基于LabVIEW的高速列车变轨装置监测诊断系统研究

刘显录，刘 华，陈 鑫，桑淑娟，彭毓敏，高世卿

(1.中车长春轨道客车股份有限公司,吉林 长春 130062；2.中车青岛四方车辆研究所有限公司，山东 青岛 266031)

随着中国高铁技术的飞速发展，高铁走出国门，驶向世界已是一种必然趋势。“一带一路”倡议构想的提出，使中亚、欧洲等国之间的经贸交流日益频繁，推动了国际联运和区域间运输的发展。中国与其他邻国之间的轨距存在差异，这给国际联运的发展带来了诸多不便。目前解决轨距差异的主要方式有：统一线路轨距、换装或换乘、更换走行部、驼背运输及采用变轨距转向架。采用变轨距转向架技术，解决不同轨距联运问题具有周期短、费用低、效率高等优点[1-2]。目前世界上典型的变轨距技术产品主要有西班牙Talgo RD、CAF BRAVA、OGI轮轴、德国DB AG/Rafil Type V、瑞士MOB EV 09、 波兰SUW 2000、日本可变轨距列车、韩国KGCW等[3]。对于新研发的自动变轨设备，国内可借鉴的资料较少，变轨转向架或变轨列车能否顺利安全通过变轨装置至关重要。另一方面，变轨距转向架通过地面变轨装置时的运行状态直接影响到列车变轨的成败。车辆在变轨过程的实时监控系统是保证变轨可靠性的重要组成部分，在变轨装置中安装传感器，可实现变轨机构的状态检测，实时反馈变轨数据[4]。所以，研发一套能够实时监测变轨装置应力变化及转向架轮对内侧距的系统，成为一种迫切需求。

目前，在铁路正线上会应用车轮冲击负荷检测系统(WILD)来检测车轮对钢轨的轮轨应力状态，WILD系统是在钢轨上安装应力传感片，当每个车轮经过时，测量其对钢轨的垂直及横向作用力。测得的模拟信息进行过滤取样、数字化处理后可计算出每个车轮、转向架和车辆的质量及分布信息。测量结果再与客户定制的报警门限值进行比较，自动判断并发送报警报告给铁路公司或其客户。利用应变片技术，测量变轨距转向架车轮对地面变轨装置的横向作用力，进而将对地面变轨装置造成伤害的车轮、转向架检测出来，并实时报警，以保证整列车的行车安全。

轮对内侧距检测根据车辆被检测时的状态不同，可分为静态检测和动态检测两种。静态测量又分为手工测量和电子接触测量法，具有成本低、稳定性较高等优点，但缺点是效率低、工作量大。动态检测是指在车辆运行过程中对轮对参数进行测量的方法，具有检测速度快、效率高的特点[5]。利用激光来进行轮对内侧距检测是动态测量中应用较为普遍的一种，激光位移传感器就是利用激光的高方向性、高单色性和高亮度等特点实现无接触远距离测量。激光位移传感器的出现，使位移测量的精度、可靠性得到极大的提高，也为非接触位移测量提供了有效的测量方法。该系统中利用激光测距技术，实现对变轨列车运行时轮对状态进行实时检测，并进行异常报警。

研究针对列车变轨装置状态监测诊断问题，运用应变片技术和激光测距技术来实现列车变轨过程中的应力监测和轮对内侧距监测。运用LabVIEW在Windows系统下进行了信号采集分析处理系统开发研究，并运用中车长春轨道客车股份有限公司提供的变轨距转向架和地面变轨装置开展了线路动态试验验证分析。

1 监测诊断系统硬件设计

1.1 系统硬件构成

系统硬件主要包括应变采集模块、激光内侧距采集模块。应变采集模块包括数据采集卡和数据通信网关及应变片。图1为本系统中采用的应变数据采集卡(MX1615B)，能够实现16路独立信号采集功能，具有耐低温、精度高的特点，满足户外低温下试验的需求。本系统中需要读取40路应变信号，选用了3个该模块。应变数据通信网关选用的是CX27B，如图2所示，能够实现数据的以太网高速实时传输，满足试验过程中列车通过速度快、时间短、数据变化快的需求。

