（车辆工程专业论文）铁道车辆红外线轴温探测系统应用研究.pdf

一堕塑壅望奎兰三堡塑主塑窒生堂堡笙壅 篁! 堕 摘要 红外线轴温探测技术目前被广泛应用于铁路车辆轴温动态自动监测。该系 统具有自动计辆计轴、自动测定轴箱温度、自动滚滑判别、自动热轴判别、自 动报警打印和轴箱波形再现，以及客货车兼容等功能，可微机联网通讯，实现 热轴跟踪和集中管理。能有效地防止列车热轴、切轴事故发生，确保列车行车 安全。 但目前采用的红外线轴温探测设备普遍存在着探测点位置不准、抗干扰能 力较弱、缺乏故障自动测报功能和缺少来车报警、防盗报警功能等问题。为此， 本文从作者多年从事红外线轴温探测设备使用维护实际经验出发，结合郑州铁 路局宝鸡车辆段的具体使用状况，提出了具有针对性的改进措施，并投入了现 场运用，取得了很好的效果。 文章主要内容如下： 1 、首先分析了铁道车辆红外线轴温探测的基本原理和系统组成，指出了目前 红外线轴温探测系统在运用中存在的问题。 2 、针对国内列车普遍采用滚动轴承轴箱的现状，对红外线轴温探测设备探测 点的位置进行了优化研究。 3 、针对原红外线探测系统缺乏自身故障远程测报功能，研究了解决方案。 4 、同时增加了监测区段红外线人员上道检修作业安全防护预警系统。 5 、最后对现场使用情况进行了总结。 本文重点对红外线轴温探测系统故障远程诊断进行了研究，并首次在红外 线轴温探测系统中投入实际使用，有效地压缩了红外线轴温探测系统故障延时， 进一步完善了红外线轴温探测系统功能。改进后的系统于2 0 0 2 年1 0 月在郑州 铁路局宝鸡车辆段投入正式使用。从现场使用效果来看。改进后的系统基本达 到了预期目标提高了红外线轴温探测设备运行的安全性、可靠性以及设备 本身故障诊断的及时性，极大地提高了列车的行车安全性。 关键词：铁道车辆；红外线；轴温探测：应用研究。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 | 页 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h ei n f r a r e d b e a r i n gt e m p e r a t u r ed e t e c t i n gt e c h n i q u eh a s b e e n w i d e l ya p p l i e d i nt h e d y n a m i ca u t o m o n i t o r i n g o f r o l l i n gs t o c k s b e a r i n g t e m p e r a t u r e t h es y s t e mh a sm a n yf u n c t i o n ss u c ha sa u t o m a t i cc o u n t i n go fr o l l i n g s t o c k sa n d a x l e s ，a u t o m a t i cd e t e c t i n ga x l eb o x st e m p e r a t u r e ，a u t o m a t i cj u d g m e n to f t h e r o l l i n gb e a r i n g a n dt h e s l i d i n gb e a r i n g ，a u t o m a t i ca l a r m i n g a n d p r i n t i n g ， r e a p p e a r i n go f a x l eb o x e s w a v e f o r ma n d c o m p a t i b i l i t yo fp a s s e n g e ra n dg o o d s t r a i n t h e s y s t e m c a l lb ec o m m u n i c a t e d b y t h e c o m p u t e rn e t w o r k a n dr e a l i z e dt h e f o l l o w i n go f t h e h o ta x l ea n dt h ec e n t r a l i z e dm a n a g e m e n t t h es y s t e mc a na v o i dt h e a c c i d e n c eo f t h er o l l i n gs t o c k sh o ta x l e ，w h i c he n s u r e st h es e c u r i t yo f t r a i nr u n n i n g h o w e v e r , t h ei n f r a r e db e a r i n gt e m p e r a t u r ed e t e c t i n ge q u i p m e n ta p p l i e dh a sm a n y p r o b l e m s ，s u c h a si n a c c u r a t e d e t e c t i n gp o s i t i o n ，w e a k a n t i - i n t e r f e r e n c e a b i l i t y ， s h o r t a g e o ff a u l ta u t o f o r e c a