CN103018046B - 高速动车组列车转向架轴承故障监测方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高速动车组列车转向架轴承故障监测方法、装置及系统。其中所述方法包括：获取转向架轴承轴箱的振动信号、列车车厢内的噪声信号及列车运行的速度；根据所述振动信号，得出振动信号加速度有效值；分别对所述振动信号和所述噪声信号进行频谱分析，提取分析结果中振动特征频率和噪声特征频率；根据所述振动信号加速度有效值、振动特征频率、噪声特征频率及速度，生成监测信息。本发明实施例的监测结果更及时，更准确，能及时的为工作人员提供参考，以进一步提高高速动车组列车行驶的安全性。

Description

高速动车组列车转向架轴承故障监测方法、装置及系统

技术领域

本发明涉及故障监测技术，尤其涉及一种高速动车组列车转向架轴承故障监测方法、装置及系统。

背景技术

转向架轴承是高速动车组列车安全运行的关键部件，也是最容易损坏的部件。轴承的故障直接关系到运输的安全，在列车长时间运行中，轴承既要传递力，又要与轴颈表面有相对滑动。在高速、重载运行的情况下，轴承故障往往会迅速扩大，在短时间内造成热轴，最终导致大的行车事故。

目前，国内高速动车组列车转向架轴承故障监控，几乎都采用的是随车轴温监控报警系统。随车轴温监控报警系统利用温度的热传递特性，当转向架轴承的轴箱的温度超出阈值，即发出故障报警。具体地，如图1所示，安装在转向架轴承轴箱67上的Pt100温度传感器69监测轴箱67的温度，再由列车中央控制单元CCU（图中未示出）通过列车网络对温度进行采集，当某个测量点温度超过阈值时，中央控制单元CCU会发出报警。

轴温监控报警系统的应用，在一定程度上提高了故障监测效率，增加了行车可靠性。然而，温升是轴承故障的晚期症状。当轴承出现诸如早期点蚀、剥落、轻微磨损等比较微小的故障时，温度监测基本上没有反映，只有当故障达到一定的严重程度时，用这种方法才能监测到。所以温度监测不适用于点蚀、局部剥落等所谓局部的损伤类故障。另外，当高速动车组列车运行时，轴温传感器周边的工作环境比较复杂，尤其在列车过分相、列车交会以及通过隧道时都有可能对采集的温度数据造成很大的干扰，时常出现轴温误报警导致中途停车，严重影响运输秩序。总之，采用轴温监控报警系统预防事故还是存在着一定的风险性。

发明内容

本发明多方面提供一种高速动车组列车转向架轴承故障监测方法、装置及系统，以提高监测结果的及时性、准确性。

本发明第一个方面是提供一种高速动车组列车转向架轴承故障监测方法，包括：

获取转向架轴承轴箱的振动信号、列车车厢内的噪声信号及列车运行的速度；

根据所述振动信号，得出振动信号加速度有效值；

分别对所述振动信号和所述噪声信号进行频谱分析，提取分析结果中振动特征频率和噪声特征频率；

根据所述振动信号加速度有效值、振动特征频率、噪声特征频率及速度，生成监测信息。

本发明第二个方面是提供一种高速动车组列车转向架轴承故障监测装置，包括：

第一获取模块，用于获取转向架轴承轴箱的振动信号，及列车车厢内的噪声信号；

第一处理模块，用于根据所述振动信号，得出振动信号加速度有效值；

第二处理模块，用于分别对所述振动信号和所述噪声信号进行频谱分析，提取分析结果中振动特征频率和噪声特征频率；

第二获取模块，用于获取列车运行的速度；

第三处理模块，用于根据所述振动信号加速度有效值、振动特征频率、噪声特征频率及速度，生成监测信息。

本发明第三个方面是提供一种高速动车组列车转向架轴承故障监测系统，包括：振动监测传感器、分贝仪、测速仪及本发明实施例提供的所述高速动车组列车转向架轴承故障监测装置；其中，

