基于LabVIEW的高速列車變軌裝置監(jiān)測診斷系統(tǒng)研究

劉顯錄，劉 華，陳 鑫，桑淑娟，彭毓敏，高世卿

(1.中車長春軌道客車股份有限公司,吉林 長春 130062；2.中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031)

隨著中國高鐵技術(shù)的飛速發(fā)展，高鐵走出國門，駛向世界已是一種必然趨勢(shì)。“一帶一路”倡議構(gòu)想的提出，使中亞、歐洲等國之間的經(jīng)貿(mào)交流日益頻繁，推動(dòng)了國際聯(lián)運(yùn)和區(qū)域間運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展。中國與其他鄰國之間的軌距存在差異，這給國際聯(lián)運(yùn)的發(fā)展帶來了諸多不便。目前解決軌距差異的主要方式有：統(tǒng)一線路軌距、換裝或換乘、更換走行部、駝背運(yùn)輸及采用變軌距轉(zhuǎn)向架。采用變軌距轉(zhuǎn)向架技術(shù)，解決不同軌距聯(lián)運(yùn)問題具有周期短、費(fèi)用低、效率高等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。目前世界上典型的變軌距技術(shù)產(chǎn)品主要有西班牙Talgo RD、CAF BRAVA、OGI輪軸、德國DB AG/Rafil Type V、瑞士MOB EV 09、 波蘭SUW 2000、日本可變軌距列車、韓國KGCW等[3]。對(duì)于新研發(fā)的自動(dòng)變軌設(shè)備，國內(nèi)可借鑒的資料較少，變軌轉(zhuǎn)向架或變軌列車能否順利安全通過變軌裝置至關(guān)重要。另一方面，變軌距轉(zhuǎn)向架通過地面變軌裝置時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)直接影響到列車變軌的成敗。車輛在變軌過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)是保證變軌可靠性的重要組成部分，在變軌裝置中安裝傳感器，可實(shí)現(xiàn)變軌機(jī)構(gòu)的狀態(tài)檢測，實(shí)時(shí)反饋?zhàn)冘墧?shù)據(jù)[4]。所以，研發(fā)一套能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測變軌裝置應(yīng)力變化及轉(zhuǎn)向架輪對(duì)內(nèi)側(cè)距的系統(tǒng)，成為一種迫切需求。

目前，在鐵路正線上會(huì)應(yīng)用車輪沖擊負(fù)荷檢測系統(tǒng)(WILD)來檢測車輪對(duì)鋼軌的輪軌應(yīng)力狀態(tài)，WILD系統(tǒng)是在鋼軌上安裝應(yīng)力傳感片，當(dāng)每個(gè)車輪經(jīng)過時(shí)，測量其對(duì)鋼軌的垂直及橫向作用力。測得的模擬信息進(jìn)行過濾取樣、數(shù)字化處理后可計(jì)算出每個(gè)車輪、轉(zhuǎn)向架和車輛的質(zhì)量及分布信息。測量結(jié)果再與客戶定制的報(bào)警門限值進(jìn)行比較，自動(dòng)判斷并發(fā)送報(bào)警報(bào)告給鐵路公司或其客戶。利用應(yīng)變片技術(shù)，測量變軌距轉(zhuǎn)向架車輪對(duì)地面變軌裝置的橫向作用力，進(jìn)而將對(duì)地面變軌裝置造成傷害的車輪、轉(zhuǎn)向架檢測出來，并實(shí)時(shí)報(bào)警，以保證整列車的行車安全。

輪對(duì)內(nèi)側(cè)距檢測根據(jù)車輛被檢測時(shí)的狀態(tài)不同，可分為靜態(tài)檢測和動(dòng)態(tài)檢測兩種。靜態(tài)測量又分為手工測量和電子接觸測量法，具有成本低、穩(wěn)定性較高等優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是效率低、工作量大。動(dòng)態(tài)檢測是指在車輛運(yùn)行過程中對(duì)輪對(duì)參數(shù)進(jìn)行測量的方法，具有檢測速度快、效率高的特點(diǎn)[5]。利用激光來進(jìn)行輪對(duì)內(nèi)側(cè)距檢測是動(dòng)態(tài)測量中應(yīng)用較為普遍的一種，激光位移傳感器就是利用激光的高方向性、高單色性和高亮度等特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)無接觸遠(yuǎn)距離測量。激光位移傳感器的出現(xiàn)，使位移測量的精度、可靠性得到極大的提高，也為非接觸位移測量提供了有效的測量方法。該系統(tǒng)中利用激光測距技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)變軌列車運(yùn)行時(shí)輪對(duì)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，并進(jìn)行異常報(bào)警。

