基于多传感器融合的轨道列车弓网与走行部故障检测系统技术方案

本发明专利技术公开了基于多传感器融合的轨道列车弓网与走行部故障检测系统，包括非接触式弓网燃弧检测系统、电流采集系统、走行部轴承故障诊断系统和上位机软件系统；非接触式弓网燃弧检测系统采用以弓网燃弧的紫外分量为检测特征量的非接触式检测方法，选用日盲型紫外光检测传感器；电流采集系统用于将传感器输出电压转换为数字量输入到核心板，实现8通道并行采集；走行部轴承故障诊断系统基于自适应随机共振方法进行诊断；上位机软件系统用于实时监测弓网燃弧及走行部轴承故障；本系统可以极大地降低轨道列车事故率，无人值守与全自动的设计可节省大量的人力物力财力，该系统可广泛应用于城轨交通及国铁巡检等领域，具有广阔的发展前景及市场潜力。展前景及市场潜力。展前景及市场潜力。

【技术实现步骤摘要】
基于多传感器融合的轨道列车弓网与走行部故障检测系统


[0001]本专利技术属于轨道列车故障检测
，涉及基于多传感器融合的轨道列车弓网与走行部故障检测系统。

技术介绍

[0002]随着社会经济的不断增长，高速电气化铁路交通事业迅速发展，而受电弓和走行部作为动车组最重要的部件，它们的运行状态监测和检修质量以及异常报警变得尤为重要；
[0003]弓网燃弧是接触网与受电弓滑动接触过程中受到接触线平顺性、受电弓动态运行状态以及风、雨、雪环境等因素的影响产生的一种放电现象。弓网燃弧会烧蚀接触网和受电弓滑板，降低弓网系统使用寿命，严重的弓网燃弧甚至会烧断接触线，影响铁路运输秩序和列车运行安全，对于重载铁路、高速铁路的弓网受流质量具有重要影响；同时，走行部作为轨道列车的牵引装置和承重装置，在列车运行过程中也起着至关重要的作用；牵引电机轴承、轴箱轴承是机车上使用的重要标准件，它的工作状态如何将直接影响整台机车的安全运用，对其进行监测和故障诊断在机务段日益受到重视，是保证机车运行质量的一个重要手段。
[0004]针对上述危害，“关于进一步加强城市轨道交通规划建设管理的意见”提出对提升城市公共交通供给质量和效率、缓解城市交通拥堵、引导优化城市空间结构布局、改善城市环境提出了新的要求；同时，国际上对弓网燃弧现象的检测比较重视，欧洲标准EN50317中规定：弓网燃弧的检测包括燃弧次数，燃弧持续时间、最长燃弧持续时间等参数；要保证高速轨道列车的安全运营，除了对轨道列车的设计、施工和运营有一定的要求外，还必须进行一系列的检测工作，以便及时发现隐患；一方面要保证受电弓与接触线的良好接触和可靠取流，克服弓网接触中存在的一些问题，保证弓网处于良好的工作状态；另一方面，在运行状态下，对轨道列车走行部的轴承振动信号进行实时采集，通过分析算法进行健康诊断，实现走行部的轴承故障诊断，及时维修处理，预防轨道列车发生事故，确保轨道交通车辆的安全运行。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供基于多传感器融合的轨道列车弓网与走行部故障检测系统，具备实现轨道列车弓网与走行部故障检测的无人化、智能化和便捷化的特点。
[0006]本专利技术所采用的技术方案是，基于多传感器融合的轨道列车弓网与走行部故障检测系统，具体包括非接触式弓网燃弧检测系统、电流采集系统、走行部轴承故障诊断系统和上位机软件系统；
[0007]非接触式弓网燃弧检测系统采用以弓网燃弧的紫外分量为检测特征量的非接触式检测方法，选用日盲型紫外光检测传感器；
[0008]电流采集系统用于将传感器输出电压转换为数字量输入到核心板，实现8通道并
行采集；
[0009]走行部轴承故障诊断系统基于自适应随机共振方法进行诊断；
[0010]上位机软件系统用于实时监测弓网燃弧及走行部轴承故障。
[0011]本专利技术的特点还在于：
[0012]其中非接触式弓网燃弧检测系统具体为依据光学检测原理，弓网间出现燃弧时，高灵敏度短波段紫外光传感器捕获到燃弧中的紫外分量，并转换为电压信号，信号经过信号处理单元处理后输入到高性能微处理器中，高性能微处理器内部采用数字信号处理算法，辨别燃弧强度及燃弧时间是否达到报警阈值，记录燃弧相关信息并通信上传至上位机软件系统，同时触发工业相机对燃弧实际情况进行拍照；
[0013]其中非接触式弓网燃弧检测系统具体包括CPU最小系统、时钟电路、光耦隔离电路和通信电路；
[0014]CPU最小系统采用STM32F407微处理器；
[0015]时钟电路为DS1302时钟电路，用于检测燃弧时对上位机软件系统进行燃弧信息输送；
[0016]光耦隔离电路设于CPU与工业相机之间，用于保护微处理器以及装置本体；
[0017]通信电路为RS485通信电路，用于上传检测系统测量出的检测结果至上位机软件系统显示；
[0018]其中信号处理单元用于对燃弧出现时的紫外光信号进行采集、低噪放大、波形整形、高压稳压，得到一组易于检测分析的波形，具体包括紫外光检测电路、信号调理电路、基于PWM的变压器升压电路及闭环程控电路和电源电路；
[0019]其中紫外光检测电路中紫外光传感器采用R2868紫外光火焰传感器，阳极为供电端口，阴极为信号输出端口，输出为脉冲信号；
[0020]信号调理电路用于通过低噪放大、波形整形、光耦隔离手段抑制噪声信号并将信号处理为CPU可识别的电平信号；
