基于无线传输的机车空转故障检测系统设计

魏 瑾 闫 鸽 吴雪纯

(西安交通工程学院 陕西 西安 710000)

0 引言

近年来，我国经济发展突飞猛进，铁路作为国民经济中的重要因素，承担着重要的运输任务，也面临更严峻的考验。为了满足对铁路货运需求的增加，在我国铁路干线中越来越多地使用大功率交流HXD型电力机车，其在我国货运方面发挥着至关重要的作用[1]。为了保证铁路运输任务的顺利完成，整个运输过程必须做到安全、快速，一般从提高列车运行速度与提高单位列车轴重两方面来完成，但无论采取哪种方法，都必须保证动轮与轨道之间的有效黏着，防止列车出现空转故障[2]。

列车一旦开始运行，其动轮与轨道间的黏着力会被破坏，轮对出现打滑并空转，轻则造成轮对、钢轨的磨损损伤，重则导致列车出现严重交通事故，危及生命安全，且随着列车运行距离的不断增加，经过的地域环境会不断发生改变，导致动轮与轨道之间的黏着力变小，最终导致列车出现空转现象，这不仅增加了铁路运营的维修成本，而且由于环境的多变，对轨面的实时监测与后期的清理也会变得愈加困难，因此检测空转，须从机车本身入手，设计机车空转故障检测系统对列车空转实时监测，并在出现空转时及时采取相应措施加以控制[3]，对保证列车正常安全的运行尤为重要。

1 故障原因分析

空转故障主要有两大类：一类为真正意义上的空转，即真空转，若未能及时做出相应措施抑制空转，会导致轮对发生高速旋转，造成轮轨擦伤并导致轮毂弛缓；另一类是假空转，列车假空转通常因为牵引电机控制系统相关传感器异常而导致频繁调整电流并撒砂所造成，假空转会使得机车牵引力降低，造成机车的途停，因此为了保证列车运行安全，不管发生哪一类空转，均必须及时采取应对措施[4]。

1.1 真空转

若遇到雨雪天气或钢轨表面存在污染物，都会引起列车发生真空转，造成电机与轮对使用寿命降低的真空转的原因主要如下：

(1)速度传感器间隙调整不当。HXD型机车的齿轮在转动时，安装在齿轮箱上的速度传感器通过感应头产生脉冲来测速，若该间隙调整不当，则导致各个轴速度传感器输出的脉冲幅值存在较大差异，该差异会通过检测系统判定列车发生了空转，激活机车空转保护系统，寻找新的黏着点。

(2)司机操作不当。若司机在驾驶列车过程中因操作不当，导致机车在启动时产生较大牵引电流，或手柄指令过高，均会导致电力机车出现真空转。

(3)轮缘喷油量过大。若列车在行驶过程中轮缘喷油装置喷油量过大，使得轨道道岔上出现过多油润，会导致列车黏着系数降低，从而黏着力被破坏，最终导致列车发生真空转[5]。

1.2 假空转

机车上某些硬件设备的连接线或插头出现了松动，或传感器、插件板故障等都会引起机车空转减载，此时称为假空转。造成机车发生假空转的主要原因有：

(1)光电传感器故障。光电传感器类型较多，运用在机车上的主要为TQG15B型。在使用过程中传感器会出现芯片烧损、传感器引出线绝缘破损或接触不良等情况，均会导致速度信号出现异常，检测系统检测到异常信号会判定机车出现假空转。若传感器在使用过程中出现接线盒进水情况，引起线路短路或线路接地等，也会引起假空转。

(2)接线故障。若位于司机室端子排的光电传感器到车辆转向架或电子柜之间的线路出现开路情况，或线路出现绝缘破损的情况，会导致速度信号出现异常或波动，引起假空转[6]。

2 检测系统总体方案

2.1 检测原理

机车各轴的速度由安装在轴头的脉冲速度传感器进行检测，速度传感器在车轴转动一周时产生200个方波脉冲，脉冲信号经过电缆送入电子柜频率变换插件，频率变换插件将各轴对应的方波频率信号成比例地变换成电压信号，送入防空转插件，最后经过模数转换供CPU读取，CPU计算出转向架各轴电压差，依据各轴电压差输出列车是否发生“真空转”或“假空转”。

在大多数情况下，通过频率变换插件将各轴对应的频率信号转换为0～5 V的电压值信号。机车速度信号范围一般介于0～100 km/h，对应电压信号为0～5 V，其中0.5 V时机车速度为10 km/h。判断机车是否发生空转有多种方法，本系统采用电压差判别法，正常情况下四轴电压差绝对值不大于0.1 V。若在机车运行过程中，检测系统检测到某一轴电压值与其他轴电压差绝对值大于0.5 V时，则判定列车发生空转现象，其中若该轴电压信号小于其他任意轴电压信号时，机车发生“假空转”，若该轴电压信号大于其他任意轴电压信号时，机车发生“真空转”。在系统检测到机车发生空转故障时，系统自动记录故障情况与发生故障时间，并在列车发生故障时发出音频报警提示。在进行空转故障检测时，若出现电压信号远超正常范围、电压信号时有时无或无规则的情况，此时应判断相应的动轮发生了“假空转”。

