（电气工程专业论文）铁道车辆红外线轴温探测技术的研究与改进.pdf

中文摘要 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 统具有自动计轴计辆 自动测定轴温并进行热轴判别 自动滚滑判别和识别客货 车辆 自动报警等功能 通过微机联网通讯 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 确保铁路列车运行安全 但目前采用的红外线轴温探测设备普遍存在着抗阳光干扰能力较弱 探头角 度位置不佳 不能适应列车高速运行等问题 为此 本文从作者多年从事红外线 轴温探测设备使用 维修 管理实际经验出发 结合济南铁路局济南西车辆段的 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 对阳光干扰造成热轴误报问题 从提高设备软件识别能力和提高值班员业 务水平及工作责任心两个方面进行了改进 3 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 4 对适应高速运行列车的光子探头工作原理进行了探讨研究 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最佳探点进行了研究 并在红外线轴温探测 系统中投入实际使用 有效地提高了红外线轴温探测系统准确率 改进后的系统 于2 0 0 6 年l o 月在济南铁路局济南西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 大幅度地减少了热轴误报情况的发生 提高 了列车的运行安全性 关键词 铁道车辆 红外线 轴温探测 研究改进 分类号 j 量塞交道太堂童些亟 堂僮j 金塞 旦墨 壁 王 a bs t r a c t a b s t r a c t h o t b o xi n f r a r e dd e t e c t i o nt e c h n 0 1 0 9 yi sb e i n gw i d e l y u s e di nr a i lv e h i c l e sh o t b o xd y n a m i cm o n i t o r i n g t h es y s t e mh a s a u t o m a t i c a l l yd o l l a r sa x i so fv e h i c l e s a n da u t o d e t e r m i n a t i o n h o t b o xa x i so fd i s c r i m i n a t i o n a u t o m a t i c a l l yd e t e r m i n ea n d i d e n t i f y r o l l e r s l i d i n gp a s s e n g e ra n df r e i g h tv e h i c l e s a u t o m a t i ca l a r mf u n c t i o n s t h r o u g ht h ec o m p u t e rn e t w o r k c o m m u n i c a t i o n s a n dh o t a x i s t r a c k i n g a n dc e n t r a l iz e d m a n a g e m e n t e f f e c t i v ei np r e v e n t i n gh e a t a x i st r a i n s c u t s h a f t a c c i d e n to c c u r r e d t oe n s u r et h es a f eo p e r a t i o no ft h er a i l w a y t r a i n s b u t t h e u s eo fi n f r a r e dd e t e c t i o n e q u i p m e n t h o t b o x w i d e s p r e a da n t i i n t e r f e r e n c ec a p a b i l i t ys u n l i g h ti sw e a k p o o r l o c a t i o no ft h ep r o b e p o i n to fv i e w c a nn o tm e e tt h eh i g h s p e e d t r a i n sr u n n i n g a n do t h e ri s s u e s t h e r e f o r e t h i sa r t i c l ef r o m t h ea u t h o rf o rm a n yy e a r se n g a g e di nt h eu s eo fi n f r a r e dh o t b o x d e t e c t i o ne q u i p m e n t m a i n t e n a n c e m a n a g e m e n to fp r a c t i c a l e x p e r i e n