常規(guī)牽引電機(jī)振動(dòng)信號(hào)無(wú)線采集系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)案例分析目錄TOC\o"1-3"\h\u9151常規(guī)牽引電機(jī)振動(dòng)信號(hào)無(wú)線采集系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)案例分析 1281801.1牽引電機(jī)結(jié)構(gòu)及故障分析 1215911.1.1牽引電機(jī)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn) 135791.1.2牽引電機(jī)主要故障類型及原因 4100421.2牽引電機(jī)振動(dòng)無(wú)線采集系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案 898991.1.1牽引電機(jī)振動(dòng)無(wú)線采集主要技術(shù)難點(diǎn) 8117121.1.2無(wú)線采集系統(tǒng)整體方案 949811.1.3采集系統(tǒng)的主要功能及指標(biāo) 1040701.3主要硬件選型 11303511.3.1無(wú)線數(shù)據(jù)采集儀 11165291.3.2振動(dòng)傳感器 13293811.3.3無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊 15常規(guī)牽引電機(jī)振動(dòng)信號(hào)采集的工程方案一般采用有線的方式布置和連接數(shù)據(jù)采集儀和傳感器，優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸可靠，缺點(diǎn)也較為明顯，布置缺少靈活性，可維護(hù)性差，而且需要對(duì)車體進(jìn)行穿孔等改造，可能會(huì)使保修期內(nèi)的車輛失去保修，并帶來(lái)未知的隱患。因此采用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方案來(lái)構(gòu)建牽引電機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)有線機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的不足，使得數(shù)據(jù)采集與接收兩端完全分離便于測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)布置。本文以上海地鐵5號(hào)線阿爾斯通地鐵車輛的牽引電機(jī)為數(shù)據(jù)采集對(duì)象，在對(duì)牽引電機(jī)結(jié)構(gòu)和故障分析的基礎(chǔ)上，提出了車下包括傳感器、無(wú)線數(shù)據(jù)采集儀和傳感器供電模塊，車上包括數(shù)據(jù)接收上位機(jī)和無(wú)線傳輸模塊的兩部分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，再根據(jù)電機(jī)故障分布和特征，分析了系統(tǒng)的主要功能和應(yīng)達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)。對(duì)于市場(chǎng)可提供成熟可靠的傳感器、無(wú)線數(shù)據(jù)采集儀和無(wú)線傳輸模塊，分析了其主要技術(shù)指標(biāo)并進(jìn)行了合理地選型。1.1牽引電機(jī)結(jié)構(gòu)及故障分析1.1.1牽引電機(jī)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)上海地鐵5號(hào)線阿爾斯通地鐵車輛采用自通風(fēng)四級(jí)三相制異步鼠籠式旋轉(zhuǎn)電機(jī)，主要由繞線式定子、轉(zhuǎn)子、軸承和防護(hù)罩組成，實(shí)現(xiàn)車輛的加速及制動(dòng)，外觀、結(jié)構(gòu)和剖視圖分別如圖2-1(a)、(b)和(c)所示。牽引電機(jī)由鼻型的固定結(jié)構(gòu)吊掛在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上，并通過(guò)一個(gè)冠狀齒形聯(lián)軸節(jié)把動(dòng)力傳輸至齒輪減速箱。定子的主要組成部分為三相對(duì)稱繞組和機(jī)座，內(nèi)部設(shè)有通風(fēng)道，能夠迅速排出電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的熱量。