CN106153335A - 一种列车轴承声学在线故障诊断系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种列车轴承声学在线故障诊断系统，包括：多个信号采集处理模块和数据处理及通信基站；所述信号采集处理模块包括传声器阵列和信号采集处理主机；所述传声器阵列包括多个传声器单元，用于采集列车两侧车轮轴承及附近设备的声信号；所述传声器阵列设置在两轨道内侧、两个枕木之间；所述传声器阵列通过线缆与所述信号采集处理主机相连；所述信号采集处理主机将经过预处理的声信号传输到所述数据处理及通信基站进行综合处理。本发明采用轨道内的小型分布式传声器阵列代替轨边的大型传声器阵列，提高信号采集的质量，并降低设备维护成本。
Description
技术领域
本发明涉及铁路系统安全监控领域，特别涉及一种列车轴承声学在线故障诊断系统及方法。
背景技术
随着我国铁路事业的快速发展，各种列车，尤其是高速列车的安全性日益受到重视。高速列车要求列车轮毂轴承具备高转速、高承载负荷、高耐摩擦、耐高温等重要特性。在列车运行中，机车轴承的工作量非常大，因此对快速准确的轴承故障诊断的迫切性在不断提高。
机车轴承常见的故障包括：外滚道点蚀、电蚀、剥离、有毛刺；保持架锈蚀、松动；滚柱剥离及拉伤；挡边碎裂。目前，对于车辆轴承检测及故障诊断技术有很多种，如振动信号检测、油样分析检测、温度检测、声检测等。在车辆行驶状态下，针对车辆轴承的状态检测与故障诊断，我国已经在全国多个铁路局建设了火车滚动轴承早期故障轨边声学诊断系统(TADS)，如图1所示，该系统是全路车辆安全防范预警系统(5T系统)的重要组成部分。
TADS在铁路路轨外侧设置传声器阵列，利用传声器阵列对经过的列车进行指向性的声信号采集，并通过对声信号的处理，实时检测经过车辆的滚动轴承的状态。该系统的缺点在于传声器阵列布设在铁轨旁边，与被测的轴承距离较远，利用传声器阵列形成的指向性获取轴承的声信号比较困难，信号信噪比低，不利于提高故障诊断的可靠性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有火车滚动轴承早期故障轨边声学诊断系统存在的上述缺陷，提供了一种列车轴承声学在线故障诊断系统，该系统的小型分布式传声器阵列安装在两个铁轨之间，提高了信号采集的质量，并降低设备维护成本。
为了实现上述目的，本发明提供了一种列车轴承声学在线故障诊断系统，包括：多个信号采集处理模块和数据处理及通信基站；所述信号采集处理模块包括传声器阵列和信号采集处理主机；所述传声器阵列包括多个传声器单元，用于采集列车两侧车轮轴承及附近设备的声信号；所述传声器阵列设置在两轨道内侧、两个枕木之间；所述传声器阵列通过线缆与所述信号采集处理主机相连；所述信号采集处理主机将经过预处理的声信号传输到所述数据处理及通信基站进行综合处理。
上述技术方案中，所述信号采集处理模块的个数为5-10。
上述技术方案中，所述传声器阵列的孔径范围为5cm-140cm。
上述技术方案中，所述传声器阵列的传声器单元的个数为3-64。
上述技术方案中，所述传声器阵列为一个阵列或两个子阵列；当所述传声器阵列为两个子阵列时，两个子阵列对称设置在靠近两个轨道内侧的位置。
上述技术方案中，所述信号采集处理主机包括：信号采集单元、GPS/北斗时钟同步单元、中心处理单元和通信单元；
所述GPS/北斗时钟同步单元用于产生时钟脉冲信号，并传输给中心处理单元；
所述信号采集单元用于采集多个传声器单元的声信号；并传输给所述中心处理单元；
所述中心处理单元用于对信号采集单元发送的数据进行处理，并将处理后的数据输出到通信单元；
所述通信单元用于将所述中心处理单元输出的数据以有线或无线方式发送到所述数据处理及通信基站。
上述技术方案中，数据处理及通信基站包括：数据接收单元、网关和数据处理工作站；
所述数据接收单元用于以有线或无线方式接收多个信号采集处理主机发送的数据；
