CN108515984A - 一种车轮伤损检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种车轮伤损检测方法及装置。该方法包括：获取安装在轮对的轴箱处传感器获取的车轮垂向振动加速度信号；根据所述垂向振动加速度信号进行短时傅里叶变换，获得车轮振动的时频图；根据所述时频图，确定所述车轮伤损的类型，所述车轮伤损的类型包括车轮扁巴和车轮不圆。采用本发明的方法或装置，可以实时检测车轮伤损情况，根据频谱特征判断是否出现车轮不圆或扁巴，实现了车辆在线路运行过程中车轮损伤信息的实时检测，提高了车轮伤损检测的效率。

Description

一种车轮伤损检测方法及装置

技术领域

本发明涉及智能检测领域，特别是涉及一种车轮伤损检测方法及装置。

背景技术

铁道车辆在线路上长期运行会造成不同程度的车轮周向磨耗伤损问题，主要表现为车轮不圆和车轮扁巴。车轮不圆是指车轮出现不同程度的变形，例如变形成为椭圆(2阶不圆)、三边形(3阶不圆)、四边形(4阶不圆)……车轮扁巴是指车轮局部出现擦损或缺陷，例如出现豁口或者局部缺陷。车轮伤损会引起轮轨间的剧烈振动，严重影响车辆的动力学性能和旅客乘坐舒适感，同时产生的噪声也影响车内外环境，而且剧烈的振动会导致车辆和轨道零部件的疲劳失效，直接危及行车安全。因此，检测车轮伤损程度具有重要的工程意义，是铁道车辆安全预警和健康监测的重要依据。

现有的车轮伤损检测装置主要为机械式车轮不圆度测量装置：将测量仪器固定在钢轨上，通过千斤顶将车轮架起悬空，采用高精度位移传感器和角度测量仪，测量车轮在旋转一周过程的径向跳动量，通过分析数据进一步确定车轮伤损的程度。利用车轮不圆度测量装置的测试工作繁琐，整列车辆的车轮测试需要数个小时，浪费时间和人力；此外，车轮不圆度测量装置只能在车辆停库后进行离线测试。因此，现有的车轮伤损检测装置的伤损检测效率低。

发明内容

本发明的目的是提供一种车轮伤损检测方法及装置，通过实时检测车辆在线路运行过程中的车轮损伤信息，以提高车轮伤损检测装置的伤损检测效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种车轮伤损检测方法，所述方法包括：

获取安装在轮对的轴箱处的传感器感应的车轮垂向振动加速度信号；

根据所述垂向振动加速度信号进行短时傅里叶变换，获得车轮振动的时频图；

根据所述时频图，确定所述车轮伤损的类型。

可选的，所述根据所述时频图，确定所述车轮伤损的类型，具体包括：

确定所述时频图的时频特性；

当所述时频图的时频特性为连续的横向条带时，确定所述车轮伤损的类型为车轮不圆；

当所述时频图的时频特性为周期性的纵向冲击条带时，确定所述车轮伤损的类型为车轮扁巴。

可选的，所述当所述时频图的时频特性为连续的横向条带时，确定所述车轮伤损的类型为车轮不圆之后，还包括：

利用公式确定所述车轮不圆的阶数N，其中V为车速，r为车轮半径，f为所述时频图的主频。

可选的，所述当所述时频图的时频特性为周期性的纵向冲击条带时，确定所述车轮伤损的类型为车轮扁巴，具体包括：

确定所述时频图中每条纵向冲击条带上的频率；

判断相邻两个纵向冲击条带的时间间隔是否为车轮滚动一周的周期，得到第一判断结果；所述车轮滚动一周的周期其中V为车速，r为车轮半径；

当所述第一判断结果表示相邻两个纵向冲击条带的时间间隔为车轮滚动一周的周期时，确定所述车轮伤损的类型为车轮扁巴。

可选的，所述根据所述时频图，确定所述车轮伤损的类型之后，还包括：

建立车轮伤损等效模型；所述等效模型中包括不同程度的车轮伤损；

根据所述等效模型，获得不同等级的车轮伤损对应的车轮垂向振动加速度、时频图；

确定所述时频图中的波长和波深；不同的波长和波深对应不同等级的车轮伤损；

在后续车轮伤损检测过程中，根据车轮垂向振动加速度确定对应的波长和波深，确定所述对应的波长和波深对应的车轮伤损的等级。

一种车轮伤损检测系统，所述系统包括：

垂向加速度获取模块，用于获取安装在轮对的轴箱处的传感器感应的车轮垂向振动加速度信号；

时频图获取模块，用于根据所述垂向振动加速度信号进行短时傅里叶变换，获得车轮振动的时频图；

车轮伤损类型确定模块，用于根据所述时频图，确定所述车轮伤损的类型。

一种车轮伤损检测装置，所述装置包括：加速度传感器、数据采集器、处理器；所述加速度传感器位于轮对的轴箱处，所述加速度传感器的输出端通过信号线与所述数据采集器的输入端连接；所述处理器的输入端连接所述数据采集器的输出端，用于根据所述数据采集器输出的车轮垂向振动加速度数据信号得到车轮垂向振动的时频图，以便工作人员根据所述时频图确定车轮伤损的类型。

