基于加速度傳感器的一種輪緣潤滑控制策略研究

王冬冬

(中國鐵道科學研究院 金屬及化學研究所， 北京 100081)

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基于加速度傳感器的一種輪緣潤滑控制策略研究

王冬冬

(中國鐵道科學研究院 金屬及化學研究所， 北京 100081)

為實現(xiàn)輪緣與鋼軌之間的優(yōu)化潤滑，華寶輪緣潤滑提出一種控制策略，即在定時噴脂基礎上，通過檢測機車車體橫向振動信號實現(xiàn)在曲線線路上選擇性的單側加量噴脂潤滑，為了驗證該控制策略的有效性，設計了一套機車振動信號采集裝置。本采集裝置以微處理器C8051F020為控制核心，以鋰電池供電，通過加速度傳感器ADXL203檢測機車振動信號，并將數(shù)據(jù)存儲于Micro SD卡中。裝車試驗后的數(shù)據(jù)分析表明：通過檢測基于加速度傳感器的機車車體振動信號可以識別曲線線路，并可實現(xiàn)有選擇性的單側加量噴脂潤滑。

輪緣潤滑; 機車振動; 加速度傳感器; MicroSD卡

近年來鐵路運輸不斷發(fā)展，提速重載機車逐漸成為貨運主力，隨著軸重增加，運行速度穩(wěn)步提高，行車密度加大，機車運用效率不斷提高，其輪軌磨耗也日益突出[1]。列車用輪軌潤滑裝置可以明顯減少這種磨損, 大大延長車輪和鋼軌的使用壽命, 減少能源的不必要損耗, 減少機車車輛和線路維修工作。華寶輪緣潤滑提出一種控制策略：在定時噴脂的基礎上，通過檢測基于加速度傳感器的機車車體橫向振動信號，能夠實現(xiàn)在曲線線路上有選擇性的單側加量噴脂。該控制策略的實現(xiàn)將優(yōu)化現(xiàn)有的控制模式，使輪緣與鋼軌的減磨效果更好。該控制策略的詳細描述為：當機車運行在直線線路時為定時噴脂；當機車運行在曲線線路時，由于速度與線路超高不匹配，或為過超高或為欠超高運行時機車單側車輪磨耗嚴重，此時應為單側加量噴脂模式；當機車運行在曲線線路時，速度與線路超高匹配，此時仍為定時噴脂。為了驗證該控制策略能夠實現(xiàn)，設計了一套機車振動信號采集裝置，后續(xù)的數(shù)據(jù)分析也說明了基于加速度傳感器的機車車體振動信號能夠識別曲線線路，并能實現(xiàn)有選擇性的單側加量噴脂。

1 采集裝置硬件設計

1.1 裝置組成與結構

本裝置由加速度傳感器、信號調理電路、主控制器及A/D轉換模塊、Micro SD存儲電路、同步時鐘電路及電源管理模塊組成，裝置結構框圖如圖1所示。

其中C8051F020作為裝置主控制器，其內部集成了I2C、SPI、12位A/D轉換器、4個可位尋址的I/O口以及25MPIS的最高速度，使C8051F020完全勝任數(shù)據(jù)采集的操作。

采用加速度傳感器ADXL203來檢測機車振動信號，且ADXL203為兩軸加速度傳感器，可分別測量機車的縱向和橫向振動信號，縱向振動信號用于判斷機車運行和停止工況，橫向振動信號用于實現(xiàn)輪緣潤滑控制策略。傳感器的量程為±1.7g，精度為1 mg。ADXL203采用先進的MEMS技術, 由一個利用表面微機械加工的多晶體硅機構和一個差動電容器組成[2]。在加速度的作用下, 多晶體硅結構會產生偏移, 于是就會拉動電容的運動極板滑動使電容值發(fā)生變化, 最終導致輸出電壓變化, 利用這個原理, 就可以通過差動電容檢測到加速度的變化, 加速度值與輸出電壓成正比。

