列車軸承關鍵參數(shù)長期監(jiān)測與預警車載端系統(tǒng)設計

陳越

摘要 在列車運行過程中，對軸溫、軸承振動、軸承噪聲參數(shù)進行實時監(jiān)測和及時預警，能夠保證列車的行駛安全。設計車載軸承端參數(shù)采集硬件部分和車載終端人機界面綜合系統(tǒng)來實現(xiàn)關鍵參數(shù)的采集、傳輸、分析、保存以及預警功能，為列車的安全運行保駕護航。同時經(jīng)過長期監(jiān)測積累的數(shù)據(jù)可以為列車性能的優(yōu)化和升級提供重要參考。

【關鍵詞】運行監(jiān)測 數(shù)據(jù)采集 人機界面 性能優(yōu)化

列車運行中的安全問題一直是軌道行業(yè)相關人員的關系問題。在列車行駛中由于鋼軌與車輛之間的沖擊以及列車自身載重的原因，會使得軸承振動發(fā)熱而造成磨損，嚴重的話會危害行車安全，所以對于軸承參數(shù)的測量是非常重要的。軸承的狀況可以結合溫度、振動、噪聲3種類型參數(shù)進行綜合分析，從而得知軸承的情況，硬件部分結合3種不同類型傳感器對軸承的溫度、振動、噪聲進行監(jiān)測，同時進行數(shù)據(jù)通信將數(shù)據(jù)傳輸給車載端監(jiān)控中心進行記錄、分析和處理。

1 傳感器和芯片選型

軸溫的測量采用DS18820溫度傳感器，將其放置在軟管的探頭上伸入軸箱，從而進行溫度的準確測量。振動的測量利用傳感器MPU6050，該傳感器自帶A/D轉換，直接可以通過I^2 C總線進行單片機通信，可以極大簡化電路。噪聲的測量采用駐極體傳聲器，不僅電聲性能好，價格低廉，而且抗震能力強。

控制芯片采用STM32F103ZET6，通信上不僅可以兼容CAN/485/232接口，還可以使用USB串口和紅外收發(fā)等方式。片上512KFlash，64K SRAM可以滿足數(shù)據(jù)存儲的要求。綜合考慮可以使用作為車載軸承端數(shù)據(jù)采集芯片。

2 硬件整體設計

硬件裝置由STM32模塊、通信模塊、電源模塊、信號條理模塊、溫度傳感器探頭、振動傳感器探頭、傳聲器探頭組成。將STM32等模塊置于屏蔽盒中，傳感器探頭通過接口與STM32相連。如圖1所示。

傳感器探頭通過在軸承箱上開孔將其放置進相應位置進行參數(shù)檢測，STM32模塊用于接收3路傳感器的信號，并且將其通過通信模塊進行發(fā)送。通信模塊采用ZigBee無線通信方式，與車載端人機交互界面進行通信。電源模塊將DC110V進行降壓，從而適用數(shù)字電路供電。

3 軟件設計

芯片程序利用MDK5進行開發(fā)，導入固件庫之后就可以利用豐富的庫函數(shù)進行程序編寫和調試。下位機程序運行過程如下：列車運行時上電后，單片機首先要進行自檢，判斷端口有無連接或者連接是否有錯誤發(fā)生，否則進行正常工作。程序設置每隔一定時間向上位機發(fā)送一次數(shù)據(jù)。

上位機的編寫采用C#語言結合SQLServer數(shù)據(jù)庫。前端UI利用相應控件進行設計，后端代碼要進行一些數(shù)據(jù)處理以及邏輯判斷，以及利用SQLServer數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)存取。

如圖2所示，登錄界面采用用戶名和密碼結合的登錄方式，在SQLServer中存儲用戶信息，當?shù)顷憰r輸入的用戶名和密碼與數(shù)據(jù)庫中的相同時，點擊登錄按鈕就會進入主界面。進入主界面的同時自檢事件觸發(fā)，這個事件會對下位機的數(shù)據(jù)源進行檢測，如果沒有數(shù)據(jù)源會發(fā)出紅燈閃爍警報，如果一切正常則開始讀取或者等待讀取傳感器信息。主界面的Textbox控件與下位機數(shù)據(jù)源相連，用于實時顯示數(shù)據(jù)。

在算法設計方面，對軸溫、振動、噪聲3個指標進行邏輯或運算，任何一個指標超出，均會發(fā)出警告，3個指標均超出，則發(fā)出彈窗報警。

上位機系統(tǒng)可以手動將測值進行數(shù)據(jù)庫保存，若無手動，也會每隔一定時間往SQLServer數(shù)據(jù)庫轉存數(shù)據(jù)。在這期間可能會有些卡頓，可以選擇在菜單設置中手動關閉此轉存功能。最后可以選擇將某一時刻的數(shù)據(jù)用報表的形式打印出來，方便對異常進行分析處理和上報。

4 結論

列車軸承參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)結合車載軸承端硬件與上位機C#編寫人機交互界面對列車運行過程中軸承的狀態(tài)參數(shù)進行實時的監(jiān)測，并將相關參數(shù)進行顯示和儲存，后進行后臺指標運算，若是信號異常，則會發(fā)出報警信號。數(shù)據(jù)可以定時轉存在SQLServer上位機數(shù)據(jù)庫中，方便對列車運行中軸承的狀態(tài)進行長期監(jiān)測，結合平常行車的情況進行綜合分析，可以對列車性能的優(yōu)化和升級提供重要參考。相比于傳統(tǒng)的列車監(jiān)測設備來說，提供3個指標綜合判斷軸承狀態(tài)，范圍廣，精度高。

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