（物理电子学专业论文）基于fpga和dsp的擦伤检测系统设计与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 列车车轮踏面擦伤检测是铁路安全检测的一个重要组成部分。车轮踏面 擦伤是由于列车在运行过程中的紧急制动等情况下产生的踏面的损伤，它严 重的影响了列车的安全运行，所以及时有效的检测出车轮擦伤具有重要的现 实意义。 本文正是在这样的背景下设计并实现了一套车轮踏面擦伤的在线自动检 测系统。通过大量调研国内外已有的擦伤检测系统，并分析其优劣性，本文 选择了振动式擦伤检测原理来设计整套系统。它是利用列车在运行过程中车 轮踏面擦伤与钢轨接触时产生的较大振动信号来检测车轮踏面擦伤的。 整个检测系统主要由振动加速度传感器、光电开关、电荷放大器、采集 处理板卡以及上位机等组成。振动加速度传感器主要是捕捉列车运行中的振 动信号，光电开关作为检测区间的开始和结束信号，电荷放大器是将振动加 速度传感器得到的电荷信号转换为电压信号，采集处理板卡是本系统中的核 心，主要完成整个系统的采集控制、模数转换、数据存储、传输、处理以及 与外围的通讯等功能，上位机主要是显示检测结果。 本文在确定检测系统方案后，重点进行了系统的硬件平台设计与实现。 本系统硬件平台包含两块板卡，采集扩展板及控制处理核心板。其中采集扩 展板主要完成多路模拟信号、i o 信号的输入，前端信号调理，a d 转换，通 讯接口等功能。控制处理核心板采用了x i l i n xs p a r t a n 3x c 3 s 1 0 0 0f p g a 和 t m s 3 2 0 c 6 7 1 3d s p 相结合的方式来实现。f p g a 作为系统的控制核心，主要完 成a d 采集控制、开关控制、数据缓存、数据传输以及数据通讯等，故根据 其功能采用自顶向下的设计方法将f p g a 划分为6 个子模块，分别为时钟模 块、开关控制模块、a d 控制模块、五通道异步f i f o 模块、总线接口模块以 及u a r t 通讯模块。d s p 作为系统的处理核心，主要完成信号的处理并将处理 结果传送回上位机。 在完成了系统软硬件设计之后，进行了系统联调及实验。实验结果表明， 本套系统能够完成车轮踏面擦伤的在线自动检测，达到了设计的预期目的。 关键词：踏面擦伤；数据采集；f p g a ；d s p 西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 a b s tr a c t i tisa ni m p o r t a n tp a r to fr a il w a yd e t e c ti o nt od e t e c tt h ew h e e l s t r e a ds c r a p es i g n a l t h es c r a p es i g n a lo nt h ew h e e l st r e a di sc a u s e d b yu r g e n c yb r a k ew h e nt h et r a i ni sr u n n i n g i ti n f l u e n c e st h et r a i n s r u n n i n gs a f e t yg r e a t l y s oi ti so fp r a c t i c a li m p o r t a n c et od e t e c tt h e s c r a p et i m e l ya n de f f e c t i v e l y a na u t od e t e c t i o ns y s t e mo ft h es c r a p es i g n a lo nt h ew h e e l st r e a d w a sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e do nt h eb a c k g r o u n di n t h isp a p e r a f t e r v a s tr e s e a r c h e so ft h ee x i s t i n gs c r a p ed e t e c t i o ns y s t e mh o m ea n da b r o a d a n da n a l y z e di t sm e r i t sa n dd r a w b a c k s ，i ts e l e c t e dt h eo s c i l l a t i n g d e t e c t i o n p r i n c i p l e t od e s i g nt h iss y s t e mi n t h isp a p e r t h e o s c i l l a t i n gd e t e c t i o np r i n c i p l ei sb a s e do nt h eb i g g e ro s c i l l a t e i n g s i g n a lo ft h es c r a p es i g n a lw h e nt h et r a i ni sr u n n i n go nt h er a i l i ti sc o m p o