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25K(T)型客車空氣彈簧泄漏在線檢測(cè)裝置研究

鄭箭峰1，王小明2

(1.南昌鐵路局 總工程師室，江西 南昌 330002；

2.華東交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江西 南昌 330013)

摘要:為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)直達(dá)特快旅客列車運(yùn)行過程中空氣彈簧泄漏，防止因此而導(dǎo)致的車輛運(yùn)行失穩(wěn)，設(shè)計(jì)了空氣彈簧泄漏在線檢測(cè)裝置。該裝置包括無線壓力傳感器模塊、車載數(shù)據(jù)接收裝置和PC機(jī)分析軟件等3部分，無線壓力傳感模塊置于25K(T)型客車空氣彈簧尼龍摩擦座內(nèi)，實(shí)時(shí)記錄被測(cè)氣囊壓力值，能將保存的壓力數(shù)據(jù)和傳感器模塊安裝地點(diǎn)(車號(hào)、氣囊編號(hào)等)、傳感器狀態(tài)、電池電壓、時(shí)間等信息通過Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)傳送給車載數(shù)據(jù)接收裝置，從而實(shí)現(xiàn)空氣彈簧壓力檢測(cè)和泄漏故障報(bào)警。

關(guān)鍵詞：鐵道車輛；空氣彈簧；泄漏；ZigBee技術(shù)；檢測(cè)

1研究背景

為了滿足列車運(yùn)行平穩(wěn)性和舒適性要求，解決空重車車鉤高度差較大的問題，25K型快速客車和25T提速客車轉(zhuǎn)向架廣泛應(yīng)用了空氣彈簧懸掛系統(tǒng)。由于受氣候條件、線路狀況，以及空氣彈簧懸掛系統(tǒng)部件本身質(zhì)量等綜合因素影響，在車輛運(yùn)行一段時(shí)間后空氣彈簧本體會(huì)產(chǎn)生各種故障[1]。以25T提速客車SYS580型空氣彈簧為例(如圖1)，其由上蓋、橡膠囊、支承座、橡膠堆和節(jié)流閥及尼龍座等組成。根據(jù)我們對(duì)南昌車輛段配屬的25K(T)型客車空氣彈簧運(yùn)用、檢修故障情況的調(diào)查，該段全年25K(T)型客車空氣彈簧主要故障為空氣彈簧漏風(fēng)、橡膠堆故障以及膠囊老化變形等，其中空氣彈簧漏風(fēng)為主要故障，占該型客車全年各類故障總數(shù)的64.8%。

1-上蓋；2-橡膠囊；3-支承座；4-橡膠堆；5-節(jié)流閥；6-尼龍座；7-無線壓力傳感器圖1　內(nèi)含無線壓力傳感器的SYS580型空氣彈簧Fig.1 SYS580 air suspension with wireless pressure sensor

旅客列車運(yùn)行途中，如果空氣彈簧膠囊破裂，影響正常制動(dòng)時(shí)，根據(jù)旅客列車車輛乘務(wù)員一次出乘作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，車輛乘務(wù)員需要在停車情況下進(jìn)行處理；空氣彈簧漏風(fēng)時(shí)，若不及時(shí)處理，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致客車轉(zhuǎn)向架搖枕橫向位移，使車輛運(yùn)行失穩(wěn)。出現(xiàn)這種情況下，若不影響正常制動(dòng)，可一次運(yùn)行到終點(diǎn)站進(jìn)行處理。同時(shí)要根據(jù)《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》有關(guān)規(guī)定及時(shí)通知機(jī)車乘務(wù)員限速運(yùn)行[2]。目前，編入直達(dá)特快、快速旅客列車大部分為25K(T)型客車。當(dāng)直達(dá)特快旅客列車運(yùn)行途中發(fā)生空氣彈簧出現(xiàn)泄漏時(shí)，尤其是空氣彈簧膠囊破裂，影響正常制動(dòng)時(shí)，由于途中不進(jìn)行技術(shù)作業(yè)，車輛乘務(wù)員、機(jī)車乘務(wù)員無法在第一時(shí)間及時(shí)發(fā)現(xiàn)空氣彈簧泄漏、控制列車限速運(yùn)行，從而影響列車的運(yùn)行安全；當(dāng)快速旅客列車途中發(fā)生空氣彈簧漏氣時(shí)，只有?？吭谟辛袡z作業(yè)的車站通過列檢人員利用“聽”和“摸”等傳統(tǒng)方法來判斷囊體是否破損漏氣，空氣彈簧上蓋板與膠體間是否密封不良等。由于列車停車時(shí)間短，車站環(huán)境噪聲較大，檢車員無法及時(shí)從列車頭至尾部準(zhǔn)確排查和正確處理故障。因此有必要對(duì)直達(dá)特快、快速旅客列車25K(T)型客車的空氣彈簧泄漏情況進(jìn)行在線檢測(cè)。為此，本文提出了一種基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的空氣彈簧壓力測(cè)量技術(shù)方案。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)、原理與設(shè)計(jì)目標(biāo)