[0021]基于PWM的变压器升压及闭环程控电路主要由高频升压电路和高压采集反馈电路构成；
[0022]其中电流采集系统以CHCS
‑
KA3系列电流传感器作为信号采集模块，以STM32F103微处理器作为数据处理模块，以AD7606模数转换芯片作为模数转换模块，还包括电源模块和通信模块；
[0023]其中电源模块采用220V转5V和24V的双组隔离两路输出工控电源模块，其中DC24V给电流传感器供电，DC5V给数据处理模块供电；
[0024]通信模块由满足RS
‑
485串行协议要求的全双工收发器和USB/RS485接口转换器组成；其中，全双工收发器输入端与数据处理模块的输出端相连，全双工收发器输出端与USB/RS485接口转换器的输入端相连，USB/RS485接口转换器的输出端与上位机相连。数据处理模块通过通信模块实现数据通信；
[0025]其中走行部轴承故障诊断系统具体为选用树莓派4b作为系统的主控芯片，同时选用Cortex
‑
M4内核STM32F407作为的子系统的控制芯片，数据采集模块采用STM32F407，并对原始信号做预处理，使用树莓派4b对预处理的数据进行算法分析，得到的数据通过内部网络发送给通信板卡，通过TRDP总线上传到TCMS，以实现系统对数据进行实时采集、分析和上
传，并将原始数据经算法处理后的诊断数据以及报警数据存储到硬盘中；
[0026]其中数据采集模块采用AD7606数据采集模块，走行部轴承故障诊断系统将传感器传入的电信号通过差分运算放大器传入AD7606数据采集模块，差分运算放大器采用OPA2188AID芯片；
[0027]其中上位机软件系统具体包括客户端和后台端，客户端主要有用户登陆界面，用户注册界面，主界面以及历史燃弧查看界面；
[0028]后台端提供了数据处理功能，主要包括将实时燃弧数据同步到数据库，将手动输入的列车轮径和区间站点数同步到数据库，利用串口通讯获得的十六进制数分别计算出全部电流值，超出标称电流百分之三十的电流值和总时长，脉冲总数，车速以及总里程数，然后根据行业规范对弓网关系和走行部轴承状态进行优劣评估，最终输出报告。
[0029]本专利技术的有益效果是：
[0030]本专利技术的基于多传感器融合的轨道列车弓网与走行部故障检测系统，针对燃弧单一特征量检测的缺陷，采用高灵敏度的日盲型紫外传感器，滤除伪信号，降低了太阳光等对结果的干扰；红外热成像技术搭配相机拍照辅本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于多传感器融合的轨道列车弓网与走行部故障检测系统，其特征在于，具体包括非接触式弓网燃弧检测系统、电流采集系统、走行部轴承故障诊断系统和上位机软件系统；所述非接触式弓网燃弧检测系统采用以弓网燃弧的紫外分量为检测特征量的非接触式检测方法，选用日盲型紫外光检测传感器；所述电流采集系统用于将传感器输出电压转换为数字量输入到核心板，实现8通道并行采集；所述走行部轴承故障诊断系统基于自适应随机共振方法进行诊断；所述上位机软件系统用于实时监测弓网燃弧及走行部轴承故障。2.根据权利要求1所述的基于多传感器融合的轨道列车弓网与走行部故障检测系统，其特征在于，所述非接触式弓网燃弧检测系统具体为依据光学检测原理，弓网间出现燃弧时，高灵敏度短波段紫外光传感器捕获到燃弧中的紫外分量，并转换为电压信号，信号经过信号处理单元处理后输入到高性能微处理器中，高性能微处理器内部采用数字信号处理算法，辨别燃弧强度及燃弧时间是否达到报警阈值，记录燃弧相关信息并通信上传至上位机软件系统，同时触发工业相机对燃弧实际情况进行拍照。3.根据权利要求2所述的基于多传感器融合的轨道列车弓网与走行部故障检测系统，其特征在于，所述非接触式弓网燃弧检测系统具体包括CPU最小系统、时钟电路、光耦隔离电路和通信电路；所述CPU最小系统采用STM32F407微处理器；所述时钟电路为DS1302时钟电路，用于检测燃弧时对上位机软件系统进行燃弧信息输送；所述光耦隔离电路设于CPU与工业相机之间，用于保护微处理器以及装置本体；所述通信电路为RS485通信电路，用于上传检测系统测量出的检测结果至上位机软件系统显示。4.根据权利要求2所述的基于多传感器融合的轨道列车弓网与走行部故障检测系统，其特征在于，所述信号处理单元用于对燃弧出现时的紫外光信号进行采集、低噪放大、波形整形、高压稳压，得到一组易于检测分析的波形，具体包括紫外光检测电路、信号调理电路、基于PWM的变压器升压电路及闭环程控电路和电源电路。5.根据权利要求4所述的基于多传感器融合的轨道列车弓网与走行部故障检测系统，其特征在于，所述紫外光检测电路中紫外光传感器采用R2868紫外光火焰传感器，阳极为供电端口，阴极为信号输出端口，输出为脉冲信号；所述信号调理电路用于通过低噪放大、波形整形、光耦隔离手段抑制噪声信号并将信号处理为CPU可识别的电平信号；所述基于PWM的变压器升压及闭环程控电路主要由高频升压电路和高压采集反馈电路构成。6.根据权利要求1所述的基于多传感器融合的轨道列...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄伟超，张岗岗，焦尚彬，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：