s e do fs e v e r a li m p o r t a n tp a r t si nt h i ss y s t e m ，i n c l u d i n g o s c i l l a t i n ga c c e l e r a t i o ns e n s o r s ，p h o t o e l e c t r i cs w i t c h e s ， e l e c t r i c c h a r g ea m p l i f i e r ，c o l l e c t i n ga n dp r o c e s s i n gb r o a d ，u p p e rm o n i t o ra n d s oo n o s c i l l a t i n ga c c e l e r a t i o ns e n s o r sc a nc a t c ht h eo s c i l l a t es i g n a l w h e nt h et r a i ni sr u n n i n g p h o t o e l e c t r i cs w i t c h e sc a t c hb e g i n n i n ga n d c l o s i n gs i g n a l e l e c t r i cc h a r g ea m p l i f i e rt r a n s f o r m st h ec h a r g es i g n a l t ov o l t a g es i g n a l c o l l e c t i n ga n dp r o c e s s i n gb r o a di st h ec o r eo ft h e s y s t e m ，a n di tc a ni m p l e m e n tal o to ff u n c t i o n s ，i n c l u d i n gc o l l e c t i o n c o n t r o l ，a dc o n t r o l ，d a t as t o r a g e ，d a t at r a n s m i s s i o n ，d a t ap r o c e s s i n g a n dc o m m u n i c a t i o nw i t hp e r i p h e r ya n ds oo n u p p e rm o n i t o rm a i n l y d i s p l a y st h ed e t e c t i n gr e s u l t s a f t e rc o n f i r m i n gt h es c h e m eo ft h i sd e t e c t i o ns y s t e m ，i th a s d e s i g n e dt h eh a r d w a r ep l a t f o r mo ft h es y s t e ma sa ni m p o r t a n tp a r ti n t h ep a p e r t h eh a r d w a r ep l a t f o r mi n c l u d e st w ob o a r d s o n ei sc o l1 e c t i o n e x p a n db o a r da n dt h eo t h e risc o n t r o la n dp r o c e s s in gc o r eb o a r d t h e m a i nf u n c t i o no ft h ec o l l e c t i o ne x p a n db o a r di st oc o m p l e r et h ei n p u t o fm u l t i p l ea n a l o gs i g n a l sa n di os i g n a l s ，f r o n ts i g n a la m e n d m e n t ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ll 页 a dt r a n s f o r ma n dc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ea n ds oo n c o n t r o la n d p r o c e s sc o r eb o a r di sc o m p o s e db yx i l i n xs p a r t a n 3x c 3 s 1 0 0 0f p g aa n d t m s 3 2 0 c 6 7 1 3d s p a st h ec o n t r o lc o r eo ft h es y s t e m ，f p g af i n i s h e st h e a dc o n t r o l ，s w i t c hc o n t r o l ，d a t a s t o r a g e ，d a t at r a n s m i s s i o n a n d c o m m u n i c a t i o n s oi t i sp a r t i t i o n