CN110849614A - 一种高速机车走行部齿轮箱智能监测单元 - Google Patents

一种高速机车走行部齿轮箱智能监测单元 Download PDF

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李盼
宮云杰
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Abstract

本发明公开了一种高速机车走行部齿轮箱智能监测单元，包含底板1、及安装在底板上的电源处理模块2、工业通讯模块3、多类型调理模块4、数据采集模块5、主控制模块6，及与主控制模块相连的高速缓存模块7、数据存储模块8、加密管理模块9和报警指示模块10。在主控制模块6实时计算信号的统计特征，判断是否出现故障；出现故障时，数据存储模块8同时存储原始数据和特征数据，并通过报警指示模块10进行灯光报警；无故障时，数据存储模块8只存储特征数据。智能监测单元采用PXIE总线架构，板卡外形，直接安装在高速机车监测机柜中。该发明具备智能监测、存储与报警功能，适用于高速机车走行部齿轮箱在线监测与健康管理。

Description

一种高速机车走行部齿轮箱智能监测单元
技术领域
本发明属监测诊断领域，具体涉及一种高速机车走行部齿轮箱智能监测单元。
背景技术
随着我国铁路的高速发展，高速列车已经成为中国高端制造业崛起的重要标志。然而，高速列车属于典型复杂机电系统，以分布式、网络化方式集成了机、电、气、热等多个物理域的部件，部件之间以多种物理作用复杂交互，导致故障表现方式高度复杂化。高速列车的维护普遍沿用不计成本保安全的劳动力密集型计划维修体制，已成为制约我国高铁发展乃至出口的瓶颈，为此，铁路维修保障部门特别提出未来维修方式应该在精确掌握列车状态的前提下，逐渐向状态维修体制过渡，从而保障运行安全、提高维修效率，满足国内和海外维修保障需求。
目前，高速列车上的电气元件的控制与监测已趋已成熟，而针对机械部分监测还非常少，主要原因在于机械故障诊断和健康管理的难度非常大。常规的监测设备无法直接在高速列车上使用，无法在特定的空间安装，无法在监测的基础上智能报警，无法满足高速机车的特殊工作条件。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种高速机车走行部齿轮箱智能监测单元，具备智能监测、存储与报警功能，适用于高速机车走行部齿轮箱在线监测与健康管理。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
包含底板1、及安装在底板上的电源处理模块2、工业通讯模块3、多类型调理模块4、数据采集模块5、主控制模块6，及与主控制模块相连的高速缓存模块7、数据存储模块8、加密管理模块9和报警指示模块10。在主控制模块6实时计算信号的统计特征，判断是否出现故障；出现故障时，数据存储模块8同时存储原始数据和特征数据，并通过报警指示模块10进行灯光报警；无故障时，数据存储模块8只存储特征数据。智能监测单元采用PXIE总线架构，板卡外形，直接安装在高速机车监测机柜中。
所述的工业通讯模块3包含RS485、CAN、100/1000M以太网和WiFi，其中RS485、CAN用于多类型调理模块4、数据采集模块5、主控制模块6之间的内部通讯；100/1000M以太网用于智能监测单元与计算机、服务器之间的通讯，在固定站点由智能监测单元主动向服务器发送数据，更新服务器数据库；WiFi用于智能监测单元与无线优盘之间的通讯，保证在不开机柜、不影响列车工作的情况下实现数据的下载。
所述的多类型调理模块4包含电压型调理子模块41、电流型调理子模块42和电阻型调理子模块43，主要实现对模拟信号的调理、放大，使其转化为标准的可直接采集的电压信号。其中电压型调理子模块41，输入为模拟电压信号，由恒流源电路411为电压输出型传感器供电，经交流耦合电路412和阻抗变换电路413将电压量调节至可采集范围，经差分变换电路414将其转化为标准电压输出。电流型调理子模块42输入为4～20mA的电流信号，经电流电压转换电路421将信号转化为电压，经变压隔离电路422转化为标准电压输出。电阻型调理子模块43采用双恒流源调理，一路为激励恒流源电路431，另一路为转换恒流源电路432，经电阻电压转换电路433转为电压信号，经变压隔离电路434转化为标准电压输出。
所述的数据采集模块5，输入标准电压信号，经抗混叠滤波电路51消噪，进入A/D转换电路52转化为数字信号，经ADC FIFO电路53实现循环采集，经双核A9架构ARM处理器54实现数据采集的顺序进行，输出最终的数字信号给主控制模块6。另外，在采集模块5上，DDR端口55用于与电源处理模块2连接，UART端口56用于RS485通信，CAN端口57用于CAN通信。
