基于加速度传感器的一种轮缘润滑控制策略研究

王冬冬

(中国铁道科学研究院 金属及化学研究所， 北京 100081)



基于加速度传感器的一种轮缘润滑控制策略研究

王冬冬

(中国铁道科学研究院 金属及化学研究所， 北京 100081)

为实现轮缘与钢轨之间的优化润滑，华宝轮缘润滑提出一种控制策略，即在定时喷脂基础上，通过检测机车车体横向振动信号实现在曲线线路上选择性的单侧加量喷脂润滑，为了验证该控制策略的有效性，设计了一套机车振动信号采集装置。本采集装置以微处理器C8051F020为控制核心，以锂电池供电，通过加速度传感器ADXL203检测机车振动信号，并将数据存储于Micro SD卡中。装车试验后的数据分析表明：通过检测基于加速度传感器的机车车体振动信号可以识别曲线线路，并可实现有选择性的单侧加量喷脂润滑。

轮缘润滑; 机车振动; 加速度传感器; MicroSD卡

近年来铁路运输不断发展，提速重载机车逐渐成为货运主力，随着轴重增加，运行速度稳步提高，行车密度加大，机车运用效率不断提高，其轮轨磨耗也日益突出[1]。列车用轮轨润滑装置可以明显减少这种磨损, 大大延长车轮和钢轨的使用寿命, 减少能源的不必要损耗, 减少机车车辆和线路维修工作。华宝轮缘润滑提出一种控制策略：在定时喷脂的基础上，通过检测基于加速度传感器的机车车体横向振动信号，能够实现在曲线线路上有选择性的单侧加量喷脂。该控制策略的实现将优化现有的控制模式，使轮缘与钢轨的减磨效果更好。该控制策略的详细描述为：当机车运行在直线线路时为定时喷脂；当机车运行在曲线线路时，由于速度与线路超高不匹配，或为过超高或为欠超高运行时机车单侧车轮磨耗严重，此时应为单侧加量喷脂模式；当机车运行在曲线线路时，速度与线路超高匹配，此时仍为定时喷脂。为了验证该控制策略能够实现，设计了一套机车振动信号采集装置，后续的数据分析也说明了基于加速度传感器的机车车体振动信号能够识别曲线线路，并能实现有选择性的单侧加量喷脂。

1 采集装置硬件设计

1.1 装置组成与结构

本装置由加速度传感器、信号调理电路、主控制器及A/D转换模块、Micro SD存储电路、同步时钟电路及电源管理模块组成，装置结构框图如图1所示。

其中C8051F020作为装置主控制器，其内部集成了I2C、SPI、12位A/D转换器、4个可位寻址的I/O口以及25MPIS的最高速度，使C8051F020完全胜任数据采集的操作。

采用加速度传感器ADXL203来检测机车振动信号，且ADXL203为两轴加速度传感器，可分别测量机车的纵向和横向振动信号，纵向振动信号用于判断机车运行和停止工况，横向振动信号用于实现轮缘润滑控制策略。传感器的量程为±1.7g，精度为1 mg。ADXL203采用先进的MEMS技术, 由一个利用表面微机械加工的多晶体硅机构和一个差动电容器组成[2]。在加速度的作用下, 多晶体硅结构会产生偏移, 于是就会拉动电容的运动极板滑动使电容值发生变化, 最终导致输出电压变化, 利用这个原理, 就可以通过差动电容检测到加速度的变化, 加速度值与输出电压成正比。

ADXL203既可以测量静态加速度, 也可以测量动态加速度, 其最小带宽为 0.5 Hz, 最大带宽可以达到2 500 Hz, 其满足下面的关系式:

(1)

式中Rf为集成在芯片内部为 32 kΩ的电阻;Cf为滤波器电容。由于列车横向振动能量主要集中在低频段1～10 Hz[3]，故本系统的采样带宽选择为50 Hz，由式(1)计算得到滤波电容值Cf=0.1 μF。

为了便于离线数据分析，采样数据每隔1 min添加1次时间分钟数值，装置需要时钟芯片，DS1302是DALLAS公司生产的一种具有涓细电流充电能力的低功耗实时时钟芯片，其内部有一个实时时钟、日历和31字节的静态RAM，可对年、月、日、周、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿等多种功能，为该采集装置的数据提供准确可靠的时间参数。

