CN103448755A

CN103448755A - 轨道机车运行监测诊断方法及系统

Info

Publication number: CN103448755A
Application number: CN2013104285049A
Authority: CN
Inventors: 叶勇; 汪连环; 吴定新; 徐海宁; 盛宏章; 袁永全; 李晓峰; 张智
Original assignee: Wuhan Iron and Steel Group Corp
Current assignee: Wuhan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2013-05-28
Filing date: 2013-09-18
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2033-09-18
Also published as: CN103448755B

Abstract

本发明公开了一种环冷机台车运行监测诊断方法及系统，属于轨道机车运行监测技术领域；本方法通过实时监测轨道机车的车轮上下外端面与测距点间的间距参数并通过算法计算得出轨道机车的运转故障的诊断参数，进而判断机车故障。本方法通过位于轨道两侧的测距装置，实时监测运转的车轮与测距装置的距离参数并且通过距离参数间的计算诊断出台车的运行故障；本方法简化了台车点检操作，提升点检精度的同时降低了机车点检的人力物力的消耗。

Description

轨道机车运行监测诊断方法及系统

技术领域

本发明涉及轨道机车故障监控技术领域，特别涉及一种轨道机车运行监测诊断方法及系统。

背景技术

轨道机车涉及生产生活中的诸多领域，在机车的运转中难免出现各种各样的问题，其中主要分为：轴承磨损、车体故障、车体偏移以及机车脱轨等。

往往为了避免安全事故的发生，每天例行的机车点检工作，将会消耗掉大量的人力物力。同时轨道机车的点检工作对于点检人员的经验要求较高；同时某些恶劣环境中点检工作受到很大的限制，无法有效的对某些潜在的故障做出检测。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够在轨道机车运转过程中对机车车轮参数实时监测，并通过运算得出诊断参数，进而判断出机车故障的方法及系统。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种轨道机车运行监测诊断方法：包括以下步骤：

S1.选取一辆标准机车静止在轨道上，测量标准机车两平行车轮的外端面的设计标准距离X；

S2.测量轨道右侧测距点与静止在轨道上的所述标准机车右侧车轮外端面的上、下外端面的距离H₁和L₁；

S3.测量轨道左侧测距点与静止在轨道上的所述标准机车左侧车轮外端面的上、下外端面的距离H₂和L₂；

S4.测量轨道右侧测距装置与运动状态的轨道机车右侧车轮外端面的上下端面的距离H_m1和L_m1;

S5.测量轨道左侧测距装置与运动状态的轨道机车左侧车轮外端面的上下端面的距离H_n2和L_n2；

S6.通过公式

α = \frac{H_{1} + L_{1} + H_{2} + L_{2} - H_{m 1} - H_{n 2} - L_{m 1} - L_{n 2}}{X}

计算车轮的双向偏移系数；

S7.通过公式

β = \frac{| |\begin{matrix} H_{m 1} & H_{n 2} & H_{1} & H_{2} \end{matrix}| |\begin{matrix} L_{m 1} & L_{n 2} & L_{1} & L_{2} \end{matrix}| |}{X}

计算平行系数；

S8.通过公式

计算左侧车轮单向偏移系数，通过公式计算右侧车轮单向偏移系数；

S9.当车轮双向偏移系数α大于5.7‰且平行系数β大于4.5‰时，判断为轴承磨损故障；或者当车轮双向偏移系数α小于4.5‰且平行系数β大于7.9‰时，判断为车体故障；或者当车轮双向偏移系数α大于4.5‰且平行系数β小于4.5‰时，判断为轮轴故障；或者当车轮单向偏移系数δ₁或者δ₂的值大于2.7%，判断为车体偏移。