所述振动监测传感器、所述分贝仪及所述测速仪分别与所述高速动车组列车转向架轴承故障监测装置连接。

由上述技术方案可知，本发明实施例根据高速动车组列车当前运行的速度、所述速度下转向架轴承轴箱的振动信号以及列车车厢内的噪声信号，可实时的生成轴承的监测信息。较现有技术只能当故障达到一定的严重程度时才能监测到，本发明实施例的监测结果更及时，更准确，能及时的为工作人员提供参考，以进一步提高高速动车组列车行驶的安全性。

附图说明

图1为现有技术中在转向架轴承轴箱上安装温度传感器的结构示意图；

图2为本发明提供的高速动车组列车转向架轴承故障监测方法实施例一的流程示意图；

图3为本发明提供的高速动车组列车转向架轴承故障监测方法实施例中一步骤的具体实现过程的流程示意图；

图4为本发明提供的高速动车组列车转向架轴承故障监测装置实施例一的流程示意图；

图5为本发明提供的高速动车组列车转向架轴承故障监测装置实施例中第三处理模块的一具体实现实例的结构示意图；

图6为本发明提供的高速动车组列车转向架轴承故障监测装置实施例中第一获取模块的一具体实现实例的结构示意图；

图7为本发明提供的高速动车组列车转向架轴承故障监测系统实施例一的结构示意图；

图8为将本发明提供的高速动车组列车转向架轴承故障监测系统应用在列车上的一具体应用实例的原理示意图。

具体实施方式

如图2所示，本发明提供的高速动车组列车转向架轴承故障监测方法实施例一的流程示意图。如图所示，本实施例一所述的方法，包括：

步骤101、获取转向架轴承轴箱的振动信号、列车车厢内的噪声信号及列车运行的速度。

具体地，高速动车组列车转向架轴承故障监测装置通过采集分别设置在所述转向架轴承轴箱上的振动监测传感器生成的振动监测信号、设置在列车车厢内的分贝仪生成的噪声监测信号，获取所述振动信号和所述噪声信号。所述高速动车组列车转向架轴承故障监测装置通过接收设置在列车上的测速仪发送的速度信号，获取所述列车运行的速度。更具体地，所述列车转向架轴承故障监测装置采集设置在所述转向架轴承轴箱上的振动监测传感器生成的振动监测信号，对所述振动监测信号进行放大和滤波处理，得到模拟振动信号，然后将所述模拟振动信号进行模数转换，获得所述振动信号。所述高速动车组列车转向架轴承故障监测装置采集设置在列车车厢内的分贝仪生成的噪声监测信号，对所述噪声监测信号进行放大和滤波处理，得到模拟噪声信号，然后将所述模拟噪声信号进行模数转换，获得所述噪声信号。所述高速动车组列车转向架轴承故障监测装置接收设置在列车上的测速仪发送的速度信号，根据所述速度信号，获得所述列车运行的速度。

步骤102、根据所述振动信号，得出振动信号加速度有效值。

步骤103、分别对所述振动信号和所述噪声信号进行频谱分析，提取分析结果中振动特征频率和噪声特征频率。

具体地，所述高速动车组列车转向架轴承故障监测装置对所述振动信号进行频谱分析，提取分析结果中振动特征频率。所述振动特征频率包括：振动高频分量值、振动中频分量值和振动低频分量值。同样地，所述高速动车组列车转向架轴承故障监测装置对所述噪声信号进行频谱分析，提取分析结果中噪声特征参数，所述噪声特征参数包括：噪声高频分量值、噪声中频分量值和噪声低频分量值。

步骤104、根据所述振动信号加速度有效值、振动特征频率、噪声特征频率及速度，生成监测信息。

本步骤可采用如下具体实施方式来实现，如图3所示，包括如下步骤：

步骤1041、根据速度与加速度有效值阈值的对应关系，获取所述速度对应的加速度有效值阈值。

步骤1042、判断所述振动信号加速度有效值是否大于所述加速度有效值阈值，若是，则继续后续步骤1043，否则，生成工作正常信息。

步骤1043、根据速度与振动特征频率阈值的对应关系，获取所述速度对应的振动特征频率阈值，并判断所述振动特征频率是否大于所述振动特征频率阈值，若是，则继续后续步骤1044，否则，生成振动信号加速度有效值超限预警信息。