电源转换电路能够实现由锂电池提供的12 V电压转换成其它器件所需的3.3 V和5 V电压，发光二极管用来显示装置运行过程中的各种状态，用来判断装置是否正常运行。

下面重点介绍信号调理电路和Micro SD存储电路。

图1 机车振动信号采集装置结构框图

1.2 信号调理电路

信号调理电路原理图如图2所示，主要作用是对传感器输出的模拟信号进行放大、滤波等处理，以获取用户所需并能满足A/D 转换芯片要求的信号。由于加速度传感器输出的模拟电压信号最高可到4.2 V，已经超过C8051F020的A/D输入电压要求，故采用由电压跟随器配合电阻分压电路组成的信号调理电路实现A/D采样。电压跟随器可以解决由传感器到A/D采样的阻抗匹配问题，提高A/D驱动能力。在分压电阻的选择上，设计中选择了1MΩ的大电阻进行分压，这样做的好处也是为了提高系统的输入阻抗，减小由于输入阻抗过低对加速度信号的影响。

图2 信号调理电路

1.3 Micro SD存储电路

由于采样装置安装在机车上，振动能量较强，也为了节省电路板空间，选用质量较轻，体积较小的MicroSD作为存储介质。MicroSD卡支持两种通信模式，分别是SD模式与SPI模式。由于所选控制器C8051F020具有SPI硬件接口，支持SPI模式，只需要简单配置软件参数就可实现与MicroSD卡进行通信。

MicroSD卡与C8051F020硬件接口电路如图3所示，在SPI模式下通信共需要连接4根信号线，分别连接：同步时钟信号CLK与P0.0、信号输出MISO与P0.1、信号输入MOSI与P0.2、片选信号线CD/DA与P0.3。3.3V的工作电压与单片机供电电压兼容。为了提高MicroSD卡读写数据时的可靠性，在尽量靠近SD卡的供电电源引脚处使用0.1 μF去耦电容；第一引脚和第八引脚通过10 kΩ上拉电阻与电源相连。

图3 Micro SD卡接口电路

2 软件设计

采样装置的软件采用C语言编程，模块式设计，主要有主循环程序，AD采样程序，SD卡读写程序，时钟读取程序，fat文件系统程序等。为保证数据精度，设定该采集装置两个通道(横向与纵向振动信号)的采样频率为500 Hz，是加速度传感器有效数据带宽的10倍。

2.1 软件主程序

该采集装置的软件流程图如图4所示，初始化程序先对处理器的时钟，SPI通信，ADC采样及I/O端口进行设置，ADC采用定时器3中断的方式进行采样，定时器3的特殊功能寄存器设定值如下所示：

TMR3CN=0X06;∥允许定时器3，且使用系统时钟

TMR3RLL = 0X34;∥定时器3重载寄存器低字节

TMR3RLH = 0X53;∥定时器3重载寄存器高字节

处理器晶振频率为22.118 4 MHz，采样频率为500 Hz，即定时器周期为2 ms，重载值由式(2)计算得出：

(2)

α=0X5334，即为所需重载值。

需要注意的是，在进行数据实时传输时，为解决处理器读入和写出数据时的速度不匹配问题，还需要设置一块专门的数据缓存区，以250个数据为一组，对数据进行缓冲存入，避免写入到Micro SD卡时丢掉数据。在主循环中还需检测时钟芯片DS1302的时间值是否发生变化，当增加整1 min时，即在采样数据中插入一个时间值，便于后续的数据分析。

图4 软件主流程图

2.2 中断服务程序

ADC中断服务流程图如图5所示，采用定时器3以2 ms时间间隔作为中断源进入AD采样程序，分别采集加速度传感器两轴数据，将采集到的数据先存入缓存数据中，当单轴数据个数达到250个时，即0.5 s时置位标志位，将缓存中的数据存入Micro SD卡中。

3 采集试验及数据分析

将该采集装置安装到HXN5机车上对车体振动进行数据采集，机车实际运行区间为兴安岭站到西岭口站，采集得到的原始数据如图6所示。X坐标轴为采样数据的点数，Y坐标轴为加速度传感器横向振动幅值。从检测数据可以得出车体最大振动幅值为1.2g。

所检测的原始数据中包含大量的高频成分，为了直观地反映振动数据与线路的对应关系，需要对数据进行滤波处理。使用Matlab工具箱对原始数据进行低通滤波，所选滤波器为巴特沃斯低通滤波器，滤波参数为：采样频率Fs=500，通带频率Fpass=15，阻带频率Fstop=20，截止频率对应的衰减系数Astop=80，经过滤波后的数据如图7所示，X坐标轴表示采样数据的点数，Y坐标轴表示加速度传感器横向振动幅值。从图7中可以得出下列有效信息：

图5 中断采样流程图

(1)中点示数值为2 048，表示加速度值为0g，所反映的实际工况是：机车运行在直线线路上，或在曲线线路上机车运行速度与线路超高相匹配，此时轮缘与钢轨磨耗较低，不需要单侧加量喷脂；

