塞拉門早期機械故障預判及檢測方法研究

中車唐山機車車輛有限公司 趙風啟

今創集團股份有限公司 李 杰 翟泉新

高速列車塞拉門結構復雜、零件繁多、檢修工作量大，很多故障隱患不易發現。通過當前的手段多以驅動系統電壓、電流等電氣信號的采樣數據為基礎進行故障的分析和診斷，在機械系統故障的診斷過程中，這些方法存在明顯的缺陷。本文設計了一種針對門機構不同頻段振動信號的檢測裝置，利用計算機對振動信號的處理分析，提取開門、關門過程中門機構的運行特征，通過對比實際門機構與正常狀態下的各項振動信號特征的差異可以為機械故障的診斷提供輔助參考依據，大大提高門機構檢修工作的效率和故障診斷準確性。

塞拉門是高鐵車輛車體上的關鍵設備，其運行狀態直接關系到旅客的人身安全，為滿足地鐵車輛高可靠性和安全性要求，故塞拉門的檢修一直是車輛維護工作中的重點之一。

目前，關于塞拉門輔助檢修系統和故障診斷的研究都集中在對控制器輸入輸出端口上電信號的采集、處理和分析，根據信號的不同特征判斷門系統是否存在故障或故障隱患。作為門系統主體組成的電機、傳動和門體等機械系統所引入的碰撞摩擦、壓痕、熱變形等各種損傷，癥狀信息微弱、特征不明顯，很難通過電機驅動信號的分析準確判斷。特別是在這些機械損傷發展初期，多種故障長期存在，誘發多故障耦合，更進一步增加了信號分析的難度。為了能夠對門機構的各種機械損傷進行準確分析診斷，需要能夠直接對機械系統運動過程中狀況進行監測。振動是機械系統不可避免的現象，系統在正常或非正常的工作狀態下會表現出不同的振動形態，通過對振動信號的分析處理可以更對系統存在的各種損傷做出準確判斷。

鑒于此，本文針對塞拉門系統設計了一種基于FPGA的振動信號采集儀器，對門體、門框等部位的振動信號進行采集、處理，并實時傳送至計算機進行分析、顯示，對門機構工作狀態做出診斷，并可針對各種不同狀態提出相應維護建議。

1 系統結構

整個振動檢測分析系統包含若干前端信號采集裝置和分析計算機兩部分、為了方便系統在具體門機構對象上的部署，每個信號采集裝置采用電池供電，與外界數據通信采用無線互聯網實現，保證每個裝置與外部沒有導線連接，具有較高的獨立性。所有信號采集裝置通過無線路由器連接在一起，與同時接入網絡的分析計算機實現數據通信。

每個信號采集裝置配置三軸直線加速度傳感器和一路壓電陶瓷振動傳感器，分別檢測不同頻段的門機構振動信號。其中3路直線加速度信號相互之間具有明顯的相關性，為保證信號分析的精度，通過外部具備同步采樣功能的AD轉換器接入FPGA。壓電陶瓷振動傳感器輸出信號頻帶較寬，需具備較高的采樣率。

為了保證一次開門或關門過程中的數據得到完整記錄，采集裝置需要較大的數據存儲空間。采集裝置在充分利用單片機內部SRAM的同時配置了外部SRAM，分別用于存儲速度較低的直線加速度檢測數據和較高采樣率的壓電陶瓷傳感器數據。

2 信號采集電路硬件設計

裝置分別采用亞德諾公司ADXL335型三軸加速度計和H4P8型壓電陶瓷換能器實現門機構0～200Hz頻段和100Hz～2kHz頻段振動信號的檢測。

ADXL335是一款小尺寸、薄型、低功耗、完整的三軸加速度計，可直接輸出經過調理的電壓信號，滿量程加速度測量范圍可以達到±3g，既可測量傾斜檢測應用中的靜態加速度，也可測量運動、沖擊或振動導致的動態加速度。

H4P8型壓電陶瓷換能器厚度采用1mm，信號帶寬可以達到2MHz。利用寬帶運算放大器實現換能器輸出信號的前置放大，并偏移至合適的動態范圍接入AD轉換。

根據各檢測電路的檢測需求容易確定，加速度采集電路的通頻帶為0～200Hz，壓電換能器放大電路的通頻帶為100Hz～2kHz。根據這樣的頻帶要求，可以確定電路各項阻容參數。針對上述設計電路進行交流仿真分析，可得電路頻率響應。