s t ，m i s s i n gt h ea l a r mo fr o l l i n gs t o c k sc o m i n ga n d g u a r da g a i n s tt h e f t s o ，t h ea r t i c l eb e g i n sw i t h t h ep r a c t i c a le x p e r i e n c ea c c u m u l a t e d b yt h e a u t h o ri nt h em a i n t e n a n c eo ft h ei n f r a r e db e a r i n gt e m p e r a t u r ed e t e c t i n g e q u i p m e n t ，c o m b i n e d w i t ht h eu s a g es i t u a t i o ni n b a o j ir o l l i n g s t o c kd e p o to f z h e n g z h o ur a i l w a yb u r e a u s o m ei m p r o v e dm e a s u r e sw e r eb r o u g h tf o r w a r di nt h e p a p e ra n da p p l i e d i np r a c t i c e g o o de f f e c tw a sa c q u i r e da tl a s t t h e p a p e r sm a i n c o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l eo ft h er o l l i n gs t o c k si n f r a r e db e a r i n gt e m p e r a t u r e d e t e c t i n ga n d t h ec o m p o s i t i o no ft h es y s t e mw e r ea n a l y z e da tf i r s t p r o b l e m s e x i s t i n g i nt h ea p p l i c a t i o no ft o d a y si n f r a r e db e a r i n gt e m p e r a t u r ed e t e c t i n g s y s t e mw e r ep o i n t e d o u t 2 a i m e da tt h es i t u a t i o no ft h ea p p l i c a t i o no fr o l l i n gb e a r i n ga n da x l eb o xi n d o m e s t i ct r a i n s ，o p t i m a lr e s e a r c ho nt h ed e t e c t i n gp o s i t i o no ft h ei n f r a r e d b e a r i n gt e m p e r a t u r ed e t e c t i n ge q u i p m e n t h a sb e e nc a r r i e do u t 3 a i m e da tt h es h o r t a g eo fr e m o t es e l f - f a u l t d e t e c t i o ni nt h eo l di n f r a r e d d e t e c t i n gs y s t e m r e s o l v e ds c h e m e w a ss t u d i e d 4 s a f e t yp r o t e c t i o np r e c a u t i o ns y s t e m o f t h ei n f r a r e dm o n i t o r i n gw a sa d d e d 5 p r a c t i c a la p p l i c a t i o nw a ss u m m a r i z e d a tl a s t t h e p a p e r s t r e s s e do nt h e r e m o t ef a u l t d i a g n o s e o ft h ei n f r a r e d b e a r i n g 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 li 页 t e m p e r a t u r ed e t e c t i n gs y s t e m ，w h i c hw a sa p p l i e di np r a c t i c e t h ef a u l td e l a yo f t h e i n f r a r e db e a r i n gt e m p e r a t u r ed e t e c t i n gs y s t e mw a sc o m p r e s s e de f f e c t i v e l y , w h i c h c o n s u m m a t e dt h ef u n c t i o no ft h