轉(zhuǎn)子主要由鐵心、轉(zhuǎn)軸和導(dǎo)條組成，采用一次性澆筑成型工藝，保證轉(zhuǎn)子的可靠性和較高精度的動(dòng)平衡，減少電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)。軸承將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸與定子安裝孔之間的滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)化為滾動(dòng)摩擦，也起到支撐與限定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸的作用，使得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸僅能作周向旋轉(zhuǎn)。軸承配備有不間斷排油裝置和軸溫測(cè)量裝置，采用注油杯注入型號(hào)為KLUBERISOFLEXTOPASL152的鋰基類潤(rùn)滑脂，設(shè)有V型密封圈，防止灰塵和水噴濺入軸承內(nèi)部，保證軸承具有較高的使用壽命和較長(zhǎng)里程的潤(rùn)滑間隔。定子繞組接通交流電，由于交流電的特性，在電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子氣隙中產(chǎn)生定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。運(yùn)動(dòng)具有相對(duì)性，等同于轉(zhuǎn)子在不停地切割定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)線，根據(jù)法拉第定律，閉合的轉(zhuǎn)子就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，再由楞次定律感應(yīng)電流的效果阻礙引起感應(yīng)電流的原因，轉(zhuǎn)子便會(huì)與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)一同旋轉(zhuǎn)，使得轉(zhuǎn)子獲得機(jī)械能來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)。只有轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)保持一定的轉(zhuǎn)速差，才能切割旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)線，因此轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度總是要比定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速慢一些，也即異步電機(jī)。該型電機(jī)的參數(shù)如表2-1，其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單與可靠，后期保養(yǎng)維護(hù)方便，僅需要定期加注30g軸承潤(rùn)滑脂。(a)外觀1-傳動(dòng)端防護(hù)罩，2-電機(jī)軸承，3-轉(zhuǎn)子，4-繞線式定子，5-電機(jī)軸承，6-非傳動(dòng)端防護(hù)罩，7-自冷軸流式風(fēng)扇，8-進(jìn)氣口濾網(wǎng)(b)主要結(jié)構(gòu)圖(c)剖視圖圖2-1牽引電機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.2-1Tractionmotorstructure表2-1牽引電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.2-1Maintechnicalparametersoftractionmotors序號(hào)參數(shù)數(shù)值1額定功率155kW2額定電壓1169V3額定電流96.8A4額定頻率50Hz5額定轉(zhuǎn)速2100rpm6轉(zhuǎn)速范圍0-3660rpm7總重量685kg8幾何尺寸910×623×750mm1.1.2牽引電機(jī)主要故障類型及原因上海地鐵5號(hào)線阿爾斯通地鐵車輛的牽引電機(jī)由4顆M24螺栓吊裝在車輛下部的轉(zhuǎn)向架上，運(yùn)營(yíng)任務(wù)繁重，平均每輛車的每月運(yùn)營(yíng)里程在1萬(wàn)公里以上，運(yùn)行過(guò)程中總是處在牽引和制動(dòng)兩種工況中反復(fù)切換，最高轉(zhuǎn)速可以達(dá)到3660rpm，再加上復(fù)雜的振動(dòng)環(huán)境以及風(fēng)吹雨雪等條件，都會(huì)加速牽引電機(jī)的機(jī)械和電氣系統(tǒng)的磨損老化，難免會(huì)產(chǎn)生不同程度的故障。