所述数据处理工作站用于将所有数据接收单元输出的数据进行综合处理，输出轴承监测信息；所述综合处理的具体实现过程为：组合现有的多个小孔径传声器阵列构建等效于大孔径的传声器阵列；根据车辆运动轨迹，依次处理各个传声器阵列采集的轴承信号，获得轴承声信号，所述轴承声信号的长度超过单个传声器阵列的有效采集时间范围；在轴承声信号基础上进行信号处理，提取反应轴承工作状态的信号特征量，并利用回归分析、人工智能技术对轴承状态进行判断，获得轴承监测信息；
所述网关用于所述数据处理及通信基站内部的数据传输，同时用于将所述数据处理工作站输出的轴承监测信息上传给上级系统，实现列车轴承状态监测历史数据的存储、分析。
基于上述列车轴承声学在线故障诊断系统，本发明还提供了一种列车轴承声学在线故障诊断方法，所述方法包括：
步骤1)每个传声器阵列采集列车两侧车轮轴承及附近设备的声信号，并将声信号传送到对应的信号采集单元；
步骤2)每个信号采集单元接收到的声信号进行模数转换；
步骤3)所述GPS/北斗同步时钟单元产生GPS或北斗的时钟脉冲信号；
步骤4)每个中心处理单元根据GPS或北斗时钟脉冲信号，对信号采集单元输出的数字信号进行分帧，确定其时标；并对数字信号进行预处理；将预处理后的数据传输到通信单元；
所述预处理包括：信号降噪和波束形成；
步骤5)每个通信单元将接收到的数据按照通信协议发送至所述数据处理及通信基站；
步骤6)所述数据接收单元接收多个通信单元发送的数据；并将接收到的数据通过网关传输到所述数据处理工作站；
步骤7)所述数据处理工作站对接收到的数据进行综合处理，获得轴承监测信息；
步骤8)所述数据处理工作站通过网关将轴承监测信息上传到上级系统，完成列车轴承状态监测数据的存储、分析，实现故障预警、剩余寿命分析。
上述技术方案中，所述步骤7)的综合处理的具体实现过程为：
所述综合处理的具体实现过程为：组合现有的多个小孔径传声器阵列构建等效于大孔径的传声器阵列；根据车辆运动轨迹，依次处理各个传声器阵列采集的轴承信号，获得轴承声信号，所述轴承声信号的长度超过单个传声器阵列的有效采集时间范围；在轴承声信号基础上进行信号处理，提取反应轴承工作状态的信号特征量，并利用回归分析、人工智能技术对轴承状态进行判断，获得轴承监测信息。
本发明的优点在于：
1、本发明采用轨道内的小型分布式传声器阵列代替轨边的大型传声器阵列，提高信号采集的质量，并降低设备维护成本；
2、本发明采用基于GPS/北斗的分布式同步信号采集模块，而且兼容基于无线通信的数据采集方式，有利于减少设备安装和维护的难度。
附图说明
图1为现有的单个TADS探测站示意图；
图2为本发明的实施例1的列车轴承声学在线故障诊断系统的组成示意图；
图3为本发明的实施例1的信号采集处理主机的结构组成示意图；
图4为本发明的实施例1的数据处理及通信基站的结构组成示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
实施例1：
如图2所示，一种列车轴承声学在线故障诊断系统，包括：十个信号采集处理模块和数据处理及通信基站；所述信号采集处理模块包括两个传声器阵列和信号采集处理主机；所述传声器阵列为四个传声器单元组成的正方形阵列；两个传声器阵列对称设置在两个枕木之间，靠近两个轨道内侧位置，用于采集列车两侧车轮的轴承及附近设备的声信号；所述信号采集处理主机位于两个传声器阵列之间，八个传声器通过线缆与所述信号采集处理主机相连；所述信号采集处理主机将采集到的传声器的声信号传输到所述数据处理及通信基站进行综合处理。
如图3所示，所述信号采集处理主机包括：信号采集单元、GPS/北斗时钟同步单元、中心处理单元和通信单元；
所述GPS/北斗时钟同步单元用于产生时钟脉冲信号，并传输给中心处理单元；
所述信号采集单元用于采集八个传声器单元的声信号；并传输给所述中心处理单元；
所述中心处理单元用于对信号采集单元发送的数据进行处理，并将处理后的数据输出到通信单元；
所述通信单元用于将所述中心处理单元输出的数据以有线的方式发送到所述数据处理及通信基站。
如图4所示，数据处理及通信基站包括：数据接收单元、网关和数据处理工作站；
所述数据接收单元用于以有线的方式接收十个信号采集处理主机发送的数据；