ADXL203既可以測量靜態(tài)加速度, 也可以測量動態(tài)加速度, 其最小帶寬為 0.5 Hz, 最大帶寬可以達到2 500 Hz, 其滿足下面的關系式:

(1)

式中Rf為集成在芯片內部為 32 kΩ的電阻;Cf為濾波器電容。由于列車橫向振動能量主要集中在低頻段1～10 Hz[3]，故本系統(tǒng)的采樣帶寬選擇為50 Hz，由式(1)計算得到濾波電容值Cf=0.1 μF。

為了便于離線數(shù)據(jù)分析，采樣數(shù)據(jù)每隔1 min添加1次時間分鐘數(shù)值，裝置需要時鐘芯片，DS1302是DALLAS公司生產的一種具有涓細電流充電能力的低功耗實時時鐘芯片，其內部有一個實時時鐘、日歷和31字節(jié)的靜態(tài)RAM，可對年、月、日、周、時、分、秒進行計時，且具有閏年補償?shù)榷喾N功能，為該采集裝置的數(shù)據(jù)提供準確可靠的時間參數(shù)。

電源轉換電路能夠實現(xiàn)由鋰電池提供的12 V電壓轉換成其它器件所需的3.3 V和5 V電壓，發(fā)光二極管用來顯示裝置運行過程中的各種狀態(tài)，用來判斷裝置是否正常運行。

下面重點介紹信號調理電路和Micro SD存儲電路。

圖1 機車振動信號采集裝置結構框圖

1.2 信號調理電路

信號調理電路原理圖如圖2所示，主要作用是對傳感器輸出的模擬信號進行放大、濾波等處理，以獲取用戶所需并能滿足A/D 轉換芯片要求的信號。由于加速度傳感器輸出的模擬電壓信號最高可到4.2 V，已經超過C8051F020的A/D輸入電壓要求，故采用由電壓跟隨器配合電阻分壓電路組成的信號調理電路實現(xiàn)A/D采樣。電壓跟隨器可以解決由傳感器到A/D采樣的阻抗匹配問題，提高A/D驅動能力。在分壓電阻的選擇上，設計中選擇了1MΩ的大電阻進行分壓，這樣做的好處也是為了提高系統(tǒng)的輸入阻抗，減小由于輸入阻抗過低對加速度信號的影響。

圖2 信號調理電路

1.3 Micro SD存儲電路

由于采樣裝置安裝在機車上，振動能量較強，也為了節(jié)省電路板空間，選用質量較輕，體積較小的MicroSD作為存儲介質。MicroSD卡支持兩種通信模式，分別是SD模式與SPI模式。由于所選控制器C8051F020具有SPI硬件接口，支持SPI模式，只需要簡單配置軟件參數(shù)就可實現(xiàn)與MicroSD卡進行通信。

MicroSD卡與C8051F020硬件接口電路如圖3所示，在SPI模式下通信共需要連接4根信號線，分別連接：同步時鐘信號CLK與P0.0、信號輸出MISO與P0.1、信號輸入MOSI與P0.2、片選信號線CD/DA與P0.3。3.3V的工作電壓與單片機供電電壓兼容。為了提高MicroSD卡讀寫數(shù)據(jù)時的可靠性，在盡量靠近SD卡的供電電源引腳處使用0.1 μF去耦電容；第一引腳和第八引腳通過10 kΩ上拉電阻與電源相連。

圖3 Micro SD卡接口電路

2 軟件設計

采樣裝置的軟件采用C語言編程，模塊式設計，主要有主循環(huán)程序，AD采樣程序，SD卡讀寫程序，時鐘讀取程序，fat文件系統(tǒng)程序等。為保證數(shù)據(jù)精度，設定該采集裝置兩個通道(橫向與縱向振動信號)的采樣頻率為500 Hz，是加速度傳感器有效數(shù)據(jù)帶寬的10倍。

2.1 軟件主程序

該采集裝置的軟件流程圖如圖4所示，初始化程序先對處理器的時鐘，SPI通信，ADC采樣及I/O端口進行設置，ADC采用定時器3中斷的方式進行采樣，定時器3的特殊功能寄存器設定值如下所示：