进一步地，轨道两侧测距点与其监测的标准机车车轮上下外端面的距离H₁=H₂=L₁=L₂。

进一步地，还包括步骤S10,当当任意一侧的测距装置检测的数据H_m1或者H_n2或者L_m1或者L_n2中至少一个与H₁的差值大于1.9%X时，判断为机车脱轨。

进一步地，当所述轨道一侧的测距装置检测到数据，另一侧的测距装置未检测到数据时，判断为机车脱轨。

一种轨道机车运行监测诊断系统，其特征在于，包括：

测距单元，测量标准机车两平行车轮的外端面的设计标准距离X，轨道右侧测距点与静止在轨道上的所述标准机车右侧车轮外端面的上、下外端面的距离H₁和L₁，测量轨道左侧测距点与静止在轨道上的所述机车左侧车轮外端面的上、下外端面的距离H₂和L₂，测量轨道右侧测距装置与运动状态的轨道机车右侧车轮外端面的上下端面的距离H_m1和L_m1，测量轨道左侧测距装置与运动状态的轨道机车左侧车轮外端面的上下端面的距离H_n2和L_n2；

计算单元，通过距离参数之间的计算，得出故障诊断参数；

通过公式

α = \frac{H_{1} + L_{1} + H_{2} + L_{2} - H_{m 1} - H_{n 2} - L_{m 1} - L_{n 2}}{X}

计算车轮的双向偏移系数α；通过公式

β = \frac{| |\begin{matrix} H_{m 1} & H_{n 2} & H_{1} & H_{2} \end{matrix}| |\begin{matrix} L_{m 1} & L_{n 2} & L_{1} & L_{2} \end{matrix}| |}{X}

计算平行系数β；

通过公式

计算左侧车轮单向偏移系数δ₁，通过公式

计算右侧车轮单向偏移系数δ₂；

诊断单元，比较诊断参数的实际计算值与预设的故障临界值，做出故障诊断；当车轮双向偏移系数α大于5.7‰且平行系数β大于4.5‰时，判断为轴承磨损故障；或者当车轮双向偏移系数α小于4.5‰且平行系数β大于7.9‰时，判断为车体故障；或者当车轮双向偏移系数α大于4.5‰且平行系数β小于4.5‰时，判断为轮轴故障；或者当车轮单向偏移系数δ₁或者δ₂的值大于2.7%，判断为车体偏移；或者当任意一侧的测距装置检测的数据H_m1或者H_n2或者L_m1或者L_n2中至少一个与H₁的差值大于1.9%X时，判断为机车脱轨。

进一步地，所述轨道两侧的测距点关于所述轨道对称，从而保证同一组的两个车轮与相应的测距点的距离参数能够同时监测。

进一步地，所述测距单元包括：测距装置；所述测距装置置于轨道两侧的测距点上，实时测量各距离参数并回传给计算单元。

本发明提供的轨道机车运行监测诊断方法，通过轨道两侧的测距装置实时监测测量点与机车车轮的距离，通过算法完成距离参数间的计算得出故障诊断参数，并根据故障诊断参数判断出机车故障。本发明还提供一种执行上述诊断方法的系统，通过测距装置以及计算机完成故障诊断。本方法及系统通过精确测量替代人工点检，提升了机车诊断的准确性，同时也降低了点检的人力物力成本。

附图说明

图1为本发明实施例提供的测距装置测量原理示意图；

其中，1-左上端面测距仪，2-右上端面测距仪，3-左下端面测距仪，4-右下端面测距仪。

具体实施方式

参见图1，本发明实施例提供的一种轨道机车运行监测诊断方法的测距装置的测量原理示意图；其中左上端面测距仪1和左下端面测距仪2为一组；右上端面测距仪3和右下端面测距仪为一组；分别用于实时监测左右车轮的上下端面与对应测距点的实时间距H_m1、L_m1、H_n2以及L_n2。

轨道机车运行监测诊断方法：通过轨道两侧的左上端面测距仪1和左下端面测距仪2测量左侧测距点与左车轮外端面上、下外端面之间的距离H_m1和L_m1；通过轨道两侧的右上端面测距仪3和右下端面测距仪4测量右侧测距点与右车轮外端面上、下外端面之间的距离H_n2以及L_n2；并且通过计算得出诊断参数，并根据诊断参数或者其组合做出故障诊断。

