(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201710894445.2
(22)申请日 2017.09.28
(71)申请人 中原工学院
地址 451191 河南省郑州市新郑市双湖镇
经济技术开发区淮河路1号
(72)发明人 路向阳 徐京雷 郭艳清 刘宁
王凤歌 郭强 但永平 韩建勋
李恒毅 翟雨蒙
(74)专利代理机构 郑州优盾知识产权代理有限
公司 41125
代理人 孙诗雨 栗改
(51)Int.Cl.
G05B 19/042(2006.01)
(54)发明名称
(57)摘要
本发明提出了一种火车轮轨曲线运动智能
润滑控制系统，用以解决现有火车钢轨润滑系统
精确度不高，受车速影响较大的问题；包括主控
系统、显示系统、电源子系统、润滑系统、大容量
存储系统、数据采集系统、数据传输系统和数据
存储系统，主控系统包括MCU控制器、存储器、按
键和电源，存储器、按键、电源、显示系统、电源子
系统、润滑系统、大容量存储系统、数据采集系统
均与MCU控制器相连接，大容量存储系统与数据
传输系统相连接，数据传输系统与数据存储系统
相连接。本发明具有结构简单、方便、安全、性能
可靠、智能化、节能环保、功耗低等优点，采用通
用芯片，降低成本，电路集成度高，技术成熟，制
板工序少，
容易生产。权利要求书2页 说明书6页 附图3页CN 107544345 A 2018.01.05
C N 107544345
A
1.一种火车轮轨曲线运动智能润滑控制系统，其特征在于，包括主控系统、显示系统、电源子系统、润滑系统、大容量存储系统、数据采集系统、数据传输系统和数据存储系统，主控系统包括MCU控制器、存储器、按键和电源，存储器、按键、电源、显示系统、电源子系统、润滑系统、大容量存储系统、数据采集系统均与MCU控制器相连接，大容量存储系统与数据传输系统相连接，数据传输系统与数据存储系统相连接。
2.根据权利要求1所述的火车轮轨曲线运动智能润滑控制系统，其特征在于，所述数据采集系统包括陀螺仪、速度传感器、加速度传感器和GPS定位模块，陀螺仪、速度传感器、加速度传感器和GPS定位模块均与MCU控制器相连接；所述数据采集系统对火车轮轨运动状态信息进行采集，包括角度、速度、加速度和位置进行测量并定位，判断火车运行状态，拐弯处的距离。
3.根据权利要求1所述的火车轮轨曲线运动智能润滑控制系统，其特征在于，所述显示系统包括接口转换装置、显示驱动电路和显示屏，MCU控制器与接口转换装置相连接，接口转换装置与显示驱动电路相连接，显示驱动电路与显示屏相连接；所述显示屏用于分类显示火车当前运行状态信息，包括速度、加速度、当前室内外温度、平衡度、距离打油时间、电池使用状态和使用情况、打油控制器状态、油箱液位信息和轮轨润滑信息。
4.根据权利要求1所述的火车轮轨曲线运动智能润滑控制系统，其特征在于，所述大容量存储系统为在电路板上设计的flash大容量存储模块，大容量存储系统将火车运行的各类信息暂时存储于本地存储空间中，待GPRS通信模块联通后再利用无线数据传输将信息传递到数据服务器。
5.根据权利要求1所述的火车轮轨曲线运动智能润滑控制系统，其特征在于，所述数据传输系统包括打包模块和GPRS通信模块，数据存储系统包括数据服务器，大容量存储系统与打包模块相连接，打包模块与GPRS通信模块相连接，GPRS通信模块与数据服务器相连接，数据服务器通过互联网与云平台相连接。
6.根据权利要求1所述的火车轮轨曲线运动智能润滑控制系统，其特征在于，所述润滑系统包括打油控制器和打油电机，MCU控制器与打油控制器相连接，打油控制器与打油电机相连接；所述打油控制器采用模糊控制算法控制打油量的大小。
7.根据权利要求6所述的火车轮轨曲线运动智能润滑控制系统，其特征在于，所述模糊控制算法为：若当前打油量大于基本打油量，则降低打油时间，差值越大，时间越短；若当前打油量低于基本打油量，则打油时间增加，差值越大，时间越长；若当前打油量和基本量相差很小，则保持打油固定时间后结束；
选择打油量偏差e，即基本打油量和当前打油量的差值作为观察量，选取电机运行打油时间u（t）为控制量，将打油量偏差e划分为5个模糊集，负大NB、负小NS、零ZO、正小PS、正大PB，打油量偏差e为负表示当前打油量少于基本打油量，打油量偏差e为正表示当前打油量大于基本打油量；