具体地，所述振动特征频率包括振动高频分量值、振动中频分量值和振动低频分量值。所述振动特征频率阈值包括：振动高频分量阈值、振动中频分量阈值和振动低频分量阈值。分别判断所述振动高频分量值是否大于振动高频分量阈值，所述振动中频分量值是否大于振动中频分量阈值，所述振动低频分量值是否大于振动低频分量阈值，当其中任意一个判断结果为大于时，都继续后续步骤，否则，生成振动信号加速度有效值超限预警信息。

步骤1044、判断所述振动特征频率与所述噪声特征频率是否相同，若相同，则生成故障信息，否则，生成振动特征频率超限预警信息。

具体地，所述振动特征频率包括振动高频分量值、振动中频分量值和振动低频分量值。所述噪声特征参数包括：噪声高频分量值、噪声中频分量值和噪声低频分量值。分别判断所述振动高频分量值是否与所述噪声高频分量值相同，所述振动中频分量值是否与所述噪声中频分量值相同，所述振动低频分量值与所述噪声低频分量值相同，当所有都相同时，即生成故障信息，否则，生成振动特征频率超限预警信息。

其中需要说明的是：上述步骤中生成的振动信号加速度有效值超限预警信息，用于向高速动车组列车驾驶人员提示当前轴承处于早期微小磨损故障。上述步骤中生成的振动特征频率超限预警信息，用于提示当前轴承出现局部磨损故障。所述故障信息即表明当前轴承已出现严重磨损故障。

本实施例根据高速动车组列车当前运行的速度、以及所述速度下轴承轴箱的振动信号以及列车车厢内的噪声信号，可实时的生成轴承的监测信息。较现有技术只能当故障达到一定的严重程度时才能监测到，本实施例的监测结果更及时，更准确，能及时的为工作人员提供参考，以进一步提高高速动车组列车行驶的安全性。

进一步地，上述实施例一所述的高速动车组列车转向架轴承故障监测方法中步骤104还包括：若判断所述振动信号加速度有效值小于所述加速度有效值阈值，则存储所述速度对应的所述振动信号加速度有效值，并根据已存储的两个或两个以上的所述速度对应的振动信号加速度有效值，确定所述速度对应的加速度有效值阈值；若判断所述振动特征频率小于所述振动特征频率阈值，则存储所述速度对应的所述振动特征频率，并根据已存储的两个或两个以上的所述速度对应的振动特征频率，确定所述速度对应的振动特征频率阈值。

通过本实施例所述的方法，根据长期的跟踪测试的结果，确定更为合理的阈值，能进一步提高轴承监测的准确性。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

如图4所示，本发明提供的高速动车组列车转向架轴承故障监测装置实施例一的流程示意图。如图4中所示，本实施例所述的装置，包括：第一获取模块1、第一处理模块2、第二处理模块3、第二获取模块4和第三处理模块5。其中，所述第一获取模块1用于获取转向架轴承轴箱的振动信号，及列车车厢内的噪声信号。所述第一处理模块2用于根据所述振动信号，得出振动信号加速度有效值。所述第二处理模块3用于分别对所述振动信号和所述噪声信号进行频谱分析，提取分析结果中振动特征频率和噪声特征频率。所述第二获取模块4用于获取列车运行的速度。所述第三处理模块5用于根据所述振动信号加速度有效值、振动特征频率、噪声特征频率及速度，生成监测信息。

本实施例根据高速动车组列车当前运行的速度、以及所述速度下轴承的轴箱的振动信号以及列车车厢内的噪声信号，可实时的生成轴承的监测信息。较现有技术只能当故障达到一定的严重程度时才能监测到，本实施例的监测结果更及时，更准确，能及时的为工作人员提供参考，以进一步提高行车的安全性。