轨道机车运行监测诊断方法包括以下步骤：

S1.选取一辆标准机车静止在轨道上，测量轨道机车两平行车轮的外端面的设计标准距离X；

S3.测量轨道左侧测距点与静止在轨道上的所述机车左侧车轮外端面的上、下外端面的距离H₂和L₂；

S6.通过公式

α = \frac{H_{1} + L_{1} + H_{2} + L_{2} - H_{m 1} - H_{n 2} - L_{m 1} - L_{n 2}}{X}

计算车轮的双向偏移系数；

S7.通过公式

β = \frac{| |\begin{matrix} H_{m 1} & H_{n 2} & H_{1} & H_{2} \end{matrix}| |\begin{matrix} L_{m 1} & L_{n 2} & L_{1} & L_{2} \end{matrix}| |}{X}

计算平行系数；

S8.通过公式计算左侧车轮单向偏移系数，通过公式

计算右侧车轮单向偏移系数；

执行步骤S1～S3,通过测距装置，预先测量静止于轨道上的标准机车的车轮上、下外端面距离对应的测距点的距离；标准机车为根据机车的标准设计参数生产的机车，其车轮的各项参数均满足设计标准，因此以标准机车作为测距基准，能直接反应出实际运动中的机车的车轮参数的变化。其中，H₁和L₁为轨道一侧测距点与本侧的车轮的外端面上、下外端面的标准距离；H₂和L₂为轨道另一侧测距点与其同侧的车轮的外端面上、下外端面的标准距离；X为两个车轮的外端面的标准距离。为了避免距离参数的单位标准不一致导致的诊断参数计算错误，本方法涉及的测距装置统一采用毫米为标准测量单位。

执行步骤S4和S5，机车实时运转时，通过轨道两侧的测距装置，实时监测测距点与对应车轮上、下外端面的距离H_m1和L_m1以及H_n2和L_n2。H_m1、L_m1、H_n2以及L_n2四个距离参数为机车车轮运转状态的直接体现。通过把这四个不断变化的参数与通过标准机车测量出的标准值组合运算，计算出诊断参数，用于表征故障程度。

执行步骤S6：根据公式

α = \frac{H_{1} + L_{1} + H_{2} + L_{2} - H_{m 1} - H_{n 2} - L_{m 1} - L_{n 2}}{X}

计算车轮的双向偏移系数。所谓车轮双向偏移系数指的是车轮在轴承上的轴向向外偏移的程度；根据机车轨道以及车轮的匹配设计，两个相对应车轮的车轮间距是固定的或者在极小范围内波动；若两个相对应的车轮间距过大超出了一定的范围，就有可能脱轨；因此实时测量车轮的双向偏移系数意义重大。

执行步骤S7:根据公式

β = \frac{| |\begin{matrix} H_{m 1} & H_{n 2} & H_{1} & H_{2} \end{matrix}| |\begin{matrix} L_{m 1} & L_{n 2} & L_{1} & L_{2} \end{matrix}| |}{X}

计算平行系数；平行系数标定的是两车轮的平行程度，正常情况下，两车轮的平行度很高，平行系数极小；若两车轮不平行，就说明轴承存在磨损情况。在实际生产中，平行系数在一定范围内波动属于正常现象，但是当车轮平行系数超过一个临界值时，机车运行的安全风险就处于一个较高的状态，就必须检修维护。

执行步骤S8：通过公式

计算左侧车轮单向偏移系数；通过公式

计算右侧车轮单向偏移系数；单向偏移系数标定的是车轮向外偏移的程度，能够充分的体现出某一车轮的实际偏移程度。车辆在轨道上行驶的时候，出现车体偏移通常是受惯性影响，车轮与轨道间隙增大；尤其是过弯时车体偏移现象十分明显；但是，此种情况持续时间短，能很快的恢复正常。但是车体偏移的频率大，且无法迅速的恢复正常将会导致一侧车轮脱轨，十分危险。