研究針對(duì)列車變軌裝置狀態(tài)監(jiān)測診斷問題，運(yùn)用應(yīng)變片技術(shù)和激光測距技術(shù)來實(shí)現(xiàn)列車變軌過程中的應(yīng)力監(jiān)測和輪對(duì)內(nèi)側(cè)距監(jiān)測。運(yùn)用LabVIEW在Windows系統(tǒng)下進(jìn)行了信號(hào)采集分析處理系統(tǒng)開發(fā)研究，并運(yùn)用中車長春軌道客車股份有限公司提供的變軌距轉(zhuǎn)向架和地面變軌裝置開展了線路動(dòng)態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證分析。

1 監(jiān)測診斷系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

系統(tǒng)硬件主要包括應(yīng)變采集模塊、激光內(nèi)側(cè)距采集模塊。應(yīng)變采集模塊包括數(shù)據(jù)采集卡和數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)及應(yīng)變片。圖1為本系統(tǒng)中采用的應(yīng)變數(shù)據(jù)采集卡(MX1615B)，能夠?qū)崿F(xiàn)16路獨(dú)立信號(hào)采集功能，具有耐低溫、精度高的特點(diǎn)，滿足戶外低溫下試驗(yàn)的需求。本系統(tǒng)中需要讀取40路應(yīng)變信號(hào)，選用了3個(gè)該模塊。應(yīng)變數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)選用的是CX27B，如圖2所示，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的以太網(wǎng)高速實(shí)時(shí)傳輸，滿足試驗(yàn)過程中列車通過速度快、時(shí)間短、數(shù)據(jù)變化快的需求。

圖1 應(yīng)變數(shù)據(jù)采集卡 圖2 應(yīng)變數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)

輪對(duì)內(nèi)側(cè)距監(jiān)測系統(tǒng)是實(shí)時(shí)監(jiān)測列車在變軌過程中的輪對(duì)內(nèi)側(cè)距離。考慮到系統(tǒng)工作過程是在車輛行進(jìn)時(shí)的在線檢測，所以采用非接觸式的測量方式。激光位移傳感器具有測量精度高，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，可以將兩只位移傳感器固定于同一個(gè)殼體中，增加防護(hù)措施，將測量到的位移數(shù)據(jù)通過高速LVDS通信傳輸至多通道的總控采集器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)輪距的測量。激光測距傳感器示意圖及現(xiàn)場安裝圖如圖3(a)、(b)所示。

圖3 激光測距傳感器示意圖及現(xiàn)場安裝圖

圖4為激光測距傳感器采集處理控制器。該控制器具有高速的遠(yuǎn)距離LVDS通信、多通道并行采集、測量數(shù)據(jù)流動(dòng)態(tài)緩存及測量結(jié)果靜態(tài)存儲(chǔ)功能。控制器內(nèi)置的數(shù)據(jù)處理模塊，可以初始化讀取傳感器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)包，通過單光斑的類高斯運(yùn)算提取單邊傳感器所在位置，計(jì)算兩個(gè)衍射光斑形成的高斯波的間距。同時(shí)具有測量數(shù)據(jù)結(jié)果擬合、測量數(shù)據(jù)結(jié)果校準(zhǔn)等功能。該控制器與上位機(jī)之間的通信也是采用以太網(wǎng)形式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通信協(xié)議采用Modbus Tcp。

圖4 激光測距傳感器采集處理控制器

系統(tǒng)中為了更直觀地觀察實(shí)際變軌過程的實(shí)時(shí)變化動(dòng)作，增加了視頻監(jiān)控的功能。選用6個(gè)高清攝像頭，能監(jiān)視以規(guī)定變軌速度運(yùn)行的雙向變軌列車進(jìn)出設(shè)備情況，變軌距轉(zhuǎn)向架與變軌裝置不同接口對(duì)接情況，解鎖及鎖閉工作過程，軌距調(diào)整過程等。具有抗腐蝕防爆、耐低溫、采用多重防水設(shè)計(jì)，符合IP68(2m/2h)防水等級(jí)、ICR日/夜自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能，動(dòng)態(tài)畫面拍攝清晰。

2 監(jiān)測診斷系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以LabVIEW為軟件開發(fā)工具，在Windows系統(tǒng)下運(yùn)行。圖5為變軌裝置狀態(tài)監(jiān)測診斷軟件結(jié)構(gòu)框圖，具有實(shí)時(shí)采集、顯示、保存、處理等功能。

