單軌列車水平輪無線內壓監(jiān)測裝置的應用研究

劉俊坤 何萬順

摘 要：單軌列車水平輪無線內壓監(jiān)測裝置是用一套電子測量設備取代了原有的憑經驗判斷或者用機械式氣壓表測量輪胎氣壓的裝置。重慶市單軌列車采用橡膠輪胎與軌道接觸，水平輪用來保證單軌列車的平衡及引導行車方向，因此輪胎的氣壓正常與否關系著行車安全。一套既可以準確測量輪胎的內壓又有很好實時性的裝置—單軌列車水平輪無線內壓監(jiān)測裝置就應運而生。本文對單軌列車水平輪無線內壓監(jiān)測裝置的原理、功能特點、可推廣性進行了研究。

關鍵詞：無線；單軌列車；內壓監(jiān)測裝置；水平輪

重慶采用的跨坐式單軌技術來源于日本，其主要特點是采用單根軌道支撐、穩(wěn)定和導向。車輛的轉向架裝有走行輪和水平輪兩種充氣橡膠輪胎，水平輪的作用是平衡列車過彎的向心力，穩(wěn)定轉向架的運行，是單軌列車運行的關鍵設備，在日常檢修時水平輪的內壓需要進行檢查以確保其運行的穩(wěn)定安全，如果采用一套實時監(jiān)測內壓的系統(tǒng)將大大減少人工操作，提高效率，同時對其運行的實時胎壓進行監(jiān)測也能更好的保證單軌列車的運行安全?；诎踩c效率的考慮，研究和推廣無線內壓監(jiān)測裝置在單軌水平輪上的應用是非常必要的。

1 單軌列車水平輪無線內壓監(jiān)測裝置的原理

單軌列車水平輪無線內壓監(jiān)測裝置是針對軌道交通單軌車輛設計開發(fā)的一套輪胎內壓在線實時檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由發(fā)射器、中繼器、車載顯示器組成。由安裝在輪胎的氣門嘴上的發(fā)射器自動檢測輪胎內的內壓、溫度以及發(fā)射器內電池電壓等參數(shù)，通過無線信號傳輸?shù)桨惭b在車上的中繼器。中繼器自動接收數(shù)據信息并進行處理分析，正常時每兩分鐘轉發(fā)一次處理后的數(shù)據信息。當接收到有漏氣等異常狀況信息時，立即轉發(fā)相關數(shù)據信息，安裝在駕駛室內的車載顯示器實時接收中繼器發(fā)來的數(shù)據信息并直觀地顯示出來，與此同時車載顯示器通過GPRS移動網絡將檢測數(shù)據以及相關信息每隔3分鐘定時上傳至遠程服務器。網內客戶終端通過遠程服務器可以實時觀察車輛輪胎內壓、輪胎溫度以及電池電壓等參數(shù)的變化情況，以便實時掌控在線運行車輛的每個車胎運行情況，對超過設定閾值的參數(shù)將發(fā)出異常報警提示并記錄存儲，其主要原理圖如下圖所示：

1.1 發(fā)射器的工作原理

發(fā)射器每隔4秒檢測一次壓力、溫度、電池電壓；胎壓正常時，每隔兩分鐘發(fā)射兩幀數(shù)據；胎壓過低時，每30秒發(fā)射兩幀數(shù)據；漏氣時，2分鐘內，任何一次監(jiān)測漏氣累計超過0.3bar，連續(xù)發(fā)射10幀數(shù)據。

1.2 中繼器的工作原理

中繼器一旦接收到發(fā)射器的信號，LED1指示燈就會跳變（亮滅交替），接收模塊會對剛收到的信號進行判斷，如果發(fā)射器的ID號對應于該中繼器內存儲的ID號某一ID號，LED2就會跳變（亮滅交替），存儲該次接收到的數(shù)據，并分析該次接收到的數(shù)據，如果出現(xiàn)漏氣，就立即通過串口RS232把數(shù)據傳給ZIGBEE模塊，ZIGBEE把數(shù)據上傳給駕駛室的顯示器，如果收到的數(shù)據正常，接收模塊每隔兩分鐘發(fā)一次數(shù)據給ZIGBEE模塊，ZIGBEE模塊在把數(shù)據上傳到顯示器，如果是漏氣，延遲0.8秒立即通過ZIGBEE模塊發(fā)送到顯示器。

1.3 車載顯示器的工作原理

時刻接收中繼器發(fā)過來的數(shù)據，收到異常的輪胎數(shù)據，就馬上報警，報警情況有漏氣，低電壓、高溫、信號異常，監(jiān)視器可以設置壓力、溫度的報警閥值。

2 單軌列車水平輪無線內壓監(jiān)測裝置的功能特點

2.1 結構性能

（1）在傳感器的結構方面，采用標準的氣門嘴固定方式，并加深和加長了螺紋，在與原車氣嘴形成更牢固的結合關系，保證產品在實際運行中不產生脫落、松懈等現(xiàn)象。

