一種機車輪對故障實時監測裝置的製作方法

2023-08-09 14:24:06 3

本發明涉及一種機車輪對故障實時監測裝置的電子技術領域，尤其適用於機車、城軌、地鐵等軌道交通用輪對監測。

背景技術：

機車輪對是機車唯一與鋼軌接觸的部件，機車高速運行過程中緊急制動、機車制動緩解不良等造成機車滑動，滑動過程中輪對與鋼軌接觸處劇烈摩擦產生的高溫使輪對踏面發生擦傷；輪對制動時引起的反覆熱脹冷縮也會促使輪對表面形成細小裂紋，導致輪對上部分材料剝離；機車輪對踏面故障帶來的振動與衝擊不僅降低了機車和線路的使用壽命，同時大大增加了能源消耗和維修成本，還可能導致軸溫急劇上升，甚至造成車軸熱切；周期性的衝擊振動還會造成車軸、輪對、構架等轉向架部件上的初始疲勞裂紋迅速擴展，引起零部件的斷裂破損；因此，輪對踏面故障是造成列車行車事故的重大隱患之一。

目前直接安裝在機車上進行監測的機車輪對踏面故障實時監測裝置的報導較少，因此急需一種能夠實時監測輪對故障的裝置。

技術實現要素：

本發明的目的在於，提供一種機車輪對故障實時監測裝置，直接安裝在機車上，在線監測機車輪對踏面故障，如果輪對踏面故障超過一定限度，裝置報警提示機車駕駛員，在機車回庫後檢查相應的輪對故障，保障機車行駛安全。

本發明的技術方案是：一種機車輪對故障實時監測裝置，由電源電路、控制器、電壓基準電路、電阻應變片、非平衡電橋電路、低噪聲放大電路、顯示電路、報警電路、存儲電路組成；監測裝置安裝在機車內部，電阻應變片粘貼固定在機車輪對的輪輻上；電阻應變片動態監測機車輪對踏面與鋼軌的接觸力，通過非平衡電橋電路和低噪聲放大電路放大處理後，送控制器進行分析、處理、顯示和存儲；當輪對踏面剝離超限時，導致輪對與鋼軌的衝擊力超限，導致輪輻變形超限，控制器通過電阻應變片檢測到超限的踏面剝離後，會同時報警提示機車駕駛員稍後進行檢修，保障機車行駛安全；存儲的數據也可以作為機車輪對健康管理的有效數據。

所述電源電路由第一DC/DC模塊組成；第一DC/DC模塊的電源輸入正極腳VIN+連接機車24V電源正極；電源輸入負極腳VIN-連接機車24V電源負極，電源輸出正極腳VOUT輸出第一電源VD1，電源輸出負極腳GND輸出第一電源公共地GND1；電源電路供給控制器、電壓基準電路、低噪聲放大電路、顯示電路、報警電路、存儲電路工作電源。

所述電壓基準電路由第一電壓基準晶片組成；第一電壓基準晶片的電壓輸入腳VIN連接第一電源VD1；公共地腳連接第一電源公共地GND1；電壓基準輸出腳VREF輸出第一電壓基準VREF1；第一電壓基準VREF1供非平衡電橋電路和控制器作為電壓基準使用；第一電壓基準晶片的型號是LT1461。

所述控制器由第一控制器組成；第一控制器的電源正極腳VCC連接第一電源VD1，電源地腳GND連接第一電源公共地GND1；第一控制器的AD轉換參考電壓輸入腳連接第一電壓基準VREF1。

所述非平衡電橋電路由第一電阻、第二電阻、第三電阻組成；第一電阻、第二電阻、第三電阻和電阻應變片組成非平衡電橋；非平衡電橋的電源腳VCC連接第一電壓基準VREF1；非平衡電橋的公共地腳GND連接第一電源公共地GND1；第一電阻連接在非平衡電橋的電源腳VCC和輸出正極腳OUT+之間；第二電阻連接在非平衡電橋的輸出正極腳OUT+和公共地腳GND之間；第三電阻連接在非平衡電橋的輸出負極腳OUT-和公共地腳GND之間；電阻應變片連接在非平衡電橋的電源腳VCC和輸出負極腳OUT-之間；當輪對踏面與鋼軌接觸，導致輪對輪輻和電阻應變片發生應力形變時，電阻應變片的電阻變化，非平衡電橋輸出負極腳OUT-和輸出正極腳OUT+之間輸出的非平衡輸出電壓發生變化。

所述低噪聲放大電路由第四電阻、第五電阻、第六電阻、第七電阻、第一運算放大器組成；第一運算放大器的電源正極腳VCC連接第一電源VD1，電源地腳GND連接第一電源公共地GND1；第一運算放大器的負極輸入腳IN-通過第四電阻連接非平衡電橋輸出負極腳OUT-，同時負極輸入腳IN-通過第五電阻連接第一運算放大器的輸出腳OUT；第一運算放大器的正極輸入腳IN+通過第六電阻連接非平衡電橋輸出正極腳OUT+，同時正極輸入腳IN+通過第七電阻連接第一電源公共地GND1；第一運算放大器的輸出腳OUT連接第一控制器的模數轉換腳AD1；第一運算放大器組成由單電源供電的減法電路，第一運算放大器是低噪聲低功率運算放大器；第一運算放大器的型號是INA2332。