进一步地，上述实施例一所述高速动车组列车转向架轴承故障监测装置中所述第三处理模块可采用如图5所示的结构实现。具体地，如图5所示，所述第三处理模块5包括：第一获取单元51、第一判断单元52、第二获取单元53、第二判断单元54和第三判断单元55。其中，所述第一获取单元51用于根据速度与加速度有效值阈值的对应关系，获取所述速度对应的加速度有效值阈值。所述第一判断单元52用于判断所述振动信号加速度有效值是否大于所述加速度有效值阈值，若是，则生成获取指令，否则，生成工作正常信息。所述第二获取单元53用于根据所述获取指令，根据速度与振动特征频率阈值的对应关系，获取所述速度对应的振动特征频率阈值。所述第二判断单元54用于判断所述振动特征频率是否大于所述振动特征频率阈值，若是，则生成判断指令，否则，生成振动信号加速度有效值超限预警信息。所述第三判断单元55用于根据所述判断指令，判断所述振动特征频率与所述噪声特征频率是否相同，若相同，则生成故障信息，否则，生成振动特征频率超限预警信息。

再进一步地，为进一步地提高所述高速动车组列车转向架轴承故障监测装置的监测准确性，上述实施例中所述的第三处理模块，如图5所示，还包括：第一阈值确定单元56和第二阈值确定单元57。其中，所述第一阈值确定单元56用于当判断所述振动信号加速度有效值小于所述加速度有效值阈值时，存储所述速度对应的所述振动信号加速度有效值，并根据已存储的两个或两个以上的所述速度对应的振动信号加速度有效值，确定所述速度对应的加速度有效值阈值。所述第二阈值确定单元57用于当判断所述振动特征频率小于所述振动特征频率阈值时，存储所述速度对应的所述振动特征频率，并根据已存储的两个或两个以上的所述速度对应的振动特征频率，确定所述速度对应的振动特征频率阈值。

再进一步地，上述实施例中所述的第一获取模块可采用上述如图6所示结构来实现。具体地，如图6所示，所述第一获取模块1包括：第一数据采集单元11、第二数据采集单元12和接收单元13。其中，所述第一数据采集单元11用于采集设置在所述转向架轴承轴箱上的振动监测传感器生成的振动监测信号，对所述振动监测信号进行放大和滤波处理，得到模拟振动信号，将所述模拟振动信号进行模数转换，获得所述振动信号。所述第二数据采集单元12用于采集设置在列车车厢内的分贝仪生成的噪声监测信号，对所述噪声监测信号进行放大和滤波处理，得到模拟噪声信号，将所述模拟噪声信号进行模数转换，获得所述噪声信号。所述接收单元13用于接收设置在列车上的测速仪发送的速度信号，根据所述速度信号，获得所述列车运行的速度。

如图7所示，本发明提供的高速动车组列车转向架轴承故障监测系统实施例一的结构示意图。如图所示，所述高速动车组列车转向架轴承故障监测系统包括：振动监测传感器10、分贝仪20、测速仪30及列车转向轴承故障监测装置40。其中，所述高速动车组列车转向轴承故障监测装置可采用上述装置实施例所述的高速动车组列车转向轴承故障监测装置，具体实现结构和工作原理可参见上述装置实施例中所公开的相关内容，此处不再赘述。所述振动监测传感器、所述分贝仪及所述测速仪分别与所述高速动车组列车转向轴承故障监测装置连接。

本实施例根据高速动车组列车当前运行的速度、以及所所述速度下轴承的轴箱的振动信号以及列车车厢内的噪声信号，可实时的生成轴承的监测信息。较现有技术只能当故障达到一定的严重程度时才能监测到，本实施例的监测结果更及时，更准确，能及时的为工作人员提供参考，以进一步提高行车的安全性。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

