高速動車組電機及齒輪箱監測系統的研究和應用
2016-09-13劉少龍
（上海鐵路局上海動車段）
摘 要：在對高速動車組電機及齒輪箱監測系統的特點和構成介紹的基礎上，通過對系統的安裝和檢測布點的分析，提出了監測系統的可行性實施方案。
關鍵詞：動車組；監測系統；應用
牽引電機軸承和齒輪箱軸承是影響動車組高速運行的關鍵因素。為了進一步掌握動車組正式運營后這些設備的運行狀態，如溫度、加速度、震動等信息，跟蹤研究其發展趨勢，需要選擇典型運用動車組的典型車輛增加監測系統，進行長期的觀察運行和對記錄數據進行統計分析。所加裝系統獨立于動車組系統以外，定期讀取監測數據，分析這些部件的運行狀態。
1 監測系統的特點
（1）可監測動車每個轉向架的牽引電機非傳動端軸承處溫度、垂向、橫向振動加速度、電機表面溫度、振動，齒輪箱溫度、振動；（2）監測系統采用分散的無線網絡系統，可根據測點分布分區域加裝監測模塊，各監測模塊之間以及和主機之間通過無線網絡相連，只需給各模塊提供電源即可，加裝非常方便；（3）完全獨立于動車組控制系統，即使監測系統出現故障，也不會擴散或影響動車組的運行；（4）數據下載和監測方便，甚至可通過互聯網監測所有加裝監測設備的動車組的數據，數據刷新間隔為1s。
2 總體方案說明
運行監測方案的具體實施方案如下。（1）在動車組車內安裝一個無線局域網主機。（2）動車組車頂安裝1個GPS天線，構成GPRS無線移動網。（3）選擇兩輛動車加裝系統，該動車每個轉向架附近各安裝一套獨立的無線監測發射裝置。該裝置實時監測記錄牽引電機和齒輪箱的溫度、振動、應力數據。（4）無線局域網主機、4個無線監測發射裝置構成一個WLAN無線局域網，所有檢測數據在無線局域網主機匯總，可通過以下方式進行數據監視或下載。數據下載后，通過地面分析系統可根據歷史數據進行趨勢判斷，起到對設備狀態的預警功能。（5）運行檢測系統構成如圖1。
牽引電機軸承和齒輪箱軸承是影響動車組高速運行的關鍵因素。為了進一步掌握動車組正式運營后這些設備的運行狀態，如溫度、加速度、震動等信息，跟蹤研究其發展趨勢，需要選擇典型運用動車組的典型車輛增加監測系統，進行長期的觀察運行和對記錄數據進行統計分析。所加裝系統獨立于動車組系統以外，定期讀取監測數據，分析這些部件的運行狀態。
1 監測系統的特點
（1）可監測動車每個轉向架的牽引電機非傳動端軸承處溫度、垂向、橫向振動加速度、電機表面溫度、振動，齒輪箱溫度、振動；（2）監測系統采用分散的無線網絡系統，可根據測點分布分區域加裝監測模塊，各監測模塊之間以及和主機之間通過無線網絡相連，只需給各模塊提供電源即可，加裝非常方便；（3）完全獨立于動車組控制系統，即使監測系統出現故障，也不會擴散或影響動車組的運行；（4）數據下載和監測方便，甚至可通過互聯網監測所有加裝監測設備的動車組的數據，數據刷新間隔為1s。
2 總體方案說明
運行監測方案的具體實施方案如下。（1）在動車組車內安裝一個無線局域網主機。（2）動車組車頂安裝1個GPS天線，構成GPRS無線移動網。（3）選擇兩輛動車加裝系統，該動車每個轉向架附近各安裝一套獨立的無線監測發射裝置。該裝置實時監測記錄牽引電機和齒輪箱的溫度、振動、應力數據。（4）無線局域網主機、4個無線監測發射裝置構成一個WLAN無線局域網，所有檢測數據在無線局域網主機匯總，可通過以下方式進行數據監視或下載。數據下載后，通過地面分析系統可根據歷史數據進行趨勢判斷，起到對設備狀態的預警功能。（5）運行檢測系統構成如圖1。
3 監測系統構成
（1）分布于齒輪箱和電機上的傳感器將數據傳送到車下無線監測發射裝置，發射裝置通過局域網發送到車上乘務員室局域網主機，再通過GPS或GPRS天線發送出去。
（2）監測系統設備組成。①無線監測發射裝置。車下無線監測發射裝置采用防水型鋁合金機箱，各種接口也是防水型接插件。安裝于車下每臺轉向架周圍。每列車四個，每個動車各兩個。②GPS天線。GPS天線安裝于其中一輛動車的車外頂部。③車上無線局域網主機。車上無線局域網主機采用液晶屏，顯示分辨率為800×600，五線電阻式觸摸屏，STX嵌入式CPU，產品美觀堅固，抗震性好，電磁屏蔽性好。車上無線局域網主機安裝于其中一輛動車的乘務員室內。④GPRS裝置和電源集成箱。GPRS天線裝置和電源集成箱采用鋁合金機箱，各種接口也是接插件結構。
4 檢測布點
牽引電機檢測。
（1）檢測布點（每個轉向架）。
溫度檢測：共4點，每臺電機各2點，檢測非傳動端軸承處溫度、電機表面溫度。
振動檢測：共4點，每臺電機各4點，分別檢測非傳動端軸承處的垂向和橫向振動，及傳動端軸承的垂向和橫向振動。
（2）檢測點布置圖。
非傳動端軸承溫度及振動檢測點布置見圖2。利用安裝螺栓，將溫度及振動的合成元件裝入螺栓中。
（1）分布于齒輪箱和電機上的傳感器將數據傳送到車下無線監測發射裝置，發射裝置通過局域網發送到車上乘務員室局域網主機，再通過GPS或GPRS天線發送出去。
