车辆轴温智能探测系统(THDS)概论ppt课件.ppt
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1、一、THDS系统的发展历史,车辆轴温智能探测系统(THDS):通常称为红外线轴温探测系统,是利用安装在轨边的温度探测装置,采用辐射测温技术,实时检测运行状态下的列车轴承温度,发现车辆轴承故障隐患,保证铁路运输安全的车辆安全防范系统。70年代:开始研制一代机,热敏电阻测温,交流放大,不定量测温,描笔式记录仪输出,人工判断热轴。85年后:研制二代机早期产品,热敏电阻测温,直流放大,定量测温,计算机进行数据采集和处理,自动判别预报热轴。,THDS系统简介,90年代:大面积推广使用二代机,探测站无人职守,实现分局中心、复示站、探测站的网络连接。主要代表机型有哈科所(威克) HTK-391、广汉厂(科峰
2、)HTZ-2000、航天部502所(康拓)HBDS-。98年以后,采用光子器件,研制推广适应高速列车的探测系统。主要代表机型有哈科所(威克) HTK-499、广汉厂(科峰) HTZ-2000、航天部502所(康拓) HBDS-。2001年,利用办公网络,实现铁道部、铁路局、铁路分局的全路联网。2004年,主要干线陆续增加车号检测装置,实现智能跟踪,车号检测也是“5T”综合预报的前提。2006年,加紧完成设备统型工作,实现网络传输、自适应标定、双探测角度等,其设备型号统一为THDS-A型。2010年8月,铁道部组织各设备厂家,将现有THDS-A型设备各项成熟、先进技术进行集成,形成了统一制造标准
3、,具备完全互换性的THDS-B型设备。,THDS系统简介,二、THDS系统轴温探测的基础理论,轴承在运转过程中由于材料缺陷、加工或装配不当、润滑不良、水份和异物侵入、腐蚀剥落以及过载等原因都可能导致损坏。当然,即使在安装、润滑和使用维护都正常的情况下,经过一段时间的运转,轴承也会出现疲劳剥落和磨损等现象影响轴承的正常工作。铁路车辆在运行过程中,如果轴承内部损伤或外部不合理受力,会导致轴承发生部件过度磨耗或损坏、卡滞等故障,如果不及时对这些轴承故障发出警告,最终会导致发生严重的列车安全事故。铁路车辆轴承温度过高是车辆轴承出现故障的一个重要表征,而且轴承故障的严重程度与轴承温度的高低有着复杂而密切
4、关系。,THDS系统简介,根据机械故障诊断原理,滚动轴承诊断的物理方法主要有温度、振动、声学、油液分析等方法。因此,轴承温度并非轴承故障唯一的表征。当轴承故障处于点蚀、剥离等早、中期状态时,由于轴承润滑尚为失效,轴承产生的运转热并不突出,温度诊断对这类轴承故障的敏感性较差。从全路的统计情况看,每年都有相当数量的轴承处在“带病服役”阶段,在检修中发现许多货车轴承故障,而红外探测系统并未报警。同时,受轴承密封类型、装配时发生的过盈配合、油脂注入量等内部因素影响,以及车辆在运行过程中的装载情况(超、偏载)、轮对踏面情况、运行环境等外部因素影响,容易出现某一轴承运转热相对过高的情况,此时并不意味着轴承
5、出现了故障。因此,轴承温度并非轴承故障必然的表征。当轴承故障处于后期状态时,由于轴承润滑失效,轴承内部发生结构性损伤,继续运转会出现保持架、滚子断裂、破碎、融化等情况,进而失去滚动作用,轴承卡死,导致车轴与轴承内圈装配处的温度急剧上升,车轴强度下降、变形,最终切断车轴。此时,轴承温度能够准确反映故障的后期状态。因此,轴承温度是轴承后期故障恶化的必然的表征。,THDS系统简介,轴承温度并非轴承故障唯一和必然的表征。这也是利用轴承温度判断轴承故障的最大不足。,THDS系统简介,一个重要的结论:,利用轴承温度判别轴承故障的原因:,一是温度检测一般具有简单、成熟、易于实现的特点, 具备非接触性、灵敏度
6、高、检测速度快的优点。能够满足我国铁路运输安全监控的需要。 二是通过准确测量轴承温度,科学、合理的对异常轴温进行判别,并与其它车辆安全防范系统综合利用,同样可以准确的发现轴承早、中期故障。更重要的时,通过对轴承温度的监测是及时发现车辆轴承后期严重故障,防止热切轴的重要手段和最后关口。,由于物体的温度与其红外线辐射能量有关,利用将红外线辐射转换为其它信号的红外传感器,就能够以非接触的方式测量物体的温度。红外线测温具有非接触性、灵敏度高、检测速度快的优点,但也有材料、制造成本高,以及难以精确测量物体某一点确切的温度值的不足之处。车辆轴温智能探测系统通过实时测量行进中列车车辆的轴承温度,并根据是否出