e dt os i xs u b m o d u l e sb a s e do nt h e t o p d o w nd e s i g nm e t h o d ，w h i c ha r ec l o c km o d u l e ，s w i t c hc o n t r o lm o d u l e ， f i v ec h a n n e l sa s y n c h r o n o u sf i f om o d u l e ，b u si n t e r f a c em o d u l ea n du a r t c o m m u n i c a ti o nm o d u l e a st h ep r o c e s s i n gc o r eo ft h e s y s t e m ，d s p a c c o m p l i s h e st h ed a t ap r o c e s s i n ga n dt r a n s m i t st h er e s u l tt ou p p e r m o n i t o r a f t e rf i n i s h e dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no ft h es y s t e m ， s y s t e md e b u ga n de x p e r i m e n t sw e r ed o n e t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t s i n d i c a t et h a tt h es y s t e mc a na c c o m p li s h t h ea u t od e t e c t i o no ft h e s c r a p es i g n a lo nt h ew h e e l st r e a d ，a n dr e a c ht h ea n t i c i p a t e dp u r p o s e k e y w o r d s ：s c r a p eo nt h et r e a d ；d a t ac o l l e c t i o n ：f p g a ：d s p 西南交通大学曲陶父逋大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密d 使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 鬻嚣差：移穆 日期：庐j 田夕， 。，l r 指导老师签名：易杉豸 同期： - ，夕 西南交通大学曲南父逋大罕 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 、在检测系统中使用f p g a 和d s p 相结合的方式来设计硬件平台，大 大降低了系统中硬件设计的复杂性，使得系统设计更加灵活。而t i c 6 0 0 0d s p 具有强大的信号处理功能，可以实时的完成大数据量、复杂算法的处理。 2 、为分辨邻轮干扰，在检测区间两侧安装辅助判断传感器，能够有效的 剔除在检测区间外产生的邻轮干扰情况，为算法分析上提供了便捷。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 轮对是铁路车辆行走部的主要部件，其技术状态好坏直接涉及车辆的运 行品质，影响列车运行安全。车轮踏面故障是车辆运行过程中的常见故障， 其损伤形态主要表现为踏面擦伤及剥离。轮对踏面擦伤的根本原因是列车在 制动过程中的制动力大于粘着力，导致车轮踏面在钢轨上滑行，产生剧烈摩 擦，严重时就会在踏面上形成扁疤状擦伤。 传统的列检对车轮踏面故障的检查，主要靠检车员接车过程中和停车后 的耳听、锤敲、眼看，这种传统的人工检查方法，受人为因素、故障所处的 部位、现场工作条件、气候以及技检时间等因素影响，既不易及时发现车轮 踏面故障，造成漏检、漏修，又增加工人的劳动强度，延长技校时间。因此， 研制一种在线式车轮踏面擦伤检测系统，自动地实现对车轮擦伤动态检测， 对及时准确发现轮对踏面故障，提高车辆检修质量，缩短技检时间，加速车 辆周转，改善运行条件，降低劳动强度，确保列车运行安全具有十分重要的 意义。 1 2 擦伤的认识 1 2 1 擦伤产生的原因 1 2 1 1 客车 对于踏面制动和盘形制动的客车来说，轮对踏面擦伤的根本原因是列车 在制动过程中的制动力大于粘着力。 1 制动力过大 ( 1 ) 随着客车的提速，新型客车为确保制动距离在规定范围内，必须获得 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 较大的制动力。为此，新造客车的制动倍率一般比普通2 2 型客车的高，较易 造成踏面擦伤。 ( 2 ) 制动缸活塞行程过短。当施行制动作用时，在相同的减压量下，活塞 行程过短时( 运用标准为( 1 9 0 1 5 ) m m ) ，使得制动缸容积减小，副风缸与制 动缸的计算容积比增大，制动缸压力就会上升，容易抱死车轮，造成踏面擦 伤。 ( 3 ) 运用客车同一辆车上的各闸瓦厚薄不一致时( 如有几个换了新闸瓦) ， 在列车实施制动后，厚的闸瓦就会抱紧车轮，薄的闸瓦会似抱非抱，这时该 车的制动力全部分布在少数几个厚闸瓦上，使厚闸瓦抱紧的轮对制动力增大， 造成轮对踏面擦伤。 ( 4 ) 闸调器的控制杆头与调整器体后盖之间的距离过小，使制动缸活塞行 程变短，从而使制动缸压力升高，造成踏面擦伤。 2 客车运行时，列车中产生自然制动 ( 1 ) 1 0 4 分配阀或三通阀制动感度过敏。列车制动管轻微漏风时便引起自 然制动，使闸瓦长时间与踏面接触，严重时擦伤车轮。 ( 2 ) 司机操纵不当，使列车过量充风，引起作用过于灵敏的三通阀( 或分配 阀) 产生制动。 ( 3 ) 当列车紧急制动时，由于1 0 4 分配阀与三通阀混编，而它们制动感度 又不相同，造成列车中各车辆的制动时间不一致，最先制动的车辆就很容易 出现踏面擦伤故障。 3 制动机缓解不良 ( 1 ) 三通阀主活塞涨圈周围漏泄或摩擦阻力过大；排风口堵塞；充气沟过 长。 ( 2 ) 1 0 4 分配阀的主活塞膜板穿孔；均衡阀脱胶；均衡活塞膜板穿孑l ；大 滤尘网堵塞；紧急阀大漏。 ( 3 ) 制动缸活塞缓解弹簧力弱或折损；动缸内缺油生锈或皮碗软化变质； 活塞推杆弯曲被卡住不能回到原位；活塞铆钉折断，使活塞与活塞杆分离， 活塞不能回去。 ( 4 ) 基础制动装置不良。 ( 5 ) 手制动未松。此时，制动缸活塞杆已回去，只是推杆没有回去。 ( 6 ) 速度信号误传到防滑器，造成防滑器误动作。如：速度传感器的信号 输出线与防滑器连接时，接线端错位，使速度信号误传到防滑器。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 2 1 2 货车 1 制动缸活塞行程过短 车辆运用中制动缸活塞行程的长短与制动力的大小有直接关系。这是因 为列车施行制动时，压缩空气减压量一定，由副风缸进入制动缸的压力空气 量一定，它随着制动缸的容积大小产生不同的压强( 单位压力) 托h 引。 根据波义耳一马略特定律( 等温变化) p v = 定值 由上式可知当制动活塞行程较长，容积亦较大时，它的空气压力就低， 制动力也随着减小。反之，制动缸活塞行程较短，容积缩小，制动力就增大。 当制动力过强时( 行程过短) ，容易将闸瓦与车轮抱死，致使车轮在钢轨上滑 行，而将车轮踏面局部擦伤。 2 制动机安定性能不良 车辆紧急制动作用是为了保证列车在遇到紧急情况下，能够得到最大的 制动能力，尽快产生强烈的制动作用，在最短距离内停住列车而设，列车正 常运行施行常用制动时，如果制动机安定性能作用不良而产生紧急制动作用， 导致个别车辆制动力过大而擦伤车轮。 3 制动机缓解不良 列车施行常用制动或紧急制动缓解后，列车应处于缓解状态，如果制动 机不缓解或未完全缓解，特别是闸瓦抱紧车轮而车辆仍在运行时，导致车轮 在钢轨上滑行而造成车轮踏面擦伤。 4 空、重车位置调整不正确 货车空、重车质量差很大，重车运行时动能大于空车，在减速或停车时 所需制动力不同，重车需要制动力大，空车则小。当空车运行而将调整手把 置于重车位时，会使该车制动力过强，而擦伤车轮踏面。 5 司机操作不当 一方面，在长大下坡道时，部分司机为了延长机车车轮的使用寿命，不 利用机车电阻制动，而依靠车辆拖机车，造成车轮踏面擦伤；另一方面，由 于长大货物列车的增加，列车在进入列检所停车时，均采用了二次停车，在 现场多次发现列车在制动位刚刚停车时，司机进行了缓解，但未等列车缓解 完毕便马上启动，此时，由于部分车辆还没有缓解，车轮产生滑行，造成擦 伤。 6 轮对检修、制造质量的缺陷 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 轮对检修、运用部门对车轮踏面擦伤检查修理的力度不足，达到擦伤限 度而为压缩残车、节约成本未做修理，随着车辆的运行逐渐加深擦伤深度。 未按标准修造，同一轮对两车轮直径差超限，车轮材质过弱，踏面圆周不圆 等会产生很大的附加载荷而加速车轮踏面的不正常磨耗，这也是造成车轮踏 面擦伤的重要因素。 1 2 2 擦伤的危害 擦伤对列车的正常安全运行有这很大的危害h 5 1 。 1 踏面擦伤对滚动轴承的危害 车轮踏面擦伤后，轮对踏面出现局部平面，使轮对不能圆滑滚动而产生较 大的冲击力和强烈振动，出现打击钢轨现象，使滚动轴承受力不均。易造成 保持架破损，滚予与内圈、外圈表面出现麻点、辗皮、剥离等缺陷。加速滚 动轴承损坏，缩短滚动轴承的使用寿命，易发生热轴甚至切轴事故，严重威 胁着行车安全。 2 踏面擦伤对车辆配件的危害 由于轮对踏面擦伤后产生冲击振动，加剧车辆配件的磨耗损坏，易使车辆 连接部紧固件松驰，如钩托梁及缓冲器托板螺母松动丢失，易造成列车分离； 特别是易造成制动梁端轴折断，引发脱轨事故。 3 踏面擦伤对车辆运输安全的影响 轮对踏面擦伤降低列车运动品质，影响车辆的运行平稳，产生的冲击振动 使运载货物发生损坏，或产生横向移动，导致货物偏载不利于行车安全。冲 击振动还增大列车运行阻力制约着列车速度的提高，特别是在曲线线路上运 行时，由于车辆离心力的共同作用，易造成脱轨事故。 4 踏面擦伤对运输秩序的影响 由于对路面擦伤超过运用限度的轮对要做换轮处理，所以增加了摘车修频 次，增大了残车数，加大了车辆维修成本，影响了车辆的j 下常运转，打乱了 正常运输秩序。 5 缩短了轮对的使用寿命 按铁道部规定，一条轮对在币常使用的情况下其寿命为2 5 年。