es y s t e m ，t h es y s t e mi m p r o v e dh a sb e e na p p l i e di n b a o j ir o l l i n g s t o c k d e p o t o fz h e n g z h o u r a i l w a yb u r e a u ，w h i c hr e a l i z e d t h e a n t i c i p a t i v eo b j e c t i v e t h es y s t e mi m p r o v e dt h es e c u r i t y , s t a b i l i t y a n dd i a g n o s e s s p e e d i n e s so f t h e i n f r a r e db e a r i n gt e m p e r a t u r ed e t e c t i n ge q u i p m e n t ，w h i c hi m p r o v e d t h es e c u r i t yo f r o l l i n gs t o c k s k e yw o r d s ：r o l l i n g s t o c ki n f r a r e d r a yb e a r i n gt e m p e r a t u r ed e t e c t i n g r e s e a r c ho n a p p l i c a t i o n 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 页 1 1 问题的提出 第1 章绪论 红外线轴温探测系统是解决列车轴箱动态定量测温的技术关键，主要 用于运行中的各种客、货车辆轴温的自动监测：能有效地防止列车热轴、 切轴事故，保证列车行车安全。该系统具有自动计辆计轴、自动测定轴 箱温度、自动滚滑判别、自动热轴判别、自动报警打印和轴箱波形再现， 以及客货车兼容等功能，可微机联网通讯，实现热轴跟踪和集中管理。 但是无论是广汉厂的h z t - 2 0 0 0 型还是5 0 2 所的h b s 以及哈科所的 h t k 3 9 1 目前都存在以下问题： 1 设备在运用过程中，没有随着铁路车辆的发展变化而对其进行必 要的技术完善和改进，系统功能不能满足现场需要。随着列车的重载高 速和滚动轴承化，探照点位置需要改进优化。 2 由于使用环境比较差，在电气化区段设备的抗干扰能力不足。 3 当前红外线轴温探测系统无故障自动测报功能，如磁头丢失、停 电、通讯中断、死机后无法复位等，不能达到自动调试和检测。 4 硬件结构有待进一步改进，同时需要考虑提速后上道作业的来车 报警安全防护和探测站设备防止被盗或被破坏的报警，增设段级监测管 理复视中心。 1 2 红外线轴温探测设备现状 1 2 1 红外线轴温探测设备的型号和基本原理 1 国内外红外线轴温探测设备的生产厂和型号： 国内有哈科所的h t k 一3 9 1 型红外线轴温探凋设备；5 0 2 所的h b s i i 型红外线轴温探测设备；广汉厂的h z t 一9 0 1 2 ( 2 0 0 0 ) 型红外线轴温探测 设备。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 页 国外的主要是美国哈曼公司的w c o 一3 2 型红外线轴温探测设备。它们 的基本原理是一样的。 2 红外线轴温探测的基本原理。 ( 1 ) 红外线轴温探测设备的基本组成： 红外线轴温探测设备由室内部分和室外部分组成见图卜1 。 图1 1 红外线室内外设备框图 室外部分：由红外线轴温传感器、车轮传感器、环温传感器以及其 他附属设备组成。 室内部分：控制用的控制器( 辅机) 、数据处理传输用的处理器( 主 机) 、其他配套设施。 ( 2 ) 红外线轴温探测的基本原理。 红外线轴温探测的基本原理主要是：列车以一定的速度压上开机磁 头时，探头保护门打开准备接车，随后车轮压上2 号磁头时探头光栅打 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第3 页 开通过温度传感器接收轴箱红外线热辐射直到压上3 号磁头关闭光栅， 完成了一个轴箱轴温的采集，通过辅机控制和予处理传输到主机进行处 理和热轴判别预报，同时向上传输。这样反复测温形成列车热轴波形。 1 2 2 红外线轴温探测设备的运用情况 目前红外线轴温探测设备己成为我国铁路车辆轴温检测的主要手段， 红外线轴温探测设备在铁路线路的覆盖率已达到5 0 以上，为车辆部门 的安全监控发挥了巨大作用，成为车辆动态检测的重要设备。 1 2 3 红外线轴温探测设备的主要功能 1 进行动态车辆轴箱温度的定性测量。 2 进行轴承温度的定性判别。 3 进行远程传输和预报。 4 进行列车测速、计轴计辆和客货车识别。 1 3 本论文研究的主要内容 根据红外线测温技术，分析目前红外线轴温探测系统在现场应用中 存在的主要问题，研究进一步提高红外线轴温探测准确性的合理的探照 点位置，增加红外线轴温探测系统的故障远程诊断测报和作业人员上道 检修来车报警等功能，以便及时发现故障和处理故障，压缩故障延时， 迸一步完善红外线轴温探测系统功能，提高车辆运行的安全可靠性，确 保行车安全。