根據(jù)上海地鐵5號(hào)線近期的售后維修數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析了有關(guān)牽引電機(jī)的258條故障記錄，其中機(jī)械類故障有170件，主要包括軸承損壞、結(jié)構(gòu)開裂和緊固件損壞，電氣類故障88件，主要包括傳感器故障、接插件損壞、散熱故障和其他設(shè)備損壞，具體故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)由圖2-2給出。（a）牽引電機(jī)故障分類（b）牽引電機(jī)各類故障占比圖2-2牽引電機(jī)故障統(tǒng)計(jì)Fig.2-2Tractionmotorfaultstatistics對(duì)于電氣類故障，上海地鐵建立了故障傳輸報(bào)告平臺(tái)，經(jīng)車載多功能總線發(fā)出故障碼，按嚴(yán)重等級(jí)生成不同層級(jí)的工作指令，再及時(shí)地由通信系統(tǒng)將故障碼下發(fā)給維修班組進(jìn)行查修。然而對(duì)于機(jī)械類故障，主要通過(guò)日檢、周檢、一級(jí)保養(yǎng)、二級(jí)保養(yǎng)和均衡修這樣的人工檢修制度，由檢修人員根據(jù)檢修項(xiàng)目表檢查各個(gè)零部件的運(yùn)行狀態(tài)再結(jié)合自己的工作經(jīng)驗(yàn)來(lái)發(fā)現(xiàn)故障，譬如軸承故障主要表現(xiàn)是電機(jī)運(yùn)行時(shí)異響和非正常抖動(dòng)，通常采取的修理方法為更換牽引電機(jī)總成，壞件退供應(yīng)商處理。牽引電機(jī)在工作中高速旋轉(zhuǎn)，為了保證其工作的穩(wěn)定性，必然要使其整體結(jié)構(gòu)處于一個(gè)動(dòng)平衡的位置，牽引電機(jī)機(jī)械類的主要三個(gè)故障軸承故障、結(jié)構(gòu)開裂和緊固件損壞，都勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致牽引電機(jī)整體動(dòng)平衡的失效，從而直接地通過(guò)異常振動(dòng)的形式表現(xiàn)出來(lái)，因此采集牽引電機(jī)的振動(dòng)信號(hào)是實(shí)現(xiàn)牽引電機(jī)故障診斷的有效方法[50]。由圖1.2可以看出軸承故障占牽引電機(jī)總故障數(shù)的52%，機(jī)械類故障數(shù)的79%，因此軸承是保證牽引電機(jī)安全運(yùn)行的最為關(guān)鍵部件之一，它的可靠性直接關(guān)系到地鐵車輛運(yùn)營(yíng)的質(zhì)量與安全，以下對(duì)軸承主要故障的原因和特征頻率作簡(jiǎn)要的分析。典型的滾動(dòng)軸承由內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體和保持架組成，如圖2-3。軸承的外圈一般以過(guò)盈配合的方式安裝在軸承安裝孔內(nèi)，不隨轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)；軸承內(nèi)圈與轉(zhuǎn)軸固定，與轉(zhuǎn)軸共同旋轉(zhuǎn)；滾動(dòng)體一般是球體或者圓柱體，位于軸承內(nèi)圈和外圈之間，是將轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)軸與安裝孔的滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)化為滾動(dòng)摩擦的核心部件；保持架用于把滾動(dòng)體均勻地間隔開，避免軸承旋轉(zhuǎn)時(shí)滾動(dòng)體相互間的摩擦。也有一些工程技術(shù)人員提出潤(rùn)滑劑是滾動(dòng)軸承的第五大部件，起著至關(guān)重要的潤(rùn)滑與冷卻的作用。圖2-3滾動(dòng)軸承主要結(jié)構(gòu)Fig.2-3Mainstructureofrollingbearing軸承發(fā)生故障主要包括老化磨損和局部表面損傷，對(duì)于老化磨損是指隨著軸承長(zhǎng)時(shí)間服役，金屬表面達(dá)到疲勞極限而產(chǎn)生的表面不平整、不規(guī)則退化想象，對(duì)于局部表面損傷，一般是由于過(guò)載、潤(rùn)滑不充分、密封圈損壞導(dǎo)致異物進(jìn)入等原因產(chǎn)生裂紋、孔洞以及點(diǎn)蝕等。老化磨損的故障特征信號(hào)比較微弱且根據(jù)制造廠家耐久性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，一般在軸承達(dá)到疲勞壽命前都會(huì)被換掉，因此老化磨損一般不會(huì)產(chǎn)生太大的危害。