c e t h ec o m b i n a t i o nj i n a n x i d e p o to fj i n a nr a i l w a y a d m i n i s t r a t i o nu s e t oat a r g e t e di m p r o v e m e n tm e a s u r e sa n dp u t i n t ou s ea tt h es c e n e a c h i e v e dg o o dr e s u l t s t h i sa r t i c l er e a d sa sf o l l o w s 1 f i r s to fr a i l w a yv e h i c l e sh o t b o xi n f r a r e dd e t e c t i o n s y s t e ma n dt h eb a s i cp r i n c i p l e so fc o m p o s i t i o n p o i n t i n go u t t h a tt h ec u r r e n th o t b o xi n f r a r e dd e t e c t i o ns y s t e mi nt h euse o ft h ee x is ti n gp r o b l e m s 2 i n t e r f e r e n c ec a u s e db yt h eh o ts u na x i sf a l s ep o s i t i v e s f r o mt h ea b i l i t yt oi m p r o v et h ee q u i p m e n ta n ds o f t w a r et o i d e n t i f yb u s i n e s ss u p e r v i s i o nr a i s et h el e v e lo fr e s p o n s i b i l i t y a n dw o r kt oi m p r o v et w oa r e a s 3 c o m m o n l yu s e df o rd o m e s t i ct r a i n sr o l l i n gb e a r i n ga x l e b o xo ft h es t a t u sq u o h o t b o xi n f r a r e dd e t e c t i o ne q u i p m e n tt o d e t e c tt h ep o s i t i o nh a sb e e no p t i m i z e ds t u d y j 量塞銮通太堂童些亟 堂僮j 金塞 垦量至 至 4 t oa d a p tt oh i g h s p e e dt r a i no p e r a t i o no ft h ep h o t o np r o b e p r i n c i p l es t u d yw a sd i s c u s s e d 5 f i n a l l y t h eu s eo ft h es c e n ew a ss u m m e du p t h i sa r t i c l ef o c u so nt h ei n f r a r e dd e t e c t i o ns y s t e mh o t b o x b e s te x p l o r a t i o np o i n to ft h es t u d ya n di n f r a r e dd e t e c t i o n s y s t e mh o t b o xi nt h ea c t u a lu s eo fi n v e s t m e n t h a se f f e c t i v e l y i m p r o v e dt h ei n f r a r e dd e t e c t i o ns y s t e mh o t b o xa c c u r a c y i m p r o v e ds y s t e mi n2006 i nj i n a n x id e p o to fj i n a nr a i l w a y a d m i n i s t r a t i o nu s e t h er e s u l t sf r o mt h es c e n e t h ei m p r o v e d s y s t e mb a s i c a l l ya c h i e v e dt h ee x p e c t e dg o a l s t od r a s t i c a l l y r e d u c et h ea x i so ft h eo c c u r r e n c eo ff a l s ep o s i t i v e sa n di m p r o v e t h es a f e t yo ft r a i no p e r a t i o n k e y w o r d s r a i l w a yv e h i c l e s i n f r a r e d h o t b