結(jié)合始發(fā)、運(yùn)行途中和終到站車輛乘務(wù)員車下作業(yè)和車內(nèi)巡視的特點(diǎn)，25K(T)型客車檢修規(guī)程有關(guān)A3修對(duì)空氣彈簧檢修技術(shù)要求，在設(shè)計(jì)“25K(T)型客車空氣彈簧泄漏在線檢測(cè)裝置”(以下簡(jiǎn)稱：在線檢測(cè)裝置)總體方案時(shí)，重點(diǎn)是解決電池單獨(dú)供電的無線壓力傳感器如何在超低功耗情況下，使電池使用壽命達(dá)到客車檢修A3修周期(2～2.5a)。因此，參考文獻(xiàn)[3]和[4]，將“在線檢測(cè)裝置”設(shè)計(jì)成由無線壓力傳感器、車載接收主機(jī)(或手持機(jī))及PC機(jī)數(shù)據(jù)分析軟件等3個(gè)部分組成的系統(tǒng)(如圖2所示)。

圖2　在線檢測(cè)裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Online monitoring device system structure

系統(tǒng)無線壓力傳感器內(nèi)置于空氣彈簧內(nèi)，由紐扣式鋰電池(電壓為3.6 V，容量為1.7 Ah)、壓力傳感器和ZigBee無線模塊等組成；車載接收主機(jī)(或手持機(jī))安裝在每輛客車乘務(wù)室側(cè)壁上(圖3)，電路由LCD屏、LPC3250、RTC時(shí)鐘電路、存儲(chǔ)電路、接口電路和無線接收系統(tǒng)及電源電路等組成。無線壓力傳感器將測(cè)得的壓力數(shù)據(jù)保存在本地，當(dāng)接收到車載接收主機(jī)(或手持機(jī))無線信號(hào)時(shí)，立即自動(dòng)組網(wǎng)并將保存在本地的諸如傳感器編號(hào)(車輛安裝位置)、時(shí)間、傳感器狀態(tài)、當(dāng)前壓力值、壓力變化值等信息傳送給車載接收主機(jī)(或手持機(jī))；車載接收主機(jī)(或手持機(jī))即可進(jìn)行顯示，相鄰車廂車載接收主機(jī)可以相互間通信，也可以按接龍的方式將數(shù)據(jù)從車頭部傳到車尾部，或通過USB線或U盤將接收到的信息下載到地面PC機(jī)利用軟件進(jìn)行分析處理，以便向用戶提供維修決策支持。

圖3　在線檢測(cè)裝置安裝客車上的示意圖Fig.3 Online monitoring device mount on the passenger train

綜合考慮該在線檢測(cè)裝置的安裝、使用和維護(hù)等方面的實(shí)際需求，該裝置應(yīng)具有如下功能：

(1)無線壓力傳感器具有超低功耗、低成本、電池續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、重量輕、體積小等特點(diǎn)。在不改變空氣彈簧結(jié)構(gòu)，不影響空氣彈簧日常使用的情況下可以通過密封膠固定在空氣彈簧尼龍座特制的方孔內(nèi)(見圖1)，具有密封防水功能，能在-40～85℃正常工作；在接收到車載接收主機(jī)(或手持機(jī))休眠信號(hào)后即進(jìn)入休眠狀態(tài)，或相鄰3只空氣彈簧壓力均與大氣壓力一致時(shí)延時(shí)一定時(shí)間后休眠；在收到車載數(shù)據(jù)接收機(jī)(或手持機(jī))的激活信號(hào)后，或空氣彈簧壓力值大于大氣壓力時(shí)退出休眠狀態(tài)并實(shí)時(shí)傳送氣囊當(dāng)前壓力、紐扣電池當(dāng)前電壓值、傳感器當(dāng)前狀態(tài)、無線壓力傳感器編號(hào)等信息。