所述顯示電路由液晶顯示器、第一三極體、第八電阻組成，液晶顯示器的電源輸入腳VCC連接第一電源VD1，電源地腳GND連接第一電源公共地GND1；寄存器選擇腳RS連接第一控制器的輸出腳OUT1，讀寫信號腳R/W連接第一控制器的輸出腳OUT2，使能腳EN連接第一控制器的輸出腳OUT3，數據腳DB0－DB7連接第一控制器的輸入輸出腳IO0－IO7，背光正極腳LED+連接第一電源VD1，背光負極腳LED-連接第一三極體的發射極；第一三極體的基極通過第八電阻連接第一控制器的輸出腳OUT4，第一三極體的集電極連接第一電源公共地GND1。

所述報警電路，由第九電阻、指示燈、蜂鳴器組成；第一電源VD1通過第九電阻、指示燈連接第一控制器的輸出腳OUT5；第一電源VD1通過蜂鳴器連接第一控制器的輸出腳OUT6。

所述存儲電路，由MICRO SD卡、第十電阻、第十一電阻、第十二電阻、第十三電阻組成；MICRO SD卡通過SPI與第一控制器連接；MICRO SD卡的片選腳CS連接第一控制器的輸出腳OUT7，同時片選腳CS通過第十電阻連接第一電源VD1；MICRO SD卡的數據輸入腳DI連接第一控制器MOSI腳MOSI，同時通過第十一電阻連接第一電源VD1；MICRO SD卡的時鐘腳CLK連接第一控制器的SCLK腳SCLK，同時通過第十二電阻連接第一電源VD1；MICRO SD卡的數據輸出腳DO連接第一控制器的MISO腳MISO，同時通過第十三電阻連接第一電源VD1；MICRO SD卡的電源輸入腳VCC連接第一電源VD1，電源地腳GND連接第一電源公共地GND1。

本發明的有益效果是，一種機車輪對故障實時監測裝置，監測裝置安裝在機車內部，電阻應變片粘貼固定在機車輪對的輪輻上；電阻應變片動態監測機車輪對踏面與鋼軌的接觸力，通過非平衡電橋電路和低噪聲放大電路放大處理後，送控制器進行分析、處理、顯示和存儲；當輪對踏面剝離超限時，導致輪對與鋼軌的衝擊力超限，導致輪輻變形超限，控制器通過電阻應變片檢測到超限的踏面剝離後，會同時報警提示機車駕駛員稍後進行檢修，保障機車行駛安全；存儲的數據也可以作為機車輪對健康管理的有效數據。

附圖說明

圖1是一種機車輪對故障實時監測裝置的系統結構方框圖。

圖2是一種機車輪對故障實時監測裝置的電路原理圖。

圖3是一種機車輪對故障實時監測裝置的主程序流程圖。

具體實施方式

結合附圖和實例對本發明進一步說明如下。

如圖1所示，一種機車輪對故障實時監測裝置，由電源電路(1)、控制器（2）、電壓基準電路（3）、電阻應變片（4）、非平衡電橋電路（5）、低噪聲放大電路（6）、顯示電路（7）、報警電路（8）、存儲電路（9）組成；監測裝置安裝在機車內部，電阻應變片（4）粘貼固定在機車輪對的輪輻上；電阻應變片（4）動態監測機車輪對踏面與鋼軌的接觸力，通過非平衡電橋電路（5）和低噪聲放大電路（6）放大處理後，送控制器（2）進行分析、處理、顯示和存儲；當輪對踏面剝離超限時，導致輪對與鋼軌的衝擊力超限，導致輪輻變形超限，控制器（2）通過電阻應變片（4）檢測到超限的踏面剝離後，會同時報警提示機車駕駛員稍後進行檢修，保障機車行駛安全；存儲的數據也可以作為機車輪對健康管理的有效數據。

如圖2所示，所述電源電路(1)由第一DC/DC模塊U1組成；第一DC/DC模塊U1的電源輸入正極腳VIN+連接機車24V電源正極；電源輸入負極腳VIN-連接機車24V電源負極，電源輸出正極腳VOUT輸出第一電源VD1，電源輸出負極腳GND輸出第一電源公共地GND1；電源電路(1)供給控制器（2）、電壓基準電路（3）、低噪聲放大電路（6）、顯示電路（7）、報警電路（8）、存儲電路（9）工作電源。

所述電壓基準電路（3）由第一電壓基準晶片U2組成；第一電壓基準晶片U2的電壓輸入腳VIN連接第一電源VD1；公共地腳連接第一電源公共地GND1；電壓基準輸出腳VREF輸出第一電壓基準VREF1；第一電壓基準VREF1供非平衡電橋電路（5）和控制器（2）作為電壓基準使用。