o xd e t e c t i o n r e s e a r c ht oi m p r o v e c i a s s n o v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留 使用学位论文的规定 特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 并采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编以供查阅和借阅 同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名 爹节臣 签字日期 2 0 0 8 年 月z 日 导师签名 签字日期 年月日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果 除了文中特别加以标注和致谢之处外 论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果 也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者签名 李开臣签字日期 2 0 0 8 年6 月6 日 4 1 致谢 本论文的工作是在我的导师邱瑞昌副教授的悉心指导下完成的 邱副教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响 在此衷心感谢三年来 电气工程学院的老师们对我的关心和指导 济南西车辆段领导在学习上和工作上都给予了我很大的关心和帮助 在此向 济南西车辆段领导表示衷心的谢意 校外指导教师刘学理高工对于我的研究工作和论文也提出了许多的宝贵意 见 在此表示衷心的感谢 在调查研究工作及撰写论文期间 我单位动态检测车间的同事们对我论文中 的相关资料的收集给予了热情支持和帮助 在此向他们表达我的感激之情 另外也感谢我的妻子和家人 他们的理解和支持使我能够专心完成我的学业 和进行研究撰写完成论文 1 引言 1 1 问题的提出 红外线轴温探测系统是解决列车轴温探测的技术关键 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 该系统具有自动计轴计辆 自动测定轴温并进行热轴判别 自动滚滑判别 和识别客货 自动报警等功能 通过微机联网通讯 实现热轴跟踪和集中管理 但是 无论是广汉厂的h z t 9 0 1 2 型还是5 0 2 所的h b s 以及哈科所的h t k 一4 9 9 目前都存在以下问题 1 对于罐车等车型不能有效排除阳光干扰 2 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 3 自2 0 0 7 年4 月1 8 日起 中国铁路进行了第六次大面积提速 时速2 0 0 公 里的动车组在各主要干线开行 原用的热敏电阻探头适应速度为5 1 6 0 k m h 不能 满足第六次大提速后铁路车辆高速运行的需求 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基本原理 1 红外线轴温探测设备的基本组成 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 主机箱 抗干扰电源 直流电源 电源防雷和信号防雷组合等组成 2 红外线轴温探测的基本原理 红外线轴温探测系统的基本原理主要是 列车以一定的速度压上开机磁钢时 探头保护门打开准备接车 随后车轮压上2 号磁钢时探头开始工作 通过温度传 感器接收轴箱红外线热辐射直到压上3 号磁钢为止 完成了一个轴箱轴温的采集 过程 通过主机箱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 红外线轴温探测设备已成为我国铁路车辆轴温检测的主要手段 目前全路共 安装红外线轴温探测设备3 4 1 2 台 平均2 2 9 公里就安装1 台 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 5 t 的重要设备之一 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 对适应高 速列车探测的光子探头的工作原理进行探讨研究 减少误报 适应铁路大提速的 需要 进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 2 2 红外线轴温探测技术相关知识 2 1 红外线基础知识 在可见光谱红色光的外端有看不见的光线存在 并具有热辐射效应 称为红 外线或红外辐射 红外线的电磁波长从o 7 6 微米到7 6 0 微米 和所有包括可见 光在内的电磁波一样 红外线具有反射 折射 散射 衍射等性质 自然界中的 任何物体 只要它本身具有 定温度 高于绝对零度 即高于摄氏一2 7 3 1 5 度 都能辐射红外线 2 1 1 维恩位移定律 物体红外辐射的峰值波长长短与其自身的绝对温度成反比 即物体自身温度 越高 它的红外电磁波长就越短 入m 2 8 9 7 t 式中 入m 峰值波长 单位为微米 t 物体的绝对温度 根据这个公式 可以从物体温度算出对应其的峰值波长 