如图8所示，将本发明提供的高速动车组列车转向架轴承故障监测系统应用在列车上的一具体应用实例的原理示意图。如图8所示，每节列车车厢61的一个转向架上安装有两组轮对，每组轮对轴68的两端均有安装有轴承的轴箱67，每个轴箱67上都设置有振动监测传感器66。由于高速动车组列车转向架轴承故障监测系统中包含有多个振动监测传感器，因此，为区别采集的是哪个振动监测传感器的信息，每个振动监测传感器生成的振动监测信号中均携带有振动监测传感器的标识。在本实例中所述振动监测传感器66选用ICP压电加速度传感器。所述ICP压电加速度传感器需要恒流源供电，典型值为24VDC、4mA。由于转向架上方没有电源，在设备舱设置独立蓄电池65，以为振动监测传感器供电。列车车厢61内设置有分贝仪62，所述分贝仪62也由设备舱内的蓄电池供电65。GPS测速仪63安装于车内，为所有测试系统的采集提供同步采集命令，为后期数据处理提供列车运行信息。蓄电池65不仅为ICP压电加速度传感器和分贝仪供电，还为高速动车组列车转向架轴承故障监测装置64供电。所述蓄电池65采用独立碱性蓄电池，并采用适当的屏蔽及接地措施可以有效避免电磁干扰，以保证高速动车组列车转向架轴承故障监测系统能够可靠稳定的运行。ICP压电加速度传感器66、分贝仪62、GPS测速仪63将采集的信号输入给高速动车组列车转向架轴承故障监测装置64，所述高速动车组列车转向架轴承故障监测装置64根据接收到的信号，生成监测信息。所述监测信息可通过显示器进行显示，或通过信号灯，当轴承正常工作状态时不亮灯，或亮绿灯，当轴承振动信号加速度有效值超限时，亮橙色灯，当振动特征频率超限时，亮黄色灯，当轴承故障时，亮红色灯。当然，本发明不仅限于此，实际在设置时，可根据实际人为设定。进一步地，所述高速动车组列车转向架轴承故障监测系统还可包括与所述高速动车组列车转向架轴承故障监测装置连接的计算机，该计算机可以是便携式的，也可以是固定式的。所述计算机可以下载所述高速动车组列车转向架轴承故障监测装置生成的监测信息，为深入分析了解故障现象和分析故障原因提供可靠的数据。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种高速动车组列车转向架轴承故障监测方法，其特征在于，包括：

获取转向架轴承轴箱的振动信号、列车车厢内的噪声信号及列车运行的速度；

根据所述振动信号，得出振动信号加速度有效值；

分别对所述振动信号和所述噪声信号进行频谱分析，提取分析结果中振动特征频率和噪声特征频率；

根据所述振动信号加速度有效值、振动特征频率、噪声特征频率及速度，生成监测信息；

所述根据所述振动信号加速度有效值、振动特征频率、噪声特征频率及速度，生成监测信息，包括：

根据速度与加速度有效值阈值的对应关系，获取所述速度对应的加速度有效值阈值；

判断所述振动信号加速度有效值是否大于所述加速度有效值阈值，若是，则继续后续步骤，否则，生成工作正常信息；

根据速度与振动特征频率阈值的对应关系，获取所述速度对应的振动特征频率阈值；

判断所述振动特征频率是否大于所述振动特征频率阈值，若是，则继续后续步骤，否则，生成振动信号加速度有效值超限预警信息；

判断所述振动特征频率与所述噪声特征频率是否相同，若相同，则生成故障信息，否则，生成振动特征频率超限预警信息；

所述根据所述振动信号加速度有效值、振动特征频率、噪声特征频率及速度，生成监测信息，还包括：

若判断所述振动信号加速度有效值小于所述加速度有效值阈值，则存储所述速度对应的所述振动信号加速度有效值，并根据已存储的两个或两个以上的所述速度对应的振动信号加速度有效值，确定所述速度对应的加速度有效值阈值；

若判断所述振动特征频率小于所述振动特征频率阈值，则存储所述速度对应的所述振动特征频率，并根据已存储的两个或两个以上的所述速度对应的振动特征频率，确定所述速度对应的振动特征频率阈值。

