УСТРОЙСТВО ВИБРОДИАГНОСТИКИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ВАГОНА

Полезная модель относится к системам мониторинга транспортных средств и может быть встроена в комплектацию вагонов железнодорожного транспорта.
Известна система диагностики механизмов, предназначенная для диагностики подшипниковых и редукторных узлов, зубчатых передач ходовой части железнодорожного транспортного средства [1]. Система содержит вибродатчики, устанавливаемые на диагностируемых объектах, усилители заряда, аналоговый мультиплексор, плату с аналого-цифровым преобразователем, ПЭВМ. Также в системе имеется цифровой мультиплексор, оптические датчики частоты вращения, демультиплексор и блок управления.
К недостаткам данной системы можно отнести отсутствие возможности проверки работоспособности вибродатчиков, когда они установлены на исследуемом объекте. Также наличие в системе мультиплексоров предполагает последовательный опрос датчиков частоты вращения, что может ограничить области применения данной системы.
Известна система вибродиагностическая многоканальная для диагностики подшипниковых и редукторных узлов, зубчатых передач ходовой части железнодорожного транспортного средства [2]. Система содержит вибродатчики, которые устанавливаются на диагностируемые объекты, усилители заряда, аналого-цифровые преобразователи, ПЭВМ, USB-интерфейс. Использование данной системы позволяет сократить время вибродиагностики за счет отсутствия переходных процессов при аналоговом переключении мультиплексора, обеспечить одновременность регистрации цифрового сигнала во всех каналах, исключить взаимовлияние смежных каналов, повысить достоверность результатов измерений.
К недостаткам данной системы можно также отнести отсутствие возможности проверки работоспособности вибродатчиков и измерительного канала, когда система установлены на исследуемом объекте.
Известна система дистанционного мониторинга подвижного железнодорожного транспортного средства, включающая в себя мобильные и стационарные аппаратные части, которая является наиболее близкой по совокупности существенных признаков к заявляемой полезной модели и выбрана в качестве ближайшего аналога [3]. Данная система включает несколько основных блоков.
Функциональный измерительный блок содержит измерительные датчики-преобразователи (температуры, давления, ускорения), микроконтроллер, модуль памяти, часы, источник питания, модуль связи. С помощью модуля связи функциональный измерительный блок соединен с центральным бортовым вычислительным блоком. Данный блок предназначен для сбора данных от функциональных измерительных блоков, формирования адресной информационной посылки, отправки ее по каналам внешней связи на стационарную часть системы (центральный сервер).
Центральный бортовой вычислительный блок содержит блок связи, микроконтроллер, блок памяти, часы, источник питания, датчик внутренней температуры, датчик положения в пространстве. Для определения положения в пространстве, центральный вычислительный блок содержит модуль глобальной навигационной спутниковой системы (GPS, ГЛОНАС).
В системе также предусмотрены дополнительные контролирующие и резервирующие средства в виде контрольных датчиков, которые предназначены для контроля отдельных элементов и всей системы в целом. Контрольные датчики содержат микроконтроллер, часы, источник питания, блок внутренней связи, датчик внутренней температуры, датчик положения в пространстве. В случае возникновения внештатных или аварийных ситуаций датчики положения или датчики ускорения (акселерометры) регистрируют удары, вибрацию, нештатное изменение положения элементов системы или элементов железнодорожного транспортного средства в пространстве и передают данную информацию через блок связи в центральный бортовой вычислительный блок, а затем в составе адресной информационной посылки на центральный сервер.
К недостаткам существующей системы можно отнести структурную избыточность, которая состоит в наличии дополнительных контролирующих и резервирующих блоков, которые усложняют структуру данной системы. Еще одним недостатком является отсутствие возможности проверки работоспособности вибродатчиков, когда они установлены на исследуемом объекте.
Задачей полезной модели является устранение избыточности системы за счет изменения количества и состава основных составляющих блоков, расширение функциональных возможностей устройства и повышение достоверности получаемых данных за счет использования блока самодиагностики.
Это достигается за счет наличия в структуре функционального измерительного блока пьезодатчика низкочастотного канала, пьезодатчика высокочастотного канала, пьезодатчика канала самодиагностики, интерфейса RS-485, синусно-косинусного магниторезистивного датчика, а также интегральной микросхемы обработки сигналов, которая состоит из высокочастотного и низкочастотного каналов измерения вибрации с предварительным усилением и фиксированной полосой пропускания, канала самодиагностики, канала измерения температуры, блока определения углового положения, микроконтроллера, цифрового сигнального процессора, наличия в составе центрального бортового вычислительного блока RFID-метки, интерфейса RS-485.