也可以根据峰值波 长算出对应的绝对温度和摄氏温度 例如 从我国铁路车辆运行环境看 可能处 于的最低温度约为一4 5 车辆轴承表面最低温度约为一4 0 热轴时轴承表面最 高温度约为1 5 0 则 入 4 0 2 8 9 7 2 7 3 4 0 1 2 4 3 微米 入 1 5 0 c 2 8 9 7 2 7 3 1 5 0 6 8 5 微米 即车辆轴温对应的峰值波长范围约6 8 5 1 1 2 4 3 微米 轴温探测在选择红外器件时 就要根据器件的适应探测温度范围有关 由于 热敏电阻型红外元件有较宽的测温范围 因而可选用红外热敏元件 2 1 2 斯蒂芬一波尔兹曼定律 斯蒂芬一波尔兹曼公式 r t ot 4 式中 e 一轴箱表面发射率 一般在0 7 0 9 5 之间 一斯蒂芬 设尔兹曼常数 根据上述公式可以看出 在红外线轴温测量中 轴箱表面单位面积全辐射功 3 率与轴箱的绝对温度的4 次方成正比 列车在运行过程中 车辆轴承正常运行时内部因运动摩擦和振动产生热量 传导到轴承外部部件的表面上 从而产生高于环境温度的红外辐射 即通常所说 轴承运转热 当轴承内部出现不正常状态的摩擦就会产生更高的温度 大大增加 了轴温红外辐射的能量 红外线轴温探测设备可利用环境温度或选定的参照温度为基准 设在轨边的 红外探头中的红外线探测器检测每个轴箱发现的红外辐射大小 并将其转换为相 应的电压信号 温升与电压幅值有表2 1 的对应关系 表2 1电压幅值温度表 温升 l23456 7 891 0 o0 0 2 5 0 0 5 00 0 7 5 o l o o0 1 2 5 0 1 5 00 1 7 50 2 0 0 0 2 2 5 0 2 5 0 o0 2 7 50 3 0 d 0 3 2 50 3 5 00 3 7 5 0 4 0 0 0 4 2 5舛5 00 4 7 5 0 5 0 0 2 00 5 3 0 0 5 6 0 0 5 9 00 6 2 00 6 5 0 0 6 8 00 7 1 00 7 们0 7 7 00 8 3 0 3 00 8 0 8 9 0 0 9 2 00 9 5 0 0 9 8 01 0 1 0l 蝴 1 0 7 01 1 0 0 4 01 1 3 0 1 1 6 0 1 1 9 01 2 2 01 2 5 01 2 8 0 1 3 1 0 1 3 4 01 3 7 01 毒0 0 5 0 1 4 3 51 4 7 01 5 0 51 5 4 01 5 7 51 6 1 01 6 哇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 1 9 9 5 2 0 3 02 52 l 7 02 1 3 52 1 7 02 2 0 5 2 2 4 02 2 7 52 3 1 52 3 5 52 3 9 s2 4 3 52 4 7 5 2 5 1 52 5 5 52 5 9 52 6 3 52 6 7 52 7 1 02 7 4 52 7 8 02 8 1 52 8 5 0 嬲52 9 2 02 9 5 52 9 9 03 0 2 53 0 5 53 0 8 5 3 1 1 53 1 4 53 1 7 5 l 3 2 0 03 2 2 s3 2 5 03 2 7 53 3 0 03 3 2 53 3 5 03 3 7 53 伽孰2 5 1 1 0 3 4 5 03 4 7 03 4 3 5 1 03 5 3 03 5 5 03 5 7 03 5 9 03 6 1 03 6 3 0 l 约3 6 5 0 3 6 7 03 6 3 7 1 0 3 7 2 53 7 4 03 7 s 5 3 7 7 03 7 鲒3 8 0 0 l 大于3 8 0 0 m v 技每度l o m v 递增 2 2 车辆轴承 箱 基本结构 目前 我国运用中的货车车辆轴承主要为滚动轴承 滑动轴承占的比例已非 常小 下面介绍滚动轴承基本情况 见图2 一l 和图2 2 4 2 图2 1 圆锥和圆柱轴承实图 3 图2 2 滚动轴承结构示意图 l 一轴箱体 2 一轴箱盖 3 一圆锥滚子 滚动轴承发热是滚子沿内外圈的滚动摩擦 滚子端部对内外圈突缘的摩擦而 引起的 滚动轴承产生热轴的原因 轴承材料有缺陷 机械加工和热处理不合要 求 外圈产生高的残余应力 部件选配不当 疲劳机械损伤等 滚动轴承热轴发 生率要远远低于滑动轴承 但一旦轴承有故障 热轴发展迅速 因此 在热轴探 测中滚动轴承热轴早期预报成为重要 2 3 热轴轴温产生规律 2 3 1 热轴的产生 车辆在运行过程中 轴承滚子与内外圈相互摩擦产生热量 热量传至轴箱与 外界环境达成平稳 轴箱表面温度趋于稳定值 如图2 3 5 定 0t 时间 图2 3 运转热轴温升级过程 当轴箱内部出现故障时 摩擦加剧 单位时间内产生的热量增加 温度突升 如图2 4 所示 温 0 图2 4 热轴轴温升级过程 2 3 2 滚动轴承发生热轴主要原因 2 时间 轴承缺油 油脂不良 混沙水 油脂过多 滚动损坏 内圈破裂 保持架破 损 轴承滚道及滚子表面剥离 轴承锈蚀 滚动轴承与轴箱组装不良 轴箱导框 与导槽间隙小 轴箱后部与防尘档密封不良 车轮踏面损伤 擦伤 剥离等 6 3 红外探测器的应用 3 1 红外探测器的分类 红外探测器是对红外辐射敏感的器件 其作用是把红外辐射能量转变为电 能 红外探测器主要分为热探测器和光子探测器两大类 