圖5 監(jiān)測系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)軟件主要分為數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析處理兩部分，主要包括登錄界面、試驗(yàn)界面、歷史數(shù)據(jù)界面、用戶庫、被試件標(biāo)準(zhǔn)庫等。圖6為軟件運(yùn)行試驗(yàn)界面。試驗(yàn)界面主要包含以下幾個(gè)功能：列車通過方式選擇，包括從窄軌變寬軌、寬軌變窄軌；設(shè)備通信狀態(tài)顯示，包括應(yīng)變采集設(shè)備連接狀態(tài)、激光內(nèi)側(cè)距監(jiān)測設(shè)備連接狀態(tài)；變軌裝置的實(shí)時(shí)狀態(tài)及狀態(tài)指示；應(yīng)變值和應(yīng)變曲線顯示、激光內(nèi)側(cè)距值和內(nèi)側(cè)距曲線顯示，更直觀有效地把信息傳達(dá)給用戶，方便用戶觀察信號(hào)特征，做出初步判斷；試驗(yàn)界面中有菜單欄，用戶可以根據(jù)試驗(yàn)需求，切換到不同運(yùn)行界面，實(shí)現(xiàn)不同功能需求。數(shù)據(jù)的采集是自動(dòng)開始和停止的，通過安裝在變軌裝置兩側(cè)的光電接近開關(guān)來觸發(fā)。當(dāng)檢測到列車開始駛?cè)胱冘壯b置時(shí)，軟件開始進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)包括應(yīng)變值和內(nèi)側(cè)距值的保存，當(dāng)另一側(cè)的光電接近開關(guān)檢測到列車已經(jīng)完全駛離變軌裝置時(shí)，停止保存數(shù)據(jù)。這樣既可以實(shí)現(xiàn)保存與試驗(yàn)相關(guān)的有效數(shù)據(jù)，又節(jié)省了電腦的存儲(chǔ)空間。在開始試驗(yàn)之前需要進(jìn)行一些基本的參數(shù)設(shè)置，比如試驗(yàn)車型、試驗(yàn)編號(hào)，參數(shù)設(shè)置的界面如圖7所示。根據(jù)用戶需求，可以將監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，界面如圖8所示。用戶可以通過點(diǎn)擊讀取數(shù)據(jù)按鈕來選擇需要讀取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，然后通過點(diǎn)擊下拉菜單來選擇需要顯示的某一傳感器測得的數(shù)值，然后點(diǎn)擊顯示曲線按鈕，歷史數(shù)據(jù)曲線就顯示在圖表中。

圖6 監(jiān)測系統(tǒng)軟件試驗(yàn)界面 圖7 參數(shù)設(shè)置界面 圖8 歷史數(shù)據(jù)讀取界面

3 試驗(yàn)研究

運(yùn)用某公司提供的變軌距轉(zhuǎn)向架和地面變軌裝置開展了線路動(dòng)態(tài)試驗(yàn)研究，試驗(yàn)現(xiàn)場變軌裝置圖如圖9所示。

圖9 變軌裝置試驗(yàn)現(xiàn)場圖

變軌距轉(zhuǎn)向架通過變軌裝置的試驗(yàn)過程圖如圖10所示，通過多次線路試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該監(jiān)測系統(tǒng)能夠很好地把設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)反饋出來。當(dāng)轉(zhuǎn)向架通過變軌裝置出現(xiàn)卡滯時(shí)，應(yīng)變片測出的數(shù)值會(huì)瞬間變大，超過設(shè)定的報(bào)警限值，報(bào)警燈點(diǎn)亮并發(fā)出報(bào)警聲音，提示試驗(yàn)人員試驗(yàn)過程中出現(xiàn)問題，起到保護(hù)設(shè)備和試驗(yàn)人員安全的作用。

圖10 轉(zhuǎn)向架通過變軌裝置試驗(yàn)圖

4 結(jié)論

(1) 試驗(yàn)結(jié)果表明通過對(duì)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的分析能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)變軌距轉(zhuǎn)向架通過變軌裝置的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測診斷和故障報(bào)警。研究結(jié)果表明：該系統(tǒng)在列車變軌裝置的狀態(tài)監(jiān)測診斷中切實(shí)有效，具有一定工程應(yīng)用價(jià)值。

(2) 運(yùn)用LabVIEW開發(fā)的軟件監(jiān)測診斷系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)變軌距轉(zhuǎn)向架通過變軌裝置時(shí)的應(yīng)變信號(hào)和輪對(duì)內(nèi)側(cè)距數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、顯示、數(shù)據(jù)保存功能，系統(tǒng)界面良好，可交互性強(qiáng)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。