基于熱成像的車(chē)輛軸溫智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建與應(yīng)用

羅玉勝 魏其瓊 譚兆海 李育林 任青茂 邵云芝

摘 要：軸承是連接輪對(duì)的核心部件，其工作狀態(tài)直接影響列車(chē)的運(yùn)行安全。軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，缺油、少油、損傷、摩擦、摻雜等因素都會(huì)引起軸承溫度異常上升，如未及時(shí)發(fā)現(xiàn)、處理可能導(dǎo)致“燃軸”、“熱軸”、“切軸”等嚴(yán)重事故。因此實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軸溫變化對(duì)于判斷軸承運(yùn)行狀況、保障列車(chē)運(yùn)行安全具有重要意義。本文基于熱成像技術(shù)對(duì)車(chē)輛軸溫智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建和應(yīng)用進(jìn)行深入研究，通過(guò)在軌側(cè)安裝紅外熱成像設(shè)備，列車(chē)通過(guò)時(shí)紅外熱成像設(shè)備探測(cè)車(chē)輛軸承部件的溫度和圖像，系統(tǒng)對(duì)采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合分析和處理，生成整趟列車(chē)軸承溫度的探測(cè)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛軸承部件的探測(cè)診斷。

關(guān)鍵詞：紅外熱成像;動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè);故障判別

中圖分類(lèi)號(hào)：TN215 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 概述

軸承是連接輪對(duì)的核心部件，其工作環(huán)境惡劣，并長(zhǎng)時(shí)間承受巨大載荷，加之系統(tǒng)組成復(fù)雜度較高，任何微小的軸承故障都可能對(duì)列車(chē)運(yùn)行安全造成巨大的影響。在列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，車(chē)軸與軸承相互摩擦產(chǎn)生熱能，當(dāng)車(chē)軸與軸承間出現(xiàn)因磨損、腐蝕、劃傷而造成軸承接觸面形變時(shí)，摩擦力增大，產(chǎn)生的熱能就隨之增加，導(dǎo)致軸箱軸承的溫度也隨之異常升高。如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理，將可能導(dǎo)致軸承斷裂、熱切軸、燃軸等嚴(yán)重事故，造成無(wú)法估量的損失。除此之外，受運(yùn)行環(huán)境、載重等客觀(guān)因素的影響，軸承壽命離散度較大。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，30%的列車(chē)故障是由于軸承問(wèn)題造成的。而傳統(tǒng)的人工日常檢修方式僅僅采用手摸軸箱的辦法來(lái)判斷溫度的變化情況，并以手的感覺(jué)來(lái)確定軸承的工作狀態(tài)，采用這種方法，檢測(cè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低，而且人的手感有差異，沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)。因此實(shí)現(xiàn)智能化監(jiān)測(cè)軸溫對(duì)于判斷軸承運(yùn)行狀況，采取針對(duì)性的防護(hù)、處理措施，保障列車(chē)運(yùn)行安全，具有重要意義。

根據(jù)列車(chē)的主要故障原因和故障特點(diǎn)，本文基于熱成像技術(shù)構(gòu)建了一套車(chē)輛軸溫智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)通過(guò)在軌側(cè)安裝熱成像相機(jī)，對(duì)運(yùn)行中的整趟鐵路車(chē)輛軸承輪對(duì)部件進(jìn)行探測(cè)，采集軸承和車(chē)輪的紅外熱圖。采集的熱原始數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)傳輸至系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和處理，生成整列車(chē)輛軸承輪對(duì)溫度的統(tǒng)計(jì)報(bào)告，并自動(dòng)根據(jù)處理結(jié)果報(bào)告車(chē)輛中發(fā)生軸溫異常的位置，排查車(chē)輛軸承部件的故障隱患，為車(chē)輛的檢修提供技術(shù)支撐。

2 紅外熱成像技術(shù)

紅外測(cè)溫的方式有很多種，根據(jù)測(cè)溫方式不同，大致可以分為基于逐點(diǎn)分析的紅外測(cè)溫設(shè)備和基于全場(chǎng)分析的測(cè)溫設(shè)備兩類(lèi)。基于逐點(diǎn)分析的紅外測(cè)溫設(shè)備是利用單點(diǎn)探測(cè)器采集待測(cè)目標(biāo)部分區(qū)域的熱輻射，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，并通過(guò)一定的轉(zhuǎn)換關(guān)系轉(zhuǎn)為溫度數(shù)據(jù)。逐點(diǎn)分析的紅外測(cè)溫設(shè)備結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較低，適用于物體溫度分布比較均勻的待測(cè)目標(biāo)。全場(chǎng)分析溫度測(cè)量系統(tǒng)是基于熱成像的原理進(jìn)行測(cè)溫，利用紅外光學(xué)系統(tǒng)將待測(cè)目標(biāo)的紅外熱圖像成在紅外焦平面探測(cè)器上，經(jīng)過(guò)處理后得到待測(cè)目標(biāo)的紅外圖像，然后根據(jù)圖像的灰度值及定標(biāo)數(shù)據(jù)、相關(guān)參數(shù)對(duì)物體的溫度場(chǎng)分布進(jìn)行分析?；谌珗?chǎng)分析的溫度測(cè)量系統(tǒng)可以對(duì)大面積的區(qū)域進(jìn)行測(cè)溫，可以同時(shí)得到一個(gè)物體多區(qū)域的溫度和多個(gè)物體的溫度，對(duì)分析物體的狀態(tài)具有重要的意義[1]。