在红外热轴探测方面可 选用的探测器有 热敏电阻探测器 热释电探测器 光电探测器 光伏探测器 光磁电探测器 3 2 红外探测器主要器件性能 3 2 1 热敏电阻 热敏电阻探测器的敏感元件主要是由金属氧化物按一定比例烧结而成 室温 下 器件的电阻值为2 5 0 c 0 3 0 0 k q 属于低阻类 具有负的温度系数 它的时间 常数为2 c 0 3 m s 热敏电阻是一种广谱器件 波长在0 o 范围内具有相同的探测 率 敏感元件是两片既薄又小 性能一致的热敏电阻片r 1 r 2 串联而成的 其 原理如图3 一l 所示 v s 图3 1 热敏元件工作原理 电阻r 1 接收辐射 电阻r 2 被屏蔽起来 防止接收辐射 在热敏元件上加一 定的偏压v 从中央引出输出信号v s r 2 起温度补偿作用 在无红外辐射时 热 敏电阻无变化 r i r 2 r 在r 1 接收红外辐射时 其阻值变化 r 则输出信号 近似为 v ar r v 从而实现了红外辐射到电压信号的转变 7 3 2 2 热释电器件 热释电探测器是根据热电效应的作用原理制成的 当热电晶体受辐射后 由 于吸取辐射功率而使晶体温度发生变化 并引起自发极化强度的改变 这样在垂 直极化轴的两个表面上 表面束缚电荷密度就会发生变化 于是在晶体表面形成 外电场 实现了对红外辐射的转换 热释电探测器是一种电容性传感器 适用于对交变辐射的探测 在红外探测 范围应用的热释电元件主要为钽酸锂 l i t a 0 它是钽酸锂 l i t a 0 单晶制成的 这种器件的特点是温度性能好 响应波长的范围是0 3 i 4 0 微米 包括了轴箱红 外辐射波长范围6 8 5 i 1 2 4 3 微米 3 2 3 光子探测器 光子探测器是将入射红外光子直接变为器件的传导电子或传导空穴 同时变 为电子一空穴对 没有引起材料的发热中间过程 光子探测器的特点是 对光谱响应有选择性 仅能探测到能量大于某给定值 的光子 即存在长波限入 响应速度快 探测率高 在红外轴温探测中应用的光子探测器有 光电导器件 光伏探测器 光磁电 探测器 典型光子红外轴温探测器等 8 4 红外线轴温探测系统的研制和发展 4 1 第一代红外线轴温探测设备 我国铁路红外线轴温探测设备研制工作始于1 9 5 8 年 采用硫化铅红外线元 件进行非接触式探测 1 9 7 0 年 研制出我国第一台铁路红外线轴温探测设备 简 称一代机 科技水平接近当时世界先进水平 一代机主要由车轮传感器 简称磁 钢 轴温传感器 简称红外探头 轴温信息传输和描笔记录仪构成 值班人员 根据每个轴温脉冲幅值的高低 进行滚滑判别和热轴判别 4 2 第二代红外线轴温探测设备 目前我国广泛使用的第二代红外线轴温探测设备 简称二代机 科技水平达 到世界先进水平 二代机引进了计算机技术 克服了一代机只能单点应用的缺点 不仅具有网络布点 热轴跟踪 区间无人探测 人机对话等特点 还具有计轴计 辆 波形处理 滚滑判别 幅值计算 热轴判别 通讯 自检等功能 目前国内 主要生产厂家及其主要设备型号如下 航天部5 0 2 所 h b d s ii 型 哈尔滨铁路局 科研所 h t k 一3 9 1 型 h t k 一4 9 9 型 成都铁路局广汉通信信号厂 h z t 一1 1 9 0 1 2 型 4 3 国外红外线轴温探测设备 国外红外线轴温探测设备 主要由少数几个发达国家研制生产和应用 1 9 5 5 年美国s e r v o 公司开始研制 1 9 5 6 年生产出第一台产品 近几年来 发展中国 家也开始应用红外线轴温探测设备 目前国外主要生产厂家为美国伺服公司 s e r v o 美国哈曼公司 h a r m o n 法国c s e e 公司和德国t c 公司 法国和德国 红外探测器探头采用光子元件 美国采用热释电元件或高阻抗热敏电阻元件 光 子元件和热释电元件的响应速度达到微秒级 法国铁路的d b c 红外探测器适应车 速为3 0 0 k m h 德国铁路的h o a g o s 红外探测器适应车速达3 5 0 k n l h 德国9 0 年代开发的f u s 热轴热轮探测器适应车速更高达5 0 0 k m h 9 5 红外线轴温探测系统的工作分析 本文以哈科所生产的h t k 4 9 9 型红外线轴温探测系统为例进行说明 5 1h t k 4 9 9 型红外轴温探测系统的网络构成 图5 1h t k 4 9 9 型红外轴温探测系统框图 5 1 1 路局红外线监测中心的主要功能 一是对各探测站预报的热轴进行跟踪 报警 信息回收 热轴分为微热 强 热 激热三个热级 其中微热级再细分为微热3 微热2 微热1 预报标准规 范为 微热跟踪 强热前方站停车 激热立即停车 微热升级 按强热处理 二是对网络的运行进行监控 管理 三是对所有信息进行接收 整理 储存 1 0 5 1 2 复示中心的主要功能 复示中心主要设在有车辆检查人员的列检的作业场 它与下面与之相连的探 测站构成一个小系统 先接收设在本列检作业场的探测站信息 主要功能 一是一旦通信中断 可以独立进行工作 不会影响轴温探测工作 二是接收到达本列检列车的轴温信息 不再进行摸轴 减轻列检人员劳动强 度 三是每列车左右侧各显示一个轴温最大值 由列检人员对轴承进行重点检查 确认 5 1 3 探测站的主要功能 在沿铁路干线3 0 公里左右的区间站 