基于MEMS的列车轮轴状态无线监测系统技术方案

本实用新型专利技术提供一种基于MEMS的列车轮轴状态无线监测系统，特别是提供一种基于MEMS的铁路列车、城市轨道交通列车中轨道车辆的轮轴状态无线监测系统。该系统由安装在轨道车辆上的车辆传感装置节点、安装在轨道机车上的机车监测装置节点和安装在列车技术检修场地上的列检监测装置节点组成。车辆传感装置节点通过MEMS数字传感器采集轨道车辆轮轴轴承温度、车轮振动、车轮转速，然后通过多跳自组织无线网络将采集的监测数据发送给机车监测装置节点及列检监测装置节点，从而实现对列车中轨道车辆轮轴状态的实时监测、综合诊断，及时准确发现轴承运转不良、车轮踏面损伤、转向架横向失稳等故障及轨道车辆脱轨事故。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种基于MEMS的列车轮轴状态无线监测系统，特别是涉及一种基于MEMS的铁路列车、城市轨道交通列车中轨道车辆的轮轴状态无线监测系统，所属于交通运输轨道车辆

技术介绍
目前，铁路旅客列车轮轴轴承温度监测主要是采用轴箱上安装传感器探测、有线数据传输的轴温报警系统。铁路货物列车轮轴轴承温度监测、车轮踏面损伤程度监测和车辆运行品质不良监测主要是使用THDS（即车辆轴温智能探测系统）、TPDS（即铁道车辆运行品质轨旁动态监测系统）的定点轨边设备探测、远程有线数据传输的监测系统，同时THDS、TPDS对铁路旅客列车开放。THDS探测站沿着铁路线路布点平均距离为30km，TPDS探测站布点平均距离为400km。城市轨道交通列车除了部分线路上安装轴承温度监测系统外，大部分线路上尚未安装轴承温度监测系统，更未安装车轮踏面损伤程度监测系统，已经安装使用的轴承温度监测系统主要采用以下方式：定点轨边非接触式红外线轴温探测、远程有线数据传输；车载标签轴温探测、定点轨边无线接收、远程有线数据传输；车载传感器轴温探测、有线数据传输等。现有的大部分自动化轴承温度监测和车轮踏面损伤程度监测不是全程的，不能及时发现列车运行中、调车作业中发生的轴承故障、车轮故障，危及列车运行安全。为了保证列车运行安全，轨道车辆部门一直沿用密集的人工检查作业方式，人工检查劳动强度大，露天作业条件艰苦，配件不可视部位无法检查，轨边作业容易发生人身伤害事故等诸多问题。同时，采用定点轨边设备探测方式，存在设备检修的施工（维修）天窗影响列车运行，与线路维修作业形成交叉干扰，需要线路养护（工务）、供电、通信等部门支持，冬季雪害不可避免，营业线上道作业危及人身安全等诸多问题。当今，无线传感器网络是对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术。而无线传感器网络在轨道车辆轮轴故障监测中只有研究，尚未应用。同时无线传感器网络在轨道车辆轮轴状态监测的研究上存在严重缺陷及不足，特别是长距离的监测数据传输、轨道车辆个体识别、无电源的铁路货车车辆无线网络节点供电等方面都没有具体解决方案。
技术实现思路
本技术解决的技术问题是：为了克服列车轮轴状态定点轨边设备探测、长距离的监测数据传输、无线网络轨道车辆个体识别、车辆无线网络节点供电方案等研究的缺陷及不足，本技术提供一种基于MEMS的列车轮轴状态无线监测系统。本技术采用的技术方案是：在轨道车辆每个轴箱上及在装用无轴箱滚动轴承铁路货车每个承载鞍上安装车辆传感装置节点，在轨道机车司机室安装机车监测装置节点，在列车技术检修场地值班室安装列检监测装置节点。列车组成后，机车监测装置节点、列检监测装置节点与本列车的车辆传感装置节点通过无线通信模块组成多跳自组织无线网络，进行监测数据和相关信息的传输。车辆传感装置节点使用MEMS数字温度传感器采集轨道车辆轮轴轴承温度，使用MEMS数字振动传感器采集轨道车辆轮轴车轮垂直振动和轴向振动，使用MEMS数字转速传感器采集轨道车辆轮轴车轮转速，采集的监测数据经过微控制器处理、微存储器存储，然后使用无线通信模块定时通过多跳自组织无线网络进行发送。车辆传感装置节点所需电能，对于有电源轨道车辆由轨道车辆供电系统，经过电能管理模块降压、整流，为车辆传感装置节点供电。对于无电源轨道车辆由圆弧型定子永磁发电机发电，经过电能管理模块升压、整流，存储在使用超级电容器的电能存储模块中，为车辆传感装置节点供电。电能存储模块这里使用石墨烯超级电容器。车辆传感装置节点永磁发电机由安装在装用无轴箱滚动轴承铁路货车承载鞍挡边上的圆弧型定子、安装在轴承后挡上的齿圈式转子组成。定子主要由定子铁芯、钕铁硼的永磁体、定子线圈组成，转子主要由磁轭材料制成齿圈。同时在承载鞍挡边上安装MEMS数字转速传感器。机车监测装置节点使用MEMS数字温度传感器采集环境温度，使用无线通信模块通过多跳自组织无线网络接收车辆传感装置节点发送的监测数据，各项监测数据经过微控制器处理、微存储器存储，然后使用显示器进行实时显示。对超过规定数值的轴承温度、车轮振动监测数据，使用显示器、蜂鸣器进行图像、声音的报警。报警数据可以通过GSM－R网络或其它无线网络上传给列车调度员。机车监测装置节点设有按键模块，用于操作机车监测装置节点各项功能。机车监测装置节点由轨道机车供电系统，经过电能管理模块降压、整流，为机车监测装置节点供电。机车监测装置节点显示器在屏幕上分栏同时显示轴承温度、车轮振动监测数据，并可整屏单独显示、按键切换显示内容。机车监测装置节点显示器在屏幕上采用坐标形式显示监测数据。轴承温度监测数据使用折线图显示。车轮振动监测数据使用柱形图显示。列检监测装置节点使用MEMS数字温度传感器采集环境温度，使用无线通信模块通过多跳自组织无线网络接收机车监测装置节点及车辆传感装置节点发送的一段时间之内的监测数据，各项监测数据经过微型计算机处理、存储、分析，对超过检修限度的监测数据进行报告，并将监测数据通过局域网络向上级管理部门报送。车辆传感装置节点采用“车辆号＋配件名称代号＋配件方位顺号”组合作为无线网络节点的名称，机车监测装置节点采用“机车号”作为无线网络节点的名称，列检监测装置节点采用“列车技术检修场地代号”作为无线网络节点的名称。列车组成后，列检监测装置节点通过广播唤醒本列车的车辆传感装置节点组成多跳自组织无线网络。列车连挂机车后，机车监测装置节点通过广播再次唤醒本列车的车辆传感装置节点组成多跳自组织无线网络。出发列车由列检监测装置节点为机车监测装置节点发送列车编组信息，无列检监测装置节点的可由车站负责发送。到达列车由机车监测装置节点及车辆传感装置节点为列检监测装置节点发送全程监测数据，无列检监测装置节点的可由车站负责接收。车辆传感装置节点在接收到机车监测装置节点或列检监测装置节点广播后被唤醒，转入工作状态，组成多跳自组织无线网络，接收列车编组信息，完成时钟同步，然后转入待机状态。轨道车辆在车轮开始转动后，由MEMS数字转速传感器触发，车辆传感装置节点转入工作状态，轨道车辆在车轮停止转动一定时间后，因MEMS数字转速传感器停止触发，车辆传感装置节点转入待机状态。列车运行终到后，通过无线网络解散广播解散无线网络，车辆传感装置节点转入休眠状态，以节约电能。本技术的有益效果是：本技术采用多跳自组织无线网络传输技术，实现对列车中轨道车辆轮轴轴承温度、车轮振动状态的实时监测、综合诊断，及时准确发现轴承运转不良、车轮踏面损伤、转向架横向失稳等故障及轨道车辆脱轨事故。本技术克服定点轨边设备探测的非实时性，能够延长轴承使用寿命，减轻人工检查劳动强度，解决定点轨边设备探测较高资本投入和维修人员劳动生产率低的问题，规避作业人员人身安全风险。本技术按照每个车辆传感装置节点功率消耗100mW，每辆轨道车辆安装8个车辆传感装置节点，每列列车编组60辆轨道车辆计算，总功率消耗48W，耗能极低。附图说明下面，结合附图和实施例对本技术进一步说明。此处的附图和实施例是用于对本技术的阐述及解释，并不构成对本技术的不当限定。图1是本技术的系统构成图。图2是本技术的车辆传感装置节点构造图。图3是本技术的无电源铁路货车车辆传感装置节点永本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于MEMS的列车轮轴状态无线监测系统，其特征是：由安装在轨道车辆轴箱的及安装在装用无轴箱滚动轴承铁路货车承载鞍的车辆传感装置节点、安装在轨道机车司机室的机车监测装置节点和安装在列车技术检修场地值班室的列检监测装置节点组成；机车监测装置节点、列检监测装置节点与本列车的车辆传感装置节点组成多跳自组织无线网络。