所述的主控制模块6，输入数字信号，经GTP收发电路61进入数据处理模块62和诊断处理模块63进行数据处理与故障判断，其处理过程由双核A9架构ARM处理器64控制，并根据判断结果进行数据传输、存储与报警响应。其中，在主控制模块6上，DDR端口65用于与电源处理模块2连接，UART端口66用于RS485通信，CAN端口67用于CAN通信，Ethemet端口68用于100/1000M以太网通信，Ethemet端口69用于WIFI通讯。
所述的数据存储模块8，采用8×128GB存储芯片，实现1TB容量的数据存储，用于列车运行和非上传站点停靠时的数据存储。
所述的加密模块9，采用AES 128位加密技术对存储数据加密，保证数据安全。
所述的报警指示模块10，用灯光状态显示主控制模块6的故障诊断结果，有正常、预警、报警等多种状态，同时显示监测单元硬件测试结果，保证设备正常运行。
所述的主控制模块6智能诊断故障的原理为：设计信息录入接口，除正常设置信息外，还录入报警机制；同时对高速列车齿轮箱的振动、温度、转速和油液信号进行实时采集，将一定时间内的数据放入高速缓存区，然后计算时频域的统计特征，与报警机制结合进行故障诊断，判断是否出现故障。当出现故障时，将原始数据和特征数据均保存到数据存储区，并生成故障代码，按照故障代码报警。无故障时，只保存特征数据。
本发明具有下列区别于传统采集器的显著优势：
1)设置多类型调理模块，适应电压、电流、电阻输出的各类传感器，可全面监测高速机车走行部齿轮箱状态。
2)具备智能监测、存储和报警功能，可及时发现齿轮箱故障，保存报警时的原始信号，利于后期的分析与故障溯源。
3)根据高速机车特殊要求设置监测单元的外形和功能，采用WTFI进行移动存储的数据传输，不影响列车工作，适用于高速机车走行部齿轮箱在线监测。
附图说明
图1所示为智能监测单元整体结构图；
图2所示为智能监测单元多类型调理模块；
图3所示为智能监测单元数据采集模块；
图4所示为智能监测单元主控制模块；
图5所示为智能监测单元主控制模块的智能监测原理。
具体实施方式
下面结合附图1至图5对本发明的内容作进一步详细说明：
参考图1，包含底板1、及安装在底板上的电源处理模块2、工业通讯模块3、多类型调理模块4、数据采集模块5、主控制模块6，及与主控制模块相连的高速缓存模块7、数据存储模块8、加密管理模块9和报警指示模块10。在主控制模块6实时计算信号的统计特征，判断是否出现故障；出现故障时，数据存储模块8同时存储原始数据和特征数据，并通过报警指示模块10进行灯光报警；无故障时，数据存储模块8只存储特征数据。智能监测单元采用PXIE总线架构，板卡外形，直接安装在高速机车监测机柜中。
所述的底板1用于电源处理模块2、工业通讯模块3、多类型调理模块4、数据采集模块5、主控制模块6的安装与固定，以及它们之间的内部通讯。
所述的电源处理模块2输入为24VDC，然后将其转化为+24VDC、-24VDC、12VDC、5VDC等不同的电压，为传感器和多类型调理模块4、数据采集模块5、主控制模块6供电。
所述的工业通讯模块3包含RS485、CAN、100/1000M以太网和WiFi，其中RS485、CAN用于多类型调理模块4、数据采集模块5、主控制模块6之间的内部通讯；100/1000M以太网用于智能监测单元与计算机、服务器之间的通讯，在固定站点由智能监测单元主动向服务器发送数据，更新服务器数据库；WiFi用于智能监测单元与无线优盘之间的通讯，保证在不开机柜、不影响列车工作的情况下实现数据的下载。
参考图2，所述的多类型调理模块4包含电压型调理子模块41、电流型调理子模块42和电阻型调理子模块43，主要实现对模拟信号的调理、放大，使其转化为标准的可直接采集的电压信号。其中电压型调理子模块41，输入为模拟电压信号，由恒流源电路411为电压输出型传感器供电，经交流耦合电路412和阻抗变换电路413将电压量调节至可采集范围，经差分变换电路414将其转化为标准电压输出。电流型调理子模块42输入为4～20mA的电流信号，经电流电压转换电路421将信号转化为电压，经变压隔离电路422转化为标准电压输出。电阻型调理子模块43采用双恒流源调理，一路为激励恒流源电路431，另一路为转换恒流源电路432，经电阻电压转换电路433转为电压信号，经变压隔离电路434转化为标准电压输出。在某型号齿轮箱智能监测系统中，电压输出的振动传感器3个，电压输出的油液传感器1个，电流输出的温度传感器2个，电阻输出的温度传感器1个。