然而軸承的局部表面損傷一般由一些偶發(fā)性和不可預(yù)測(cè)性的外界因素導(dǎo)致，這些故障需要及時(shí)地發(fā)現(xiàn)以避免更大的損失發(fā)生，所以目前大部分的研究也都集中在這些領(lǐng)域。對(duì)于軸承的局部表面損傷可以根據(jù)軸承的組成結(jié)構(gòu)對(duì)軸承的故障進(jìn)行分類[51]，分為滾動(dòng)體故障、保持架故障、外圈故障和內(nèi)圈故障。這些故障會(huì)打破軸承平穩(wěn)的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，從而迫使軸承產(chǎn)生振動(dòng)，原理如圖2-4所示。假設(shè)某種原因在軸承的外圈產(chǎn)生了一個(gè)裂紋，滾動(dòng)體進(jìn)入這個(gè)裂紋所在的位置便會(huì)產(chǎn)生幅值如圖2-5（a）的振動(dòng)沖擊，滾動(dòng)體繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，離開這條裂紋時(shí)與裂紋的另一條邊碰撞，產(chǎn)生第二次振動(dòng)沖擊，并與第一次振動(dòng)沖擊疊加，幅值如圖2-5（b）所示。在理論上可以利用圖中兩個(gè)峰值之間的時(shí)間間隔來(lái)計(jì)算出裂紋的寬度。對(duì)于軸承的旋轉(zhuǎn)速度可以由牽引電機(jī)的速度傳感器測(cè)量測(cè)到，所以對(duì)于當(dāng)軸承產(chǎn)生故障時(shí)，滾動(dòng)體會(huì)不斷地滾過(guò)故障處，從而產(chǎn)生特定頻率的振動(dòng)。設(shè)軸承的轉(zhuǎn)速為r，軸承的滾動(dòng)體個(gè)數(shù)為n，軸承的滾動(dòng)體的直徑為d，軸承的滾動(dòng)體接觸角為α，軸承節(jié)徑為D如圖1.3，那么軸承各部件故障的特征頻率可由式2-1至2-4計(jì)算得出[52]。 圖2-4滾動(dòng)體經(jīng)過(guò)裂紋產(chǎn)生沖擊Fig.2-4Therollingelementgeneratesanimpactaftercracks (a)第一次振動(dòng)沖擊 (b)第二次振動(dòng)沖擊圖2-5裂紋產(chǎn)生沖擊幅值Fig.2-5Impactamplitudeofcrack外圈故障頻率 (2-1)內(nèi)圈故障頻率 (2-2)滾動(dòng)體故障頻率 (2-3)保持架故障頻率 (2-4)當(dāng)車輛以50km/h的常用速度行駛時(shí)，牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速r=2286r/min，滾動(dòng)體個(gè)數(shù)n=9，滾動(dòng)體直徑d=7.938mm，軸承節(jié)徑D=39mm，滾動(dòng)體接觸角α=0°，帶入計(jì)算出軸承各部件故障的頻率范圍如表2-2所示。表2-2電機(jī)轉(zhuǎn)速2286r/min軸承各部件故障的基頻Tab.2-2Fundamentalfrequencyofthefailureofeachcomponentofthebearingatthemotorspeedof2286r/min序號(hào)故障頻率/Hz1外圈故障1372內(nèi)圈故障2063滾動(dòng)體故障904保持架故障6711.2牽引電機(jī)振動(dòng)無(wú)線采集系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案1.1.1牽引電機(jī)振動(dòng)無(wú)線采集主要技術(shù)難點(diǎn)根據(jù)牽引電機(jī)振動(dòng)無(wú)線采集的實(shí)際需求和現(xiàn)場(chǎng)安裝空間，本課題開展了對(duì)牽引電機(jī)振動(dòng)無(wú)線采集系統(tǒng)的研究，需要重點(diǎn)解決以下的技術(shù)難點(diǎn)。（1）傳感器供電模塊。地鐵車輛運(yùn)行時(shí)振動(dòng)能量豐富，采用能量密度大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的壓電材料為俘能元件的傳感器供電方案。為達(dá)到傳感器的功耗要求，要設(shè)計(jì)出一種壓電振子的主頻同步于地鐵車輛走行部振動(dòng)能量集中的頻段。（2）輕便友善的數(shù)據(jù)采集上位機(jī)軟件。現(xiàn)場(chǎng)操作環(huán)境復(fù)雜且測(cè)試時(shí)間緊張，現(xiàn)成的測(cè)試上位機(jī)軟件冗余功能較多，軟件打開關(guān)閉速度慢，沒(méi)有合理的設(shè)計(jì)一些防呆措施以保證測(cè)試流程的正確性。為了防止儀器配對(duì)連接、設(shè)置和存儲(chǔ)浪費(fèi)寶貴的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)間，需針對(duì)測(cè)試的實(shí)際情況重新開發(fā)數(shù)據(jù)采集上位機(jī)軟件。