(2)示数值大于或者小于2 048，表现为向上或者向下的弯曲段，所反映的实际工况是：机车运行在曲线线路上，机车运行速度与线路超高不匹配，此时机车一侧轮缘与钢轨磨耗严重，需要进行单侧加量喷脂。

为了验证所采集到数据的有效性，添乘了试验机车，在添乘过程中，通过视频记录仪拍摄机车运行监控屏显，监控屏上实时显示机车运行速度与走行线路数据。所拍摄的视频与采样装置中的数据在时间上是一一对应的。将视频中的运行速度值与线路数据通过Matlab软件显示在同一幅图中，如图8所示。为便于分析将时间值转换成对应采样装置中采样数据的点数示于X坐标轴上，Y坐标轴表示速度值。图8中虚线表示机车速度曲线，实线表示机车走行线路示意图，所示线路图向上弯曲表示机车右拐进入曲线线路，向下弯曲表示机车左拐进入曲线线路，所标的数字表示曲线半径。

通过图7与图8对比可以得出以下结论：

(1)该采集装置所采集的机车振动数据经过滤波处理后与实际线路数据对应良好，即通过机车振动信号能够识别曲线线路；

(2)图7中标识为“振动1”对比图8中标识为“曲线1”部分，表示机车右拐进入半径为600的小曲线线路，机车速度为30 km/h，所检测得到的振动数值大于2 048，为过超高运行，此时机车前进方向的右侧进行加量喷脂；

(3)图7中标识为“振动2”对比图8中标识为“曲线2”部分，表示机车左拐进入半径为560的小曲线线路，机车速度为28 km/h，所检测得到的振动数值小于2 048，为过超高运行，此时机车前进方向的左侧进行加量喷脂；

(4)图7中标识为“振动3”对比图8中标识为“曲线3”部分，表示机车左拐进入半径为3 000的大曲线线路，机车速度40 km/h，由于速度与线路超高相匹配，振动数值在2 048附近，此时机车不需要单侧加量喷脂。

图6 车上原始振动数据

图7 振动数据经15 Hz滤波后波形

图8 速度与线路图

4 采样装置安装时需注意的地方

在实际采样过程中需要注意以下几点：

(1)由于采样装置安装在机车各处，振动情况比较恶劣，所安装的锂电池需要加以固定，可以采用双面胶粘贴于采样装置底板内侧；

(2)采样装置上较大电解电容及晶振等器件采用专用胶加以固定；

(3)采样装置选择能够代表机车实际运行工况的位置进行安装，比如机车底板正中间位置。

5 结束语

华宝轮缘润滑提出一种控制策略，以定时喷脂为基础，通过检测机车车体横向振动信号识别曲线线路，并有选择性的实现单侧加量喷脂，应用所设计的采集装置进行装车试验，试验数据表明该控制策略可以实现。所提出的控制策略和所设计的硬件结构对后续实现产品化有积极作用。

[1] 刘颖鑫，武小鹏，杨兴宽.HB-3型轮轨润滑装置及其应用[J].铁道机车车辆,2012,32(2):71-75.

[2] 彭 涛,姚伯威.基于 DSP 的数字式 MEMS 加速度传感器 ADXL203 的设计与应用 [J].微计算机信息,2006,22(10-2):308-309.

[3] 李广军，金炜东.列车横向加速度传感器的误差补偿[J].计算机工程与应用,2012,48(5):15-18.

The Research of a Flange Lubrication Control Strategy Based on Acceleration Sensor

WANGDongdong

(Metals & Chemistry Research Institute，China Academy of Railway Sciences， Beijing 100081， China)

In order to realize the optimization of lubrication between the flange and rail, HB wheel flange lubrication put forward one control strategy, based on the timing injection, implementation of unilateral plus the amount of spray lipid lubrication in the curve on the line through the selective detection of locomotive transverse vibration signal, in order to verify the effectiveness of the proposed control strategy, a set of vibration signal acquisition was designed. Data acquisition device based on microprocessor C8051F020 as the control core, the lithium battery, the acceleration sensor ADXL203 to detecting the vibration signal, and the data stored in the micro SD card. After testing, the data analysis shows that: the detection of vibration signal of locomotive based on acceleration sensor can identify the curve line, and can realize additional spray lipid lubrication selectivity.

wheel flange lubrication; locomotive vibration; acceleration sensor; card of micro SD

��)男，助理研究员(

2016-03-27)

1008-7842 (2016) 05-0057-05

U260.71

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2016.05.12