所述数据处理工作站用于将所有数据接收单元输出的数据进行综合处理，并输出轴承监测信息；所述综合处理的具体实现过程为：组合现有的多个小孔径传声器阵列构建等效于大孔径的传声器阵列，以针对特定位置轴承指向性地获取声信号，排除来自其他方向的噪声干扰；根据车辆运动轨迹，依次处理各个传声器阵列采集的轴承信号，获得轴承声信号，所述轴承声信号的长度超过单个传声器阵列的有效采集时间范围；在轴承声信号基础上进行信号处理，提取反应轴承工作状态的信号特征量，并利用回归分析、人工智能技术对轴承状态进行判断，获得轴承监测信息；
所述网关用于所述数据处理及通信基站内部的数据传输，同时用于将所述数据处理工作站输出的轴承监测信息上传给上级系统，实现列车轴承状态监测历史数据的存储、分析。
实施例2：
一种列车轴承声学在线故障诊断系统，包括：五个信号采集处理模块和数据处理及通信基站；所述信号采集处理模块包括一个传声器阵列和信号采集处理主机；所述传声器阵列为3个传声器单元构成的等距线阵；位于两轨道内侧、两个枕木之间，用于采集火车两侧车轮的轴承声信号；所述传声器阵列通过线缆与所述信号采集处理主机相连；所述信号采集处理主机将经过预处理的声信号传输到所述数据处理及通信基站进行综合处理。
如图3所示，所述信号采集处理主机包括：信号采集单元、GPS/北斗时钟同步单元、中心处理单元和通信单元；
所述GPS/北斗时钟同步单元用于产生时钟脉冲信号，并传输给中心处理单元；
所述信号采集单元用于采集3个传声器单元的声信号；并传输给所述中心处理单元；
所述中心处理单元用于对信号采集单元发送的数据进行处理，并将处理后的数据输出到通信单元；
所述通信单元用于将所述中心处理单元输出的数据以无线的方式发送到所述数据处理及通信基站。
如图4所示，数据处理及通信基站包括：数据接收单元、网关和数据处理工作站；
所述数据接收单元用于以无线的方式接收多个信号采集处理主机发送的数据；
所述数据处理工作站用于将所有数据接收单元输出的数据进行综合处理，并输出轴承监测信息；所述综合处理的具体实现过程为：组合现有的多个小孔径传声器阵列构建等效于大孔径的传声器阵列，以针对特定位置轴承指向性地获取声信号，排除来自其他方向的噪声干扰；根据车辆运动轨迹，依次处理各个传声器阵列采集的轴承信号，获得轴承声信号，所述轴承声信号的长度超过单个传声器阵列的有效采集时间范围；在轴承声信号基础上进行信号处理，提取反应轴承工作状态的信号特征量，并利用回归分析、人工智能技术对轴承状态进行判断，获得轴承监测信息；
所述网关用于所述数据处理及通信基站内部的数据传输，同时用于将所述数据处理工作站输出的轴承监测信息上传给上级系统，实现列车轴承状态监测历史数据的存储、分析。
基于上述列车轴承声学在线故障诊断系统，本发明还提供了一种列车轴承声学在线故障诊断方法，所述方法包括：
步骤1)每个传声器阵列采集列车两侧车轮轴承及附近设备的声信号，并将声信号传送到对应的信号采集单元；
步骤2)每个信号采集单元接收到的声信号进行模数转换；
步骤3)所述GPS/北斗同步时钟单元产生GPS或北斗的时钟脉冲信号；
步骤4)每个中心处理单元根据GPS或北斗时钟脉冲信号，对信号采集单元输出的数字信号进行分帧，确定其时标；并对数字信号进行预处理；将预处理后的数据传输到通信单元；
所述预处理包括：信号降噪和波束形成；
步骤5)每个通信单元将接收到的数据按照通信协议发送至所述数据处理及通信基站；
步骤6)所述数据接收单元接收多个通信单元发送的数据；并将接收到的数据通过网关传输到所述数据处理工作站；
步骤7)所述数据处理工作站对接收到的数据进行综合处理，获得轴承监测信息；
所述综合处理的具体实现过程为：组合现有的多个小孔径传声器阵列构建等效于大孔径的传声器阵列，以针对特定位置轴承指向性地获取声信号，排除来自其他方向的噪声干扰；根据车辆运动轨迹，依次处理各个传声器阵列采集的轴承信号，获得轴承声信号，所述轴承声信号的长度超过单个传声器阵列的有效采集时间范围；在轴承声信号基础上进行信号处理，提取反应轴承工作状态的信号特征量，并利用回归分析、人工智能技术对轴承状态进行判断，获得轴承监测信息。
步骤8)所述数据处理工作站通过网关将轴承监测信息上传到上级系统，完成列车轴承状态监测数据的存储、分析，实现故障预警、剩余寿命分析。
Claims (9)