按每次段 修旋削轮辋厚约3 r a m 计，能加工约1 6 次( 按1 5 年一次段修) 。轮对发现擦伤 扣修更换后，上车床旋削一次减厚最少3 m m ，也就是说轮对每旋削一次即至 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 少缩短约一年半的寿命。全铁路4 0 万辆通用货车的轮对有1 6 0 万条，如按百 分之十的轮对发生一次擦伤过限，就减少2 4 万轮对寿命年，即白白浪费约 9 6 0 0 条轮对，按每条轮对1 万元计，其损失就近亿元。运用车中每年发生的 轮对擦伤扣修数，其经济帐的结论完全可以从统计工作中得出。 123 常见踏面缺陷图片 图卜1 到图1 4 为常见的车轮踏面缺陷的图片，其中图1 1 为典型的踏 面擦伤图片，图卜2 为踏面剥离图片，圈1 3 为麻点剥离图片，图卜4 为踏 面结疤图片。 图1 1 踏面擦伤图片 图【_ 2 踏面剥离图片 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 图卜3 麻点制动剥离图片图卜4 结疤图片 1 3 本文主要工作 本文在大量的调研与实验的基础上，采用振动加速度检测法柬设计了一 种车轮踏面擦伤的在线式自动检测系统。该系统通过采集擦伤的振动加速度 信号，并对信号进行各种算法分析与处理，最终达到检测的目的。 故本文的主要工作包括以下几大部分： 课题的前期调研及检测系统方案设计； 检测系统硬件平台设计； 信号处理算法分析： 系统联调及大量实验。 本论文共五章：第1 章是绪论，介绍了课题的背景及意义，课题检测对 象车轮踏面擦伤产生的原因及危害。第2 章是本检测系统的方案及原理，通 过对国内外己有检测方式的调研与比较，选择了振动擦伤检测方式束设计本 检测系统，并且给出了本检测方式的动力学原理，最后确定了本检测系统的 构成及主要器件的介绍。第3 章是系统的硬件平台设计，作为本文的重要内 容，详细介绍了硬件平台的方案，扩展板的设计，f p g a 内部逻辑设计，d s p 设计以及硬件平台调试等内容。第4 章介绍了系统的检测流程及算法分析， 包括检测流程图，检测中的关键问题以及信吁处理流程等。第5 章介绍了系 统的调试及实验情况。最后进行了仝文的总结与展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章检测系统方案及原理 2 1 国内外擦伤检测技术及现状 2 1 1 国内外踏面擦伤检测现状 自上世纪7 0 年代以来，世界各国相继进行了踏面擦伤、磨耗、剥落等故 障自动检测研究。开发较早、发展比较成熟的有德国、美国、俄罗斯和f 1 本 等国。采用的方法一般可分为以下几种1 ： 人工观察或手工测量； 根据踏面与轮缘之间高度差变化采用踏板法检测踏面的擦伤情况； 利用列车高速运行时踏面擦伤处的瞬间腾空来检测踏面擦伤； 利用踏面擦伤与轨道产生的噪声不同来检测踏面擦伤； 利用踏面擦伤引起的钢轨所受的冲击力或振动的变化来检测踏面擦 伤； 对运行中的车轮踏面进行高速c c d 摄像结合相关软件处理来检测； 通过测量由于擦伤程度不同而产生的轨道机械振动波的能量和时差的 不同来检测擦伤的程度和位置。 目前，德国、瑞典等欧洲国家主要采用车轮瞬间腾空法和轨道变形截取 法；美国采用高速摄像法；r 本、俄罗斯等主要采用测量轨道冲击力产生的 振动变化的方法来进行测量。车轮瞬间腾空法是把钢轨切成4 个测量段，每段 之间需要绝缘起来，利用每个测量段里的两边钢轨和轮对形成回路，并通过 电流形成闭环。如果车轮踏面有擦伤，闭环回路就会瞬间断开。不过，这种 方法需要测量出列车的速度和质量，此外，还需要在钢轨上安装冲击传感器， 以便测出车轮踏面擦伤信号的起始时间，便于定量车轮踏面擦伤的大小。这 种系统不仅能检测出车轮的踏面擦伤，还能定量地检测出车轮踏面擦伤的大 小，同时也能检测出热轴。振动冲击法是利用安装在钢轨底部的振动加速度 仪，测定通过列车的各个车轮高低频振动电平等参数，利用车轮检奁器来记录 车辆种类、车号、轴位等参数，经数据整理后获得各车轮的振动换算电压及检 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 出率值，最后做出擦伤判断。 2 1 2 在线自动检测方法 2 1 2 1 踏板检测法 踏板检测法又称为位移检测法，是北方交通大学等单位的技术专利，并 在郑州铁路局平顶山列检所和郑州车辆北段进行了现场正线试验。该方法的 基本原理是以轮缘外沿为基准，通过测量车轮踏面相对于轮缘的高度变化来 测量车轮的踏面擦伤，也即通过测量轮缘相对钢轨位置的变化来测量车轮扁 疤的深度 1 。 踏板检测法的测量系统主要包括：平行四边形机构、位移传感器、数据 采集处理系统以及计算机与数据通信系统等4 大部分。其测量方法是：当列 车通过测量装置时，车轮轮缘顶部压下平行四边形机构的上平板，使其产生 平动，此时非接触式位移传感器测量平板相对于钢轨的垂直位移，再经过简 单的数据处理后就可得出车轮的擦伤深度。 该法的优点为：在列车低速运行条件下测量结果较准确，测量装置安装 简单，数据处理容易。其缺点是：测量精度受机械装置的加工精度影响；列 车高速运行时的车轮冲击会引起踏板振动，甚至损坏踏板装置，因此该方法 不适合高速测量；即使在低速条件下，该系统的机械装置每年必须经过数百 万次车轮冲击的考验，不仅机械装置容易发生故障，且传感器在激烈振动下 发生位置改变后，其状态也需要经常调整；此外，该检测设备对工务维修也 有一定程度的影响。 