近年來(lái)紅外熱成像技術(shù)發(fā)展很快，其工作原理是運(yùn)用光電技術(shù)來(lái)檢測(cè)物體熱輻射的紅外線(xiàn)特定波段信號(hào)，并將該信號(hào)轉(zhuǎn)換成可供人類(lèi)視覺(jué)分辨的圖像和圖形。根據(jù)檢測(cè)信號(hào)的特征參數(shù)，紅外成像技術(shù)可進(jìn)一步計(jì)算出被測(cè)物體的溫度值。紅外熱成像技術(shù)使人類(lèi)超越了視覺(jué)障礙，由此不僅可使人們“看到”物體表面的溫度分布狀況，且開(kāi)拓了利用圖像處理技術(shù)對(duì)物體表面溫度分布狀況進(jìn)行更為完備精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)的新領(lǐng)域。

將熱成像技術(shù)應(yīng)用于車(chē)輛軸溫智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在探測(cè)軸承溫度上具有顯著的特點(diǎn)。紅外熱成像非接觸式的測(cè)量方式使其可以檢測(cè)到快速運(yùn)行的列車(chē)、帶電設(shè)備和微小部件的溫度;紅外熱成像測(cè)溫面積大、效率高，能直觀(guān)顯示被測(cè)部件的表面溫度場(chǎng);熱成像相機(jī)可同時(shí)測(cè)量物體表面各點(diǎn)溫度的高低，并以圖像形式顯示出來(lái)，空間分辨率很高，對(duì)于整趟列車(chē)軸溫的監(jiān)測(cè)可以呈現(xiàn)良好的探測(cè)效果。

3 基于熱成像技術(shù)的系統(tǒng)構(gòu)建

在列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，由于運(yùn)行速度高，內(nèi)部沖擊過(guò)大，軸承常見(jiàn)的缺油、少油、損傷、摩擦、摻雜等故障因素以及機(jī)械部件的異常磨損都會(huì)導(dǎo)致軸承車(chē)輪的溫度在列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中不斷上升。為了能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)軸承車(chē)輪的動(dòng)態(tài)故障，唯有通過(guò)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的方式才能第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)并排查軸承的初期故障。通過(guò)構(gòu)建基于熱成像技術(shù)的車(chē)輛軸溫智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)車(chē)輛軸承車(chē)輪的熱數(shù)據(jù)，能夠真實(shí)、全面地反映軸承車(chē)輪部位的健康狀態(tài)和故障隱患[2]。

車(chē)輛軸溫智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建采用分層式布局，從物理布局上分為室外設(shè)備和室內(nèi)設(shè)備兩個(gè)層級(jí)。

室外設(shè)備的主要任務(wù)是采集列車(chē)車(chē)輛的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（車(chē)號(hào)、過(guò)車(chē)時(shí)間）和軸承車(chē)輪部位的熱成像數(shù)據(jù)，生成可用于后續(xù)處理分析的有效原始數(shù)據(jù)。室外設(shè)備主要包括熱成像探測(cè)箱（熱成像相機(jī)）、車(chē)輪傳感器和AEI車(chē)號(hào)自動(dòng)識(shí)別裝置地面設(shè)備。熱成像探測(cè)箱設(shè)備分別在鋼軌兩側(cè)各安裝一套（如圖1所示），用于探測(cè)列車(chē)左右兩側(cè)軸承輪對(duì)的熱數(shù)據(jù);車(chē)輪傳感器設(shè)備用于對(duì)通過(guò)系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行列車(chē)進(jìn)行定位以及實(shí)時(shí)速度檢測(cè);AEI車(chē)號(hào)自動(dòng)識(shí)別裝置地面設(shè)備主要功能是對(duì)通過(guò)系統(tǒng)設(shè)備的列車(chē)進(jìn)行車(chē)次、車(chē)號(hào)的自動(dòng)識(shí)別。