（3）測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的有效性和抗干擾穩(wěn)定傳輸。首先，所測(cè)得的數(shù)據(jù)必然包含電機(jī)旋轉(zhuǎn)振動(dòng)和來(lái)自輪軌沖擊振動(dòng)數(shù)據(jù)，這要求可能的故障數(shù)據(jù)與這些噪聲數(shù)據(jù)有較高的信噪比，以便后續(xù)電機(jī)故障的準(zhǔn)確判斷分析，需要對(duì)傳感器的布置進(jìn)行分析。其次，地鐵運(yùn)營(yíng)過(guò)程中復(fù)雜的電磁環(huán)境也要求無(wú)線發(fā)送具有較強(qiáng)的抗干擾能力，在通訊中斷時(shí)可以將數(shù)據(jù)暫存在無(wú)線數(shù)據(jù)采集儀中。（4）采集設(shè)備的可靠安裝。牽引電機(jī)和轉(zhuǎn)向架沒(méi)有可以直接固定附加設(shè)備的平臺(tái)，這要求單獨(dú)設(shè)計(jì)合適的結(jié)構(gòu)用來(lái)固定采集設(shè)備；同時(shí)，車輛走行部人員操作空間狹小，需要選擇合適的位置來(lái)安裝。1.1.2無(wú)線采集系統(tǒng)整體方案圖2-6無(wú)線采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2-6Blockdiagramofthewirelessacquisitionsystem本無(wú)線采集系統(tǒng)旨在獲得牽引電機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)，為牽引電機(jī)健康狀態(tài)分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。采集系統(tǒng)按安裝位置分為車下和車上兩部分，結(jié)構(gòu)框圖如圖2-6所示。車下部分包括：振動(dòng)信號(hào)采集傳感器、無(wú)線數(shù)據(jù)采集儀和傳感器供電模塊。振動(dòng)信號(hào)采集傳感器經(jīng)絕緣墊板固定安裝在牽引電機(jī)表面，把電牽引機(jī)表面的振動(dòng)加速度轉(zhuǎn)換為模擬的電信號(hào)；無(wú)線數(shù)據(jù)采集儀集成數(shù)據(jù)采樣和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸功能，經(jīng)ADC采樣把與加速度存在線性關(guān)系的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)射模塊發(fā)送。為了便于安裝和拆卸，設(shè)計(jì)專用的安裝結(jié)構(gòu)將其固定在車下的合適位置；傳感器供電模塊通過(guò)壓電振子收集軸箱上的振動(dòng)能量并轉(zhuǎn)化為電能。車上部分包括：數(shù)據(jù)采集上位機(jī)和無(wú)線數(shù)據(jù)接收模塊。數(shù)據(jù)采集上位機(jī)實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)采集等功能，無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊用于組建無(wú)線局域網(wǎng)，預(yù)留多個(gè)無(wú)線數(shù)據(jù)采集儀的通信接口，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)“一對(duì)多”的數(shù)據(jù)采集。1.1.3采集系統(tǒng)的主要功能及指標(biāo)根據(jù)總體方案，從數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸和便于工程技術(shù)人員操作的角度出發(fā)，牽引電機(jī)振動(dòng)無(wú)線采集系統(tǒng)的主要功能特點(diǎn)如下：采樣頻率一般在實(shí)際分析頻率的4倍以上，牽引電機(jī)要求無(wú)線數(shù)據(jù)采集儀的采樣速率不低于3kHz。傳感器供電模塊的功率可以滿足兩個(gè)傳感器同時(shí)采集的功耗；傳感器供電模塊和無(wú)線數(shù)據(jù)采集儀的安裝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于在車下的狹小空間組裝和拆卸，也方便測(cè)試人員將設(shè)備搬運(yùn)至不同的設(shè)備上進(jìn)行檢測(cè)。