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第4 页 第2 章红外线技术的应用基础和滚动轴承的原理 2 1 红外线技术介绍 2 1 ，1 红外线技术理论 红外理论 1 电磁波 在包罗万像的自然世界里，物理学家发现了电磁波，电磁波包括x 射线、加码射线、紫外线、红外线等等，而我们日常接触到的可见光也 是其中一种。它们是根据其波长来划分的，而总合起来就构成一个完 整的电磁波谱见图2 1 。 图2 1电磁波谱 罔片橱自 h t ts jpi cn1tcch 红外线的波长介于可见光与微波之i n ，其波长约o 7 5 - 1 0 0 微米。 一般分三个区域： o 7 5 1 5 微米：近红外线 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第5 页 1 5 2 0 微米：中红外线 2 0 1 0 0 微米：远红外线 注：l 微米= o 0 0 l 毫米 2 红外辐射的温升与电压幅值关系 当某物体的温度高于绝对零度时( 即摄氏一2 7 3 15 度) ，就会释放出红 外辐射能。就算是我们认为很冷的东西，如冰块，也不例外。不同物体 不同温度，就释放出不同种类的红外辐射。换句话说，如果能够知道某 物体所释放出的红外辐射的类别和能量，我们就可以知道这物体的温度。 红外探头内的热敏元件把接收到的热能转化为电压信号，温升与电压幅 值有表l 一1 的对应关系。 温升 l234567 。89l o 00 0 2 50 0 5 00 0 7 5 0 1 0 0 0 1 2 50 1 5 00 1 7 50 2 0 00 2 2 50 2 5 0 i o0 2 7 50 3 0 00 3 2 50 3 5 0 0 3 7 50 4 0 00 4 2 50 4 5 0 0 4 7 50 5 0 0 2 00 5 3 00 5 6 00 5 9 00 6 2 0 0 6 5 0 0 6 8 00 7 1 00 7 4 00 7 7 00 8 0 0 3 00 8 3 00 8 6 00 8 9 00 9 2 00 9 5 00 9 8 01 0 1 01 0 4 01 0 7 01 1 0 0 4 01 1 3 01 1 6 01 1 9 01 2 2 01 2 5 01 2 8 01 3 1 01 3 4 01 3 7 01 4 0 0 5 01 4 3 51 4 7 01 5 0 51 5 4 01 5 7 51 6 1 01 6 4 51 6 8 01 7 1 51 7 5 0 6 01 7 8 51 8 2 01 8 5 51 8 9 01 9 2 51 9 6 01 9 9 52 0 3 02 0 6 52 1 0 0 7 02 1 3 52 1 7 02 2 0 52 2 4 02 2 7 52 3 1 52 3 5 52 3 9 52 4 3 52 4 7 5 8 02 5 1 52 5 5 52 5 9 52 6 3 5 2 6 7 5 2 7 1 0 2 7 4 5 2 7 8 02 8 1 52 8 5 0 9 02 8 8 52 9 2 02 9 5 52 9 9 03 0 2 5 3 0 5 53 0 8 5 3 1 1 53 1 4 53 1 7 5 1 0 03 2 0 03 2 2 5 3 2 5 03 2 7 53 3 0 03 3 2 53 3 5 03 3 7 53 4 0 03 4 2 5 1 1 03 4 5 03 4 7 03 4 9 03 5 1 0 3 5 3 0 3 5 5 03 5 7 03 5 9 03 6 1 03 6 3 0 1 2 03 6 5 03 6 7 0 3 6 9 03 7 1 03 7 2 53 7 4 03 7 5 5 3 7 7 03 7 8 53 8 0 0 注l 大于3 8 0 0 m y 按每度l o m v 递增。 表1 1 电压幅值温度表 2 1 2 红外线轴温探测设备的设计原则 红外线轴温探测设备的设计必须坚持通用性、可靠性和准确性的原 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第6 页 则。 i 、通用性设计 红外线轴温探测设备是铁路行车的重要保安设备，其设备的通用性 设计必须保证在铁路运用中满足中国铁路运行状况的要求。以上列举的 红外线设备均是按照目前铁路状况进行设计，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 采用远程传输数据，区间采用无人值守方式，满足铁路管理的 要求。 ( 2 ) 采用成熟的单板机技术能满足配件的通用性要求。 2 、可靠性设计 由予目前红外线轴温探测设备是铁路行车动态检测的重要保安设 备，其运行的可靠性直接关系到行车安全，因此红外轴温探测设备必须 满足较高的可靠性，其可靠性必须包括其硬件和软件以及数据传输的可 靠性。目前的红外轴温探测设备可靠性主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 硬件的可靠性设计：硬件采用成熟的单板机技术以及采用s t d 总线技术。 ( 2 ) 远程数据传输采用2 3 21 3 并采用专用的传输通道。 3 、准确性设计： 红外线轴温探测设备的准确性设计主要包括两个方面： f 1 ) 热轴误报率的设计，目前红外线轴温探测设备的误报率较高主 要原因是无法查找到滚动轴承热轴故障的基本规律，因此其误报率较高。 f 2 ) 热轴漏报率的设计，红外线轴温探测设备主要是防止热、切轴， 因此各生产厂家主要是降低预报标准来降低漏报率。 