在一个实施例中，通过电压型调理子模块41、电流型调理子模块42和电阻型调理子模块43的调理可以将例如电压输出的振动传感器，电压输出的油液传感器，电流输出的温度传感器，电阻输出的温度传感器采集的信号处理得到标准化的电压输出。本发明通过多类型调理模块4能够采集高速机车走行部齿轮箱的相关的所有类型数据。参考图3，所述的数据采集模块5，输入标准电压信号，经抗混叠滤波电路51消噪，进入A/D转换电路52转化为数字信号，经ADC FIFO电路53实现循环采集，经双核A9架构ARM处理器54实现数据采集的顺序进行，输出最终的数字信号给主控制模块6。另外，在采集模块5上，DDR端口55用于与电源处理模块2连接，UART端口56用于RS485通信，CAN端口57用于CAN通信。
参考图4，所述的主控制模块6，输入数字信号，经GTP收发电路61进入数据处理模块62和诊断处理模块63进行数据处理与故障判断，其处理过程由双核A9架构ARM处理器64控制，并根据判断结果进行数据传输、存储与报警响应。其中，在主控制模块6上，DDR端口65用于与电源处理模块2连接，UART端口66用于RS485通信，CAN端口67用于CAN通信，Ethemet端口68用于100/1000M以太网通信，Ethemet端口69用于WiFi通讯。
在某型号高速机车的齿轮箱智能监测系统中，所述的高速缓存模块7存放30s的原始数据。
所述的数据存储模块8，采用8×128GB存储芯片，实现1TB容量的数据存储，用于列车运行和非上传站点停靠时的数据存储。
所述的加密模块9，采用AES 128位加密技术对存储数据加密，保证数据安全。
所述的报警指示模块10，用灯光状态显示主控制模块6的故障诊断结果，有正常、预警、报警等多种状态，同时显示监测单元硬件测试结果，保证设备正常运行。
参考图5，所述的主控制模块6智能诊断故障的原理为：设计信息录入接口，除正常设置信息外，还录入报警机制，对高速列车齿轮箱的振动、温度、转速和油液信号进行实时采集，将30s内的数据存入高速缓存区，然后计算时频域的统计特征，如表1所示，其中FMO和SLF专门为齿轮故障诊断设计。FMO是时域同步平均信号的最大峰峰值与啮合频率及其谐波成分幅值和的比值，可快速诊断齿轮啮合故障；SLF是一阶齿轮啮合频率的左右一阶边频带幅值之和与时域同步平均信号均方根值的比值，用于检测单齿损伤或齿轮轴损伤。将时频域的统计特征与报警机制结合进行故障诊断，判断是否出现故障。当出现故障时，将故障时刻前后各30s、共计60s的原始信号与时频统计特征均保存到数据存储区，并生成故障代码，按照故障代码报警。无故障时，只保存时频特征数据。
表1.统计特征
Figure BDA0002030610220000071
Figure BDA0002030610220000081
为了进一步理解本发明，在一个实施例中，以快速诊断齿轮啮合故障为例，
振动传感器测量齿轮振动参数并以电压形式输出，速度传感器测量齿轮转速并以电流形式输出，多类型调理模块4中电压型子模块41的恒流源电路411为振动传感器供电，经交流耦合电路412和阻抗变换电路413将电压量调节至可采集范围，经差分变换电路414将其转化为标准电压信号输出。速度传感器测量的电流信号输入多类型调理模块4的电流型调理子模块42，经电流电压转换电路421将信号转化为电压，经变压隔离电路422转化为标准电压信号输出。数据采集模块5将上述标准电压信号经由抗混叠滤波电路51消噪，进入A/D转换电路52转化为数字信号，经ADC FIFO电路53实现循环采集，经双核A9架构ARM处理器54实现数据采集的顺序进行，输出最终的数字信号给主控制模块6。主控制模块6输入上述数字信号，将30s内的数字信号数据存入高速缓存模块，然后计算时频域的统计特征数据，经GTP收发电路61进入数据处理模块62和诊断处理模块63进行数据处理与故障判断，其处理过程由双核A9架构ARM处理器64控制，并根据判断结果进行数据传输、存储与报警响应，其中，数据处理模块62进行FMO计算所述原始数字信号数据的统计特征数据，即
Figure BDA0002030610220000082
其中，x(i)为时域信号，pfk齿轮啮合频率的k次谐波的幅值，FMO是时域同步平均信号的最大峰峰值与啮合频率及其谐波成分幅值和的比值，诊断处理模块63将时频域的统计特征数据与报警机制结合进行故障诊断，判断是否出现故障。当出现故障时，将故障时刻前后各30s、共计60s的原始信号与时频统计特征均保存到数据存储区，并生成故障代码，按照故障代码报警。无故障时，只保存时频特征数据。在一个实施例中，报警机制可以通过多次试验得到优化的报警阈值或报警条件。参见表1，其他的故障监测处理过程不再赘述。