图1 应变数据采集卡 图2 应变数据通信网关

轮对内侧距监测系统是实时监测列车在变轨过程中的轮对内侧距离。考虑到系统工作过程是在车辆行进时的在线检测，所以采用非接触式的测量方式。激光位移传感器具有测量精度高，环境适应性强等优势，可以将两只位移传感器固定于同一个壳体中，增加防护措施，将测量到的位移数据通过高速LVDS通信传输至多通道的总控采集器，以实现对多个轮距的测量。激光测距传感器示意图及现场安装图如图3(a)、(b)所示。

图3 激光测距传感器示意图及现场安装图

图4为激光测距传感器采集处理控制器。该控制器具有高速的远距离LVDS通信、多通道并行采集、测量数据流动态缓存及测量结果静态存储功能。控制器内置的数据处理模块，可以初始化读取传感器校准数据包，通过单光斑的类高斯运算提取单边传感器所在位置，计算两个衍射光斑形成的高斯波的间距。同时具有测量数据结果拟合、测量数据结果校准等功能。该控制器与上位机之间的通信也是采用以太网形式进行数据传输，通信协议采用Modbus Tcp。

图4 激光测距传感器采集处理控制器

系统中为了更直观地观察实际变轨过程的实时变化动作，增加了视频监控的功能。选用6个高清摄像头，能监视以规定变轨速度运行的双向变轨列车进出设备情况，变轨距转向架与变轨装置不同接口对接情况，解锁及锁闭工作过程，轨距调整过程等。具有抗腐蚀防爆、耐低温、采用多重防水设计，符合IP68(2m/2h)防水等级、ICR日/夜自动转换功能，动态画面拍摄清晰。

2 监测诊断系统软件设计

本系统以LabVIEW为软件开发工具，在Windows系统下运行。图5为变轨装置状态监测诊断软件结构框图，具有实时采集、显示、保存、处理等功能。

图5 监测系统软件结构图

系统软件主要分为数据采集和数据分析处理两部分，主要包括登录界面、试验界面、历史数据界面、用户库、被试件标准库等。图6为软件运行试验界面。试验界面主要包含以下几个功能：列车通过方式选择，包括从窄轨变宽轨、宽轨变窄轨；设备通信状态显示，包括应变采集设备连接状态、激光内侧距监测设备连接状态；变轨装置的实时状态及状态指示；应变值和应变曲线显示、激光内侧距值和内侧距曲线显示，更直观有效地把信息传达给用户，方便用户观察信号特征，做出初步判断；试验界面中有菜单栏，用户可以根据试验需求，切换到不同运行界面，实现不同功能需求。数据的采集是自动开始和停止的，通过安装在变轨装置两侧的光电接近开关来触发。当检测到列车开始驶入变轨装置时，软件开始进行试验数据包括应变值和内侧距值的保存，当另一侧的光电接近开关检测到列车已经完全驶离变轨装置时，停止保存数据。这样既可以实现保存与试验相关的有效数据，又节省了电脑的存储空间。在开始试验之前需要进行一些基本的参数设置，比如试验车型、试验编号，参数设置的界面如图7所示。根据用户需求，可以将监测数据进行查询，界面如图8所示。用户可以通过点击读取数据按钮来选择需要读取的试验数据，然后通过点击下拉菜单来选择需要显示的某一传感器测得的数值，然后点击显示曲线按钮，历史数据曲线就显示在图表中。

图6 监测系统软件试验界面 图7 参数设置界面 图8 历史数据读取界面

3 试验研究

运用某公司提供的变轨距转向架和地面变轨装置开展了线路动态试验研究，试验现场变轨装置图如图9所示。

图9 变轨装置试验现场图

变轨距转向架通过变轨装置的试验过程图如图10所示，通过多次线路试验发现，该监测系统能够很好地把设备的运行状态反馈出来。当转向架通过变轨装置出现卡滞时，应变片测出的数值会瞬间变大，超过设定的报警限值，报警灯点亮并发出报警声音，提示试验人员试验过程中出现问题，起到保护设备和试验人员安全的作用。

图10 转向架通过变轨装置试验图

4 结论

(1) 试验结果表明通过对实时采集数据的分析能够实现对变轨距转向架通过变轨装置的状态进行监测诊断和故障报警。研究结果表明：该系统在列车变轨装置的状态监测诊断中切实有效，具有一定工程应用价值。

(2) 运用LabVIEW开发的软件监测诊断系统，能够实现对变轨距转向架通过变轨装置时的应变信号和轮对内侧距数据的实时采集、显示、数据保存功能，系统界面良好，可交互性强，具有一定的实用价值。