TMR3CN=0X06;∥允許定時器3，且使用系統(tǒng)時鐘

TMR3RLL = 0X34;∥定時器3重載寄存器低字節(jié)

TMR3RLH = 0X53;∥定時器3重載寄存器高字節(jié)

處理器晶振頻率為22.118 4 MHz，采樣頻率為500 Hz，即定時器周期為2 ms，重載值由式(2)計算得出：

(2)

α=0X5334，即為所需重載值。

需要注意的是，在進行數(shù)據(jù)實時傳輸時，為解決處理器讀入和寫出數(shù)據(jù)時的速度不匹配問題，還需要設置一塊專門的數(shù)據(jù)緩存區(qū)，以250個數(shù)據(jù)為一組，對數(shù)據(jù)進行緩沖存入，避免寫入到Micro SD卡時丟掉數(shù)據(jù)。在主循環(huán)中還需檢測時鐘芯片DS1302的時間值是否發(fā)生變化，當增加整1 min時，即在采樣數(shù)據(jù)中插入一個時間值，便于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析。

圖4 軟件主流程圖

2.2 中斷服務程序

ADC中斷服務流程圖如圖5所示，采用定時器3以2 ms時間間隔作為中斷源進入AD采樣程序，分別采集加速度傳感器兩軸數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)先存入緩存數(shù)據(jù)中，當單軸數(shù)據(jù)個數(shù)達到250個時，即0.5 s時置位標志位，將緩存中的數(shù)據(jù)存入Micro SD卡中。

3 采集試驗及數(shù)據(jù)分析

將該采集裝置安裝到HXN5機車上對車體振動進行數(shù)據(jù)采集，機車實際運行區(qū)間為興安嶺站到西嶺口站，采集得到的原始數(shù)據(jù)如圖6所示。X坐標軸為采樣數(shù)據(jù)的點數(shù)，Y坐標軸為加速度傳感器橫向振動幅值。從檢測數(shù)據(jù)可以得出車體最大振動幅值為1.2g。

所檢測的原始數(shù)據(jù)中包含大量的高頻成分，為了直觀地反映振動數(shù)據(jù)與線路的對應關系，需要對數(shù)據(jù)進行濾波處理。使用Matlab工具箱對原始數(shù)據(jù)進行低通濾波，所選濾波器為巴特沃斯低通濾波器，濾波參數(shù)為：采樣頻率Fs=500，通帶頻率Fpass=15，阻帶頻率Fstop=20，截止頻率對應的衰減系數(shù)Astop=80，經過濾波后的數(shù)據(jù)如圖7所示，X坐標軸表示采樣數(shù)據(jù)的點數(shù)，Y坐標軸表示加速度傳感器橫向振動幅值。從圖7中可以得出下列有效信息：

圖5 中斷采樣流程圖

(1)中點示數(shù)值為2 048，表示加速度值為0g，所反映的實際工況是：機車運行在直線線路上，或在曲線線路上機車運行速度與線路超高相匹配，此時輪緣與鋼軌磨耗較低，不需要單側加量噴脂；

(2)示數(shù)值大于或者小于2 048，表現(xiàn)為向上或者向下的彎曲段，所反映的實際工況是：機車運行在曲線線路上，機車運行速度與線路超高不匹配，此時機車一側輪緣與鋼軌磨耗嚴重，需要進行單側加量噴脂。

為了驗證所采集到數(shù)據(jù)的有效性，添乘了試驗機車，在添乘過程中，通過視頻記錄儀拍攝機車運行監(jiān)控屏顯，監(jiān)控屏上實時顯示機車運行速度與走行線路數(shù)據(jù)。所拍攝的視頻與采樣裝置中的數(shù)據(jù)在時間上是一一對應的。將視頻中的運行速度值與線路數(shù)據(jù)通過Matlab軟件顯示在同一幅圖中，如圖8所示。為便于分析將時間值轉換成對應采樣裝置中采樣數(shù)據(jù)的點數(shù)示于X坐標軸上，Y坐標軸表示速度值。圖8中虛線表示機車速度曲線，實線表示機車走行線路示意圖，所示線路圖向上彎曲表示機車右拐進入曲線線路，向下彎曲表示機車左拐進入曲線線路，所標的數(shù)字表示曲線半徑。