操作簡(jiǎn)單，系統(tǒng)通過(guò)界面友好的上位機(jī)控制，降低測(cè)試人員的工作強(qiáng)度；采集儀具有一定容量的數(shù)據(jù)暫存空間，無(wú)線傳輸距離應(yīng)當(dāng)大于100m，在無(wú)線通訊不暢時(shí)可以暫存數(shù)據(jù)，可以抵抗至少50g的沖擊；較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，將采集來(lái)的牽引電機(jī)振動(dòng)及以曲線圖的形式實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，便于工程技術(shù)人員實(shí)時(shí)了解整個(gè)系統(tǒng)的工作狀況。表2-3系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)Tab.2-3Keytechnicalindicatorsofthesystem序號(hào)設(shè)備指標(biāo)參數(shù)值1傳感器量程100g頻率響應(yīng)1-5000Hz2無(wú)線數(shù)據(jù)采集模塊采樣精度不小于16bit采樣速率不低于2500Hz視距傳輸距離大于100m抗沖擊大于50g3傳感器供電模塊功率滿足2個(gè)傳感器功耗需求工作頻段覆蓋車下振動(dòng)能量集中頻段4安裝結(jié)構(gòu)剛度不發(fā)生明顯位移強(qiáng)度滿足車輛耐久性要求1.3主要硬件選型根據(jù)采集系統(tǒng)的主要功能和整體方案，本文所設(shè)計(jì)的地鐵車輛牽引電機(jī)振動(dòng)無(wú)線采集系統(tǒng)主要包括車下的振動(dòng)信號(hào)采集傳感器、無(wú)線數(shù)據(jù)采集儀、傳感器供電模塊和安裝結(jié)構(gòu)以及車上的無(wú)線數(shù)據(jù)接收模塊和數(shù)據(jù)采集上位機(jī)。輔助供電模塊、數(shù)據(jù)上位機(jī)軟件以及安裝結(jié)構(gòu)需要根據(jù)5號(hào)線阿爾斯通的結(jié)構(gòu)以及運(yùn)行振動(dòng)條件專門設(shè)計(jì)，加速度傳感器、無(wú)線數(shù)據(jù)采集儀和無(wú)線數(shù)據(jù)接收模塊可以從市場(chǎng)上選擇成熟合適的產(chǎn)品提供，以下通過(guò)查閱相關(guān)的技術(shù)論文和廠家的技術(shù)手冊(cè)，對(duì)這三個(gè)硬件模塊做了選型。1.3.1無(wú)線數(shù)據(jù)采集儀上海地鐵5號(hào)線阿爾斯通地鐵車輛車下空間如圖2-7所示，擴(kuò)展設(shè)備安裝空間較為有限，這要求無(wú)線數(shù)據(jù)采集儀的尺寸不能過(guò)大，且能夠承受較強(qiáng)的振動(dòng)沖擊。本文選用東華測(cè)試的DH5928W無(wú)線數(shù)據(jù)采集儀，實(shí)物如圖2-8所示，關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)由表2-4給出，表中的通道指的是數(shù)據(jù)采集通道，一條數(shù)據(jù)采集通道對(duì)應(yīng)一個(gè)傳感器。圖2-7上海地鐵5號(hào)線阿爾斯通地鐵車輛車下空間Fig.2-7SpaceunderneaththeAlstommodelofShanghaiMetroLine5圖2-8無(wú)線數(shù)據(jù)采集儀Fig.2-8Wirelessdataacquisitioninstrument表2-4無(wú)線數(shù)據(jù)采集儀關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)Tab.2-4Keytechnicalindicatorsofthedataacquisitioninstrument技術(shù)指標(biāo)參數(shù)通道數(shù)4通道振動(dòng)+1通道轉(zhuǎn)速輸入阻抗10MΩ低通濾波器30Hz、300Hz、3kHz、PASS四擋切換通訊接口Wi-Fi無(wú)線通訊模數(shù)轉(zhuǎn)換器24位A/D抗混濾波器采樣頻率的1/1.56倍尺寸154mm×102mm×34mm重量550克抗沖擊100gDH5928W無(wú)線數(shù)據(jù)采集儀是將振動(dòng)信號(hào)采集、放大和無(wú)線傳輸為一體的便攜式儀器，尺寸為154×102×34mm，體積較為小巧，在底部預(yù)留了螺紋安裝孔，便于設(shè)備的安裝與固定；采用獨(dú)立的模塊設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)理念，每個(gè)無(wú)線數(shù)據(jù)采集儀可同時(shí)通過(guò)傳感器采集5個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，根據(jù)東華測(cè)試的通信協(xié)議，每個