执行步骤S9，当车轮双向偏移系数α大于5.7‰且平行系数β大于4.5‰时，判断为轴承磨损故障；当车轮向外偏移到达一定程度并且车轮平行度很低时，其主要原因在于轴承磨损；或者当车轮双向偏移系数α小于4.5‰且平行系数β大于7.9‰时，判断为车体故障；车轮双向偏移系数低，说明车轮的轴向外偏移程度低；但是却不平行，说明车体本身出现脱焊变形等故障；或者当车轮双向偏移系数α大于4.5‰且平行系数β小于4.5‰时，判断为轮轴故障；当车轮外偏移严重但是平行度却很高的情况下，说明车轮轮轴脱离导致车轮外偏移；或者当车轮单向偏移系数δ₁或者δ₂的值位于2.7%时，判断为车体偏移。单向偏移系数过大表明车体本身偏移严重。

除了得出诊断参数，还可以将多个诊断参数显示到现场监控设备上；或者更进一步地，直接通过报警装置警醒现场工作人员。或者针对故障种类以及故障的危险程度设置不同的警告级别，通过明显的灯光或者响声提示工作人员；特别是，重要的生产环境中；一方面能够保证生产的安全；另一方面在出现故障警告时，使现场工作人员能够知晓危险程度，从而保持现场环境的秩序，当出现重大安全故障时能够及时的逃生或者迅速采取应急措施，降低损失。

正常情况下为了方便测距，测距点选取在关于轨道对称的两点上；因此，轨道两侧测距装置与待检测车轮上、下外端面的距离H₁=H₂=L₁=L₂。

当车辆脱轨后，测距仪可能依然能够测的数值，但是却不是与车轮外端面的距离，而是车体与测距装置的距离；因此，当任意一侧的测距装置检测的数据H_m1或者H_n2或者L_m1或者L_n2中至少一个与H₁的差值大于1.9%X时，判断为机车脱轨。

下面通过一个实施例来说明本方法。

环冷机台车为典型的工业用轨道机车，通常有多块台车连接使用。在台车的轨道两侧设置测距装置，针对台车内外车轮的外端面实时测距。

同时根据设计标准，台车每组车轮的外端面的间距为4384mm；根据实际环境，测距仪与车轮端面平均距离为208mm。

通过测距装置实时测量，将两车轮的上下端面的平均距离与4384mm进行比对后，超过25mm且上、下外端面距离差在20mm时，判断为轴承磨损故障。

当与上、下外端面平均距离与4384mm进行比对后相差不大，但上、下外端面距离差超过35mm，判断为车体故障。

在台车轮上端面任一个测距仪采集到数据时，另外一个测距仪没有检测到数据，判断为轮体掉落故障。

两车轮的上、下外端面的实际平均距离超过机车车轮上、下外端面的设计距离25mm，但上、下外端面距离相差不大，判断为轮轴故障。

当内外环的上端面测距仪与台车轮端面距离小于118mm时，判断为台车偏移。

本发明通过轨道两端测距装置，实时监测测距点与车轮外端面的距离，并通过算法计算出双向偏移系数、平行系数以及单向偏移系数等诊断参数；进而判断故障类型。本方法通过精确测距以及算法运算替代人工点检，在提高诊断精度的同时降低了点检的人力物力的消耗。

本实施例还给出一种用于实现上述诊断方法的系统，包括：测距单元、计算单元以及诊断单元。

测距单元：测量标准机车两平行车轮的外端面的设计标准距离X，轨道右侧测距点与静止在轨道上的所述标准机车右侧车轮外端面的上、下外端面的距离H₁和L₁，测量轨道左侧测距点与静止在轨道上的所述机车左侧车轮外端面的上、下外端面的距离H₂和L₂，测量轨道右侧测距装置与运动状态的轨道机车右侧车轮外端面的上下端面的距离H_m1和L_m1，测量轨道左侧测距装置与运动状态的轨道机车左侧车轮外端面的上下端面的距离H_n2和L_n2。