1.一种列车轴承声学在线故障诊断系统，包括：多个信号采集处理模块和数据处理及通信基站；所述信号采集处理模块包括传声器阵列和信号采集处理主机；所述传声器阵列包括多个传声器单元，用于采集列车两侧车轮轴承及附近设备的声信号；所述传声器阵列设置在两轨道内侧、两个枕木之间；所述传声器阵列通过线缆与所述信号采集处理主机相连；所述信号采集处理主机将经过预处理的声信号传输到所述数据处理及通信基站进行综合处理。
2.根据权利要求1所述的列车轴承声学在线故障诊断系统，其特征在于，所述信号采集处理模块的个数为5-10。
3.根据权利要求1所述的列车轴承声学在线故障诊断系统，其特征在于，所述传声器阵列的孔径范围为5cm-140cm。
4.根据权利要求1所述的列车轴承声学在线故障诊断系统，其特征在于，所述传声器阵列的传声器单元的个数为3-64。
5.根据权利要求4所述的列车轴承声学在线故障诊断系统，其特征在于，所述传声器阵列为一个阵列或两个子阵列；当所述传声器阵列为两个子阵列时，两个子阵列对称设置在靠近两个轨道内侧的位置。
6.根据权利要求1所述的列车轴承声学在线故障诊断系统，其特征在于，所述信号采集处理主机包括：信号采集单元、GPS/北斗时钟同步单元、中心处理单元和通信单元；
所述GPS/北斗时钟同步单元用于产生时钟脉冲信号，并传输给中心处理单元；
所述信号采集单元用于采集多个传声器单元的声信号；并传输给所述中心处理单元；
所述中心处理单元用于对信号采集单元发送的数据进行处理，并将处理后的数据输出到通信单元；
所述通信单元用于将所述中心处理单元输出的数据以有线或无线方式发送到所述数据处理及通信基站。
7.根据权利要求1所述的列车轴承声学在线故障诊断系统，其特征在于，数据处理及通信基站包括：数据接收单元、网关和数据处理工作站；
所述数据接收单元用于以有线或无线方式接收多个信号采集处理主机发送的数据；
所述数据处理工作站用于将所有数据接收单元输出的数据进行综合处理，输出轴承监测信息；所述综合处理的具体实现过程为：组合现有的多个小孔径传声器阵列构建等效于大孔径的传声器阵列；根据车辆运动轨迹，依次处理各个传声器阵列采集的轴承信号，获得轴承声信号，所述轴承声信号的长度超过单个传声器阵列的有效采集时间范围；在轴承声信号基础上进行信号处理，提取反应轴承工作状态的信号特征量，并利用回归分析、人工智能技术对轴承状态进行判断，获得轴承监测信息；
所述网关用于所述数据处理及通信基站内部的数据传输，同时用于将所述数据处理工作站输出的轴承监测信息上传给上级系统，实现列车轴承状态监测历史数据的存储、分析。
8.一种列车轴承声学在线故障诊断方法，基于权利要求书1-7之一所述的列车轴承声学在线故障诊断系统实现，所述方法包括：
步骤1)每个传声器阵列采集列车两侧车轮轴承及附近设备的声信号，并将声信号传送到对应的信号采集单元；
步骤2)每个信号采集单元接收到的声信号进行模数转换；
步骤3)所述GPS/北斗同步时钟单元产生GPS或北斗的时钟脉冲信号；
步骤4)每个中心处理单元根据GPS或北斗时钟脉冲信号，对信号采集单元输出的数字信号进行分帧，确定其时标；并对数字信号进行预处理；将预处理后的数据传输到通信单元；
所述预处理包括：信号降噪和波束形成；
步骤5)每个通信单元将接收到的数据按照通信协议发送至所述数据处理及通信基站；
步骤6)所述数据接收单元接收多个通信单元发送的数据；并将接收到的数据通过网关传输到所述数据处理工作站；
步骤7)所述数据处理工作站对接收到的数据进行综合处理，获得轴承监测信息；
步骤8)所述数据处理工作站通过网关将轴承监测信息上传到上级系统，完成列车轴承状态监测数据的存储、分析，实现故障预警、剩余寿命分析。
9.根据权利要求8所述的列车轴承声学在线故障诊断方法，其特征在于，所述步骤7)的综合处理的具体实现过程为：
组合现有的多个小孔径传声器阵列构建等效于大孔径的传声器阵列；根据车辆运动轨迹，依次处理各个传声器阵列采集的轴承信号，获得轴承声信号，所述轴承声信号的长度超过单个传声器阵列的有效采集时间范围；在轴承声信号基础上进行信号处理，提取反应轴承工作状态的信号特征量，并利用回归分析、人工智能技术对轴承状态进行判断，获得轴承监测信息。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20161123 |