7、现异常轴温(热轴)判断车辆轴承状态是否异常,及时发出警告,从而防止出现列车热切轴事故的车辆安全防范系统。经过多年的发展,车辆轴温智能探测系统目前已形成保障列车运行安全的一个智能化、网络化、信息化的系统,综合运用红外探测技术、自动控制技术、计算机技术、信息处理技术、网络通信技术,实现分散探测,集中报警,联网运行,信息共享,防止铁路车辆热切轴事故的发生,成为保障铁路运输安全与畅通的一个重要体系。,THDS系统简介,三、THDS系统与TADS系统,由于轴承温度并非轴承故障唯一和必然的表征。因此,THDS系统通过测量轴承温度以此判断轴承故障是存在不足的。货车滚动轴承早期故障轨边声学诊断系统(简称TAD
8、S系统)是采用声学诊断技术和计算机网络技术,通过对运行中货车轴承噪声信号的采集和分析,识别轴承的工作状态,可提供有效的轴承内部故障诊断结果,并能够准确分辨滚动轴承故障部位。系统预报准确率97%。,THDS系统简介,正确解读TADS系统预报准确率97% 预报准确率探测准确率从系统名称的定义上看,货车滚动轴承早期故障轨边声学诊断系统。,THDS系统简介,早期,微小 局部,从TADS系统的原理分析,当轴承零件的滚动工作面上出现故障(如剥离、碎裂、点蚀、塑性变形等)时,在轴承运转中滚动体碾压到故障部位,就会产生冲击振动。这种冲击振动与正常情况下的振动有所不同,具有很宽的频率范围,常能激起轴承零件的共振
9、,引发异常声响。这种信号的特点是每个冲击的作用时间很短,能量不大,但频谱丰富,且冲击具有周期性。正常状态的轴承在运转中也有十分复杂的振动和噪声,其信号总体上表现出随机特性,虽含有周期成分,但频率较低,能量较弱。一旦轴承内部出现局部损伤,则振动和噪声信号的结构将发生变化,出现周期性的冲击脉冲,引起轴承系统的高频共振响应。,THDS系统简介,THDS系统简介,利用声传感器拾取轴承的声音(噪声)信号,采用特定的信号分析技术,可以从时域、频域或幅域提取出轴承的故障特征,再应用各种模式识别方法,就能够实现滚动轴承的故障诊断。幅域特征可以反映故障的程度,频域特征则可以反映故障的部位。因为故障部位不同,其产
10、生的重复冲击频率是不一样的。根据轴承运动学原理,如果已知轴承的几何参数和转速,就可以 计算出各轴承零件产生故障时 的特征频率。对实测信号进行 分析,查找特征频率成分,即 可判别故障所在。,反例: n年n月n日4时43分45393次货物列车编组39 辆,通过外线探测站下行方向时,THDS系统预报机后11辆C62K 4927507右侧2轴热轴,等级微二。经分解检查,发现该轴承存在外圈裂纹、内外圈滚动面剥离、滚子裂损、保持架融化等故障。从轴承分解结果看,该轴承外圈裂纹37mm、内外圈滚动面大面积剥离;5颗滚子发生破碎,滚子呈不规则颗粒状,保持架折断、融化,属轴承恶性故障,如继续运行将要发生车辆热切事
11、故。 查询TADS系统预报情况如下:,THDS系统简介,TADS系统主要针对轴承早期故障,当局部故障的形状比较规则时,产生的周期性冲击明显,系统较为敏感;但是对于故障现象较为复杂的后期故障,其诊断能力有限,此时THDS系统的安全防范力就能得到很好的体现。因此,THDS系统与TADS系统相互互补,不可替代,共同铸就了铁路运输的安全防线。,THDS系统简介,结论,目前,全路THDS探测站设备共有4700余台,其中哈科所约占51.44,康拓公司约占31.88,科峰公司约占16.68。每年对全路超过7000万列列车、100亿条轴的轴温状态进行并探测做出准确的判断。,THDS系统探测站,一、THDS系统
12、探测站的主要功能,自动监测运行车辆的热轴故障;自动判别列车运行方向;自动识别机车;自动测速;自动识别客、货车辆及动车组;自动识别滑动轴承和滚动轴承;自动计轴、计辆;具有系统自检功能;数据自动存储;配备车辆智能跟踪装置,正确读取机车、车辆车号信息,识别轴位。,THDS系统探测站,1. THDS探测站轨边设备,轨边设备主要包括红外探头、探头箱、卡轨器、车轮传感器、智能跟踪装置微波天线等。,THDS系统探测站,1.1 THDS红外探头,红外探头也称为红外线传感器,一般由光学系统,红外探测器、信号放大及处理电路等部件组成,交流放大传感器还有调制盘及电机,某些探测器需要在低温条件下工作,因此有的红外线传