2 1 2 2 电信号检测法 电信号检测法又称瞬间腾空检测法。这种方法在德国、瑞典等欧洲国家 应用较多。它的基本原理是：当列车高速行驶时，车轮行驶至擦伤位置时将 脱离轨面，并有一段腾空时间；腾空时间的长短与擦伤的大小有关。通过电 信号来测量车轮腾空时间，再经简单换算后可得出车轮擦伤的程度。 图2 一l 为电信号检测法的结构原理图。图中一条钢轨是连续的，另一条 钢轨上有2 段定长的绝缘短轨a 。b 为剪应力传感器。发送电路向连续轨发出 频率为1 0 0 k h z 、2 4 v 的高频信号。当无擦伤车轮通过该区段时，车轮紧贴轨 面，两条钢轨被短路，输出信号为零：如果车轮有擦伤，在车轮腾空时，接 收电路将收到一交流脉冲信号，该信号经检波后变成方波信号，根据脉冲宽 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 度即可求出擦伤长度。 图2 - 1 电信号检测法结构原理图 电信号检测法的优点为：高速下测量准确，信号幅度大，抗干扰能力强， 信号处理容易，电路结构简单等。其缺点是：无法测量低速下无腾空状态的 车轮擦伤：安装困难，必须设置数根绝缘短轨，且安装时会严重影响行车秩 序；短绝缘轨的寿命远低于无缝钢轨，对线路安全很不利，这在工务规则上 是不允许的。因此，这种方法不宜在我国推广。 2 1 2 3 声音检测法 在列车行进过程中，轨道间通常会发出均匀的、有规则的声响；而带有 擦伤的车轮通过轨面时，可明显听到车轮对钢轨的撞击声。根据这种声音信 号，可以大致判断平轮的大小和位置。日本利用噪声检测法原理研制了一种 自动检测装置。其测试方法是将一只话筒对准轨头，另一只话筒置于距车体 一定距离处采集检测时的背景声。采用两个话筒的目的是为了提高信噪比， 防止错误判断。列车通过时，这两个音频信号进行比较，可从记录波形中分 辨出平轮信号。 声音检测法的优点为安装简单，可作为辅助测量方案。其缺点是无法克 服邻轮干扰，只能判断出平轮所在的轮对，测试精度不高。但随着现代信号 采集与处理技术的发展，这种方法也可作为一种轴承故障早期诊断的有效方 法。目前该方法已由哈尔滨铁路科研所在全路推广，并取得了很好的效果。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 2 1 2 4 加速度检测法 加速度检测法在日本和俄罗斯应用较多，它是根据振动学原理，采用加 速度传感器和轮重传感器等来检测平轮对钢轨的冲击所产生的振动信息，进 而以谱分析的方法进行识别、预报。 加速度检测法的检测系统由磁钢( 轮重传感器) 、加速度传感器( 压电传感 器) 、电荷放大器、a d 转换电路、工控机主机、通信接口电路、上位机、打 印机等组成。其工作原理为：当列车通过测试区时，由磁钢发出采样开关门 信号，控制采样的开始和中止；轮轴间的相互作用在压电传感器上产生微弱 的电信号，经电荷放大器放大后送至a d 转换电路，将模拟量转换为数字量； 工控机上的数据采集程序对采集到的数据信号进行保存，再用相应的数据处 理程序对数据进行分析处理；最后将处理结果通过调制解调器送至上位机并 打印输出。其检测系统原理图如图2 - 2 所示。 列登塑 1 絮鬟嚣毳薰羹警柏_ _ _ _ _ 州_ _ l 、 r * ：e ， i o 图2 2 加速度检测法工作原理图 加速度检测法的优点为检测比较准确，能够适应不同车速和轨面环境下 的测量，安装方便。其缺点是：受环境影响较大，需要考虑不同车速、车重、 车体状况、枕木道床刚性以及产生的冲击相对于传感器的位置等因素，而且 需要定期对传感器进行标定，数据处理较困难。 目前，哈尔滨威克公司与上海地铁运营公司合作，采用该方法丌发了上 海轨道交通3 号线列车车下走行部件状态在线检测系统，且已通过了上海市 科委的项目鉴定。该检测系统应用数字信号处理器( d s p ) 进行信号采集，并采 用了小波分析等多种现代信号处理方法，取得了较好的效果。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 2 1 2 5 图像检测法 图像处理技术是近几年发展起来的新技术。图像检测法的原理是：通过 安装在轨道上的高速数码摄像头获取车轮的图像；再由计算机进行图像还原 或边缘提取等数字化处理；然后通过与标准轮缘几何尺寸进行比对，测出车 轮的擦伤大小。罗马尼亚、澳大利亚等国用该原理研制了车轮踏面自动检测 系统。该系统由机械装置、照明装置、摄像装置、计算机及外围设备等组成， 可对所测图像进行显示、处理和打印，并对超限车轮发出报警信号。 图像检测法的优点为测量准确。其缺点是：成本高，安装困难，受图像 采集速度的限制，不适合高速检测；图像处理速度慢，方法复杂，影响检测 的实时性。随着高速摄像设备和现代图像处理技术的进一步发展，限制这种 方法推广的瓶颈有望得到很好的解决。准确定量的检测量是该方法的优势， 也是未来高速铁路车辆故障检测的发展方向。因此，图像检测法是一种前景 看好的检测方法。 2 1 3 方案的比较 在以上几种在线自动检测方法中，电信号检测法由于要在轨道上安装短 绝缘轨，而其寿命远低于无缝钢轨，对线路安全很不利，这在工务规则上是 不允许的。因此，这种方法不宜在我国推广。