塞拉門早期機(jī)械故障預(yù)判及檢測(cè)方法研究

中車唐山機(jī)車車輛有限公司 趙風(fēng)啟

今創(chuàng)集團(tuán)股份有限公司 李 杰 翟泉新

高速列車塞拉門結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零件繁多、檢修工作量大，很多故障隱患不易發(fā)現(xiàn)。通過當(dāng)前的手段多以驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電壓、電流等電氣信號(hào)的采樣數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行故障的分析和診斷，在機(jī)械系統(tǒng)故障的診斷過程中，這些方法存在明顯的缺陷。本文設(shè)計(jì)了一種針對(duì)門機(jī)構(gòu)不同頻段振動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)裝置，利用計(jì)算機(jī)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的處理分析，提取開門、關(guān)門過程中門機(jī)構(gòu)的運(yùn)行特征，通過對(duì)比實(shí)際門機(jī)構(gòu)與正常狀態(tài)下的各項(xiàng)振動(dòng)信號(hào)特征的差異可以為機(jī)械故障的診斷提供輔助參考依據(jù)，大大提高門機(jī)構(gòu)檢修工作的效率和故障診斷準(zhǔn)確性。

塞拉門是高鐵車輛車體上的關(guān)鍵設(shè)備，其運(yùn)行狀態(tài)直接關(guān)系到旅客的人身安全，為滿足地鐵車輛高可靠性和安全性要求，故塞拉門的檢修一直是車輛維護(hù)工作中的重點(diǎn)之一。

目前，關(guān)于塞拉門輔助檢修系統(tǒng)和故障診斷的研究都集中在對(duì)控制器輸入輸出端口上電信號(hào)的采集、處理和分析，根據(jù)信號(hào)的不同特征判斷門系統(tǒng)是否存在故障或故障隱患。作為門系統(tǒng)主體組成的電機(jī)、傳動(dòng)和門體等機(jī)械系統(tǒng)所引入的碰撞摩擦、壓痕、熱變形等各種損傷，癥狀信息微弱、特征不明顯，很難通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的分析準(zhǔn)確判斷。特別是在這些機(jī)械損傷發(fā)展初期，多種故障長(zhǎng)期存在，誘發(fā)多故障耦合，更進(jìn)一步增加了信號(hào)分析的難度。為了能夠?qū)﹂T機(jī)構(gòu)的各種機(jī)械損傷進(jìn)行準(zhǔn)確分析診斷，需要能夠直接對(duì)機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過程中狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。振動(dòng)是機(jī)械系統(tǒng)不可避免的現(xiàn)象，系統(tǒng)在正常或非正常的工作狀態(tài)下會(huì)表現(xiàn)出不同的振動(dòng)形態(tài)，通過對(duì)振動(dòng)信號(hào)的分析處理可以更對(duì)系統(tǒng)存在的各種損傷做出準(zhǔn)確判斷。

鑒于此，本文針對(duì)塞拉門系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的振動(dòng)信號(hào)采集儀器，對(duì)門體、門框等部位的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集、處理，并實(shí)時(shí)傳送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析、顯示，對(duì)門機(jī)構(gòu)工作狀態(tài)做出診斷，并可針對(duì)各種不同狀態(tài)提出相應(yīng)維護(hù)建議。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)振動(dòng)檢測(cè)分析系統(tǒng)包含若干前端信號(hào)采集裝置和分析計(jì)算機(jī)兩部分、為了方便系統(tǒng)在具體門機(jī)構(gòu)對(duì)象上的部署，每個(gè)信號(hào)采集裝置采用電池供電，與外界數(shù)據(jù)通信采用無線互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，保證每個(gè)裝置與外部沒有導(dǎo)線連接，具有較高的獨(dú)立性。所有信號(hào)采集裝置通過無線路由器連接在一起，與同時(shí)接入網(wǎng)絡(luò)的分析計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

每個(gè)信號(hào)采集裝置配置三軸直線加速度傳感器和一路壓電陶瓷振動(dòng)傳感器，分別檢測(cè)不同頻段的門機(jī)構(gòu)振動(dòng)信號(hào)。其中3路直線加速度信號(hào)相互之間具有明顯的相關(guān)性，為保證信號(hào)分析的精度，通過外部具備同步采樣功能的AD轉(zhuǎn)換器接入FPGA。壓電陶瓷振動(dòng)傳感器輸出信號(hào)頻帶較寬，需具備較高的采樣率。