13、感器还包括探测器的制冷装置。红外线传感器基本上是一个光学电子系统,将接受到的红外辐射转换为电压信号,再通过后续其他系统对该电型号进行采集、处理、计算,达到测温的目的。因此,红外探头是THDS系统的核心部件,是实现THDS系统功能的基础。关于红外探头,我们将从以下几个方面展开讨论。探头的种类红外探测器件光子探头的致冷探头的角度轴温波形,THDS系统探测站,THDS红外探头的种类,按照红外探测器件的种类区分热敏电阻探头,探测器件为热敏电阻光子探头,探测器件为碲镉汞 按照放大电路的种类区分直流探头,放大电路为直流放大电路调制探头,放大电路为交流放大电路,THDS系统探测站,红外探测器件,红外探测器是
14、红外线传感器的核心,利用红外线辐射与物质相互作用所呈现的物理效应来探测红外线辐射。根据对红外线辐射响应方式的不同,红外线探测器分为热探测器和光子探测器两大类。热探测器和工作原理是入射的红外线能量使得探测器温度升高,而导致探测器的某些物理性质发生变化,并进而转化成可测量的信号,就可确定入射红外线能力的大小。热探测器主要有四类:热释电型、热敏电阻型、热电阻和气体型。热敏电阻是利用某些金属或半导体材料的电阻率随温度有较大变化而制成的探测器。当热敏电阻吸收红外线辐射而温度变化时,其电阻率也发生变化。将热敏电阻串联在恒流电路中,电阻率的变化可转化为电压的变化,此时红外线辐射能量可转化为电压输出。由于热探
15、测器温度变化后才会导致其物理性质变化,因此热探测器的响应速度较慢。热敏电阻的响应时间常数为毫秒级。光子探测器是利用入射的红外线光子流与探测器材料(如碲镉汞材料)中的电子直接相互作用,物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流,使得探测器的电子能量状态发生变化,从而导致各种电学现象,称为光电效应。由于光电效应中没有热探测器温度变化的过程,所以光子探测器的响应速度比热探测器快很多,响应时间常数为微秒级。,THDS系统探测站,光子探头的致冷,光子探测器的一个特性就是需要在低温条件下工作,以降低噪声,以此保证探测器的灵敏度。因此采用碲镉汞器件制作的光子探头要对碲镉汞进行致冷,降低器件温度,确保获得比较高
16、的响应率和信噪比。由于碲镉汞器件的响应率随器件温度变化,因此在实际应用中,既要使器件温度尽可能低,又要在一段时间内使器件温度保持稳定,因此要对器件温度进行控温,将碲镉汞的温度控制在设置温度上。当环境温度变化过大而使器件温度不能稳定在该温度时,再重新设置器件温度。这样,使探测器件的响应率在一段时间内保持稳定不变。,THDS系统探测站,1.2 THDS探测角度,从20 世纪70 年代红外线探测开始运用以来,红外线探头探测角度经历了几次变化,存在过上探、下探等探测方式,下探又有外探和内探2 种探测角度。目前红外线探测都采用下探的方式。外探:探头光学中心距钢轨内侧距离为415mm,与钢轨呈微小夹角,
17、探测货车轴承前盖密封部位。内探:探头光学中心距钢轨内侧距离为260mm, 与钢轨平行, 探测轴承中隔圈部位。,THDS系统探测站,外探,THDS系统探测站,由于探头光学中心距钢轨内侧距离较远,探头光学路径主要扫描轴承端盖密封罩附近。,内探,THDS系统探测站,由于探头光学中心距钢轨内侧距离较进,探头光学路径主要扫描轴承中隔圈附近。,内、外探运转热对比 对于轴承正常运转所产生的运转热,一般来说内探平均温升比外探平均温升略高,这是由于内探探测的轴承中隔圈位置距离轴承两排滚子比较近,而外探探测的轴承前盖密封罩位置在轴承端部,距离滚子比较远,因此内探的轴温应比外探的轴温高;而且铁路货车晃动有可能使轴承