列车运行列检所及关键地点设探测站 主要功能 对通过列车进行轴温信号的采集 处理和传输 5 2 红外线轴温探测站的系统分析 5 2 1 基本构成 探测站主要由车轮传感器 简称磁钢 轴温传感器 简称红外线探头 轴温 信息处理计算机 直流电源 交流净化电源 设备的防护装置和机房等构成 如 图5 2 所示 5 2 2 探测方式 图5 2 探测站示意图 红外线轴温探测方式有四种 上探 平探和下探式 见图5 3 区问站采用 下探式 处理强热 激热热轴 枢纽站采用上 平 下探式 处理微热热轴 图5 3 下探式 1 2 5 2 3 室内设备组成 探测站室内设备主要包括主机箱 抗干扰电源 直流电源 电源防雷和信号 防雷组合等组成 其核心是主机箱 1 主机箱内所有模板均采用s t d 总线模式 如图5 4 所示 开开关左右左右保护校探 通信 r s 2 3 2机门门下下上上门零风 r s 2 3 2 接口线 上上上j r 上 上j r 上上上上上上上 f 1 厂 i 主机板 磁钢板探头板 l 控制板 串口板数传板 l 匕 j迭 为k力匕 09 09 i s t d 总线 兹 w 耘 髫 褫 j f j 一 i 一 j f j 墨 t jk j 一 j j 秘 图5 4 主机箱组成示意图 1 主机板工作原理 主机板是h t k 4 9 9 型红外线轴温探测系统的核心 完成对磁钢板 探头板 通讯板 控制板等的控制和管理 根据这几块电路板送来的信号 统计出当前通 过列车的车辆数 列车速度 列车行驶方向 列车各轴的温度等数值 及时给出 热轴警告 主机板采用嵌入式d i m m 4 8 6 6 6 m h z 5 8 6 1 3 3 姗z p c 该主机有2 个t t l 电 平的串行通讯口 一个并行数据接口 1 6 m 字节的内存 1 6 m 字节的电子盘 2 磁钢板工作原理 磁钢板外接三路磁钢信号 具有计数计时和向总线送出中断请求的功能 整个电路板包括以下几个部分 总线接口电路 总线复位及封锁电路 计数 定时电路 中断控制电路 磁钢信号放大整形电路等 放大整形电路 见图5 5 1 3 医k 输出 图5 5 放大整形电路 a 点 放大器输入信号 波形如图5 6 第1 幅 b 点 放大器输出波形 波形如图5 6 第2 幅 c 点 门限电压 波形如图5 6 第3 幅 d 点 二级比较翻转输出 波形如图5 6 第4 幅 e 点 阻容耦合出一个微分电压 输出正尖峰脉冲 波形如图5 6 第5 幅 f 点 脉冲整形 将e 点波形一次反相整形为方波脉冲 再经二次反相后整 形为中断信号 波形如图5 6 第6 幅 t a 点波形 磁钢输出 b 点波形 反相放大 c 点波形 门限电压 d 点波形 翻转输出 e 点波形 微分电压 f 点 一次整形输出 jl 多飞八趴飞 vuv j v jl 1 v jl r v j l r t v j l 1 r 区je 一 别岔 苗 寸时复占油形圈 1 4 t t t t 通过对f 点信号进行处理和应用 即可对运行列车进行不问断 非接触地探 测 判断是否到达 测定列车速度 轴距 进而进行客 货车判别 3 探头板工作原理 探头板即轴温信号检测接口板 简称a d 板 电路板包括多路通道采集开 关 信号放大器 采集保持器 1 2 位a d 转换器及总线接口逻辑控制电路 4 串行接口板工作原理 串行接口板以r s 一2 3 2 c 或电流环方式传输数据 主要由8 2 5 1 异步串行通信 接口及配套电路构成 可编程8 2 5 3 计数 定时器为主 辅8 2 5 1 提供收发波特率 数据的收发通过对8 2 5 1 的控制实现 电流环传输时由光电耦合器件对信号进行 隔离串行传送 5 数传板工作原理 数传板的功能主要是将来自串口板的r s 2 3 2 c 串行数据信号经过m c 6 9 2 7 进 行调制解调变成音频信号进行二线通信 或将外线来的音频信号解调成串行数据 交给c p u 处理 2 直流电源模板工作原理 直流电源模板根据系统各功能模板的要求分别单独设计 以增强系统的可靠 性和可维护性 为此直流电流设计为 计算机电源 5 v 计算机电源 1 2 v 风机 1 2 v 直流电源稳压电路采取集成稳压器 根据需要 可选择三端可调式和不可调 式两种集成稳压器 1 三端可调式稳压器 三端可调稳压器在性能上优于固定稳压器 使用安装很方便 而且还具有全 过载保护功能 本系统采取l m 3 1 7 3 3 8 3 3 9 三端可调稳压器 三端可调稳压电 路原理图如图5 7 所示 1 5 a 图5 7 三端可调式稳压电路 l m 3 1 7 的输出端和调节端之间在工作时产生的标准值为1 2 5 v 的基准电压 v r e f 这个基准电压加在电阻r 1 上 由于电压是恒定的 就有一个恒定的电流 1 1 流过输出设定电阻r 2 得到的输出电压为 v o v r e f 1 r 2 r 1 i n i r 2 由于i 删是由l m 3 1 7 芯片确定的 其值比较小 约在5 0 一1 0 0ua 一般不随 输入电压负载变化 在输入端加一0 1uf 瓷片电容 有利于整个电路性能提高 特别是调节端 或输出端有电容时 输入端不接电容时对器件影响更大 调节端对地接旁路电容 是为了进一步抑制纹波 当输出电压升高时 这个旁路电容可防止纹波的放大 如有电容c 2 时 纹波抑制比要比无电容时高1 