為了保證一次開門或關(guān)門過程中的數(shù)據(jù)得到完整記錄，采集裝置需要較大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。采集裝置在充分利用單片機(jī)內(nèi)部SRAM的同時(shí)配置了外部SRAM，分別用于存儲(chǔ)速度較低的直線加速度檢測(cè)數(shù)據(jù)和較高采樣率的壓電陶瓷傳感器數(shù)據(jù)。

2 信號(hào)采集電路硬件設(shè)計(jì)

裝置分別采用亞德諾公司ADXL335型三軸加速度計(jì)和H4P8型壓電陶瓷換能器實(shí)現(xiàn)門機(jī)構(gòu)0～200Hz頻段和100Hz～2kHz頻段振動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)。

ADXL335是一款小尺寸、薄型、低功耗、完整的三軸加速度計(jì)，可直接輸出經(jīng)過調(diào)理的電壓信號(hào)，滿量程加速度測(cè)量范圍可以達(dá)到±3g，既可測(cè)量?jī)A斜檢測(cè)應(yīng)用中的靜態(tài)加速度，也可測(cè)量運(yùn)動(dòng)、沖擊或振動(dòng)導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)加速度。

H4P8型壓電陶瓷換能器厚度采用1mm，信號(hào)帶寬可以達(dá)到2MHz。利用寬帶運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)換能器輸出信號(hào)的前置放大，并偏移至合適的動(dòng)態(tài)范圍接入AD轉(zhuǎn)換。

根據(jù)各檢測(cè)電路的檢測(cè)需求容易確定，加速度采集電路的通頻帶為0～200Hz，壓電換能器放大電路的通頻帶為100Hz～2kHz。根據(jù)這樣的頻帶要求，可以確定電路各項(xiàng)阻容參數(shù)。針對(duì)上述設(shè)計(jì)電路進(jìn)行交流仿真分析，可得電路頻率響應(yīng)。

壓電陶瓷換能器負(fù)責(zé)對(duì)門機(jī)構(gòu)100Hz～2kHz頻段內(nèi)的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集，因此其ADC采樣率設(shè)置為40kHz。加速度傳感器負(fù)責(zé)檢測(cè)門機(jī)構(gòu)0～200Hz頻段內(nèi)的振動(dòng)信號(hào)，因此其采樣率設(shè)置為4kHz即可。為協(xié)調(diào)兩組信號(hào)的采樣，系統(tǒng)采用12位AD轉(zhuǎn)換器LTC2423，此款A(yù)DC具備4個(gè)同步采樣通道，采樣率可達(dá)2MHz，可以保證各傳感器檢測(cè)到的信號(hào)存在嚴(yán)格的同步關(guān)系。工作中，ADC以40kHz的采樣率工作，但加速度采集通道對(duì)連續(xù)8個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行平均后作為一個(gè)有效樣點(diǎn)，實(shí)際采樣率為5kHz。

系統(tǒng)總有效采樣率為52kHz/s，系統(tǒng)測(cè)試時(shí)間設(shè)為20s，由此可得12.48Mbit的數(shù)據(jù)總量，組合可得1.56MByte。因此，系統(tǒng)配置了2MBtye的RAM存儲(chǔ)容量。

3 振動(dòng)信號(hào)采集器軟件設(shè)計(jì)

采集器的核心是FPGA，兩類傳感器檢測(cè)電路經(jīng)ADC接入FPGA。ADC驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)LTC2423的邏輯接口，4個(gè)通道的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)分別送入緩沖區(qū)。加速度采集通道的采樣數(shù)據(jù)首先分別存入8個(gè)單元的緩沖區(qū)，完成8次數(shù)據(jù)采樣后對(duì)這8個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均，而后以平均值為有效數(shù)據(jù)存入主數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。另一路陶瓷換能器通道則以8倍的速率將每次采樣的數(shù)據(jù)存入主緩沖區(qū)。主緩沖區(qū)在數(shù)據(jù)記錄狀態(tài)管理器控制下在空閑、觸發(fā)搜索、采樣計(jì)數(shù)、數(shù)據(jù)記錄完成等狀態(tài)中切換。