设定打油量偏差e的取值范围为[-3，3]，隶属度函数如下：
同样，将控制量u划分为5个模糊集，负大NB、负小NS、零ZO、正小PS、正大PB，控制量u为负表示增大打油电机的时间，控制量u为正表示减小打油的时间，控制量u的取值范围为[-3，3]；
根据模糊规则，推导出系统模糊器的输出，上述25个模糊子集分为5类，分别用A、B、C、
D、E表示，当前时间的实际值经模糊化后输出为，，，
。
8.根据权利要求1所述的火车轮轨曲线运动智能润滑控制系统，其特征在于，所述电源子系统包括电源控制器、充电模块和电池，电源控制器和电池均与MCU控制器相连接，电源控制器与充电模块相连接，充电模块与电池相连接；所述电池为整个系统提供能量。
9.根据权利要求1所述的火车轮轨曲线运动智能润滑控制系统，其特征在于，其工作方法为：
步骤一：电源上电，主控系统、显示系统、电源子系统、润滑系统、大容量存储系统、数据采集系统、数据传输系统和数据存储系统初始化；
步骤二：数据采集系统将测量的火车的速度、加速度和位置传送至MCU控制器，MCU控制器根据GPS定位模块确定火车的位置，通过预存的轨道弯曲处信息计算距离最近的轨道弯曲处的距离，判断是否到达润滑点，利用模糊控制算法计算润滑油量；
步骤三：当陀螺仪检测到转弯时，MCU控制器通过润滑系统的打油控制器启动打油电机进行润滑，并将润滑结果传送至MCU控制器，MCU控制器将润滑结果反馈至显示系统进行显示；
步骤四：火车运行产生的数据暂时存储于大容量存储系统的存储空间，然后利用数据传输系统的GPRS通信模块将需要的数据通过打包模块打包后上传至数据存储系统；
步骤五：数据服务器将火车轮轨曲线运动过程中润滑结果、火车轮轨曲线运动角度、速度、加速度和地理位置信息进行保存，并初步处理，分析火车运行状况；
步骤六：MCU控制器循环步骤二、三、四继续进行润滑点的检测。
一种火车轮轨曲线运动智能润滑控制系统
技术领域
[0001]本发明涉及轮轨润滑和MCU控制的技术领域，尤其涉及一种火车轮轨曲线运动智能润滑控制系统，可以在火车运行到拐弯处对轮轨进行智能润滑。
背景技术
[0002]改革开放30年来，伴随着我国国民经济的快速发展，我国的铁路基础设施建设日新月异，特别是高速铁路的建设，得到迅速的发展。相关数据表明，2015年末，全国铁路营业里程、高速铁路里程、公路通车里程、高速公路里程分别达到12万公里、1.9万公里、457万公里、12万公里，分别比2012年末增长23.0%、103.1%、7.8%、24.7%；其中高铁里程占世界高铁总里程的60%以上，居世界第一，铁路快速客运网基本覆盖我国50万以上人口城市。[0003]日新月异的火车装备现代化和相对滞后的基础设施维修、养护水平不相协调，其中一个特别突出的问题就是两者的结合点——轮轨关系。特别是火车拐弯
时是依靠轮轨和钢轨的摩擦力来实现的，这对轮轨和钢轨都是很大的伤害。因此，为降低这种摩擦，在拐弯处对轮轨侧面打润滑油降低摩擦，保护轮轨和钢轨。现代轨道交通运输领域中，轮轨摩擦与润滑关系到机车牵引能量消耗、行车安全、轮轨材料消耗及维修成本等，因此受到各国铁路部门的重视。列车运行速度的进一步提高，轮轨润滑控制问题变得越来越突出。合理有效的轮轨润滑可减少轮轨磨损，对节能和提高机车牵引效率也有重要意义，同时可提高列车运行的安全性。
[0004]车轮与钢轨间的摩擦及受力情况非常复杂，既有一定弧度的离心力引起的侧面压力，又有轮缘与轨道侧面的滑动摩擦，要实现轨道交通中高效合理的润滑，需要建立摩檫和受力模型，深入研究受力之间的关系。由此，建立轮轨和摩檫模型，分析受力情况，实时准确地将润滑剂输送到指定部位具有十分重要的意义；其次，还要建立打润滑油时间和曲线半径大小之间的关系，早打和晚打起不到润滑作用，同时也会污染环境；再次，还需要建立打油量和润滑光度之间的关系，打油要适量，多了也会污染环境，少了起不到润滑的作用。[0005]就轮轨润滑而言，车载轮缘润滑系统发展较迅速，各种形式和原理的车载轮缘润滑系统层出不穷。目前轮轨润滑技术大致分为车载轮缘润滑系统、车载钢轨润滑系统、地面钢轨润滑系统和车载轮缘固体润滑技术。按润滑剂分为润滑油、润滑脂、油性润滑剂、固体润滑剂。由于车辆的振动，车载钢轨润滑系统涂油位置的准确性很难控制，因此大部分同类润滑器受车速限制，有些地方使用专用涂油车。美国曾进行了大范围的“地面+车载”轮轨润滑试验，两者结合使用可节省燃料消耗25%～35%。在半径350m的曲线上实施润滑，可减少列车运行阻力50%。
