cRIO平臺(tái)的軌道車輛運(yùn)輸中狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究①

顧樹(shù)偉, 谷郎野, 張海滄

(中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130062)

0 引 言

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化水平的提高，軌道交通已成為大中城市居民出行的重要方式[1]。軌道車輛生產(chǎn)商將所生產(chǎn)車輛交付業(yè)主過(guò)程中，經(jīng)常受各種條件制約而采用部分或全部公路運(yùn)輸，運(yùn)輸過(guò)程中的軌道車輛牽引電機(jī)處于停止轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，其主軸軸承下表面在運(yùn)輸中長(zhǎng)時(shí)間承受大質(zhì)量主軸體的垂向振動(dòng)沖擊，極易發(fā)生疲勞損傷。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)車輛運(yùn)輸中的振動(dòng)研究的主要集中在車輛發(fā)動(dòng)機(jī)、駕駛艙及車身的懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)[2～4]，彈藥類危險(xiǎn)品運(yùn)輸監(jiān)測(cè)及模型分析[5～8]等。劉書瓊等人分析了軌道車輛在運(yùn)輸過(guò)程中的受力情況導(dǎo)致電機(jī)失效問(wèn)題，并據(jù)此提出了相應(yīng)的防護(hù)方案[9～11]，但仍局限于原有的收緊帶固定等常規(guī)運(yùn)輸方法，而對(duì)于軌道車輛運(yùn)輸中的狀態(tài)監(jiān)測(cè)及振動(dòng)影響未做實(shí)際測(cè)量及分析。以美國(guó)NI儀器公司的cRIO系統(tǒng)為平臺(tái)，對(duì)公路運(yùn)輸中的軌道車輛的電機(jī)振動(dòng)、運(yùn)輸卡車的速度及行駛道路的路面質(zhì)量等參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)性監(jiān)測(cè)，分析運(yùn)輸過(guò)程與電機(jī)主軸軸承疲勞損傷之間的關(guān)系。統(tǒng)計(jì)分析了哈爾濱地鐵1號(hào)線運(yùn)輸(中車長(zhǎng)春軌道客車廠-哈爾濱地鐵車輛段)中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步深入研究電機(jī)主軸軸承疲勞損傷的形成及影響提供一定的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 硬件架構(gòu)

系統(tǒng)由2部網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，GPS天線，加速度計(jì)，cRIO數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)和中控計(jì)算機(jī)等組成，如圖1所示：

圖1 軌道車輛運(yùn)輸振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

運(yùn)輸車輛中安裝GPS天線，GPS天線通過(guò)GPS控制器以串口與中控計(jì)算機(jī)連接，波特率可以達(dá)到115200。數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到中控計(jì)算機(jī)進(jìn)行解析，并對(duì)對(duì)應(yīng)的位置和速度等信息進(jìn)行記錄。

加速度計(jì)的主要作用是檢測(cè)軌道車輛的牽引電機(jī)的振動(dòng)情況，一共有4支，如圖2所示。其中兩支垂直安裝在軌道車輛電機(jī)外殼的表面，水平及垂直方向加速度計(jì)分別用來(lái)檢測(cè)軌道車輛電機(jī)水平和垂直兩個(gè)方向的振動(dòng)情況；另外兩支垂直地安裝在軌道車輛電機(jī)主軸的表面，用來(lái)檢測(cè)軌道車輛電機(jī)主軸在運(yùn)輸過(guò)程中的振動(dòng)情況。

振動(dòng)數(shù)據(jù)由NI公司的cRIO系統(tǒng)進(jìn)行采集和預(yù)處理，并實(shí)時(shí)上傳到中控計(jì)算機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步處理，獲得振動(dòng)的數(shù)據(jù)矢量。

運(yùn)輸車輛裝配兩部攝像頭，一部放在運(yùn)輸車輛前部，對(duì)路面長(zhǎng)時(shí)間攝錄，作為事后的對(duì)照；另一部放在運(yùn)輸車輛后部，對(duì)準(zhǔn)經(jīng)過(guò)的路面，在振動(dòng)超過(guò)設(shè)定的閾值后觸發(fā)，對(duì)道路拍照，從而獲得產(chǎn)生較大振動(dòng)位置的路面圖像，方便人為比對(duì)，分析振動(dòng)產(chǎn)生的原因。

中控計(jì)算機(jī)用于接收上傳數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理，并根據(jù)處理結(jié)果控制攝像機(jī)拍照，另外進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示和記錄。

1.2 控制軟件架構(gòu)

系統(tǒng)中軟件包括cRIO中的數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理軟件，以及中控計(jì)算機(jī)中的集中控制和數(shù)據(jù)處理軟件。中控計(jì)算機(jī)采用多線程并行控制方式接收cRIO、GPS和網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)等傳來(lái)的數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)在中控計(jì)算機(jī)中進(jìn)行后期處理，并根據(jù)處理結(jié)果進(jìn)行顯示和保存。中控計(jì)算機(jī)中軟件流程圖如圖3所示：