2.2 总体方案设计

本故障检测系统主要由两大部分组成，一部分为由速度传感器、采集模块、单片机、WIFI模块等组成的硬件结构，另一部分为包括数据采集与上位机显示等在内的软件设计，其中软件设计部分主要通过VB.Net与数据库SQL完成，系统总体结构如图1所示。机车各轴转速信号通过速度传感器采集，并将采集的信号输出至采集模块ADAM4117，再由采集模块将信号传输至控制模块STC89C51单片机，最后由WIFI模块将单片机传输来的数据通过无线传输的方式上传至上位机，并在上位机界面进行实时显示。

图1 检测系统整体结构

3 硬件构成及工作原理

空转故障检测系统硬件部分主要由速度传感器、采集模块、单片机、WIFI模块与上位机等组成。

3.1 速度传感器

要实现空转故障检测，首先必须采集速度信号，速度传感器种类众多，由于无源永磁式电磁感应脉冲转速传感器无传动接触、无磨损且简单可靠，因此本系统采用该类传感器。该传感器是一种磁电式转速传感器，永磁材料为铝钴镍，使用过程中不需电源，使用速度范围广。

脉冲转速传感器的磁铁与内部线圈均静止不动，用于测量的齿轮安装在被测旋转物体上，跟随被测物体一起转动，如图2所示。当齿轮随着被测物体转动时，导致传感器内部磁场和磁通量发生变化，使得传感器内部线圈中产生周期性变化的感应电动势，即感应电压，输出频率与转速成正比，该电压信号经过整形调理以脉冲形式输出，通过对脉冲信号进行运算处理即可测出被测物体的转速。

1—齿轮；2—感应线圈；3—软铁；4—永久磁铁。

3.2 采集模块

脉冲转速传感器输出的电压信号，需经过ADAM模块转换成单片机能识别的信号并输出至控制模块单片机。ADAM模块是一类模拟量输入模块，可以实现A/D转换，在工程应用中通常用来采集电压或电流信号，并将采集到的信号转换为RS485信号传输至单片机，在使用过程中，必须给采集模块提供电源。采集模块采集脉冲转速传感器输出的电压信号，并将信号输出到单片机，接线图如图3所示。

图3 采集模块接线图

3.3 单片机

检测系统中控制模块采用STC89C51单片机，该单片机性能好、功耗低，其内部含有可编程Flash存储器与8位CPU，使得STC89C51单片机在各控制领域得到了广泛应用。

单片机与采集模块接线图如图4所示。

图4 单片机接线图

3.4 HLK-M50无线传输模块

系统WIFI模块采用HLK-M50无线传输模块，该模块为基于通用串行接口且符合网络标准的嵌入式模块，其内部含有TCP/IP协议栈，能够实现串口和无线网(WIFI)接口之间的转换，使得串口和网络之间透传数据。通过M50模块，传统的串口设备在不需要更改任何配置的情况下，即可通过Internet网络传输自己的数据。

WIFI模块与STC89C51单片机间的传输信号为RS232，只需保证WIFI模块与上位机连接在同一个局域网，即可实现数据的连续传输，HLK-M50与单片机接线如图5所示。

图5 无线模块接线图

3.5 上位机

上位机采用支持Win7系统的触摸工业平板电脑，其响应速度快，使用寿命长，处理器采用J1800/N2840，主板采用MINI-IT工业主板，含有集成显卡与音频芯片等优点。

3.6 电源

对整个系统的供电设有两套方案，其一可直接采用能量高、使用寿命长的5 V锂电池对系统供电，其二可直接采用列车上的交流220 V电源，经过转换器转换为系统所需的5 V电压。

4 软件设计

检测系统中的软件设计包括对采集模块串口参数的设置、速度信号的采集、故障时的音频报警提示、数据保存等，其中对采集模块串口参数的设置通过测试软件Utility调试，速度信号的采集、上位机显示、故障时的音频报警提示均通过编程软件Visual Basic.Net来编写相关程序。Visual Basic.NET基于微软.NET Framework的编程语言,可编出功能更加强大的Windows程序，简化了编码的过程和出错的机会，使编程更简单、更易维护。

由于检测系统中需要将采集的数据保存方便后续查看，因此系统中采用了数据库SQL，通过对SQL本身的相关设置，且在软件Visual Basic.NET中通过相关编程完成SQL与上位机显示界面的连接，将采集到的速度数据实时保存至数据库SQL中，方便工作人员对列车空转情况的掌握，系统主程序流程图与数据采集流程如图6所示。

图6 程序流程图

5 结论

机车车辆运行的安全性随着机车运行速度的提升面临着更严峻的考验，空转故障的发生对列车运行安全性产生极大威胁。为了能够及时快速地发现列车空转故障，本文通过建立一套基于无线传输的机车空转故障检测系统，根据检测系统记录的速度数据进行空转故障的判断与处理，来促进机车的检修效率与机车运用质量。该检测系统可用于检测HXD型机车空转情况，系统所用硬件体积小，便于携带与安装， 且系统传输方式从传统有线改为无线传输，避免了传统有线传输布线繁琐、成本高的缺点。为了判断速度更快列车的空转情况，可采用精度更高、测量范围更广的速度传感器，对铁路系统中其他型列车空转故障的判断有一定的参考价值。