Claims (9)

1.一种高速机车走行部齿轮箱智能监测单元，其特征在于：
包含底板1、及安装在底板上的电源处理模块2、工业通讯模块3、多类型调理模块4、数据采集模块5、主控制模块6，及与主控制模块相连的高速缓存模块7、数据存储模块8、加密管理模块9和报警指示模块10，所述多类型调理模块4包含电压型调理子模块41、电流型调理子模块42和电阻型调理子模块43以对模拟信号的调理、放大，使其转化为标准电压信号，所述数据采集模块5输入所述标准电压信号，经抗混叠滤波电路51消噪，进入A/D转换电路52转化为数字信号，经双核A9架构ARM处理器54实现数据采集的顺序进行，输出最终的数字信号给主控制模块6，主控制模块6实时计算数字信号的统计特征以判断是否出现故障；出现故障时，数据存储模块8同时存储原始的数字信号数据和统计特征数据，并通过报警指示模块10进行灯光报警；无故障时，数据存储模块8只存储统计特征数据，智能监测单元采用PXIE总线架构，板卡外形，直接安装在高速机车监测机柜中。
2.根据权利要求1所述的一种高速机车走行部齿轮箱智能监测单元，其特征在于，优选的，所述的工业通讯模块3包含RS485、CAN、100/1000M以太网和WiFi，其中RS485、CAN用于多类型调理模块4、数据采集模块5、主控制模块6之间的内部通讯；100/1000M以太网用于智能监测单元与计算机、服务器之间的通讯，在固定站点由智能监测单元主动向服务器发送数据，更新服务器数据库；WiFi用于智能监测单元与无线优盘之间的通讯。
3.根据权利要求1所述的一种高速机车走行部齿轮箱智能监测单元，其特征在于，所述的主控制模块6，输入数字信号，经GTP收发电路61进入数据处理模块62和诊断处理模块63进行数据处理与故障判断，其处理过程由双核A9架构ARM处理器64控制，并根据判断结果进行数据传输、存储与报警响应。
4.根据权利要求1所述的一种高速机车走行部齿轮箱智能监测单元，其特征在于，数据采集模块5上的DDR端口55用于与电源处理模块2连接，UART端口56用于RS485通信，CAN端口57用于CAN通信。
5.根据权利要求1所述的一种高速机车走行部齿轮箱智能监测单元，其特征在于，在主控制模块6上，DDR端口65用于与电源处理模块2连接，UART端口66用于RS485通信，CAN端口67用于CAN通信，Ethemet端口68用于100/1000M以太网通信，Ethemet端口69用于WiFi通讯。
6.根据权利要求1所述的一种高速机车走行部齿轮箱智能监测单元，其特征在于，所述的数据存储模块8采用8×128GB存储芯片，实现1TB容量的数据存储，用于列车运行过程中的数据存储。
7.根据权利要求1所述的一种高速机车走行部齿轮箱智能监测单元，其特征在于，所述的加密管理模块9，采用AES 128位加密技术对存储数据加密，保证数据安全。
8.根据权利要求1所述的一种高速机车走行部齿轮箱智能监测单元，其特征在于，所述的报警指示模块10，用灯光状态显示主控制模块6的故障诊断结果，同时显示监测单元硬件测试结果，保证设备正常运行。
9.根据权利要求1所述的一种高速机车走行部齿轮箱智能监测单元，其特征在于，所述的主控制模块6对高速列车齿轮箱的振动、温度、转速和油液信号进行实时采集，将一定时间内的原始的数字信号数据放入高速缓存区，然后计算时频域的统计特征，与报警机制结合进行故障诊断，判断是否出现故障，当出现故障时，将原始的数字信号数据和统计特征数据均保存到数据存储区，并生成故障代码，按照故障代码报警，无故障时，只保存统计特征数据。
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