[0006]作为控制器的核心单元，基于嵌入式的MCU控制技术伴随着微控制单元应用和开发走过了二十余年的历程，逐渐嵌入到社会生活各个方面。而且处理器也从前期的8位处理器平台向32位高级RISC处理器平台转变的趋势，从无操作系统到有操作系统，但8位机以其方便、快捷，外围电路简单等优势，依然难以被取代。
[0007]目前，嵌入式MCU控制技术已被广泛应用到国民经济各行业、军事及家用电器等各
个领域，尤其是手机、汽车自动导航设备、PDA、智能玩具、智能家电、医疗设备等行业。国内嵌入式平台有超过10余万名从事微控制单元解决方案开发应用的工程师，为嵌入式MCU控制技术的广泛应用提供了巨大的人才基础，两化融合和工业4.0的机遇也为嵌入式解决方案的开发提供了无限的商机。
发明内容
[0008]针对现有火车钢轨润滑系统精确度不高，受车速影响较大的技术问题，本发明提出一种火车轮轨曲线运动智能润滑控制系统，通过MCU控制器控制润滑系统对轮轨进行打油，能实时准确地将润滑剂输送到指定部位。
[0009]为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种火车轮轨曲线运动智能润滑控制系统，包括主控系统、显示系统、电源子系统、润滑系统、大容量存储系统、数据采集系统、数据传输系
统和数据存储系统，主控系统包括MCU控制器、存储器、按键和电源，存储器、按键、电源、显示系统、电源子系统、润滑系统、大容量存储系统、数据采集系统均与MCU控制器相连接，大容量存储系统与数据传输系统相连接，数据传输系统与数据存储系统相连接。
[0010]所述数据采集系统包括陀螺仪、速度传感器、加速度传感器和GPS定位模块，陀螺仪、速度传感器、加速度传感器和GPS定位模块均与MCU控制器相连接；所述数据采集系统对火车轮轨运动状态信息进行采集，包括角度、速度、加速度和位置进行测量并定位，判断火车运行状态，拐弯处的距离。
[0011]所述显示系统包括接口转换装置、显示驱动电路和显示屏，MCU控制器与接口转换装置相连接，接口转换装置与显示驱动电路相连接，显示驱动电路与显示屏相连接；所述显示屏用于分类显示火车当前运行状态信息，包括速度、加速度、当前室内外温度、平衡度、距离打油时间、电池使用状态和使用情况、打油控制器状态、油箱液位信息和轮轨润滑信息。[0012]所述大容量存储系统为在电路板上设计的flash大容量存储模块，大容量存储系统将火车运行的各类信息暂时存储于本地存储空间中，待GPRS通信模块联通后再利用无线数据传输将信息传递到数据服务器。
[0013]所述数据传输系统包括打包模块和GPRS通信模块，数据存储系统包括数据服务器，大容量存储系统与打包模块相连接，打包模块与GPRS通信模块相连接，GPRS通信模块与数据服务器相连接，数据服务器通过互联网与云平台相连接。
[0014]所述润滑系统包括打油控制器和打油电机，MCU控制器与打油控制器相连接，打油控制器与打油电机相连接；所述打油控制器采用模糊控制算法控制打油量的大小。[0015]所述模糊控制算法为：若当前打油量大于基本打油量，则降低打油时间，差值越大，时间越短；若当前打油量低于基本打油量，则打油时间增加，差值越大，时间越长；若当前打油量和基本量相差很小，则保持打油固定时间后结束；
选择打油量偏差e，即基本打油量和当前打油量的差值作为观察量，选取电机运行打油时间u（t）为控制量，将打油量偏差e划分为5个模糊集，负大NB、负小NS、零ZO、正小PS、正大PB，打油量偏差e为负表示当前打油量少于基本打油量，打油量偏差e为正表示当前打油量大于基本打油量。设定打油量偏差e的取值范围为[-3，3]，隶属度函数如下：
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