(2)車載數(shù)據(jù)接收機(jī)(或手持機(jī))除接收、顯示已鏈接的無線壓力傳感器傳送的數(shù)據(jù)外，可以對(duì)已鏈接的傳感器編號(hào)進(jìn)行修改，可以按時(shí)間段向用戶提供歷史數(shù)據(jù)瀏覽，包括壓力變化曲線圖等；可以與其他車輛接收機(jī)組網(wǎng)，查詢數(shù)據(jù)；還可以通過UBS線與PC機(jī)聯(lián)機(jī)或U盤下載數(shù)據(jù)等。

(3)車載數(shù)據(jù)接收機(jī)(或手持機(jī))具有較強(qiáng)的抗干擾性，采用DC24V供電和外置天線，通過增大發(fā)射信號(hào)功率，提高接收信號(hào)靈敏度以增加系統(tǒng)傳輸距離，確保每節(jié)車廂車載數(shù)據(jù)接收機(jī)之間以及車載數(shù)據(jù)接收機(jī)與附近轉(zhuǎn)向架4只空氣彈簧內(nèi)的無線壓力傳感器之間無線網(wǎng)絡(luò)可靠鏈接。

2.2系統(tǒng)硬件

因受篇幅限制，本文僅對(duì)無線壓力傳感器電路設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)要說明。

2.2.1無線壓力傳感器

ZigBee是一組基于IEEE批準(zhǔn)通過的802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。主要應(yīng)用于低復(fù)雜度、低數(shù)據(jù)傳輸速率和低功耗的設(shè)備，可以一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)，多點(diǎn)串聯(lián)的快速組網(wǎng)[5-6]。TI公司ZigBee射頻芯片CC2430含有1個(gè)8位的8051微控制器內(nèi)核， 8 KB的SRAM和32/64/128 KB的閃存，8路輸入和可配置分辨率的12位ADC，具有外部中斷或?qū)崟r(shí)時(shí)鐘喚醒、電池電壓監(jiān)視、看門狗等功能，電源電壓范圍為2.0～3.6 V，電流消耗小(當(dāng)微控制器內(nèi)核運(yùn)行在32 MHz時(shí)，Rx為27 mA，Tx為25 mA；定時(shí)睡眠狀態(tài)時(shí)電流只有0.9 μA)，工作溫度-40～+85 ℃，小尺寸QLP封裝(7 mm×7 mm)。該芯片作為RF收發(fā)器時(shí)，它可以工作于全球通用的2.4 GHz頻段，可編程的輸出功率高達(dá)4.5 dBm[7-8]。因此，選用CC2430作為系統(tǒng)的RF收發(fā)器，不僅可以大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而且可以滿足系統(tǒng)超低功耗、低成本、工作時(shí)間長(zhǎng)、重量輕、體積小等設(shè)計(jì)需求。

CC2430芯片外圍晶振時(shí)鐘、射頻輸入/輸出匹配電路如圖4所示[9]，2個(gè)石英諧振器(XTAL1和XTAL2)和4個(gè)電容C1～C4分別構(gòu)成32 MHz和32.768 kHz晶振電路。電路中的非平衡天線與一個(gè)非平衡變壓器連接，該非平衡變壓器由電容C5，電感L1，L2，L3和一個(gè)PCB微波傳輸線組成，可以滿足RF輸入/輸出匹配電阻50 Ω的要求。

圖4　無線壓力傳感器CC2430外圍電路Fig.4 Peripheral circuits of wireless pressure sensor CC2430

選用壓力傳感器也應(yīng)符合低功耗的設(shè)計(jì)原則。CM5541為表面貼封混合元件，它包括一個(gè)壓阻硅微機(jī)械傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器接口集成電路，其圓形不銹鋼帽里面采用防水白色硅膠密封，傳感器從硅膠正面感應(yīng)壓力?？捎糜跐撍O(shè)備，移動(dòng)水深測(cè)量等。CM5541芯片內(nèi)含1個(gè)16位AD轉(zhuǎn)換器，模塊內(nèi)部?jī)?chǔ)存有6個(gè)補(bǔ)償參數(shù)，0～14 bar絕壓測(cè)量范圍，分辨率為1.2 mbar，電壓范圍為2.2～3.6 V，工作溫度是-40～+85 ℃，尤為重要的是該芯片可以被編程在低功耗掉電方式下工作。因此，選用CM5541芯片作為壓力傳感器不僅簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，而且進(jìn)一步降低了系統(tǒng)功耗。圖5為該壓力傳感器的外接電路，通過運(yùn)放與CC2430相連[10]。