声音检测法原理及安装简单， 检测精度低，一般只作为辅助测量方案。故下面主要比较一下加速度检测法、 位移测量法和图像检测法阳1 。 表2 - 1 各方法比较表 比较 项目 加速度检测法位移测量法图像检测法 1 、平行四边形图像处理速度 存在车轮踏面擦伤产生的冲击波机构本身的结构慢，方法复杂，影 的缺与铁轨的振荡波有重叠，导不稳定；响检测的实时性 陷及致损伤状况不能按照加速度2 、车速较高时， 问题峰值反映出来会有瞬时腾空，造 成测量基准消失 能采l 、设计滤波器滤波，滤出1 、动力学建模1 、采用高性能 用的干扰信号；分析振动模型；摄像头； 解决2 、频率补偿并改进评判法2 、加减震器，2 、应用现代图 办法 则减少干扰像处理技术 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 精度无具体精度参数，但稳定低速时可达到 比较性好 0 2 m m 精度高 造价 比较 较高较低局 技术 成熟 较成熟完善 不成熟，大部分 不很成熟 度 比处于研发阶段 较 应用国外( 日本) 有广泛应用，较少，但国内有 国外有应用 比较国内基本没有应用 适用 范围高低速均可低速中低速 比较 技术 难度 滤波分析，补偿，评判，总建模，补偿，减图像处理算法 体较低震设计，总体较高复杂，总体较高 比较 从以上比较可以看出，加速度检测法技术较成熟，技术难度较低，适用 于高低速测量范围，且成本居中，故在本检测系统中选用振动加速度检测法 来设计实现。 2 2 加速度检测法的动力学原理 2 2 1 车轮擦伤冲击过程及临界速度 1 列车在低速运行时，车轮滚至平轮起点a 时，将绕a 点旋转直至整个 平轮表面撞击轨面，之后又迅速绕b 点旋转，进一步对钢轨施加动力作用， 直到恢复正常滚动状态引。 其冲击过程如图2 - 3 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 a b c 图2 - 3 列车低速运动平轮示意图 2 在高速行车状态下，车轮滚至a 点后，将脱离钢轨表面，在空中一边 旋转，一边做惯性运动，同时向下跌落，终在b 点接触轨面，从而给钢轨以 冲击。其冲击过程如图2 - 4 所示。 a a b c 图2 - 4 列车高速运动平轮示意图 由此可见，随着速度由低到高的变化，平轮冲击特征必须在某临界速度 v 下发生突变。当车轮以角速度i t ) 。v r ( v 为运行速度：r 为车轮半径由位 置a 转至位置b ( 转角为矿2 ) 所经历时间t 1 等于轮心向下跌落距离h 所需时 间t 2 时，将出现临界状态。此时： t 】：丝：堕 ( 2 1 ) 归巨 、 ( 2 2 ) “：f m i + m 2 g ( 2 3 ) 舻i 。m 2j 心夕 ( m 1 、m 2 分别为机车车辆一系簧上、簧下质量) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 临界速度 v ，；以鬲 ( 2 - 4 ) 擦伤的动力学效应，在低速时随车速的提高而迅速增强，在高速范围内， 随车速的增加反而略有下降，峰值所对应的临界速度为v - 玎- ：原。对我国主 要车型而言，圪- 3 0 k m h 1 。 2 2 2 低速时的冲击速度公式 冲击速度包含两部分： ( 1 ) 轮心绕a 点转动撞击钢轨的垂直向下速度分量； ( 2 ) 钢轨在抵制车轮绕b 点旋转时所承受的与轮心垂直速度方向相反的 瞬时冲击分量。 经过推导： v o = ( 1 + y ) 瓦lv ( 2 5 ) ，为车轮旋转惯量转换为往复惯量的系数。 结论：低速时冲击速度与擦伤长度l 和行车速度v 成正比，与车轮直径 r 成反比。 2 2 3 高速时的冲击速度公式 冲击速度包含两部分： ( 1 ) 车轮从空中跌落至轨面的速度； ( 2 ) 旋转引起的轮心速度之垂直分量。 经过推导： v o = 志y v 届 ( 2 - 6 ) 结论：高速时冲击速度与长度成f 比。且随着v 增加略有下降，最终趋 于恒定值。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 啪m 丽l y v 瓜y l 摆 协7 ， 2 2 4 擦伤深度计算 1 当速度小于临界速度 擦伤后的弦缺状车轮行进中对钢轨撞击是一个能量交换过程。接受电能 的持续时间等于碰撞机械的交换时间，即等于撞击时间t c 。而采集电能为 e e 一曙r e t = 曙心2 d ，幽v , ( 2 8 ) 撞击的动能是 z 去，l j 嘭一2 m 吁a h d j ( 2 9 ) 能量守恒与等价变化是擦伤深度等效计算的依据，因此有 2 m v z o 一略r e 2 d ，幽v j ( 2 1 0 ) 其中，瞄无量纲，计入了各个环节的近似线性变换系数，上式可进一步 表示为 劬幽一d ，, - 5 7 v ：k r m 吁 ( 2 1 1 ) 其中，硌具有q 量纲，称为等效变换电阻。最后求解出 幽一d ；昧( k r m f ) 2 ( 2 1 2 ) 各式中，幽是擦伤深度( m ) ( 输出以m m 显示) ；d ，是车轮直径( m ) ；k 是采集电压( v ) ；m f 是车轮均重( k g ) ；k 是机车瞬速( m s ) ；k r 是变换系 数( q ) 。 砾为变换系数，具有q 量纲，它计入了各个环节的近似线性变换。