2.根据权利要求1所述的高速动车组列车转向架轴承故障监测方法，其特征在于，所述获取转向架轴承轴箱的振动信号、列车车厢内的噪声信号及列车运行的速度，包括：

采集设置在所述转向架轴承轴箱上的振动监测传感器生成的振动监测信号，对所述振动监测信号进行放大和滤波处理，得到模拟振动信号，将所述模拟振动信号进行模数转换，获得所述振动信号；

采集设置在列车车厢内的分贝仪生成的噪声监测信号，对所述噪声监测信号进行放大和滤波处理，得到模拟噪声信号，将所述模拟噪声信号进行模数转换，获得所述噪声信号；

接收设置在列车上的测速仪发送的速度信号，根据所述速度信号，获得所述列车运行的速度。

3.一种高速动车组列车转向架轴承故障监测装置，其特征在于，包括：

第一获取模块，用于获取转向架轴承轴箱的振动信号，及列车车厢内的噪声信号；

第一处理模块，用于根据所述振动信号，得出振动信号加速度有效值；

第二处理模块，用于分别对所述振动信号和所述噪声信号进行频谱分析，提取分析结果中振动特征频率和噪声特征频率；

第二获取模块，用于获取列车运行的速度；

第三处理模块，用于根据所述振动信号加速度有效值、振动特征频率、噪声特征频率及速度，生成监测信息；

所述第三处理模块，包括：

第一获取单元，用于根据速度与加速度有效值阈值的对应关系，获取所述速度对应的加速度有效值阈值；

第一判断单元，用于判断所述振动信号加速度有效值是否大于所述加速度有效值阈值，若是，则生成获取指令，否则，生成工作正常信息；

第二获取单元，用于根据所述获取指令，根据速度与振动特征频率阈值的对应关系，获取所述速度对应的振动特征频率阈值；

第二判断单元，用于判断所述振动特征频率是否大于所述振动特征频率阈值，若是，则生成判断指令，否则，生成振动信号加速度有效值超限预警信息；

第三判断单元，用于根据所述判断指令，判断所述振动特征频率与所述噪声特征频率是否相同，若相同，则生成故障信息，否则，生成振动特征频率超限预警信息；

所述第三处理模块，还包括：

第一阈值确定单元，用于当判断所述振动信号加速度有效值小于所述加速度有效值阈值时，存储所述速度对应的所述振动信号加速度有效值，并根据已存储的两个或两个以上的所述速度对应的振动信号加速度有效值，确定所述速度对应的加速度有效值阈值；

第二阈值确定单元，用于当判断所述振动特征频率小于所述振动特征频率阈值时，存储所述速度对应的所述振动特征频率，并根据已存储的两个或两个以上的所述速度对应的振动特征频率，确定所述速度对应的振动特征频率阈值。

4.根据权利要求3所述的高速动车组列车转向架轴承故障监测装置，其特征在于，所述第一获取模块，包括：

第一数据采集单元，用于采集设置在所述转向架轴承轴箱上的振动监测传感器生成的振动监测信号，对所述振动监测信号进行放大和滤波处理，得到模拟振动信号，将所述模拟振动信号进行模数转换，获得所述振动信号；

第二数据采集单元，用于采集设置在列车车厢内的分贝仪生成的噪声监测信号，对所述噪声监测信号进行放大和滤波处理，得到模拟噪声信号，将所述模拟噪声信号进行模数转换，获得所述噪声信号；

接收单元，用于接收设置在列车上的测速仪发送的速度信号，根据所述速度信号，获得所述列车运行的速度。

5.一种高速动车组列车转向架轴承故障监测系统，其特征在于，包括：振动监测传感器、分贝仪、测速仪及上述权利要求3或4所述的高速动车组列车转向架轴承故障监测装置；其中，

所述振动监测传感器、所述分贝仪及所述测速仪分别与所述高速动车组列车转向架轴承故障监测装置连接。