基于熱成像的車輛軸溫智能監測系統的構建與應用

羅玉勝 魏其瓊 譚兆海 李育林 任青茂 邵云芝

摘 要：軸承是連接輪對的核心部件，其工作狀態直接影響列車的運行安全。軸承運轉過程中，缺油、少油、損傷、摩擦、摻雜等因素都會引起軸承溫度異常上升，如未及時發現、處理可能導致“燃軸”、“熱軸”、“切軸”等嚴重事故。因此實時監測軸溫變化對于判斷軸承運行狀況、保障列車運行安全具有重要意義。本文基于熱成像技術對車輛軸溫智能監測系統的構建和應用進行深入研究，通過在軌側安裝紅外熱成像設備，列車通過時紅外熱成像設備探測車輛軸承部件的溫度和圖像，系統對采集到的原始數據進行聯合分析和處理，生成整趟列車軸承溫度的探測結果，實現對車輛軸承部件的探測診斷。

關鍵詞：紅外熱成像;動態監測;故障判別

中圖分類號：TN215 文獻標識碼：A

1 概述

軸承是連接輪對的核心部件，其工作環境惡劣，并長時間承受巨大載荷，加之系統組成復雜度較高，任何微小的軸承故障都可能對列車運行安全造成巨大的影響。在列車運行過程中，車軸與軸承相互摩擦產生熱能，當車軸與軸承間出現因磨損、腐蝕、劃傷而造成軸承接觸面形變時，摩擦力增大，產生的熱能就隨之增加，導致軸箱軸承的溫度也隨之異常升高。如果不能及時發現并處理，將可能導致軸承斷裂、熱切軸、燃軸等嚴重事故，造成無法估量的損失。除此之外，受運行環境、載重等客觀因素的影響，軸承壽命離散度較大。據不完全統計，30%的列車故障是由于軸承問題造成的。而傳統的人工日常檢修方式僅僅采用手摸軸箱的辦法來判斷溫度的變化情況，并以手的感覺來確定軸承的工作狀態，采用這種方法，檢測人員勞動強度大，效率低，而且人的手感有差異，沒有標準。因此實現智能化監測軸溫對于判斷軸承運行狀況，采取針對性的防護、處理措施，保障列車運行安全，具有重要意義。

根據列車的主要故障原因和故障特點，本文基于熱成像技術構建了一套車輛軸溫智能監測系統。系統通過在軌側安裝熱成像相機，對運行中的整趟鐵路車輛軸承輪對部件進行探測，采集軸承和車輪的紅外熱圖。采集的熱原始數據通過網絡傳輸技術傳輸至系統數據處理中心進行統計和處理，生成整列車輛軸承輪對溫度的統計報告，并自動根據處理結果報告車輛中發生軸溫異常的位置，排查車輛軸承部件的故障隱患，為車輛的檢修提供技術支撐。

2 紅外熱成像技術

紅外測溫的方式有很多種，根據測溫方式不同，大致可以分為基于逐點分析的紅外測溫設備和基于全場分析的測溫設備兩類。基于逐點分析的紅外測溫設備是利用單點探測器采集待測目標部分區域的熱輻射，并將其轉換為電信號輸出，并通過一定的轉換關系轉為溫度數據。逐點分析的紅外測溫設備結構相對簡單，成本較低，適用于物體溫度分布比較均勻的待測目標。全場分析溫度測量系統是基于熱成像的原理進行測溫，利用紅外光學系統將待測目標的紅外熱圖像成在紅外焦平面探測器上，經過處理后得到待測目標的紅外圖像，然后根據圖像的灰度值及定標數據、相關參數對物體的溫度場分布進行分析。基于全場分析的溫度測量系統可以對大面積的區域進行測溫，可以同時得到一個物體多區域的溫度和多個物體的溫度，對分析物體的狀態具有重要的意義[1]。

近年來紅外熱成像技術發展很快，其工作原理是運用光電技術來檢測物體熱輻射的紅外線特定波段信號，并將該信號轉換成可供人類視覺分辨的圖像和圖形。根據檢測信號的特征參數，紅外成像技術可進一步計算出被測物體的溫度值。紅外熱成像技術使人類超越了視覺障礙，由此不僅可使人們“看到”物體表面的溫度分布狀況，且開拓了利用圖像處理技術對物體表面溫度分布狀況進行更為完備精準監測的新領域。

將熱成像技術應用于車輛軸溫智能監測系統在探測軸承溫度上具有顯著的特點。紅外熱成像非接觸式的測量方式使其可以檢測到快速運行的列車、帶電設備和微小部件的溫度;紅外熱成像測溫面積大、效率高，能直觀顯示被測部件的表面溫度場;熱成像相機可同時測量物體表面各點溫度的高低，并以圖像形式顯示出來，空間分辨率很高，對于整趟列車軸溫的監測可以呈現良好的探測效果。