室內(nèi)設(shè)備主要任務(wù)是對(duì)室外設(shè)備采集到的列車(chē)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和熱成像等原始數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和智能分析，統(tǒng)計(jì)通過(guò)的列車(chē)車(chē)輛兩側(cè)軸承的最大溫度繪制出整列車(chē)的兩側(cè)軸承溫度圖示，通過(guò)將處理層傳來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析，根據(jù)車(chē)輛各部件不同的故障判別標(biāo)準(zhǔn)診斷軌道車(chē)輛各部件的健康狀態(tài)，從而提早發(fā)現(xiàn)車(chē)輛部件的故障隱患。室內(nèi)設(shè)備主要包括AEI車(chē)號(hào)自動(dòng)識(shí)別裝置、數(shù)據(jù)處理機(jī)、電控箱和電源管理設(shè)備等。AEI車(chē)號(hào)自動(dòng)識(shí)別裝置用于接收安裝于室外的AEI車(chē)號(hào)自動(dòng)識(shí)別裝置地面設(shè)備采集到的車(chē)次、車(chē)號(hào)基礎(chǔ)數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)處理機(jī)用于對(duì)室外設(shè)備采集到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（包括車(chē)速、車(chē)次和車(chē)號(hào)等）和熱成像數(shù)據(jù)等原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析;電控箱用于系統(tǒng)設(shè)備的配電和各部件觸發(fā)控制;電源管理設(shè)備用于對(duì)系統(tǒng)所有設(shè)備進(jìn)行集中化統(tǒng)一管理，遠(yuǎn)程和智能控制用電設(shè)備的開(kāi)關(guān)和重啟。

4 熱成像技術(shù)在系統(tǒng)中的應(yīng)用

基于熱成像技術(shù)的車(chē)輛軸溫智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)安裝于室外的熱成像相機(jī)探測(cè)貨車(chē)軸承和車(chē)輪的探測(cè)效果圖如圖2所示。從熱成像圖像可以清楚地看到軸承和車(chē)輪的溫度分布情況。相對(duì)于傳統(tǒng)THDS探測(cè)，采用熱成像技術(shù)的軸溫輪對(duì)探測(cè)，其探頭使用數(shù)量少、探測(cè)部件面積大、探測(cè)溫度結(jié)果可視化，探測(cè)準(zhǔn)確性不受車(chē)型、車(chē)輪彈跳、車(chē)輛擺動(dòng)的影響，具有較大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

基于熱成像的車(chē)輛軸溫智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)鐵路車(chē)輛軸承的熱軸故障分三級(jí)進(jìn)行報(bào)警，分別為激熱、強(qiáng)熱、微熱。系統(tǒng)對(duì)符合熱軸預(yù)報(bào)標(biāo)注的車(chē)輛會(huì)在探測(cè)站進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警，報(bào)警信息包括：探測(cè)站名稱(chēng)、列車(chē)通過(guò)時(shí)間、車(chē)次、運(yùn)行方向、編組輛數(shù)、車(chē)號(hào)、故障車(chē)位、左/右側(cè)、軸位、軸溫、報(bào)警等級(jí)和熱圖。其中報(bào)警等級(jí)為強(qiáng)熱、激熱等符合列車(chē)攔停預(yù)報(bào)的報(bào)警內(nèi)容會(huì)同時(shí)復(fù)示到相關(guān)鐵路局行車(chē)調(diào)度臺(tái)，同時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警提醒。所有的熱軸報(bào)警信息會(huì)實(shí)時(shí)上傳至鐵總司查詢(xún)中心。

5 結(jié)論

車(chē)輛軸溫智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)根據(jù)軸承車(chē)輪的故障特點(diǎn)，運(yùn)用熱成像技術(shù)對(duì)軸承和車(chē)輪進(jìn)行熱數(shù)據(jù)探測(cè)。系統(tǒng)通過(guò)將熱成像相機(jī)安裝于軌側(cè)采集原始數(shù)據(jù)，并通過(guò)數(shù)據(jù)處理機(jī)將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛軸承車(chē)輪部位的熱異常的探測(cè)。同時(shí)系統(tǒng)會(huì)將列車(chē)車(chē)輛的熱軸故障信息傳輸至相關(guān)鐵路局行車(chē)調(diào)度臺(tái)進(jìn)行報(bào)警信息公示和警報(bào)提醒，確保能夠準(zhǔn)確、及時(shí)地發(fā)現(xiàn)運(yùn)行車(chē)輛的軸承車(chē)輪故障隱患，保障鐵路車(chē)輛行車(chē)安全?；跓岢上竦能?chē)輛軸溫智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)適用范圍廣，能夠?qū)νㄟ^(guò)的所有型號(hào)貨車(chē)/客車(chē)/動(dòng)車(chē)組實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確探測(cè)、全面判斷，實(shí)現(xiàn)故障車(chē)輛的全程追蹤。

參考文獻(xiàn)：

[1]王華偉.基于紅外熱成像的溫度場(chǎng)測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)研究[D].中國(guó)科學(xué)院研究生院（西安光學(xué)精密機(jī)械研究所），2013.

[2]李永健.高速列車(chē)軸箱軸承智能故障診斷技術(shù)研究[D].西南交通大學(xué)，2017.