（2）氣門嘴頂氣位置拋棄了原有的塑膠與原車氣芯的接觸方式，采用更先進的銅柱頂氣方式，同時，氣嘴密封位置采用耐高溫、耐摩擦、耐腐蝕的盯氰膠，且為特定制作，保證了產品感受氣壓時的通透性，并保證產品在運行過程中不產生氣嘴處漏氣的情況。

（3）傳感器PCBA沉入底座腔內，在底座腔內及PCBA打上樹脂，保證PCBA與底座之間不產生漏氣現(xiàn)象。

（4）耐壓性能方面，使每個傳感器在20kg的氣壓下，承受氣壓1分鐘，測量出在此時間內產生漏氣的產品，以保證出廠的每個傳感器均能承受高壓，并在高壓喚醒不產生漏氣現(xiàn)象。

（5）在成品測試階段，將傳感器通氣壓20kg的情況下，同時將傳感器完全浸泡在清水內，測試傳感器的防水性能。

2.2 電氣性能

（1）傳感器功耗。由于傳感器睡眠電流在0.4uA，發(fā)射電流在保證發(fā)射功率輸出的情況下僅7mA，并采用正常氣壓與異常氣壓分開發(fā)射機制，因此，可保證產品電池壽命在2年以上；同時產品設計為電池可更換特性，利用專用工具打開產品外殼，可很容易更換電池，且更換時間不會超過2分鐘。

（2）高頻性能。傳感器輸出功率5dbm，中繼器接收靈敏度-110dbm，輸出功率10dbm，顯示主機接收靈敏度-80dbm，保證高頻信號的可靠性。

（3）抗靜電措施。中繼器和顯示主機內部采用多種防靜電干擾元器件（比如防雷管、磁珠等）同時內部含有自恢復保險絲，可保證不會對車內系統(tǒng)產生干擾及破壞。

2.3 功能可靠性能

（1）測量誤差可靠性措施：采用美國GE胎壓檢測專用傳感器進行對輪胎內部的氣壓測量（內部集成溫度校正），可保證測量誤差控制在20kpa以內。

（2）人機界面可靠性措施：人機界面采用4.3寸TFT256色顯示，對48個輪胎氣壓進行全方位展示，當某個輪胎出現(xiàn)故障時，可清晰的指示出對應輪胎的位置以及故障類型；此措施保證司機能快速、明確的做出相關預防措施。

（3）系統(tǒng)本身的自檢功能措施：系統(tǒng)內部含有對自身的自檢措施，可第一時間通知使用者設備本身的狀況。

（4）故障記錄特性：系統(tǒng)每2分鐘將所有測試記錄上傳到服務器，便于后續(xù)檢查維護及其他相關維護。

3 單軌列車水平輪無線內壓監(jiān)測裝置的可推廣性

整個系統(tǒng)研發(fā)并測試合格后，分兩個階段在重慶軌道三號線303車進行裝車實際運行試驗。

第一階段：在303車選擇兩節(jié)車廂安裝該系統(tǒng)試用，在線實際運行兩個月，驗證了無線胎壓系統(tǒng)能否及時準確地監(jiān)測輪胎胎壓實時狀況以及發(fā)現(xiàn)胎壓異常時能否及時報警等基本性能，并對無線胎壓信號傳輸穩(wěn)定性以及系統(tǒng)各部件工作的可靠性進行檢驗和測試。

第二階段：進一步驗證系統(tǒng)的基本功能和性能以及工作穩(wěn)定性和可靠性，并且對在第一階段試運行過程中發(fā)現(xiàn)的所有問題和客戶提出的建議完成整改和完善。

經過兩個階段的實際運行，該系統(tǒng)累計在線實際運行一年多，行駛里程達16萬余km，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能夠實時準確地檢測各個輪胎的內壓、溫度等參數(shù)，未發(fā)現(xiàn)發(fā)射器松動，脫落，漏氣，及中繼器松動現(xiàn)象，胎壓檢測數(shù)據準確，漏氣，氣壓低等異常情況能及時報警，后臺遠程監(jiān)控界面友好，操作方便，報警、統(tǒng)計和分析等功能及時便捷。

基于以上分析和驗證，單軌列車水平輪無線內壓監(jiān)測裝置性能穩(wěn)定性、可靠性基本能滿足單軌列車的使用要求，單軌列車水平輪無線內壓監(jiān)測裝置可進入推廣階段。

4 推廣應用時應考慮的研究方向

（1）除了發(fā)射器到中繼器采用無線通信以外，系統(tǒng)內的各部件之間的通信可盡量考慮采用有線連接，提高數(shù)據傳輸?shù)臏蚀_性和可靠度；

（2）中繼器的位置可考慮安裝到列車轉向架上，使其可以更好的接受發(fā)射器的信號；

（3）中繼器傳輸出來的數(shù)據可考慮直接進入列車的TMS（監(jiān)控）系統(tǒng)。

參考文獻

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（作者單位：1.重慶市軌道交通（集團）有限公司；2.東莞市諾麗電子科技有限公司）