所述控制器（2）由第一控制器U4組成；第一控制器U4的電源正極腳VCC連接第一電源VD1，電源地腳GND連接第一電源公共地GND1；第一控制器U4的AD轉換參考電壓輸入腳連接第一電壓基準VREF1。

所述非平衡電橋電路（5）由第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3組成；第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3和電阻應變片（4）組成非平衡電橋；非平衡電橋的電源腳VCC連接第一電壓基準VREF1；非平衡電橋的公共地腳GND連接第一電源公共地GND1；第一電阻R1連接在非平衡電橋的電源腳VCC和輸出正極腳OUT+之間；第二電阻R2連接在非平衡電橋的輸出正極腳OUT+和公共地腳GND之間；第三電阻R3連接在非平衡電橋的輸出負極腳OUT-和公共地腳GND之間；電阻應變片（4）連接在非平衡電橋的電源腳VCC和輸出負極腳OUT-之間；當輪對踏面與鋼軌接觸，導致輪對輪輻和電阻應變片（4）發生應力形變時，電阻應變片（4）的電阻變化，非平衡電橋輸出負極腳OUT-和輸出正極腳OUT+之間輸出的非平衡輸出電壓發生變化。

所述低噪聲放大電路（6）由第四電阻R4、第五電阻R5、第六電阻R6、第七電阻R7、第一運算放大器U3組成；第一運算放大器U3的電源正極腳VCC連接第一電源VD1，電源地腳GND連接第一電源公共地GND1；第一運算放大器U3的負極輸入腳IN-通過第四電阻R4連接非平衡電橋輸出負極腳OUT-，同時負極輸入腳IN-通過第五電阻R5連接第一運算放大器U3的輸出腳OUT；第一運算放大器U3的正極輸入腳IN+通過第六電阻R6連接非平衡電橋輸出正極腳OUT+，同時正極輸入腳IN+通過第七電阻R7連接第一電源公共地GND1；第一運算放大器U3的輸出腳OUT連接第一控制器U4的模數轉換腳AD1；第一運算放大器U3組成由單電源供電的減法電路，第一運算放大器U3是低噪聲低功率運算放大器。

所述顯示電路（7）由液晶顯示器LCD1、第一三極體Q1、第八電阻R8組成，液晶顯示器LCD1的電源輸入腳VCC連接第一電源VD1，電源地腳GND連接第一電源公共地GND1；寄存器選擇腳RS連接第一控制器U4的輸出腳OUT1，讀寫信號腳R/W連接第一控制器U4的輸出腳OUT2，使能腳EN連接第一控制器U4的輸出腳OUT3，數據腳DB0－DB7連接第一控制器U4的輸入輸出腳IO0－IO7，背光正極腳LED+連接第一電源VD1，背光負極腳LED-連接第一三極體Q1的發射極；第一三極體Q1的基極通過第八電阻R8連接第一控制器U4的輸出腳OUT4，第一三極體Q1的集電極連接第一電源公共地GND1。

所述報警電路（8），由第九電阻R9、指示燈LED1、蜂鳴器HA1組成；第一電源VD1通過第九電阻R9、指示燈LED1連接第一控制器U4的輸出腳OUT5；第一電源VD1通過蜂鳴器HA1連接第一控制器U4的輸出腳OUT6。

所述存儲電路（9），由MICRO SD卡U5、第十電阻R10、第十一電阻R11、第十二電阻R12、第十三電阻R13組成；MICRO SD卡U5通過SPI與第一控制器U4連接；MICRO SD卡U5的片選腳CS連接第一控制器U4的輸出腳OUT7，同時片選腳CS通過第十電阻R10連接第一電源VD1；MICRO SD卡U5的數據輸入腳DI連接第一控制器U4MOSI腳MOSI，同時通過第十一電阻R11連接第一電源VD1；MICRO SD卡U5的時鐘腳CLK連接第一控制器U4的SCLK腳SCLK，同時通過第十二電阻R12連接第一電源VD1；MICRO SD卡U5的數據輸出腳DO連接第一控制器U4的MISO腳MISO，同時通過第十三電阻R13連接第一電源VD1；MICRO SD卡U5的電源輸入腳VCC連接第一電源VD1，電源地腳GND連接第一電源公共地GND1。

如圖3所示，是一種機車輪對故障實時監測裝置的主程序流程圖，主流程工作步驟具體是：

步驟一，裝置系統初始化；

步驟二，通過電阻應變片採集輪對形變電信號數據；

步驟三，進行標度變換、數據處理、存儲；

步驟四，判別輪對形變數據是否超限，如果是就轉到步驟五，如果否就轉步驟六；

步驟五，進行聲光報警處理；

步驟六，轉步驟二。

應當指出，對於經過充分說明的本發明來說，還可以具有多種變換及改性的實施方案，並不局限於上述實施方式的具體實例，上述實例僅僅作為本發明的說明，而不是限制，總之，本發明的保護範圍包括哪些對於本領域普通技術人員來說顯而易見的變換或替代以及改型。