壓電陶瓷換能器負責對門機構100Hz～2kHz頻段內的振動信號進行采集，因此其ADC采樣率設置為40kHz。加速度傳感器負責檢測門機構0～200Hz頻段內的振動信號，因此其采樣率設置為4kHz即可。為協調兩組信號的采樣，系統采用12位AD轉換器LTC2423，此款ADC具備4個同步采樣通道，采樣率可達2MHz，可以保證各傳感器檢測到的信號存在嚴格的同步關系。工作中，ADC以40kHz的采樣率工作，但加速度采集通道對連續8個采樣點進行平均后作為一個有效樣點，實際采樣率為5kHz。

系統總有效采樣率為52kHz/s，系統測試時間設為20s，由此可得12.48Mbit的數據總量，組合可得1.56MByte。因此，系統配置了2MBtye的RAM存儲容量。

3 振動信號采集器軟件設計

采集器的核心是FPGA，兩類傳感器檢測電路經ADC接入FPGA。ADC驅動實現LTC2423的邏輯接口，4個通道的轉換數據分別送入緩沖區。加速度采集通道的采樣數據首先分別存入8個單元的緩沖區，完成8次數據采樣后對這8個數據進行算術平均，而后以平均值為有效數據存入主數據緩沖區。另一路陶瓷換能器通道則以8倍的速率將每次采樣的數據存入主緩沖區。主緩沖區在數據記錄狀態管理器控制下在空閑、觸發搜索、采樣計數、數據記錄完成等狀態中切換。

系統啟動和完成一次數據采樣記錄流程后即進入空閑狀態。在空閑狀態下，系統默認此時門機構處于完全靜止狀態，因此，分析計算機可以以此時的采樣數據為基準。在完成測試準備工作后，分析計算機通過數據通信下達啟動測試指令，系統進入觸發搜索狀態。一旦系統啟動測試，系統即開始不停進行AD轉換并將采樣數據存入主數據緩沖區。主數據緩沖區組織為環形隊列，數據可不斷循環存入，超出總存儲容量后即替換最早記錄的數據。數據存入緩沖區的同時，狀態管理器對最新采集的一段數據進行分析，當各路數據符合開門啟動或關門啟動的數據特征時立即觸發數據記錄計數狀態。此狀態下，系統繼續對采樣數據進行記錄的同時開始從0計數，當計數值達到門限時即意味著完成一次完整的開門或關門數據采樣記錄，系統進入數據記錄完成狀態，數據通信模塊啟動開始通過WiFi模塊將采樣數據傳送至分析計算機，全部數據傳送完成后系統返回空閑狀態。

信號采集器安裝在門機構的過程存在較嚴重的隨機性，無法保證裝置自身坐標系與門機構坐標系之間完全重疊，為保證數據分析的一致性，需要將檢測數據變換至標準的坐標系上。如前所述，空閑狀態下系統仍在不斷采集各傳感器通道的數據。在此狀態下，系統不斷檢測三軸加速度數據，并對數據進行分析，根據式(1)可以得到實測數據坐標系與標準自然坐標系之間的夾角。

如圖1所示，X軸方向的加速度大小為Ax，其與水平面的夾角為α1，與重力加速度的夾角α；同理，Y軸方向的加速度為Ay，與水平線的加速度為β1，與重力加速度g的夾角為β；Z軸方向的加速度為Az，與水平線的加速度為γ1，與重力加速度g的夾角為γ。α= 90°- α1，β= 90°-β1，γ=90°-γ1。

圖1 加速度傳感器坐標示意

系統在空閑狀態下檢測、計算并記錄上述夾角關系，在數據記錄狀態下，系統則在采樣的同時對數據進行坐標變換校準。

4 計算機分析軟件設計

信號采集器完成數據采集記錄，并傳送至數據分析計算機，在計算機平臺上完成對門機構不同位置加速度與振動數據進行分析，最終為門機構是否存在故障或損傷的判斷提供參考依據。

系統首先對數據按時間對開門和關門過程進行分解，在對每個分段數據進行頻譜分析得到各路信號的主要參數指標，包括時間長度、最大值等時域參數和各次諧波分量的幅值等頻域參數。通過對這些參數與正常門機構運行過程中的參數進行對比，即可對門機構各工作環節、零件可能存在的故障或損傷進行判斷。

結論：塞拉門系統系統復雜，功能繁多，檢修過程中故障部位查找困難、故障隱患難以排除，導致檢修成本高。本文利用FPGA設計了的振動信號采集儀器，對門體、門框等部位的振動信號進行采集、處理，并實時傳送至計算機進行分析、顯示，對門機構工作狀態做出診斷，實現塞拉門輔助檢修，簡化檢修工作，提高故障診斷的準確性。