На фиг. 1 представлен состав функционального измерительного блока, где: 1 - пьезодатчик низкочастотного канала, 2 - пьезодатчик высокочастотного канала, 3 - пьезодатчик канала самодиагностики, установленные в одном корпусе с 4 - интегральной микросхемой обработки сигнала, 5 - датчик температуры, 6 - интерфейс RS-485, 7 - магниторезистивный датчик мостового типа. В составе интегральной микросхемы имеются: два основных канала низкочастотный и высокочастотный, а также канал самодиагностики [4], канал измерения температуры, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер и цифровой сигнальный процессор, блок определения углового положения.
На фиг. 2 показан состав центрального бортового вычислительного блока, где 8 - микроконтроллер, 9 - модуль глобальной навигационной спутниковой системы (GPS/ГЛОНАС), 10 - RFID метка с защищенным каналом, в которую записывается информация о перевозимом грузе, 11 - система GSM связи с удаленным сервером, 6 - интерфейс RS-485, 12 - источник питания, 13 - блок памяти.
Предлагаемое устройство функционирует следующим образом. Функциональный измерительный блок устанавливается на каждый подшипниковый узел вагона железнодорожного транспорта. Магниторезистивный датчик располагается в нескольких миллиметрах от многополюсного магнитного диска, предварительно закрепленного с торцевой стороны вращающейся оси. Выходной аналоговый сигнал с датчика поступает на блок определения углового положения в составе микросхемы, который определяет угол поворота вала или подшипника, а также мгновенную угловую скорость. Пьезоэлектрические чувствительные элементы выполняются в виде изгибного акселерометра балочного типа и обладают весьма высокой чувствительностью при сравнительно несложной конструкции и небольших массогабаритных размерах. В условиях вибрации подшипника и пьезодатчика канала самодиагностики, на пьезоэлектрический чувствительный элемент низкочастотного или высокочастотного каналов действует внешняя сила, которая вызывает колебания и деформации самого чувствительного элемента. При этом на выходе элемента возникает сигнал в виде напряжения, пропорциональный виброускорению. Данный сигнал подается на вход микросхемы обработки, где выполняется аналоговая и цифровая обработка сигнала, расчет виброскорости, определяется техническое состояние измерительных каналов. В составе функционального блока имеется резистивный датчик температуры, выход которого соединен с микросхемой обработки сигнала, в которой выполняется аналоговая и цифровая обработка сигнала, расчет температуры исследуемого объекта.
По интерфейсу RS-485 все функциональные блоки соединяются с центральным бортовым вычислительным блоком, куда передаются данные о вибрации, температуре, скорости вращения каждого подшипникового узла, результатах самоконтроля. В микроконтроллере центрального блока происходит анализ полученных данных в соответствии с установленными пределами измеряемых величин, формируется информационная посылка о техническом состоянии вагона, его текущем положении на карте и составе перевозимого груза. Эта посылка передается через систему GSM связи на удаленный сервер обслуживающей груз кампании.
К преимуществам предлагаемого устройства можно отнести:
- использование высокочастотного канала измерения вибрации в составе интегральной микросхемы позволит выявлять дефекты и повреждения подшипников на стадии их зарождения, поскольку соударения тел качения с дефектами порождают быстрозатухающие колебания в диапазоне 20-40 кГц;
- использование специализированной микросхемы позволит проводить цифровую обработку сигнала в непосредственной близости от первичных пьезоэлектрических преобразователей и передавать в блок хранения данных результаты измерений уже в цифровом виде;
- возможность полноценной самокалибровки и самоконтроля датчика за счет генерации опорного сигнала и передачи его на дополнительный пьезодатчик, что позволит проверить работу всего измерительного тракта без применения вибростенда;
- благодаря использованию центрального вычислительного блока имеется возможность анализа и хранения данных по вибрации, температуре, скорости для каждого из функциональных измерительных блоков;
- наличие перезаписываемой RFTD метки с защищенным каналом позволит отслеживать информацию о составе груза,
- встроенный модуль GPS, ГЛОНАС позволит определить положение в пространстве.
Источники информации:
1. Патент на полезную модель №176408
2. Патент на полезную модель №183296
3. Патент РФ №2681275 - прототип
4. Патент на полезную модель №189050.