【技术特征摘要】
1.一种基于MEMS的列车轮轴状态无线监测系统，其特征是：由安装在轨道车辆轴箱的及安装在装用无轴箱滚动轴承铁路货车承载鞍的车辆传感装置节点、安装在轨道机车司机室的机车监测装置节点和安装在列车技术检修场地值班室的列检监测装置节点组成；机车监测装置节点、列检监测装置节点与本列车的车辆传感装置节点组成多跳自组织无线网络。2.根据权利要求1所述的列车轮轴状态无线监测系统，其特征是：所述的车辆传感装置节点通过MEMS数字温度传感器采集轨道车辆轮轴轴承温度，通过MEMS数字振动传感器采集轨道车辆轮轴车轮振动，通过MEMS数字转速传感器采集轨道车辆轮轴车轮转速，采集的监测数据经过微控制器处理、微存储器存储，然后通过无线通信单元进行发送；车辆传感装置节点所需电能，有电源轨道车辆由轨道车辆供电系统供电，无电源轨道车辆由永磁发电机、电能管理模块、使用超级电容器的电能存储模块组成的电能供应单元供电。3.根据权利要求2所述的列车轮轴状态无线监测系统，其特征是：所述的车辆传感装置节点永磁发电机由安装在装用无轴箱滚动轴承铁路货车承载鞍上的圆弧型定子、安装在轴承后挡上的齿圈式转子组成；定子主要由定子铁芯、永磁体、定子线圈组成，转子主要由磁轭材料制成齿圈；当车轮转动时带着转子一同转动，在定子铁芯内产生交变磁通，从而在定子线圈内产生电流。4.根据权利要求1所述的列车轮轴状态无线监测系统，其特征是：所述的机车监测装置节点通过MEMS数字温度传感器采集环境温度，通过无线通信单元接收车辆传感装置节点发送的监测数据，各项监测数据经过微控制器处理、微存储器存储，然后通过显示器进行实时显示；对超过规定数值的轴承温...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘兴超，
申请(专利权)人：刘兴超，
类型：新型
国别省市：辽宁;21