单轨列车水平轮无线内压监测装置的应用研究

刘俊坤 何万顺

摘 要：单轨列车水平轮无线内压监测装置是用一套电子测量设备取代了原有的凭经验判断或者用机械式气压表测量轮胎气压的装置。重庆市单轨列车采用橡胶轮胎与轨道接触，水平轮用来保证单轨列车的平衡及引导行车方向，因此轮胎的气压正常与否关系着行车安全。一套既可以准确测量轮胎的内压又有很好实时性的装置—单轨列车水平轮无线内压监测装置就应运而生。本文对单轨列车水平轮无线内压监测装置的原理、功能特点、可推广性进行了研究。

关键词：无线；单轨列车；内压监测装置；水平轮

重庆采用的跨坐式单轨技术来源于日本，其主要特点是采用单根轨道支撑、稳定和导向。车辆的转向架装有走行轮和水平轮两种充气橡胶轮胎，水平轮的作用是平衡列车过弯的向心力，稳定转向架的运行，是单轨列车运行的关键设备，在日常检修时水平轮的内压需要进行检查以确保其运行的稳定安全，如果采用一套实时监测内压的系统将大大减少人工操作，提高效率，同时对其运行的实时胎压进行监测也能更好的保证单轨列车的运行安全。基于安全与效率的考虑，研究和推广无线内压监测装置在单轨水平轮上的应用是非常必要的。

1 单轨列车水平轮无线内压监测装置的原理

单轨列车水平轮无线内压监测装置是针对轨道交通单轨车辆设计开发的一套轮胎内压在线实时检测系统。该系统由发射器、中继器、车载显示器组成。由安装在轮胎的气门嘴上的发射器自动检测轮胎内的内压、温度以及发射器内电池电压等参数，通过无线信号传输到安装在车上的中继器。中继器自动接收数据信息并进行处理分析，正常时每两分钟转发一次处理后的数据信息。当接收到有漏气等异常状况信息时，立即转发相关数据信息，安装在驾驶室内的车载显示器实时接收中继器发来的数据信息并直观地显示出来，与此同时车载显示器通过GPRS移动网络将检测数据以及相关信息每隔3分钟定时上传至远程服务器。网内客户终端通过远程服务器可以实时观察车辆轮胎内压、轮胎温度以及电池电压等参数的变化情况，以便实时掌控在线运行车辆的每个车胎运行情况，对超过设定阈值的参数将发出异常报警提示并记录存储，其主要原理图如下图所示：

1.1 发射器的工作原理

发射器每隔4秒检测一次压力、温度、电池电压；胎压正常时，每隔两分钟发射两帧数据；胎压过低时，每30秒发射两帧数据；漏气时，2分钟内，任何一次监测漏气累计超过0.3bar，连续发射10帧数据。

1.2 中继器的工作原理

中继器一旦接收到发射器的信号，LED1指示灯就会跳变（亮灭交替），接收模块会对刚收到的信号进行判断，如果发射器的ID号对应于该中继器内存储的ID号某一ID号，LED2就会跳变（亮灭交替），存储该次接收到的数据，并分析该次接收到的数据，如果出现漏气，就立即通过串口RS232把数据传给ZIGBEE模块，ZIGBEE把数据上传给驾驶室的显示器，如果收到的数据正常，接收模块每隔两分钟发一次数据给ZIGBEE模块，ZIGBEE模块在把数据上传到显示器，如果是漏气，延迟0.8秒立即通过ZIGBEE模块发送到显示器。

1.3 车载显示器的工作原理

时刻接收中继器发过来的数据，收到异常的轮胎数据，就马上报警，报警情况有漏气，低电压、高温、信号异常，监视器可以设置压力、温度的报警阀值。

2 单轨列车水平轮无线内压监测装置的功能特点

2.1 结构性能

（1）在传感器的结构方面，采用标准的气门嘴固定方式，并加深和加长了螺纹，在与原车气嘴形成更牢固的结合关系，保证产品在实际运行中不产生脱落、松懈等现象。

（2）气门嘴顶气位置抛弃了原有的塑胶与原车气芯的接触方式，采用更先进的铜柱顶气方式，同时，气嘴密封位置采用耐高温、耐摩擦、耐腐蚀的盯氰胶，且为特定制作，保证了产品感受气压时的通透性，并保证产品在运行过程中不产生气嘴处漏气的情况。