圖5　壓力傳感器放大電路Fig.5 Amplifier circuits of pressure sensor

無線壓力傳感器采用ABS工程材料進(jìn)行封裝，頂面開一小孔，傳感器白色硅膠正面通過這小孔感受壓力。為了方便內(nèi)置于空氣彈簧尼龍座孔內(nèi)，無線壓力傳感器外形尺寸設(shè)計(jì)為長(zhǎng)×寬×厚=35 mm×35 mm×15 mm。

2.3系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件包括電路軟件和PC機(jī)數(shù)據(jù)分析軟件，電路軟件包括車載數(shù)據(jù)接收機(jī)和無線壓力傳感器軟件。

圖6　車載數(shù)據(jù)接收機(jī)控制流程Fig.6 Board data receiver control processes

車載數(shù)據(jù)接收機(jī)軟件功能主要包括參數(shù)設(shè)置、實(shí)時(shí)曲線顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、報(bào)警畫面、終到站和休眠指令管理及數(shù)據(jù)下載管理等。一列旅客列車按18輛編組，用戶可以通過任意車載數(shù)據(jù)接收機(jī)查詢其他車廂的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和報(bào)警信息。每個(gè)車載數(shù)據(jù)接收機(jī)可以自動(dòng)判斷車輛是否進(jìn)庫整備或檢修或終到車站，并向相鄰的空氣彈簧傳感器發(fā)送休眠指令，以減少傳感器紐扣電池的電量消耗。具體控制流程見圖6。數(shù)據(jù)接收機(jī)與無線溫度傳感器節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)，數(shù)據(jù)發(fā)送控制等具體控制流程分別見圖7和圖8。

PC機(jī)數(shù)據(jù)分析軟件采用VB6.0.net進(jìn)行開發(fā)，主要包括數(shù)據(jù)下載、數(shù)據(jù)庫管理、數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)維護(hù)等模塊。數(shù)據(jù)下載和數(shù)據(jù)庫管理模塊用于數(shù)據(jù)接收機(jī)數(shù)據(jù)下載，并以所要求的格式存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中；數(shù)據(jù)分析模塊用于下載數(shù)據(jù)的分析，可顯示每輛客車每只膠囊壓力參數(shù)列表、歷史數(shù)據(jù)(見圖9)等。

圖7　網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)控制流程Fig.7 Flow chart of building network node

圖8　數(shù)據(jù)發(fā)送控制流程Fig.8 Flow chart of data transmission

圖9　數(shù)據(jù)瀏覽Fig.9 Data browsing

3結(jié)語

1)該裝置安裝于一列18輛編組25K(T)型客車時(shí)，每輛客車車載數(shù)據(jù)接收機(jī)可以與其他客車上的無線壓力傳感器組成ZigBee網(wǎng)絡(luò)；

2)該裝置ZigBee網(wǎng)絡(luò)與FSK、ASK和跳頻的數(shù)傳電臺(tái)相比，具有更好的抗干擾能力，而且無線數(shù)據(jù)傳輸靈活、網(wǎng)絡(luò)通信安全可靠；

3)該裝置無線壓力傳感器由于采用Zigbee模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，分離元器件少，而且運(yùn)行于低功耗模式，故壓力傳感器體積小、重量輕、使用壽命長(zhǎng)，可滿足25K(T)型客車A3修的周期(約3a)；

4)該裝置可以提前發(fā)現(xiàn)空氣彈簧泄漏，防止漏檢漏修情況發(fā)生，尤其在直達(dá)列車上有推廣意義。

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Research on air spring leakage online detection device of 25K(T) passenger train

ZHENG Jianfeng1, WANG Xiaoming2

(1. Nanchang Railway Bureau Chief Engineer Room, Nanchang 330002, China;

2. College of Mechanical and Electrical Engineering, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China)

Abstract：In order to discover the air spring leakage of running passenger train, and prevent operation instability, the air spring leakage online detection device was designed in this respect. The device includes wireless pressure sensor module, on-board data receiver and PC analysis software. The wireless pressure sensor module is installed below the air spring to record the pressure values, and then the relevant information is sent to the on-board data receiver by Zigbee, such as pressure value, installed location (car numbers, airbag numbers, etc), sensor status, battery voltage, time, etc. As a consequence, this device realizes the detection of pressure value and leakage warning.

Key words：railway vehicle; air spring; leakage; ZigBee technology; detection

中圖分類號(hào)：U279

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-7029(2015)01-0166-05

通訊作者：鄭箭峰(1965-)，男，江西上饒人，高級(jí)工程師，從事機(jī)車車輛檢測(cè)和應(yīng)用研究；E-mail：jfzheng38@126.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51465016)

*收稿日期：2014-06-22