3 基于熱成像技術的系統構建

在列車運行過程中，由于運行速度高，內部沖擊過大，軸承常見的缺油、少油、損傷、摩擦、摻雜等故障因素以及機械部件的異常磨損都會導致軸承車輪的溫度在列車運行過程中不斷上升。為了能夠及時發現軸承車輪的動態故障，唯有通過動態監測的方式才能第一時間發現并排查軸承的初期故障。通過構建基于熱成像技術的車輛軸溫智能監測系統，動態監測車輛軸承車輪的熱數據，能夠真實、全面地反映軸承車輪部位的健康狀態和故障隱患[2]。

車輛軸溫智能監測系統的構建采用分層式布局，從物理布局上分為室外設備和室內設備兩個層級。

室外設備的主要任務是采集列車車輛的基礎數據（車號、過車時間）和軸承車輪部位的熱成像數據，生成可用于后續處理分析的有效原始數據。室外設備主要包括熱成像探測箱（熱成像相機）、車輪傳感器和AEI車號自動識別裝置地面設備。熱成像探測箱設備分別在鋼軌兩側各安裝一套（如圖1所示），用于探測列車左右兩側軸承輪對的熱數據;車輪傳感器設備用于對通過系統設備的運行列車進行定位以及實時速度檢測;AEI車號自動識別裝置地面設備主要功能是對通過系統設備的列車進行車次、車號的自動識別。

室內設備主要任務是對室外設備采集到的列車基礎數據和熱成像等原始數據進行存儲和智能分析，統計通過的列車車輛兩側軸承的最大溫度繪制出整列車的兩側軸承溫度圖示，通過將處理層傳來的數據進行深度分析，根據車輛各部件不同的故障判別標準診斷軌道車輛各部件的健康狀態，從而提早發現車輛部件的故障隱患。室內設備主要包括AEI車號自動識別裝置、數據處理機、電控箱和電源管理設備等。AEI車號自動識別裝置用于接收安裝于室外的AEI車號自動識別裝置地面設備采集到的車次、車號基礎數據;數據處理機用于對室外設備采集到的基礎數據（包括車速、車次和車號等）和熱成像數據等原始數據進行處理和分析;電控箱用于系統設備的配電和各部件觸發控制;電源管理設備用于對系統所有設備進行集中化統一管理，遠程和智能控制用電設備的開關和重啟。

4 熱成像技術在系統中的應用

基于熱成像技術的車輛軸溫智能監測系統通過安裝于室外的熱成像相機探測貨車軸承和車輪的探測效果圖如圖2所示。從熱成像圖像可以清楚地看到軸承和車輪的溫度分布情況。相對于傳統THDS探測，采用熱成像技術的軸溫輪對探測，其探頭使用數量少、探測部件面積大、探測溫度結果可視化，探測準確性不受車型、車輪彈跳、車輛擺動的影響，具有較大的技術優勢。

基于熱成像的車輛軸溫智能監測系統對鐵路車輛軸承的熱軸故障分三級進行報警，分別為激熱、強熱、微熱。系統對符合熱軸預報標注的車輛會在探測站進行自動報警，報警信息包括：探測站名稱、列車通過時間、車次、運行方向、編組輛數、車號、故障車位、左/右側、軸位、軸溫、報警等級和熱圖。其中報警等級為強熱、激熱等符合列車攔停預報的報警內容會同時復示到相關鐵路局行車調度臺，同時進行聲光報警提醒。所有的熱軸報警信息會實時上傳至鐵總司查詢中心。

5 結論

車輛軸溫智能監測系統根據軸承車輪的故障特點，運用熱成像技術對軸承和車輪進行熱數據探測。系統通過將熱成像相機安裝于軌側采集原始數據，并通過數據處理機將原始數據進行分析和處理，實現對車輛軸承車輪部位的熱異常的探測。同時系統會將列車車輛的熱軸故障信息傳輸至相關鐵路局行車調度臺進行報警信息公示和警報提醒，確保能夠準確、及時地發現運行車輛的軸承車輪故障隱患，保障鐵路車輛行車安全。基于熱成像的車輛軸溫智能監測系統適用范圍廣，能夠對通過的所有型號貨車/客車/動車組實現準確探測、全面判斷，實現故障車輛的全程追蹤。

參考文獻：

[1]王華偉.基于紅外熱成像的溫度場測量關鍵技術研究[D].中國科學院研究生院（西安光學精密機械研究所），2013.

[2]李永健.高速列車軸箱軸承智能故障診斷技術研究[D].西南交通大學，2017.