系統(tǒng)啟動(dòng)和完成一次數(shù)據(jù)采樣記錄流程后即進(jìn)入空閑狀態(tài)。在空閑狀態(tài)下，系統(tǒng)默認(rèn)此時(shí)門機(jī)構(gòu)處于完全靜止?fàn)顟B(tài)，因此，分析計(jì)算機(jī)可以以此時(shí)的采樣數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)。在完成測(cè)試準(zhǔn)備工作后，分析計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)通信下達(dá)啟動(dòng)測(cè)試指令，系統(tǒng)進(jìn)入觸發(fā)搜索狀態(tài)。一旦系統(tǒng)啟動(dòng)測(cè)試，系統(tǒng)即開始不停進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換并將采樣數(shù)據(jù)存入主數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。主數(shù)據(jù)緩沖區(qū)組織為環(huán)形隊(duì)列，數(shù)據(jù)可不斷循環(huán)存入，超出總存儲(chǔ)容量后即替換最早記錄的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)的同時(shí)，狀態(tài)管理器對(duì)最新采集的一段數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，當(dāng)各路數(shù)據(jù)符合開門啟動(dòng)或關(guān)門啟動(dòng)的數(shù)據(jù)特征時(shí)立即觸發(fā)數(shù)據(jù)記錄計(jì)數(shù)狀態(tài)。此狀態(tài)下，系統(tǒng)繼續(xù)對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄的同時(shí)開始從0計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)值達(dá)到門限時(shí)即意味著完成一次完整的開門或關(guān)門數(shù)據(jù)采樣記錄，系統(tǒng)進(jìn)入數(shù)據(jù)記錄完成狀態(tài)，數(shù)據(jù)通信模塊啟動(dòng)開始通過WiFi模塊將采樣數(shù)據(jù)傳送至分析計(jì)算機(jī)，全部數(shù)據(jù)傳送完成后系統(tǒng)返回空閑狀態(tài)。

信號(hào)采集器安裝在門機(jī)構(gòu)的過程存在較嚴(yán)重的隨機(jī)性，無法保證裝置自身坐標(biāo)系與門機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系之間完全重疊，為保證數(shù)據(jù)分析的一致性，需要將檢測(cè)數(shù)據(jù)變換至標(biāo)準(zhǔn)的坐標(biāo)系上。如前所述，空閑狀態(tài)下系統(tǒng)仍在不斷采集各傳感器通道的數(shù)據(jù)。在此狀態(tài)下，系統(tǒng)不斷檢測(cè)三軸加速度數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)式(1)可以得到實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)坐標(biāo)系與標(biāo)準(zhǔn)自然坐標(biāo)系之間的夾角。

如圖1所示，X軸方向的加速度大小為Ax，其與水平面的夾角為α1，與重力加速度的夾角α；同理，Y軸方向的加速度為Ay，與水平線的加速度為β1，與重力加速度g的夾角為β；Z軸方向的加速度為Az，與水平線的加速度為γ1，與重力加速度g的夾角為γ。α= 90°- α1，β= 90°-β1，γ=90°-γ1。

圖1 加速度傳感器坐標(biāo)示意

系統(tǒng)在空閑狀態(tài)下檢測(cè)、計(jì)算并記錄上述夾角關(guān)系，在數(shù)據(jù)記錄狀態(tài)下，系統(tǒng)則在采樣的同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)變換校準(zhǔn)。

4 計(jì)算機(jī)分析軟件設(shè)計(jì)

信號(hào)采集器完成數(shù)據(jù)采集記錄，并傳送至數(shù)據(jù)分析計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)平臺(tái)上完成對(duì)門機(jī)構(gòu)不同位置加速度與振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最終為門機(jī)構(gòu)是否存在故障或損傷的判斷提供參考依據(jù)。

系統(tǒng)首先對(duì)數(shù)據(jù)按時(shí)間對(duì)開門和關(guān)門過程進(jìn)行分解，在對(duì)每個(gè)分段數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析得到各路信號(hào)的主要參數(shù)指標(biāo)，包括時(shí)間長(zhǎng)度、最大值等時(shí)域參數(shù)和各次諧波分量的幅值等頻域參數(shù)。通過對(duì)這些參數(shù)與正常門機(jī)構(gòu)運(yùn)行過程中的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，即可對(duì)門機(jī)構(gòu)各工作環(huán)節(jié)、零件可能存在的故障或損傷進(jìn)行判斷。

結(jié)論：塞拉門系統(tǒng)系統(tǒng)復(fù)雜，功能繁多，檢修過程中故障部位查找困難、故障隱患難以排除，導(dǎo)致檢修成本高。本文利用FPGA設(shè)計(jì)了的振動(dòng)信號(hào)采集儀器，對(duì)門體、門框等部位的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集、處理，并實(shí)時(shí)傳送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析、顯示，對(duì)門機(jī)構(gòu)工作狀態(tài)做出診斷，實(shí)現(xiàn)塞拉門輔助檢修，簡(jiǎn)化檢修工作，提高故障診斷的準(zhǔn)確性。