0 d b 由于l m 3 1 7 是靠外接电阻来设定输出电压的 所以r l 应靠近稳压器输出端 和调节端之间 否则输出端电流大时 将产生附加压降 影响输出精度 r 2 的 接地点应与负载电流返回接地点相同 l m 3 3 9 3 3 9 的工作原理与l m 3 1 7 相同 2 三端固定输出电压式集成稳压器 现以c w 7 8 1 2 为例加以说明 c w 7 8 1 2 是三端固定输出电压式集成稳压器的一 种 把整流滤波后的直流电压加到7 8 1 2 的输入端和公共端 从它的输出端可获 得1 2 v 的稳定直流电压 电路本身无需任何调整 如图5 8 所示 1 6 a 图5 8 三端固定输出电压式稳压电路 c 1 用来削弱输入端接线长产生的电感效应 c 2 用来防止负载电流瞬间时增 减引起输出电压的波动 c w 7 8 1 2 三端固定输出电压式集成稳压器最大输出电流为1 5 a 最大输入电 压允许到3 5 v 最小输入电压为1 4 v 完全可以适应电网电压变化的需要 7 8 0 5 7 9 1 2 7 9 0 5 等工作原理与7 8 1 2 相同 5 2 4 室外设备组成 1 热敏探头 h t k 一4 9 9 型热敏探头是一种直流探头 具有统一的背景 可以实现定量测温 探头组成主要包括光学系统 热敏电阻 直流放大器 跟踪电源和自稳零电路 当没有列车通过时 定量探头相对档板进行自稳零校正 消除热敏元件及放大器 的漂移 当列车压到开机磁钢时 首先结束自稳零校正 然后打开保护门 再进 行车辆轴箱红外辐射的探测 其原理如图5 9 图5 9 探头原理框图 1 7 2 磁钢 磁钢主要组成包括 u 型永磁铁 线圈 骨架和高强度塑料壳及填充材料 一般用0 1 5 微米的高强度漆包线在骨架上绕1 5 0 0 0 匝左右 再套在 u 型永磁 铁上 然后浇注密封而成 车轮传感器利用卡具把传感器牢固地卡在钢轨内侧 使其与钢轨密贴 减少空气磁阻 长久抵抗列车通过带来的振动 结构原理见图 5 1 0 v 孕5 7 j 蝌 n 下1 i 电 i 气 j u 图5 1 0 磁钢结构原理图 卜车轮 2 一钢轨 3 一车轮传感器 4 一永磁铁 5 一感应线圈 6 一放大器 7 一整形电路 从图5 1 0 中可以看出 车轮并不与磁钢接触 构成磁路是 u 型永磁铁 钢轨上半部 无车轮时为大气 有车轮时为轮辋 应用电子感应原理 在车轮相 对磁钢变化时磁路发生变化 导致d q d t 变化 产生感应电动势 车轮从远离 接近 在车轮传感器中心 离开 到远去连续变化 磁路阻抗由大逐渐变小 达 到最小 而后逐渐变大 导致d 1 d t 由小变大 达到最大 而后逐渐变小 车 轮传感器 车轮和d 1 d t 的相关变化见图5 1 l 1 8 车轮位 磁通变化 输出电 1 一 t 2 1 t 1 一t 2 k 则均值 t 3 t 4 2 2 t 1 一t 3 k 则均值 t 4 3 t 卜t 4 k 则均值 t i t 2 t 3 t 4 4 4 t 1 t 2 t 3 1 t 2 t 3 k 则均值 t 4 2 t 2 一t 3 k 则均值 t 3 t 4 2 3 t 2 t 4 t 4 1 t 3 t 4 k 则均值 t 3 2 t 3 t 4 k 贝0 均值 t l t 2 t 3 t 4 4 i v t1 t z t 3 t 4 均值 t 1 如果某个轴箱的轴温幅值与求得的均值的几何比大于设定的阈值 则预报热 轴 4 最高值与次高值几何比 把同一节车厢同一侧的4 个轴箱的轴温波形幅值中的最大者与次大者进行 几何比较 比值超过预定阈值判为热轴 此种判别方法每一节车厢每一侧只能预 报1 个热轴 2 滚滑差别 1 滑动轴承结构 滑动轴承车占我国现用车不到5 其结构如图5 1 2 由铸造的轴箱体 轴 瓦 瓦垫 轴箱盖 密封垫等组成 轴承主要部件是轴瓦 它将车辆载荷传递给 转动的车轴 是产生轴箱热源的主要部件 为了减小轴颈与轴瓦的摩擦 在轴箱 底部填装了润滑油和油线卷 保证轴瓦与轴颈间有1 5 2 o lm 的油膜 起到 润滑作用 图5 1 2 滑动轴承结构 瓦的润滑不良 磨损过度是产生热轴的主要原因 当轴油含水 沾污或油量 减少以及油线卷磨损 弄脏 断裂时 也会产生热轴 2 滚动轴承结构 滚动轴承比滑动轴承安全可靠 占到现有车辆的9 5 以上 滚动轴承又可分 为有轴箱轴承和无轴箱轴承两类 其结构分别如图5 1 3 和图5 1 4 所示主要由轴 承外圈 密封装置 前后端盖等组成 滚动轴承发热主要是由于滚子沿内外圈的滚动摩擦及滚子端部对内外圈突 缘磨擦而引起的 滚动轴承产生热轴的主要原因有 轴承材料有缺陷 机械加工 和热处理工艺不合要求 使得外圈产生高的残余应力 部件选配不当 各种疲劳机 械损伤等 滚动轴承热轴发生率要远低于滑动轴承 但一旦轴承有故障 热轴发 展迅速 因此 热轴探测中的滚动轴承热轴早期预报极为重要 2 l 篱翟 墨j 一 z 1 毫j 五麓 jo i 翟 j i 二 i 妒 i o 庇 i 等爹 獬 图5 1 3 有轴箱滚动轴承结构 图5 1 4 无轴箱滚动轴承结构 3 两种波形的区别及识别方法 由于在其构造结构上的不同 经过红外探头探测得到的波形也表现出一定的 形状差异 图5 1 5 是典型的滚动轴承轴温波形 图5 1 6 是典型的滑动轴承轴温 波形 图5 1 5 