 面镜替代平面镜来放大 p s d上的偏移距离，还可以进一步提高测量的 精 度， 如 放大5 倍， 测量 精 度 将 提高 到 小 于2 0 0 k g的 水 平， 能 够 准 确 地反映出列车的实际载荷状况。 北京交通人学顾i 论文：州乍走行部动态安全雌测系统研究 2 5 数据处理与故障识别 为了自动检查识别运行中轮对故障，必须确定良好轮对和有故障 轮对所发出的信号的频谱特性，以及干扰信号的频谱特性。 以振动法检测踏面剥离故障为例。正常状态_ f ，轮对从检测区域 经过时，产生的振动信号主要来源于列车本身的自振和轨道不平顺引起 的振动等，垂直方向加速度与列车的运行速度和载重有关，但对于同一 列车，其采样值具有变化幅度比较小且变化比较均匀的特性，如图2 一1 5 所示。 图2 一1 5 正常状态下轮对振动信号波形图 当列车轮对存在剥离故障时，在故障点与钢轨面接触时将产生较大 的冲击，振动传感器采集到的垂直加速度将瞬间增大3 5 倍，其信号波 形图如图2 一1 6 所示。 图2 一1 6 产生冲击时信号波形图 由于踏面故障的产生是随机的，为了避免由于其他干扰因素( 如列 藏隶窆遥天学顿 ：论文：鞠车走舒郝动态安全煎滞系统研究 车突然的加减遮引起的车辆在垂商方向的冲击等) 引越的误判，在梭测 区域圈键镪孰上设置了嚣令佟惑器，耀传感器之阑熬鼹褰兔一个车轮躯 周氏，这样，如果检测到的冲击信号是周期性的产生，鼠具有相同( 或 基本相近) 的特性，则可作为踏面故障信号进行信号的避一步分析与处 理，以确定故障的等级、所处位置等。其信号波形图如图2 - 1 7 所示。 夏2 1 7 鼗漳爨羯绩号波形委 假设从振动传感器输出并经过放大处理后的信号为u ( t ) ，有： u ( t ) = r ( t ) + u o ( t ) + u 3 ( t ) + u 4 ( t ) + s ( t ) u i ( t ) + u 2 ( t ) 】 装中；u o ( t ) ：车辆黪载蕊俸爆下产生的振动信号分量： u ，( t ) ：踏面故障车轮挣击产生羽振动信号分鬣； u ，( t ) ：车辆簧上部分质量振动产生的信号分擞： u ，( t ) ：铁路信号轨道电路产生的信号干扰： u 。( t ) ：遣气纯设备及萁瞧摄动产生戆夔撬绩号子撬； s ( c ) ：运行速度和线路刚度参量； r f t ) ：检测设备本身产生的干扰补偿。 扶e 式可以器出，为准确地识别踏西故孵，关键是在众多予拢信号中识 剐癌故障产生瀚挣击信号及其信号强度。 在本系统中，采用数字滤波法进行判别，主要