步驟如下：

① 接收GPS數(shù)據(jù)和cRIO傳來(lái)的振動(dòng)數(shù)據(jù)并進(jìn)行解析；

② 判斷振動(dòng)是否超過(guò)閾值，如果超過(guò)閾值，則給后部攝像機(jī)發(fā)送命令，抓拍圖像并保存；

③ 實(shí)時(shí)顯示振動(dòng)曲線，利用第三方繪圖控件，顯示綜合振動(dòng)幅度和各幅度分量；

④ 按照固定格式保存數(shù)據(jù)，其中格式為自定義，主要是為了后期數(shù)據(jù)分析方便。

其中，GPS采用的是主動(dòng)發(fā)送模式，只要連接到串口就定期向中控計(jì)算機(jī)發(fā)送，中控計(jì)算機(jī)接收之后進(jìn)行解析，得到速度和位置等信息；在cRIO中以10ksps的頻率接收振動(dòng)數(shù)據(jù)，為了減少高頻干擾，每10個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，因此實(shí)際的采樣率為1ksps，4個(gè)通道的數(shù)據(jù)以自定義的格式進(jìn)行打包，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送到中控計(jì)算機(jī)；中控計(jì)算機(jī)接收到數(shù)據(jù)后，按照定義的格式進(jìn)行解析，獲得每通道的振動(dòng)信號(hào)，然后利用公式(1)計(jì)算得到振動(dòng)合成矢量的幅值：

(1)

其中Vibration1,v，Vibration1,h，Vibration2,v和Vibration2,h分別為電機(jī)殼體的垂直和水平方向振動(dòng)幅度以及電機(jī)主軸的垂直及水平方向振動(dòng)幅度。

圖2 加速度計(jì)的安裝固定位置及工裝

如果振動(dòng)合成矢量ComposedVector幅度超過(guò)指定的閾值，則中控計(jì)算機(jī)向后部攝像機(jī)發(fā)送命令，抓拍路面圖像。這種大幅度的振動(dòng)多數(shù)都是由路面上的坑或鼓包引起的，在此過(guò)程中，為了保證能夠比較準(zhǔn)確地抓拍到異常路面，采用了自動(dòng)延時(shí)抓拍技術(shù)，即根據(jù)運(yùn)輸車輛的當(dāng)前運(yùn)行速度、加速度計(jì)和攝像機(jī)直接的距離以及網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的反應(yīng)速度確定每次抓拍的延遲時(shí)間。

圖3 中控計(jì)算機(jī)的軟件流程圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)選用哈爾濱地鐵1號(hào)線運(yùn)輸(中車長(zhǎng)春軌道客車廠-哈爾濱地鐵車輛段)為監(jiān)測(cè)對(duì)象，由于市區(qū)路段和高速公路在路面質(zhì)量、車輛行駛速度及平穩(wěn)性方面存在較大差異，分別選取了12min的市區(qū)和高速路段的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比處理和分析。

圖4a和b分別為市區(qū)和高速路段的車輛行駛速度及振動(dòng)合成矢量的時(shí)域圖譜。市區(qū)內(nèi)行駛車輛頻繁啟停，速度分布在0-55km/h之間，振動(dòng)合成矢量起伏較大；高速路段車輛行駛平穩(wěn)，速度分布在55-75km/h之間。振動(dòng)合成矢量背景幅值較大，整體高于市區(qū)內(nèi)行駛中的振動(dòng)水平。

圖4 車輛行駛速度及振動(dòng)合成矢量的時(shí)域圖譜：a)市區(qū)，b)高速路段

圖5為市區(qū)和高速路段振動(dòng)合成矢量功率譜密度圖，該圖譜由市區(qū)和高速路段的時(shí)域振動(dòng)合成矢量數(shù)據(jù)經(jīng)傅立葉變換獲得，表現(xiàn)為市區(qū)及高速路段的振動(dòng)合成矢量主要能量集中在20Hz左右，推測(cè)該頻率來(lái)自于由卡車及軌道車輛組成的彈性振動(dòng)系統(tǒng)的自然頻率，對(duì)比市區(qū)及高速路段振動(dòng)的功率譜密度，高速路段各頻點(diǎn)能量密度均高于市區(qū)水平，尤其是50Hz以上頻點(diǎn)。

圖5 市區(qū)和高速路段振動(dòng)合成矢量功率譜密度圖

圖6為市區(qū)和高速路段不同速度區(qū)間的振動(dòng)合成矢量平均值，表現(xiàn)為高速路段振動(dòng)水平遠(yuǎn)高于市區(qū)振動(dòng)，市區(qū)低速行駛路段，振動(dòng)合成矢量與車輛行駛速度呈近似線性關(guān)系；振動(dòng)合成矢量隨車輛運(yùn)行速度的增加先降后升，平均時(shí)速60km/h左右振動(dòng)強(qiáng)烈，推測(cè)為公路車輛駕駛員在發(fā)現(xiàn)路面質(zhì)量出現(xiàn)異常，剎車后的通過(guò)速度。

圖6 市區(qū)和高速路段不同速度區(qū)間的振動(dòng)合成矢量平均值

3 結(jié) 論

設(shè)計(jì)的軌道車輛運(yùn)輸中的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由2部網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、GPS天線、加速度計(jì)、cRIO數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)和中控計(jì)算機(jī)等組成，通過(guò)對(duì)哈爾濱地鐵1號(hào)線運(yùn)輸(中車長(zhǎng)春軌道客車廠-哈爾濱地鐵車輛段)的監(jiān)測(cè)，獲得了運(yùn)輸卡車的速度、路面質(zhì)量及電機(jī)振動(dòng)等關(guān)聯(lián)性數(shù)據(jù)。分析結(jié)果表明：振動(dòng)合成矢量的能量主要集中在20Hz頻點(diǎn)附近，市區(qū)內(nèi)的車輛運(yùn)行速度與車輛振動(dòng)水平大體呈線性關(guān)系，高速路段的振動(dòng)較市區(qū)更為劇烈。運(yùn)輸監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有效性及實(shí)用性。