通過圖7與圖8對比可以得出以下結論：

(1)該采集裝置所采集的機車振動數(shù)據(jù)經過濾波處理后與實際線路數(shù)據(jù)對應良好，即通過機車振動信號能夠識別曲線線路；

(2)圖7中標識為“振動1”對比圖8中標識為“曲線1”部分，表示機車右拐進入半徑為600的小曲線線路，機車速度為30 km/h，所檢測得到的振動數(shù)值大于2 048，為過超高運行，此時機車前進方向的右側進行加量噴脂；

(3)圖7中標識為“振動2”對比圖8中標識為“曲線2”部分，表示機車左拐進入半徑為560的小曲線線路，機車速度為28 km/h，所檢測得到的振動數(shù)值小于2 048，為過超高運行，此時機車前進方向的左側進行加量噴脂；

(4)圖7中標識為“振動3”對比圖8中標識為“曲線3”部分，表示機車左拐進入半徑為3 000的大曲線線路，機車速度40 km/h，由于速度與線路超高相匹配，振動數(shù)值在2 048附近，此時機車不需要單側加量噴脂。

圖6 車上原始振動數(shù)據(jù)

圖7 振動數(shù)據(jù)經15 Hz濾波后波形

圖8 速度與線路圖

4 采樣裝置安裝時需注意的地方

在實際采樣過程中需要注意以下幾點：

(1)由于采樣裝置安裝在機車各處，振動情況比較惡劣，所安裝的鋰電池需要加以固定，可以采用雙面膠粘貼于采樣裝置底板內側；

(2)采樣裝置上較大電解電容及晶振等器件采用專用膠加以固定；

(3)采樣裝置選擇能夠代表機車實際運行工況的位置進行安裝，比如機車底板正中間位置。

5 結束語

華寶輪緣潤滑提出一種控制策略，以定時噴脂為基礎，通過檢測機車車體橫向振動信號識別曲線線路，并有選擇性的實現(xiàn)單側加量噴脂，應用所設計的采集裝置進行裝車試驗，試驗數(shù)據(jù)表明該控制策略可以實現(xiàn)。所提出的控制策略和所設計的硬件結構對后續(xù)實現(xiàn)產品化有積極作用。

[1] 劉穎鑫，武小鵬，楊興寬.HB-3型輪軌潤滑裝置及其應用[J].鐵道機車車輛,2012,32(2):71-75.

[2] 彭 濤,姚伯威.基于 DSP 的數(shù)字式 MEMS 加速度傳感器 ADXL203 的設計與應用 [J].微計算機信息,2006,22(10-2):308-309.

[3] 李廣軍，金煒東.列車橫向加速度傳感器的誤差補償[J].計算機工程與應用,2012,48(5):15-18.

The Research of a Flange Lubrication Control Strategy Based on Acceleration Sensor

WANGDongdong

(Metals & Chemistry Research Institute，China Academy of Railway Sciences， Beijing 100081， China)

In order to realize the optimization of lubrication between the flange and rail, HB wheel flange lubrication put forward one control strategy, based on the timing injection, implementation of unilateral plus the amount of spray lipid lubrication in the curve on the line through the selective detection of locomotive transverse vibration signal, in order to verify the effectiveness of the proposed control strategy, a set of vibration signal acquisition was designed. Data acquisition device based on microprocessor C8051F020 as the control core, the lithium battery, the acceleration sensor ADXL203 to detecting the vibration signal, and the data stored in the micro SD card. After testing, the data analysis shows that: the detection of vibration signal of locomotive based on acceleration sensor can identify the curve line, and can realize additional spray lipid lubrication selectivity.

wheel flange lubrication; locomotive vibration; acceleration sensor; card of micro SD

??)男，助理研究員(

2016-03-27)

1008-7842 (2016) 05-0057-05

U260.71

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2016.05.12