测距单元包括四个测距仪；平均安置在轨道两侧的测距点上，每个测距点上的两个测距仪分别测量同侧的轨道机车车轮的上、下外端面与测距点的距离。测距单元的测量结果通过有线或者无线传输方式回传给计算单元。

为了使一组两个车轮能够同时受检，从而使两个测距点的测量结果具有同步性；优选的，轨道两侧的测距点关于轨道对称。

计算单元：通过距离参数之间的计算，得出故障诊断参数；

通过公式

α = \frac{H_{1} + L_{1} + H_{2} + L_{2} - H_{m 1} - H_{n 2} - L_{m 1} - L_{n 2}}{X}

计算车轮的双向偏移系数α；通过公式

β = \frac{| |\begin{matrix} H_{m 1} & H_{n 2} & H_{1} & H_{2} \end{matrix}| |\begin{matrix} L_{m 1} & L_{n 2} & L_{1} & L_{2} \end{matrix}| |}{X}

计算平行系数β；

通过公式

计算左侧车轮单向偏移系数δ₁，通过公式

计算右侧车轮单向偏移系数δ₂。

公式中，X为标准机车两平行车轮的外端面的设计标准距离，当这个值的变化超过一定幅度的时，机车就处于故障状态；因此，我们用受监测测端与对应的测距点的实时距离参数相对于标准距离参数的变化值与标准机车两平行车轮的外端面的设计标准距离X的比值，来表征故障程度。

其中双向偏移系数α，通过公式

α = \frac{H_{1} + L_{1} + H_{2} + L_{2} - H_{m 1} - H_{n 2} - L_{m 1} - L_{n 2}}{X}

计算；本公式用两车轮的外端面相对于测距点的距离的缩小值，来表征两车轮轴向外移的值，并用其与两车轮的标准间距X做比例运算，求取双向偏移系数α，以此来表征车轮的双向偏移程度。

车轮的平行系数β，通过公式

β = \frac{| |\begin{matrix} H_{m 1} & H_{n 2} & H_{1} & H_{2} \end{matrix}| |\begin{matrix} L_{m 1} & L_{n 2} & L_{1} & L_{2} \end{matrix}| |}{X}

计算；本公式用两车轮上端面与测距点的距离变化值和下端面测距点的距离变化值的差值的绝对值与两车轮的标准间距X做比例运算，求取比例值，来表征平行度，称之为平行系数。当车轮上、下外端面与测距点的距离变化越小使车轮的平行度越高，相应的平行系数越低。

车轮单向偏移系数δ₁以及δ₂，通过公式以及计算。本公式用于判断单侧车轮的偏移情况，用单侧车轮上、下外端面与测距点的距离变化值与两车轮的标准间距X做比例运算，求取比例值，来表征单侧车轮的偏移程度。

计算单元通过距离参数以及标准距离参数的组合计算得出诊断参数，并将诊断参数传给诊断单元，做出故障诊断。

诊断单元：比较诊断参数的实际计算值与预设的故障临界值，做出故障诊断；当车轮双向偏移系数α大于5.7‰且平行系数β大于4.5‰时，判断为轴承磨损故障；或者当车轮双向偏移系数α小于4.5‰且平行系数β大于7.9‰时，判断为车体故障；或者当车轮双向偏移系数α大于4.5‰且平行系数β小于4.5‰时，判断为轮轴故障；或者当车轮单向偏移系数δ₁或者δ₂的值大于2.7%，判断为车体偏移；或者当任意一侧的测距装置检测的数据H_m1或者H_n2或者L_m1或者L_n2中至少一个与H₁的差值大于1.9%X时，判断为机车脱轨。