(gè)數(shù)據(jù)采集上位機(jī)最多可連接16臺(tái)無(wú)線數(shù)據(jù)采集儀，上海地鐵車輛普遍采用4節(jié)或者6節(jié)編組，其中4節(jié)編組的車輛包含2節(jié)動(dòng)車，有8個(gè)牽引電機(jī)，需要采集8路振動(dòng)信號(hào)，6節(jié)編組的車輛包含4節(jié)動(dòng)車，共計(jì)16個(gè)牽引電機(jī)，需要采集16路振動(dòng)信號(hào)，該系統(tǒng)的采樣通道容量足夠使用；采集儀內(nèi)置16MB的緩存，當(dāng)通訊發(fā)生異常時(shí)，采集的數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在內(nèi)置緩存中，等待通訊正常后，再將緩存的數(shù)據(jù)重新發(fā)送至主控上位機(jī)，防止因?yàn)闊o(wú)線通信異常而導(dǎo)致的測(cè)試數(shù)據(jù)丟失；采集儀內(nèi)置鋰電池，支持儀器8小時(shí)連續(xù)采樣工作；使用環(huán)境適用于GB6587-2012-Ⅲ組條件要求，可以承受100g的振動(dòng)沖擊，工作溫度范圍-10℃~50℃。該無(wú)線數(shù)據(jù)采集儀配套專用的測(cè)試軟件，該軟件包括傳感器標(biāo)定、項(xiàng)目建立、數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析等功能，體積較大且打開運(yùn)行速度慢，不適合快節(jié)奏的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試要求，需要利用該公司提供的開發(fā)接口開發(fā)一套快捷輕便的數(shù)據(jù)采集上位機(jī)軟件。由于無(wú)線數(shù)據(jù)采集儀直接安裝在車下，需要綜合考慮布置空間和車輛運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)環(huán)境，選擇合適的位置并設(shè)計(jì)一個(gè)可靠的采集儀車載安裝結(jié)構(gòu)以固定采集儀。1.3.2振動(dòng)傳感器振動(dòng)傳感器主要有位移式傳感器和加速度傳感器。位移式傳感器中應(yīng)用較為廣泛的類型是電渦流傳感器，能夠準(zhǔn)確地測(cè)出被測(cè)表面與傳感器探頭之間地相對(duì)位移變化，具有較高地可靠性、抗干擾能力和靈敏度，一般應(yīng)用在對(duì)位移測(cè)量精度要求高的低頻振動(dòng)測(cè)量中。加速度傳感器的主要工作原理是牛頓第二定律，傳感器內(nèi)部質(zhì)量塊受到加速度的沖擊而產(chǎn)生慣性力引起敏感元件電學(xué)量的變化，從而實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)向電信號(hào)的轉(zhuǎn)化。壓電式加速度傳感器是目前應(yīng)用最多的采集機(jī)械振動(dòng)信號(hào)的傳感器類型。其結(jié)構(gòu)原理圖如圖2-9所示，該傳感器敏感元件為壓電材料，當(dāng)壓電材料受到機(jī)械振動(dòng)沖擊而產(chǎn)生變形時(shí)，材料的晶格發(fā)生改變，產(chǎn)生自由電荷，這些電荷經(jīng)放大后輸出與外力成正比的電壓。其優(yōu)點(diǎn)為頻響很寬、靈敏度高、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠和重量輕等，常常被應(yīng)用在工程項(xiàng)目中用來(lái)測(cè)量壓力或者加速度信號(hào)。圖2-9壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)原理圖Fig.2-9Schematicdiagramofthestructureofapiezoelectricaccelerationsensor加速度傳感器安裝諧振頻率為測(cè)量頻率范圍的3倍，這時(shí)測(cè)得誤差不大于10%，為了進(jìn)一步提高測(cè)量進(jìn)度，可選擇傳感器的安裝諧振頻率為測(cè)量頻率上線的5-10倍[53]。經(jīng)過(guò)調(diào)查選用DH1A110E通用型壓電加速度傳感器，外觀如圖2-10，表2-5給出了關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。該傳感器采用壓電陶瓷為敏感元件，剪切結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，測(cè)量范圍寬，基座應(yīng)變小，溫度瞬態(tài)響應(yīng)低，性能穩(wěn)定，應(yīng)用范圍廣，適用于牽引電機(jī)振動(dòng)測(cè)試。圖2-10DH1A110E加速