18、前盖位置不能充满外探探头视场,影响外探的探测,而内探则不受铁路货车晃动的影响,说明内探对于轴承正常运转热的探测精度更为精确。内、外探热轴预报对比 从全路热轴统计来看,外探改为内探后,THDS热轴预报数量明显下降。外探预报的强、激热轴承,经确认绝大多数技术状态正常,这说明在轴温超过正常运转热而进行热轴预报时,外探无法滤除由于轴承密封罩与密封座之间的摩擦热或密封罩脱出与其他配件摩擦而导致的假热轴。,THDS系统探测站,内探的优点是探测位置为滚动轴承中间,两个保持架中隔圈的位置,探测充分、温升高,不会受到列车运行中的摆动影响。内探存在的风险是: X1K型车和长大货车等带轴箱套的轴承造成的遮挡而导致无
19、法直接探测到轴承表面,造成漏探。,THDS系统探测站,相对于内探,外探的优点是兼容滚动轴承与滑动轴承,不受车种、车型的限制。存在的问题是对探头角度要求严格,由于货车晃动或探测角度偏差易产生漏探。同时容易受到轴承类型、轴承端盖密封罩摩擦产生的热量影响而误报热轴。,采用内探与外探的优点和风险,双探,THDS系统探测站,集合内、外探的优点,相互互补,实际探测中以内探为主,外探为辅。,,41216次货车编组46辆,过THDS探测站上行方向时机后26辆G17DK 6104545左侧3轴,外探预报激热,内探未预报,综合预报微三。其中珠江源内探外探15、外探96;内探52、外探129。经分解鉴定,存在轴承密
20、封罩脱出故障 。,故障轴承图1 故障轴承图2 正常轴承,密封罩脱出实物图 与前盖摩擦后露出油封金属骨架,THDS系统探测站,G17DK 6104545热轴波形,THDS系统探测站,无论内探、外探还是双探,通常采用沿着列车运行方向探测,即探测位置是轴承的背风面,而非迎风面。这样做的原因主要有: 轴承的背风面,温度比较稳定,受到车速风速的影响较小,温度较真实。 受车上坠物的影响较小。 当然,迎着列车运行方向探测,在技术上也是可以实现的。例如在青藏线有些探测站就是采用的单个探测站双向探测。,THDS系统探测站,1.3 轴温波形,普通货车滚动轴承波形特点是标准的32点梯形波首先扫描车底架56个点,扫描
21、轴承轴径1516个点,接着扫描车底架913点标准的货车滚动轴承波形大致上左右对称,前沿部分大约为1至3个点,尾部大约为3至5个点,为波形平顶属轴承热区部分内探探测角度扫描曲线为滚动轴承底部,两副保持架中心(中隔圈)位置,波形顶部比较平直。,THDS系统探测站,部分货车由于挡键遮挡的缘故,故波形的顶部宽度较窄(约为标准波形的一半),约为6至8点,此类波形属于正常波形。,阳光干扰波形特征:前高后低,常见于白天探测的罐车。,尖峰波形特征:波形中有一个峰值很高。,多尖峰波形特征:波形中有多点跃升。,抱闸波形特征:由于内探角度受抱闸摩擦热干扰造成,波形易抬起,表面不够圆滑,有凸起有凹陷。,1.4 车轮传
22、感器(磁头),1#磁头为开机磁头。系统采集到1#磁头信号,系统开机,进入接车状态,探头保护门打开。车轮压过2#磁头,系统采集到2#磁头信号,系统开始探测。2#、3#磁头信号结合可使系统测量车速和轴距。系统采集到同一个车轮压过2#、3#磁头之间的时间,去除以2#、3#磁头之间固定的距离,即为该车轮通过时的速度。相邻车轮压过2#或3#磁头间隔的时间,乘以速度,即为这两个车轮之间的轴距。,THDS系统探测站,2. THDS探测站室内设备,室内设备主要包括主机箱、控制箱、电源箱、智能跟踪装置、通信单元、防雷设备、不间断电源。,THDS系统探测站,三、THDS-B型设备,1发展历程2010年8月11-1
23、2日铁道部运输局在沈阳组织铁路局及THDS设备厂家研究确定了THDS统一制造标准设备采用的各项技术和系统集成要求,并组织THDS-A型设备生产厂家成立联合研发项目组进行集中开发。2010年9月16日项目组完成了设备样机的集成和室内联调,形成了THDS统一制造标准设备技术资料(含技术条件、图样、软件)。2010年9月21日,设备样机安装在北京铁路局与既有THDS-A型设备进行在线对比试验和现场试用。2010年10月10日,通过铁道部运输局组织的THDS统一制造标准设备样机通过技术审查。2011年1月12-13日,各设备厂家通过了铁道部运输局组织的THDS-B设备生产、产品审查。,THDS系统探测
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