诊断单元主要进行逻辑运算，通过将诊断参数与预设的故障临界值作比较；得出逻辑判断值“0”或者“1”，用于表征故障的程度，当诊断参数大于预设值时，通过“1”标注，表明故障需维护检修；当诊断参数小于预设值时，用“0”标注，表明故障程度不高。当某些故障需要至少两个诊断参数组合诊断时，通过逻辑运算得出故障诊断的逻辑值；并显示在计算机上，提示工作人员；或者直接通过声光报警装置，按照不同的故障类型，分别设置不同的声音或者灯光颜色来报警。

执行计算的计算单元以及执行故障判断的诊断单元为计算机软件模块；通过录入的算法公式以及预设的故障临界值，完成诊断参数的计算以及故障的诊断。同时能够准确的显示诊断参数以及故障诊断结果。

为了使机车故障诊断更加全面；优选的，本系统还包括红外监控摄像头，用于实时拍摄车况信息并传送给计算机；用于辅助工作人员对机车故障的诊断。

本发明通过轨道两端测距组件，实时监测测距点与车轮外端面的距离，并通过算法计算出双向偏移系数、平行系数以及单向偏移系数等诊断参数；进而通过与预设的故障临界值比较以及逻辑运算判断故障类型。红外监控摄像头进一步完善了故障诊断，通过拍摄车况信息帮助工作人员更为准确的判断故障信息。本系统通过精确测距以及算法运算替代人工点检，在提高诊断精度的同时降低了人力物力的消耗。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种轨道机车运行监测诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：

S6.通过公式

α = \frac{H_{1} + L_{1} + H_{2} + L_{2} - H_{m 1} - H_{n 2} - L_{m 1} - L_{n 2}}{X}

计算车轮的双向偏移系数；

S7.通过公式

β = \frac{| |\begin{matrix} H_{m 1} & H_{n 2} & H_{1} & H_{2} \end{matrix}| |\begin{matrix} L_{m 1} & L_{n 2} & L_{1} & L_{2} \end{matrix}| |}{X}

计算平行系数；

S8.通过公式计算左侧车轮单向偏移系数，通过公式

计算右侧车轮单向偏移系数；

2.如权利要求1所述的轨道机车运行监测诊断方法，其特征在于：轨道两侧测距点与其监测的标准机车车轮上下外端面的距离H₁=H₂=L₁=L₂。

3.如权利要求2所述的轨道机车运行监测诊断方法，其特征在于：还包括步骤S10,当任意一侧的测距装置检测的数据H_m1或者H_n2或者L_m1或者L_n2中至少一个与H₁的差值大于1.9%X时，判断为机车脱轨。

4.如权利要求1所述的轨道机车运行监测诊断方法，其特征在于：当所述轨道一侧的测距装置检测到数据，另一侧的测距装置未检测到数据时，判断为机车脱轨。

5.一种轨道机车运行监测诊断系统，其特征在于，包括：

计算单元，通过距离参数之间的计算，得出故障诊断参数；

通过公式

α = \frac{H_{1} + L_{1} + H_{2} + L_{2} - H_{m 1} - H_{n 2} - L_{m 1} - L_{n 2}}{X}

计算车轮的双向偏移系数α；通过公式

β = \frac{| |\begin{matrix} H_{m 1} & H_{n 2} & H_{1} & H_{2} \end{matrix}| |\begin{matrix} L_{m 1} & L_{n 2} & L_{1} & L_{2} \end{matrix}| |}{X}

计算平行系数β；

通过公式

计算左侧车轮单向偏移系数δ₁，通过公式计算右侧车轮单向偏移系数δ₂；

6.如权利要求5所述的轨道机车运行监测诊断系统，其特征在于：所述轨道两侧的测距点关于所述轨道对称，从而保证同一组的两个车轮与相应的测距点的距离参数能够同时监测。

7.如权利要求5所述的轨道机车运行监测诊断系统，其特征在于，所述测距单元包括：测距装置；所述测距装置置于轨道两侧的测距点上，实时测量各距离参数并回传给计算单元。