（3）传感器PCBA沉入底座腔内，在底座腔内及PCBA打上树脂，保证PCBA与底座之间不产生漏气现象。

（4）耐压性能方面，使每个传感器在20kg的气压下，承受气压1分钟，测量出在此时间内产生漏气的产品，以保证出厂的每个传感器均能承受高压，并在高压唤醒不产生漏气现象。

（5）在成品测试阶段，将传感器通气压20kg的情况下，同时将传感器完全浸泡在清水内，测试传感器的防水性能。

2.2 电气性能

（1）传感器功耗。由于传感器睡眠电流在0.4uA，发射电流在保证发射功率输出的情况下仅7mA，并采用正常气压与异常气压分开发射机制，因此，可保证产品电池寿命在2年以上；同时产品设计为电池可更换特性，利用专用工具打开产品外壳，可很容易更换电池，且更换时间不会超过2分钟。

（2）高频性能。传感器输出功率5dbm，中继器接收灵敏度-110dbm，输出功率10dbm，显示主机接收灵敏度-80dbm，保证高频信号的可靠性。

（3）抗静电措施。中继器和显示主机内部采用多种防静电干扰元器件（比如防雷管、磁珠等）同时内部含有自恢复保险丝，可保证不会对车内系统产生干扰及破坏。

2.3 功能可靠性能

（1）测量误差可靠性措施：采用美国GE胎压检测专用传感器进行对轮胎内部的气压测量（内部集成温度校正），可保证测量误差控制在20kpa以内。

（2）人机界面可靠性措施：人机界面采用4.3寸TFT256色显示，对48个轮胎气压进行全方位展示，当某个轮胎出现故障时，可清晰的指示出对应轮胎的位置以及故障类型；此措施保证司机能快速、明确的做出相关预防措施。

（3）系统本身的自检功能措施：系统内部含有对自身的自检措施，可第一时间通知使用者设备本身的状况。

（4）故障记录特性：系统每2分钟将所有测试记录上传到服务器，便于后续检查维护及其他相关维护。

3 单轨列车水平轮无线内压监测装置的可推广性

整个系统研发并测试合格后，分兩个阶段在重庆轨道三号线303车进行装车实际运行试验。

第一阶段：在303车选择两节车厢安装该系统试用，在线实际运行两个月，验证了无线胎压系统能否及时准确地监测轮胎胎压实时状况以及发现胎压异常时能否及时报警等基本性能，并对无线胎压信号传输稳定性以及系统各部件工作的可靠性进行检验和测试。

第二阶段：进一步验证系统的基本功能和性能以及工作稳定性和可靠性，并且对在第一阶段试运行过程中发现的所有问题和客户提出的建议完成整改和完善。

经过两个阶段的实际运行，该系统累计在线实际运行一年多，行驶里程达16万余km，系统运行稳定，能够实时准确地检测各个轮胎的内压、温度等参数，未发现发射器松动，脱落，漏气，及中继器松动现象，胎压检测数据准确，漏气，气压低等异常情况能及时报警，后台远程监控界面友好，操作方便，报警、统计和分析等功能及时便捷。

基于以上分析和验证，单轨列车水平轮无线内压监测装置性能稳定性、可靠性基本能满足单轨列车的使用要求，单轨列车水平轮无线内压监测装置可进入推广阶段。

4 推广应用时应考虑的研究方向

（1）除了发射器到中继器采用无线通信以外，系统内的各部件之间的通信可尽量考虑采用有线连接，提高数据传输的准确性和可靠度；

（2）中继器的位置可考虑安装到列车转向架上，使其可以更好的接受发射器的信号；

（3）中继器传输出来的数据可考虑直接进入列车的TMS（监控）系统。

参考文献

[1]林春梅，杨云，黄祖宁.基于Zigbee的无线传感器网络在铁路上的新应用[J].电气化铁道，2013，（6）：41-44.

[2]李刚.胶轮路轨系统车辆的发展与运用概况[J].铁道机车车辆，2013，（5）：53-58.

[3]王喜军，武长海.悬挂式单轨交通信号系统方案研究[J].铁道通信信号，2012，48（10）：13-16.

（作者单位：1.重庆市轨道交通（集团）有限公司；2.东莞市诺丽电子科技有限公司）