cRIO平台的轨道车辆运输中状态监测系统的研究①

顾树伟, 谷郎野, 张海沧

(中车长春轨道客车股份有限公司，吉林 长春 130062)

0 引 言

随着我国社会经济的快速发展和城市化水平的提高，轨道交通已成为大中城市居民出行的重要方式[1]。轨道车辆生产商将所生产车辆交付业主过程中，经常受各种条件制约而采用部分或全部公路运输，运输过程中的轨道车辆牵引电机处于停止转动状态，其主轴轴承下表面在运输中长时间承受大质量主轴体的垂向振动冲击，极易发生疲劳损伤。目前，国内外对车辆运输中的振动研究的主要集中在车辆发动机、驾驶舱及车身的悬置系统设计[2～4]，弹药类危险品运输监测及模型分析[5～8]等。刘书琼等人分析了轨道车辆在运输过程中的受力情况导致电机失效问题，并据此提出了相应的防护方案[9～11]，但仍局限于原有的收紧带固定等常规运输方法，而对于轨道车辆运输中的状态监测及振动影响未做实际测量及分析。以美国NI仪器公司的cRIO系统为平台，对公路运输中的轨道车辆的电机振动、运输卡车的速度及行驶道路的路面质量等参数进行关联性监测，分析运输过程与电机主轴轴承疲劳损伤之间的关系。统计分析了哈尔滨地铁1号线运输(中车长春轨道客车厂-哈尔滨地铁车辆段)中的监测数据，为进一步深入研究电机主轴轴承疲劳损伤的形成及影响提供一定的数据基础。

1 系统总体设计

1.1 硬件架构

系统由2部网络摄像机，GPS天线，加速度计，cRIO数据采集控制系统和中控计算机等组成，如图1所示：

图1 轨道车辆运输振动监测系统结构图

运输车辆中安装GPS天线，GPS天线通过GPS控制器以串口与中控计算机连接，波特率可以达到115200。数据实时上传到中控计算机进行解析，并对对应的位置和速度等信息进行记录。

加速度计的主要作用是检测轨道车辆的牵引电机的振动情况，一共有4支，如图2所示。其中两支垂直安装在轨道车辆电机外壳的表面，水平及垂直方向加速度计分别用来检测轨道车辆电机水平和垂直两个方向的振动情况；另外两支垂直地安装在轨道车辆电机主轴的表面，用来检测轨道车辆电机主轴在运输过程中的振动情况。

振动数据由NI公司的cRIO系统进行采集和预处理，并实时上传到中控计算机进行进一步处理，获得振动的数据矢量。

运输车辆装配两部摄像头，一部放在运输车辆前部，对路面长时间摄录，作为事后的对照；另一部放在运输车辆后部，对准经过的路面，在振动超过设定的阈值后触发，对道路拍照，从而获得产生较大振动位置的路面图像，方便人为比对，分析振动产生的原因。

中控计算机用于接收上传数据，进行处理，并根据处理结果控制摄像机拍照，另外进行数据的实时显示和记录。

1.2 控制软件架构

系统中软件包括cRIO中的数据采集和预处理软件，以及中控计算机中的集中控制和数据处理软件。中控计算机采用多线程并行控制方式接收cRIO、GPS和网络摄像机等传来的数据，所有数据在中控计算机中进行后期处理，并根据处理结果进行显示和保存。中控计算机中软件流程图如图3所示：

步骤如下：

① 接收GPS数据和cRIO传来的振动数据并进行解析；

② 判断振动是否超过阈值，如果超过阈值，则给后部摄像机发送命令，抓拍图像并保存；

③ 实时显示振动曲线，利用第三方绘图控件，显示综合振动幅度和各幅度分量；

④ 按照固定格式保存数据，其中格式为自定义，主要是为了后期数据分析方便。

其中，GPS采用的是主动发送模式，只要连接到串口就定期向中控计算机发送，中控计算机接收之后进行解析，得到速度和位置等信息；在cRIO中以10ksps的频率接收振动数据，为了减少高频干扰，每10个数据进行平均，因此实际的采样率为1ksps，4个通道的数据以自定义的格式进行打包，通过网络传送到中控计算机；中控计算机接收到数据后，按照定义的格式进行解析，获得每通道的振动信号，然后利用公式(1)计算得到振动合成矢量的幅值：

(1)

其中Vibration1,v，Vibration1,h，Vibration2,v和Vibration2,h分别为电机壳体的垂直和水平方向振动幅度以及电机主轴的垂直及水平方向振动幅度。

图2 加速度计的安装固定位置及工装

如果振动合成矢量ComposedVector幅度超过指定的阈值，则中控计算机向后部摄像机发送命令，抓拍路面图像。这种大幅度的振动多数都是由路面上的坑或鼓包引起的，在此过程中，为了保证能够比较准确地抓拍到异常路面，采用了自动延时抓拍技术，即根据运输车辆的当前运行速度、加速度计和摄像机直接的距离以及网络摄像机的反应速度确定每次抓拍的延迟时间。

图3 中控计算机的软件流程图

2 实验结果分析

实验选用哈尔滨地铁1号线运输(中车长春轨道客车厂-哈尔滨地铁车辆段)为监测对象，由于市区路段和高速公路在路面质量、车辆行驶速度及平稳性方面存在较大差异，分别选取了12min的市区和高速路段的监测数据进行了对比处理和分析。

图4a和b分别为市区和高速路段的车辆行驶速度及振动合成矢量的时域图谱。市区内行驶车辆频繁启停，速度分布在0-55km/h之间，振动合成矢量起伏较大；高速路段车辆行驶平稳，速度分布在55-75km/h之间。振动合成矢量背景幅值较大，整体高于市区内行驶中的振动水平。

图4 车辆行驶速度及振动合成矢量的时域图谱：a)市区，b)高速路段

图5为市区和高速路段振动合成矢量功率谱密度图，该图谱由市区和高速路段的时域振动合成矢量数据经傅立叶变换获得，表现为市区及高速路段的振动合成矢量主要能量集中在20Hz左右，推测该频率来自于由卡车及轨道车辆组成的弹性振动系统的自然频率，对比市区及高速路段振动的功率谱密度，高速路段各频点能量密度均高于市区水平，尤其是50Hz以上频点。

图5 市区和高速路段振动合成矢量功率谱密度图

图6为市区和高速路段不同速度区间的振动合成矢量平均值，表现为高速路段振动水平远高于市区振动，市区低速行驶路段，振动合成矢量与车辆行驶速度呈近似线性关系；振动合成矢量随车辆运行速度的增加先降后升，平均时速60km/h左右振动强烈，推测为公路车辆驾驶员在发现路面质量出现异常，刹车后的通过速度。

图6 市区和高速路段不同速度区间的振动合成矢量平均值

3 结 论

设计的轨道车辆运输中的状态监测系统由2部网络摄像机、GPS天线、加速度计、cRIO数据采集控制系统和中控计算机等组成，通过对哈尔滨地铁1号线运输(中车长春轨道客车厂-哈尔滨地铁车辆段)的监测，获得了运输卡车的速度、路面质量及电机振动等关联性数据。分析结果表明：振动合成矢量的能量主要集中在20Hz频点附近，市区内的车辆运行速度与车辆振动水平大体呈线性关系，高速路段的振动较市区更为剧烈。运输监测实验结果表明了所设计系统的有效性及实用性。