（2）監測系統設備組成。①無線監測發射裝置。車下無線監測發射裝置采用防水型鋁合金機箱，各種接口也是防水型接插件。安裝于車下每臺轉向架周圍。每列車四個，每個動車各兩個。②GPS天線。GPS天線安裝于其中一輛動車的車外頂部。③車上無線局域網主機。車上無線局域網主機采用液晶屏，顯示分辨率為800×600，五線電阻式觸摸屏，STX嵌入式CPU，產品美觀堅固，抗震性好，電磁屏蔽性好。車上無線局域網主機安裝于其中一輛動車的乘務員室內。④GPRS裝置和電源集成箱。GPRS天線裝置和電源集成箱采用鋁合金機箱，各種接口也是接插件結構。
4 檢測布點
牽引電機檢測。
（1）檢測布點（每個轉向架）。
溫度檢測：共4點，每臺電機各2點，檢測非傳動端軸承處溫度、電機表面溫度。
振動檢測：共4點，每臺電機各4點，分別檢測非傳動端軸承處的垂向和橫向振動，及傳動端軸承的垂向和橫向振動。
（2）檢測點布置圖。
非傳動端軸承溫度及振動檢測點布置見圖2。利用安裝螺栓，將溫度及振動的合成元件裝入螺栓中。
5 數據的采集與讀取
數據的讀取與分析通過“車輛無線傳感器網絡--列車無線局域網--地面遠程監控”的多層次結構來完成。
車下無線監測發射裝置，負責加速度信號及溫度信號的采集與本地保存，加速度信號的采樣頻率為256Hz，溫度信號的采樣頻率為1Hz。加速度數據每秒進行一次處理，包括信號預處理、數字低通濾波、計算加速度信號的Z大值、均值、均方根值、主要振動頻率等，同時，將數據處理結果上傳至車上無線局域網主機。
車上無線局域網主機負責匯集各無線監測發射裝置的數據，并顯示各無線監測發射裝置上傳的數據及特定參數的變化趨勢曲線，顯示方案為分屏顯示各轉向架的監測數據，一個轉向架上各測點的溫度及加速度統計量以數字形式顯示在同一屏上，點擊顯示數據可彈出相應的變化趨勢曲線圖。同時，將匯集的數據以1包/s的速率通過GPRS向地面車下主機發送，以便地面人員實時掌握列車的運行安全狀況。
車下監視設備（安裝監測軟件的電腦）負責接收車上無線局域網主機通過GPRS傳回的各測點的監測結果，并將監測結果保存于相應的數據庫中，同時可進行與車上主機相同的顯示。車下監視系統可以根據歷史數據進行趨勢判斷，對設備狀態進行預警監控。當列車回庫時，車下監視設備可通過無線局域網讀取保存于各無線監測發射裝置本地的加速度采樣原始數據，以進行事后的分析處理。
6 結語
以上監測方案在現有動車組上的應用，既可以利用無線局域網，在車內的便攜式電腦上進行監視或下載，又可以在動車組入庫后通過無線局域網直接下載數據，且在動車組運行過程中也可通過無線移動網絡在任何地點進行監視。對于掌握動車組電機和齒輪箱的運行狀態，跟蹤研究其發展趨勢，提供了一個便捷的平臺。
參考文獻
[1]鄭驪.檢測與裝換技術[M].北京：化學工業出版社，2009.
[2]朱一迪.海南東環鐵路增開中國Z新一代高速動車組[J].機車電傳動，2011（2）：49.
數據的讀取與分析通過“車輛無線傳感器網絡--列車無線局域網--地面遠程監控”的多層次結構來完成。
車下無線監測發射裝置，負責加速度信號及溫度信號的采集與本地保存，加速度信號的采樣頻率為256Hz，溫度信號的采樣頻率為1Hz。加速度數據每秒進行一次處理，包括信號預處理、數字低通濾波、計算加速度信號的Z大值、均值、均方根值、主要振動頻率等，同時，將數據處理結果上傳至車上無線局域網主機。
車上無線局域網主機負責匯集各無線監測發射裝置的數據，并顯示各無線監測發射裝置上傳的數據及特定參數的變化趨勢曲線，顯示方案為分屏顯示各轉向架的監測數據，一個轉向架上各測點的溫度及加速度統計量以數字形式顯示在同一屏上，點擊顯示數據可彈出相應的變化趨勢曲線圖。同時，將匯集的數據以1包/s的速率通過GPRS向地面車下主機發送，以便地面人員實時掌握列車的運行安全狀況。
車下監視設備（安裝監測軟件的電腦）負責接收車上無線局域網主機通過GPRS傳回的各測點的監測結果，并將監測結果保存于相應的數據庫中，同時可進行與車上主機相同的顯示。車下監視系統可以根據歷史數據進行趨勢判斷，對設備狀態進行預警監控。當列車回庫時，車下監視設備可通過無線局域網讀取保存于各無線監測發射裝置本地的加速度采樣原始數據，以進行事后的分析處理。
6 結語
以上監測方案在現有動車組上的應用，既可以利用無線局域網，在車內的便攜式電腦上進行監視或下載，又可以在動車組入庫后通過無線局域網直接下載數據，且在動車組運行過程中也可通過無線移動網絡在任何地點進行監視。對于掌握動車組電機和齒輪箱的運行狀態，跟蹤研究其發展趨勢，提供了一個便捷的平臺。
參考文獻
[1]鄭驪.檢測與裝換技術[M].北京：化學工業出版社，2009.
[2]朱一迪.海南東環鐵路增開中國Z新一代高速動車組[J].機車電傳動，2011（2）：49.
來源：《科技資訊》2015年06期