滚动轴承图5 1 6 滑动轴承 从图可以看出滚动轴承波形和滑动轴承波形还是有着明显的区别的 滚动轴 承轴温波形中间幅值要比两边大 近似为梯形 滑动轴承轴温波形从第一点开始 一直呈缓慢上升的趋势 直至最后数点又呈缓慢下降的趋势 介绍数点法来判别 2 种波型 i 计算轴温波形的幅值 取3 2 点数据值中3 个最大值求平均值作为幅值 i i 从波形第一点开始向后寻找大于四分之一倍幅值的第一个点 且该点之 后有两个连续上升的点 置此点标志为a i i i 寻找大于四分之一倍幅值的最后一个点 并将该点幅值乘以 1 3 8 作 为第二个点 置此点标志为b i v 将a b 两个点连成直线 v 分别计算波形的3 2 个点在此直线上方和下方的个数 如果上方点的个数 大于下方点个数则是滚动轴承轴温波形 反之则是滑动轴承轴温波形 图5 1 7 3 测速测距 1 测速 可以在轨边安装2 个车轮传感器 1 号 2 号 磁钢之间的距离s 固定 设定 为s 2 7 0 m m 当列车第一轮压上1 号磁钢时 记下该时刻t l 该轮压至2 号磁 钢时 记下该时刻t 2 所以当同一车轮从1 号到2 号时所需的时间为 t t 2 一t l 由于1 号 2 号磁钢之间的距离s 固定 2 7 0 m m 因此该轮通过1 号 2 号时的速 度为v s a t 2 7 0 m m t 2 一t 1 这样就测出了该车轮通过磁钢时的速度 2 测距 当同一台车下一车轮压至l 号磁钢时 记下该时刻t 3 即可计算出车轮与 车轮之间的距离l v x t 3 t 1 2 7 0 t 3 t 1 t 2 t 1 即台车距 3 客货判定 根据铁道车辆相关知识 铁路货车的台车距约为1 7 o 1 m 铁路货车的轴 距约为2 4 0 1 m 通过台车距即可判定是否客车通过 4 判断列车是否通过 利用磁钢信号来判断列车是否通过 可设计算机在轴间距处理时为一个字 节 最大为f f 换算成米为2 5 5 m 即计算机通过判断两次磁钢信号间的时间间 隔是否大于时间t 2 5 5 v 来判断列车是否通过 若时间大于t 则说明两个车 轮之间的距离大于2 5 5 m 判列车已通过 若时间小于t 即两个车轮之间的间 距小于2 5 5 m 表明列车还没有过完 6 红外线轴温探测系统存在的不足 根据多年的现场检修运用实践和分析 我认为目前红外线轴温探统主要存在 三点不足 6 1 易受阳光干扰 阳光干扰波形是在实际检测过程中经常出现的一种异常波形 它是由于阳光 直射探头而引起的 这在探测罐车轴温时非常容易出现 因为罐车的车厢与车厢 之间没有遮挡 使得阳光很容易照上探测箱 如图6 1 所示 6 1 阳光进入采集区示意图 如果阳光直射探头 阳光中存在着的高能量的红外辐射将同轴温红外辐射一 起被采集计算 从而极易造成误报热轴 由图2 1 0 可知 当红外探头扫描车轴 采集犯点轴温时 只有当扫描到轴承边缘部分 阳光才有可能进入采集区 依此 推断本类波形的特点 势必是波形的两端或某一端异常凸起 因为凸起的这一部 分包含了阳光中高能量的红外辐射 典型的此类波形见图6 2 和6 3 所示 图6 2 图6 3 我们来分析一下采集得到图6 一l 波形和图6 2 波形的过程 对于图6 一l 当 红外探头接到采集命令开始采集时 采集的是轴箱的边缘部分 此时阳光通过轴 箱边缘直射上了探头 所以得到的a d 值较高 见波形前部 随着列车的行驶 列车轴箱遮挡了阳光 此时采集的完全是轴箱的红外辐射 也即轴箱真实的轴温 见波形中部 最后又开始采集轴箱的边缘部分 阳光通过边缘又直射上了探头 得到较高的户以d 值 见波形后部 而对于图6 3 当红外探头接到采集命令的 时候 此时轴箱前部边缘已经驶过 轴承遮住了阳光 所以一开始采集的就是真 实的轴温 当到了轴箱的后部边缘 阳光通过边缘直射上了探头 所以此时的 a d 值变得较高 注意 系统是通过采集的列车速度 轴距等信息来计算轴箱所 处的位置 并延迟相应的时间向红外 探头发出采集命令的 在这过程中出现的微小的误差使得探头在轴箱上采集 轴温的起始点不同 6 2 探照点位置不佳 现在的轨边探头探照点位置 兼顾滚动轴承和滑动轴承 误报率高 区间预 报兑现率一般只有1 5 左右 6 3 探头适应速度不高 2 0 0 7 年4 月1 8 日 中国铁路进行了第六次大面积提速 时速2 0 0 公里的动 车组在各主要干线开行 某些线路的列车运行速度达到了时速2 5 0 公里以上 原 用的热敏电阻探头适应速度为5 1 6 0 l 1 i i h 不能满足第六次大提速后铁路车辆高 速运行的轴温探测需求 7 对红外线探测系统的改进研究 7 1 减少阳光干扰 7 1 1 提高设备软件识别能力 通过上述分析 阳光干扰产生的热轴波形呈浴盆状 计算轴温时如果将波形 两侧部分温度值剔掉 取波形中间的值计算轴温 既科学又准确 7 1 2 提高值班员业务水平及工作责任心 有一些红外线监测中心值班员怕担责任 只要计算机预报 不加分析 全部预 报 通过报文分析 有很多假热轴是完全可以不预报的 提高值班员业务水平及 工作责任心 加强热轴报文分析 完全可以减少一些热轴的误报 7 2 关于探照点位置的改进研究 如前所述 目前的探照点位置是兼顾滚滑的方案 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