2 2 滚动轴承的结构原理 2 2 1 滚动轴承的简介 1 滚动轴承的特点： ( 1 ) 摩擦系数小且稳定，起动容易。一般球轴承摩擦系数 f = 0 0 0 1 。o 0 0 2 ，滚子轴承f = 0 0 01 o 0 0 3 ，滚针轴承f = 0 0 0 2 ，推力球 堕塑窭塑查兰三堡塑主堡窒竺兰垡堡窒笙! 夏 轴承f = 0 0 0 3 ，推力滚子轴承f = 0 0 0 4 。圆锥轴承和圆柱轴承见图2 - 2 。 图2 - 2 圆锥和圆柱轴承 ( 2 ) 轴向尺寸小。 ( 3 ) 径向游隙小，可以预紧。 ( 4 ) 润滑方便，容易维护。 ( 5 ) 些轴承可以同时承受轴向和径向力，结构简单 ( 6 ) 缺点：承受冲击能力差，径向尺寸大，高速时有噪音，寿命短。 2 滚动轴承的结构和材料： 滚动轴承是由内、外套圈、滚动体和保持架等元件组成的标准件。 套圈和滚动体的材料主要是高强度、高硬度的铬锰高碳钢，如g c r l5 、 g c r l5 s i m n 等。滚球也有用陶瓷球的，用于高速轴承。保持架用软钢板 冲压而成，或用铜、铝、锌的合金或塑料等。 3 滚动轴承的失效形式： 主要是接触应力引起的疲劳点蚀。轴承的寿命计算就是按疲劳点蚀 失效进行的。对开式或密封不严的轴承，常出现磨损失效。在冲击载荷 或低速情况下，轴承可能出现塑性变形失效。 4 滚动轴承的分类和选用： 主要有九大类。其中，角接触轴承和深沟球轴承可以同时承受径向 力和周向力，应用较为普遍。调心轴承能承受少量的周向力。圆周滚子 和滚针轴承不承受周向力，推力轴承不承受径向力。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第8 页 一般滚子轴承承载能力较大，应用于低速重载和有冲击的场合；球 轴承的许用转速较高，应用于高速轻载场合：安装误差大或轴的变形较 大时应使用调心轴承。 5 滚动轴承的精度：滚动轴承的精度分为：b 、c 、d 、e 、g 五级。 g 为普通级，应用最广。b 级精度最高，价格也最贵。 6 滚动轴承的代号：代号用英文字母和数字组成。例如轴承 d 2 3 0 2 4 c ：d 一表示d 级精度( 最前字母，g 可省略) ，2 4 一表示内径 d = 2 4 * 5 = 1 2 0 m m ，o 一表示直径和宽度系列，2 3 一表示轴承类型( 角接触球 轴承) 。 2 2 2 滚动轴承的工作原理 对于滚动轴承，内圈通常与轴紧配合，并与轴一起旋转，外圈通常 与轴承座或机械壳体孔成过渡配合，起支承作用。但是，在某些场合下， 也有外圈旋转，内圈固定起支承作用或者内圈、外圈都同时旋转的。对 于推力轴承，与轴紧配合并一起运动的称轴圈，与轴承座或机械壳体孔 成过渡配合并起支承作用的称座圈。滚动体( 钢球、滚子或滚针) 在轴 承内通常借助保持架均匀地排列在两个套圈之间作滚动运动，它的形状、 大小和数量直接影响轴承的负荷能力和使用性能。保持架除能将滚动体 均匀地分隔开以外，还能起引导滚动体旋转及改善轴承内部润滑性能等 作用。 2 2 3 滚动轴承的故障( 发热) 原理及损伤原因 一、滚动轴承的故障( 发热) 1 轴承温度过高 在机构运转时，安装轴承的部位允许有一定的温度，当用手抚摸机 构外壳时，应以不感觉烫手为正常，反之则表明轴承温度过高。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第9 页 轴承温度过高的原因有：润滑油质量不符合要求或变质，润滑油粘 度过高；机构装配过紧( 间隙不足) ：轴承装配过紧；轴承座圈在轴上或 壳内转动；负荷过大；轴承保持架或滚动体碎裂等。 2 轴承噪音 滚动轴承在工作中允许有轻微的运转响声，如果响声过大或有不f 常的噪音或撞击声，则表明轴承有故障。 滚动轴承产生噪音的原因比较复杂，其一是轴承内、外圈配合表面 磨损。由于这种磨损，破坏了轴承与壳体、轴承与轴的配合关系，导致 轴线偏离了正确的位置，致使轴在高速运动时产生异响。当轴承疲劳时， 其表面金属剥落，也会使轴承径向间隙增大产生异响。此外，轴承润滑 不足，形成干摩擦，以及轴承破碎等都会产生异常的声响。轴承磨损到 限后，保持架松动损坏，也会产生异晌。 二、损伤原因 1 滚道表面金属剥落 轴承滚动体和内、外圈滚道面上均承受周期性脉动载荷的作用，从 而产生周期变化的接触应力。当应力循环次数达到一定数值后，在滚动 体或内、外圈滚道工作面上就产生疲劳剥落。如果轴承的负荷过大，会 使这种疲劳加剧。另外，轴承安装不正、轴弯曲，也会产生滚道剥落现 象。 轴承滚道的疲劳剥落会降低轴的运转精度，使机构发生振动和噪声。 2 轴承烧伤 烧伤的轴承其滚道、滚动体上有回火色。烧伤的原因一般是润滑不 足、润滑油质量不符合要求或变质，以及轴承装配过紧等。 3 塑性变形 轴承的滚道与滚子接触面上出现不均匀的凹坑，说明轴承产生塑性 变形。其原因是轴承在很大的静载荷或冲击载荷作用下，工作表面的局 部应力超过材料的屈服极限，这种情况一般发生在低速旋转的轴承上。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第10 页 4 轴承座圈裂纹 轴承座圈产生裂纹的原因可能是轴承配合过紧，轴承外圈或内圈松 动，轴承的包容件变形，安装轴承的表面加工不良等。 5 保持架碎裂 其原因是润滑不足，滚动体破碎，座圈歪斜等。 6 保持架的金属粘附在滚动体上 可能的原因是滚动体被卡在保持架内或润滑不良。 