它可 以根据不同地点路基，不同季节温湿，不同机车型号( 如各轮位的研；不均重， k 。可与轮位i 有关，都赋给机车参数记录在计算机中自动实现) ，在实际中 校准并自动取值。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 2 当速度大于临界速度 当y 时： 撞击时间f ，为： f ，2 v + x t 面 则采集的传感器电能为： ( 2 1 3 ) 也= 2 吃一u 0 2 l ( r e ( v + 以鬲) ) = 2 u 0 2 i 面( 啦( y + 以鬲) ) ( 2 1 4 ) 而撞击的动能为： 化简为： 驯慨( 赤耐 倍1 5 ) 咆叫y 肼y + 瓜) 2 浯1 6 ) 能量守恒定律与等价交换是平轮深度等效计算的依据，因此有： e e = ( 2 1 7 ) 经过推导得出： 以吖h 厕) 6 卜h 旧4 ) 陆1 8 ) 公式物理意义是v 吃时等效擦伤深度，这为求能量来估算平轮深度有 理论意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 23 本检测系统构成 2 31 检测系统框图 图2 - 5 检测系统框图 如图2 - 5 所示，本检测系统主要包括以下几大部分： ( 1 ) 各种传感器及电荷放大器：振动加速度传感器：用来捕捉钢轨的 振动加速度信号：光电丌关( 光纤传感器) ：检测列车是哲到来或离丌，控 制整个采集过程：电荷放大器：将加速度传感器采集到的电荷信号转换并 放大为f 乜压信号，供后续部分采集处理。 ( 2 ) f p g a 二f l 】d s p 数据采集处理部分：是本系统的控制和处理核心，其中 f p ( ；a 主篮完成系统的逻辑控制，包括控制符通道数据采集，a d 转换，数据 的缓存数抛传输及通信等；i l - ；p 上要进行数据处理井将处理结果发送到上 位机。 ( 3 ) l 化机结果显示部分：接收d s p 处理结果，并提供良好的操作界面。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 2 3 2 主要器件介绍 2 3 2 1 振动加速度传感器 振动加速度传感器是用来测量车辆行进过程中车轮与钢轨碰撞产生的振 动加速度，从而来捕捉轮轨擦伤部位与轨面碰撞产生的异常振动。 擦伤后的弦缺状车轮行进中对钢轨的撞击是一个能量交换过程，振动传 感器的作用就是将机械能转换为电能，则振动加速度传感器必须是压电式的。 压电式传感器是以具有压电效应的压电器件为核心组成的传感器，当材 料表面受力作用时，其表面会有电荷产生，从而实现非电量测量。所谓的压 电效应就是当某些物质沿某一方向上施加压力或拉力时，会产生变形，此时 这种材料的两个表面将产生符号相反的电荷，当去掉外力时，它又重新回到 不带电状态，工作原理图如图2 - 6 所示： 图2 - 6 压电式传感器工作原理图 根据压电效应的原理，当元件晶体上受到振动作用力后，将产生电荷量， 该电荷量q 与作用力成正比，即： q d j f = d m a ( 2 1 9 ) 其中，d ；为压电常数，m 为敏感质量，a 为振动加速度。每只传感器 的d ：和m 均为一常数，所以它产生的电荷量与振动加速度呈f 比。这就是压 电传感器完成机电转换的工作原理。 2 3 2 2 电荷放大器 由于压电加速度传感器输出是电荷量，为后续数据采集处理造成一定的 困难，故还必须配套电荷放大器，将振动加速度传感器的输出电荷信号转换 为电压信号，以便后续数据采样处理。 根据国外应用积累的大量实际经验，车轮擦伤的振动频谱主要是在 6 0 0 h z 到1 2 k h z ，另外擦伤的冲击振动中还可能包含有1 0 k h z 左右的高频成 分，振动加速度一般不会超过2 0 0 9 哺1 。根据系统实际需求，振动加速度传感 器最大可测频率需要1 0 k 以上，电荷放大器输出为模拟电压量。 所以电荷放大器是与压电加速度传感器相配合，将输出电荷量转化为与 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 其对应的电压信号，便于后续数据采集和处理。 图2 - 7 电荷放大器工作原理图 电荷放大器的工作原理如图2 - 7 所示。将加速度传感器及其电缆加在一 个拥有电容负反馈的运算放大器的输入端，对于一个理想放大器来说因其输 入阻抗及开环放大倍数均趋近于无穷大，则其输入端a 为虚地点，电位与c 点无限接近。所以压电传感器所产生的电荷q 就一定会转移到反馈电容c ，的 两端，而极性是相反的。 因此，运算放大器的输出电压( 就是反馈电容两端的电压) 为 v o - 号( 2 - 2 0 ) 即：电荷放大器的输出电压，仅正比于压电传感器所产生的电荷，而与 连接电缆的电容无关。因此可允许用很长的电缆作为其输入线。 2 3 2 3 光电开关 光电式传感器是一种将光量的变化转换为电量变化的传感器。它一般包 括光源、光通路、光电元件及测量电路等部分。组成结构图如图2 8 所示： 图2 - 8 光电传感器组成结构图 其中，x 1 表示被测量直接引起的光源光量变化，x 2 则表示被测量在光传 播过程中调制光量，引起光量的相应变化。 光电接近丌关就是利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，由同步回