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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（
2、科峰）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
3、了统一制造标准，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
4、高低有着复杂而密切关系。,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
5、，此时并不意味着轴承出现了故障。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，
6、 具备非接触性、灵敏度高、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
7、轴承温度，并根据是否出现异常轴温（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
8、边声学诊断系统（简称TADS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
9、范围，常能激起轴承零件的共振，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
10、的部位。因为故障部位不同，其产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
11、运行将要发生车辆热切事故。 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
12、测站,一、THDS系统探测站的主要功能,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
13、器需要在低温条件下工作，因此有的红外线传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
14、放大电路,THDS系统探测站,红外探测器件,红外探测器是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
15、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
16、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, 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。,