7 座圈滚道严重磨损 可能是座圈内落入异物，润滑油不足或润滑油牌号不合适。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 1 页 第3 章红外线轴温探测系统分析 红外线轴温探测系统由室内设备( 主机、辅机) 和室外设备组成见 图3 一l 。 图3 - 1 室内外设备总图 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第12 页 3 1 室内设备的基本结构 3 1 1 主机的基本结构( 见图3 - 2 ) 至机垄叩机qli f i 再i i i 勺r f 司地警竺! 兰型。一1 苎竺i ! 型 i 苎堂麓些篓l l 登紫竺篓l 厂商i _ 一- l _ 丁一。 、 厂一一一i 言i 赢磊一一。一一、 l 一 一 - ! 一 固匿圉臣 ir s 一2 3 2 3h “k m _ 噩堑示缚蠕至丹勰盆耐巾心 图3 - 2 主机框图 红外线轴温探测设备主机由电源板、通讯板、单片机板以及数据总 线等组成，其主要作用是与计算机通讯以及进行数据处理的功能，此部 分设计基本为数字处理和数据通讯，采用的是通用的通讯程序，热轴判 别存于主机。是此套设备的核心。 3 1 2 辅机的基本结构( 见图3 - 3 ) 辅机主要是进行控制和数据的予处理，主要结构为：各类接口、电 源板( 模拟和数字电源) 控制部分以及数据通迅部分( 主、辅机通讯) ， 其主要作用是针对红外线轴温探测外部采集部分进行控制，使其达到最 佳采集效果，同时对采集到的信号进行予处理和a d 转换并传输至主机。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第13 页 图3 3 辅机框图 3 2 室外设备的基本结构 室外设备主要结构：控制传感器和采集传感器，其主要作用是控制 并对轴温进行采集并形成准确的源数据。 3 3 红外线轴温探测方式 目前红外线轴温探测方式主要有上探和下探。区间探测一般采用下 探方式；列检所探测采用上下探结合方式。客货探采用不同的探照点位 置。 货探探照点位置目前多兼顾滚滑探测，误报率较高。以h z t - 2 0 0 0 为例，其下探探照点为：扫描位置距轨面高度5 8 5 毫米，扫描位罱距轨 内侧距离4 1 5 毫米，探头距轨内侧距离4 2 0 毫米( 偏外) ，见图3 - 4 。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 4 页 图3 - 4 室外探头位置 3 4 红外线轴温探测系统目前存在的不足 根据多年的现场检修运用实践和分析，我们认为目前红外线轴温探 测系统主要存在三点不足： 一是探照点位置不佳，误报率高，区间预报兑现率一般只有l5 。 二是没有设备故障远程自动测报功能。例如磁头和探头故障、停电、 通讯中断等只有靠值班员查看分析后才能通知处理，无法随时发生随时 发现，使故障时间延长。 三是区间列车速度高，红外线维修人员上道作业安全防护仅靠人员， 无来车报警装置。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 5 页 第4 章对原红外线轴温探测系统的改进研究 4 。1 关于探照点位置的研究改进 如前所述，目前的探照点位置是兼顾滚滑的方案，以广汉厂的 h z t - 2 0 0 0 为例，探头与钢轨的夹角为4 0 4 5 度，探头中心距轨内侧距离 为4 2 0 毫米，探照点偏外，探测车辆轴箱时探照点扫描线从滚动轴承外 圈外侧端到端盖，能够扫描轴承体的范围较少，因此存在两个问题： 一是不能真实的采集到轴承中部的温度，如果轴承内侧端发热就更 无法采集到； 二是端盖与密封罩的摩擦易产生误报，同时这种探测位置当车辆制 动时闸瓦摩擦车轮的热也会造成误报。 针对以上问题的改进方案是： 由于目前主要干线货车已经全部为滚动轴承，因此应该采取针对性 的探测方案，把探照点位黄向里靠，经过对轴承位置的计算并考虑列车 运行中的横向位移，我段于2 0 0 2 年进行了改进探照点的试验，并组织人 力对新旧探照点探测的列车进行列列辆辆点温对比，计3 0 列13 6 辆，试 验数据表明新的探照点温度误差在f 负5 度内的为9 5 ，而旧探照点的 误差在正负5 度内的只有8 0 ，改进后的探照点位置由原来的扫描位置 距轨面高度5 8 5 毫米降为5 6 5 毫米；扫描位置! 距轨内侧距离由原来的4 1 5 毫米改为3 8 5 毫米；探头距轨内侧距离由原来的4 2 0 毫米改为2 6 0 毫米， 探头与钢轨夹角为l 一2 度。此方案已经在郑州局陇海线全部实施，区间 热轴预报兑现率提高到了4 0 5 0 ，误报率大大下降。探照点改进前后位 置示意见图4 1 。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 6 页 图4 1 探照点改进前后示意图 i 卜一改进前探头位置 l ， l卜_ 一改进后探头位置 i _ j 4 2 系统故障远程测报应实现的功能 红外线轴温探测站由单片机及m o d e m 拨号，短距离无线通讯等部 分组成，系统在满足可靠性和通用性的前提下，红外线探测站应实现以 下几个方面的故障报警自动化。 对红外设备的磁头故障( 包括磁头损坏、丢失、磁头磁性不稳定 等) 进行自动远程报警。 一对主辅机的通讯故障( 不接车) 进行自动报警，若为设备死机造 成的故障，可进行远程控制设备复位。 _ 对与红外中心通讯故障或停电故障进行自动远程报警。 可对附加的其他设备的工作或关闭进行远程控制( 如电扇、空调、 扫雪器等) 。 _ 人员安全报警，当检修人员在探测站进行检测时，对火车接近进 行报警，可保证检测人员人身安全。 一对房屋内人员的非法入侵进行自动远程报警。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第17 页 采用摄像拍摄的方法进行监控，具有动态检测进行报警功能，可实 现人员入侵动态报警功能，考虑电话传输速度较匣，大量视频图像暂存 于当地，检查人员使用u 盘可将数据导出。 为此车辆段应建立段级监控管理中心，设中心值班员。监控系统出 服务器、m o d e mp o o l 、监控l e d 显示，电子地图( 见图4 2 ) 等部分组 成。 主要完成对红外线探测点故障信号监控指挥、红外线故障信息导入 铁道部红外线段级红外线信息平台，存储、打印、显示等功能。 图4 - 2 红外线探测站网络图 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第18 页 4 2 1 实现以上功能的方案研究和设计 4 2 1 1 故障检测要求及主要技术指标 要求系统能实时地监测红外线设备的工作状况并通过安装在红外线 设备机房的电话线把其数据传送到车辆段中心电脑上，也可在任何有电 话的地方用一台电脑接受这些数据，实时监测红外线设备的工作状况。 该系统独立工作，不影响红外线设备工作。即使系统不工作( 或者故障) 也不会影红外线设备工作。 主要技术指标： 电源电压：2 2 0 v + l o ； 通讯报警时间：5 分钟； - l 存、2 群、3 # 磁头报警时间，有过车时，4 分钟； 一检测车辆速度范围：3 公里, 5 时一一2 0 0 公里4 , 时； - 复位时间：3 秒钟左右。 一1 撑、2 撑、热分机接通时间大于2 分钟； 预留控制接通时间：大于2 分钟。 4 2 1 ，2 远程故障测报子系统的功能 ( 1 ) 动态监测的内容：整列车的轴温波形；探头定标值；探头位置； 探头箱供电及辅机的各种电压：磁头状态；供电停电情况及异常复位； 探测站与中心的通讯状态：环温、箱温、防盗、值班情况。系统组成见 图4 3 。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第19 页 4 2 2 口 图4 - 3 远程故障测报系统框图 ( 2 ) 模块功能解析 远程故障测报系统主机由电池，主卡，信道卡，静态卡，传感器卡，驱动 及电源组成。其功能如下： a 、实时接收各种模块的数据 b 、能通过6 4 x 1 2 8 液晶点阵显示各模块状态和数据，保存维修人员 编码 c 、与上级通过m o d e m 交换数据 d 、侦听主、辅机之间的大列波形 e 、存贮和显示数据( 根据实际需要而定) 最近1 4 列车的大列波形 一日的信道状态 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 0 页 三日的供电状态，异常复位 日探头箱供电及辅机的各种电压值 近5 日环温、箱温情况 近3 0 日防盗、维修人员访问情况 近3 0 日探头位置 最近1 4 列车的1 、2 、3 # 磁头的平均值，最大值，最小值和噪声 探头定标值 近4 日停电情况 1 主卡构成见图4 - 4 到各模块到主辅机通讯线 图4 - 4 主卡构成 2 传感器卡( 见图4 - 5 ) 探头波形及增益模块功能： 一堕堕窭塑查兰王堡塑主堕窒竺堂垡笙塞篁! ! 里 a 、采集二路下探波形，6 4 点采样，采集密度一样，采集长度增加一 倍，即提前半个轴箱开始，延后半个轴箱结束。 b 、通过4 8 5 口上传主机 c 、输出3 路被调理过的磁头模拟信号至磁头波形模块 d 、输出3 路被调理过的磁头数字信号至磁头波形模块 e 、控制机械门 f 、读机械门温度 磁头波形模块 其磁头波形模块功能见图4 - 6 a 、采集3 路磁头波形 b 、触发处的位置要保存，计轴 c 、通过4 8 5 口与主机通讯 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 2 页 主机 1 9 6c p u 3 路磁头模拟信号 r 8 kr o m 3 路磁头数字信号 。 3 2 kr a m 图4 - 6 磁头波形模块 其探头位置功能模块见图4 7 能测量出仰o 5 度，水平位移l o m m ，水平角移o 5 度 图4 7 探头位置模块 3 静态卡( 见图4 - 8 ) 功能： a 、1 3 路模拟电压监测 b 、两路背温2 3 3 3 3 3 v c 、2 2 0 v ，交流值 d 、异常复位 e 、一路环温、二路箱温 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 3 页 信 i3 路模拟 号 i3 路模拟 调 3 线温度传感器 理 3 线温度传感器 主机 电 路 图4 - 8 静态e 注： a 、整体探头j + 2 4 v + 1 vv a c p p l5 m v 一2 4 v + 1 vv a c p _ p 15 m v 探头电匝 + 2 7 v + 2 v 1 v 2 7 v m + 1 。 电机电压 2 x 背温输出：3 3 3 - 2 3 3 v 2 x 保护门电压：+ 2 7 v 2 x 探头噪声和峰值( 在自检时采集) ：v p p 2 5 m v b 、 分体探头： + 2 4 v 士1 vv c p p 3 0 m v 一2 4 v ：k 1 vv a c p p 3 0 m v 2 x 背温输出：3 3 3 - 2 3 3 v 2 x 探头噪声：v p p 2 5 m v 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 4 页 4 信道卡( 见图4 - 9 ) 功能： a 、 b 、 c 、 d 、 上下行电平 信道噪声 上下行数据的完整性 能代替中心检测探测站( 主机) 是否通信( 工作) 1 9 6c p u 7 5 1 2 b m o d e 8 k r o m m 3 2 kr a m 图4 - 9 信道卡 5 驱动和电源( 略) 4 2 1 3 上道检修时的来车安全报警子系统功能 铁路的红外线设备检修过程经常对铁路线路和现场通讯信号进行维 修，上、下行咽喉区是作业密集的区域。在铁路多次全面提速的形势下 如何保证咽喉区作业人员的人身安全，成为亟待解决的问题。 为了确保系统的通用性以及本系统的独立性，我们对安全报警的信 息来源进行了反复测试。报警系统把上、下行咽喉区作为2 个防护区， 在每个防护区分别装设磁头感应设备和无线发射装置。当有列车向已经 开通的进路驶来时，系统会自动通过无线发射装鼍对施工现场报警。要 保证远程传输的可靠性，我们首先对监控设备无线发射装置增加判断处 理及语音还原电路，有效防止各类干扰信号对通讯的影响。为了确保远 程通讯的可靠性，要求系统在满足可靠性和通用性的前提下应实现以 下几个方面的报警功能。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 5 页 1 ) 报警距离要求直道大于3 公里。 2 】接近报警中心设备具备检测功能，对与上下行设备通讯故障或停电 故障进行检测报警。 3 1 不需要附加电源。 本系统组成主要为：上下行报警器、中心报警主机、天线、电源( 太 阳能电池板) 以及其他扩展接口组成如图4 - 1 0 所示。 图4 一i 0 来车报警装置 该系统在设计时，主要分为采集接m z l 设计! 信号处理、信号转换、 数据处理、数据传输、语音报警等模块见图4 - 1 i 。 电裘 气示 集电 中路 艰电 羹 接 口赂 舞语 断啻 姓还 囊熏 功艘 大 拳嚣 上行扬声嚣 下行辆声嚣 定时开、关机电路卜叫电平搬录 i 皇墨i 图4 - i i 功能框图 上，_l上性墼魁 _l鳖鳖 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 6 页 采集接口设计。 该模块是采用磁头对上下行列车进行监控的采集接口单元电路。设备运 行的稳定可靠首先取决于信息采集。监视装置选用感应式磁性传感器 ( 俗称磁头) 作为信息采集元件，这是一种非接触式无源传感器，安装 在预告点的钢轨内侧。列车轮对掠过传感器上方时，每个轮对都使传感 器输出一个正负对称的感应脉冲。传感器自成回路，因而适用于电化和 非电化、自动闭塞和非自动闭塞等不同区段。将这种传感器用于列车接 近监视时，无论车列长度和轮对多少，一趟车列通过传感器时，只允许 输出1 个连续矩形波，使监视装置只工作1 次。用具有可重触发功能的 单稳念集成电路7 4 l s l 2 3 构成信息采集电路，就可以达到这一要求。两 侧电路通过光电耦合器发生联系，保证了预警机内部发生任何故障，均 不会对电气集中表示电路产生影响。 无线信号发送模块。 将信号采集模块采集到的信号发送至中心报警机处理，使其能够达到进 行数据处理的要求。d t m f 双音频信号是在规定的4 个高音频正弦波和4 个低音频正弦波中，按八中取二的方式，高低音频各取1 个正弦波， 叠加成1 6 种双音频信号。 数据处理模块。 该模块主要是对接收到的信号进行处理、判别。列车接近报警是一 个以单片机为核心的自动控制系统。由工业控制单片机完成判断处理及 报警语音还原( 语音信息的数模转换) 。单片机通过输出接口选择采集 接口板的特定单元电路，输入接口输入这些采集单元的信息，监控程序 对这些信息进行处理，判断出列车当前的状态，做出是否报警及如何报 警的决定。当需要输出报警信息时，单片机与语音芯片协同工作，将固 化在语音存储芯片内的数字语音信息还原成音频模拟信号，送功率放大 器放大后，驱动室外扬声器进行广播。 性能分析及实现 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 7 页 采用工业级单片机作为处理器，并在监控软件采用“看门狗”和 在非程序区设置软件陷阱，以保证系统运行稳定可靠。 把上、下行咽喉区作为两个防护区分别处理，避免了对正常作业 的不必要干扰。 采集电路的采样周期达到毫秒级，能够及时地发出报警信息。 报警输出功率l0 0w ，能够满足声音覆盖范围的需要。 4 2 ，1 ，4 防盗自动远程报警子系统功能( 图4 12 ) 采用摄像的方法进行监控，摄像头的安装位置应能覆盖门窗和设备， 以便进行动态检测和报警，可实现人员入侵动态报警功能。考虑电话传 输速度较慢，大量视频图像暂存于当地，检查人员使用u 盘可将数据导 出。 图4 一1 2 监视器图样 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 8 页 单片机( 或者d s p ，a r m 芯片等c p u ) 直接读写u 盘，从而实现