可选的，所述装置还包括显示器，所述显示器的输入端连接所述处理器的输出端，用于显示所述时频图。

可选的，所述数据采集器用于将所述加速度传感器的电压信号放大，并转换为车轮垂向振动加速度数据信号。

可选的，所述数据采集器还用于为所述加速度传感器供电。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

系统可以实时检测车轮伤损情况，根据频谱特征判断是否出现车轮不圆或扁巴，实现了实时检测车辆在线路运行过程中的车轮损伤信息，提高了车轮伤损检测的效率。将加速度传感器安装于轮对的轴箱处，实时采集车轮的垂向加速度，通过信号线向数据采集器实时传输通过车载工控机根据加速度传感器的数据获得车轮加速度的时频图，根据频谱特征判断是否出现车轮不圆或扁巴，实现了实时检测车辆在线路运行过程中的车轮损伤信息，提高了车轮伤损检测装置的伤损检测效率。在具体实施方式中，如果出现车轮不圆或扁巴，可以按照上述振动加速度-波长-波深的三维数表进行查表计算，确定定量的车轮伤损程度。由于加速度传感器是根据车轮的频率计算加速度，因此对加速度传感器的位置要求不严格，不会因为加速度传感器的位置影响测量结果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明车轮伤损检测方法的流程图；

图2为本发明车轮伤损检测方法中车轮不圆的时频图；

图3为本发明车轮伤损检测方法中车轮扁巴的时频图；

图4为本发明车轮伤损检测系统的结构图；

图5为本发明车轮伤损检测装置的结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明车轮伤损检测方法的流程图。如图1所示，所述方法包括：

步骤101：获取车轮垂向振动加速度信号。具体通过获取安装在轮对的轴箱处传感器采集的车轮垂向振动加速度信号。

步骤102：获得车轮振动的时频图。根据获取的车轮垂向振动加速度信号，对数据进行去噪、去零漂等预处理，然后进行短时傅里叶变换，获得车轮振动的时频图。

步骤103：确定车轮伤损的类型。车轮伤损的类型包括车轮扁巴和车轮不圆。具体过程为：

确定所述时频图的时频特性；

当所述时频图的时频特性为连续的横向条带时，确定所述车轮伤损的类型为车轮不圆；还可以利用公式确定车轮不圆的阶数N，其中V为车速，r为车轮半径，f为所述时频图的主频。

当所述时频图的时频特性为周期性的纵向冲击条带时，确定所述车轮伤损的类型为车轮扁巴。具体地：确定所述时频图中每条纵向冲击条带上的频率；判断相邻两个纵向冲击条带的时间间隔是否为车轮滚动一周的周期，得到第一判断结果；所述车轮滚动一周的周期其中V为车速，r为车轮半径；当所述第一判断结果表示相邻两个纵向冲击条带的时间间隔为车轮滚动一周的周期时，确定所述车轮伤损的类型为车轮扁巴。

通常可以通过上述方法直接检测获得车轮伤损情况。当检测量较大时，可以通过建立车轮垂向振动加速度-时频图波长与波深-车轮伤损的数据库，在后续检测过程中，根据检测获得车轮垂向振动加速度，通过上述数据库，可以直接获得车轮伤损情况。

具体建立车轮垂向振动加速度-时频图波长与波深-车轮伤损的数据库的过程为：

建立车轮伤损等效模型；所述等效模型中包括不同程度的车轮伤损；所述车轮伤损的类型包括车轮不圆和车轮扁巴；等效模型即车轮伤损的模拟模型，模型中车轮存在不同程度的车轮伤损，且伤损情况均为已知；

根据所述等效模型，获得不同等级的车轮伤损对应的车轮垂向振动加速度、时频图；

确定所述时频图中的波长和波深；不同的波长和波深对应不同等级的车轮伤损；

从而根据多组实验的结果，可以得到关于车轮垂向振动加速度-时频图波长与波深-车轮伤损的数据库。

在后续车轮伤损检测过程中，根据车轮垂向振动加速度可以确定对应的波长和波深，进而确定对应的波长和波深对应的车轮伤损的等级。

图2为本发明车轮伤损检测方法中车轮不圆的时频图；图3为本发明车轮伤损检测方法中车轮扁巴的时频图。

处理器根据数据采集器传输的数据具体获得时频图的过程为：

对数据采集器传输的数据进行去零漂、滤波等预处理，对车轮垂向加速度数据进行短时傅里叶变换并得到车轮振动的时频图。

车轮不圆的时频特征表现为连续的横向条带，且该频率随车速的变化而变化，通过公式N＝2πr*f/V可以确定车轮不圆的阶数N，其中r为车轮半径，f为车轮不圆产生的主频，V为车速。如图2所示，时频特征表现为连续的横向条带，由于提速或降速过程中，时频图的频率会上升或下降，这是因为N不变，V在变，故f也会变。因此，在图2中550s-600s期间车速提升，横向条带中频率变化为上升趋势，800s-900s期间车速下降，横向条带中频率变化为下降趋势，但是不影响车轮损伤的判断。

车轮扁巴的时频特征表现为周期性的纵向冲击条带，每条纵向冲击条带上的频率均为车轮转频的倍频，如果相邻两个条带的间隔T为车轮滚动一圈的周期，即T满足T＝2πr/V，则出现车轮扁巴，如图3所示，时频特性表现为纵向冲击条带。

处理器中存储有基于车辆-轨道系统的动力学模型，其利用线路部分试验数据验证模型有效性。通过计算不同波长和波深下车轮不圆和扁巴的车轮振动加速度，建立成为关于振动加速度-波长-波深的三维数表。

利用该装置对车轮加速度进行实时采集，计算车轮加速度的时频图，根据频谱特征判断是否出现车轮不圆或扁巴。图2为本发明车轮伤损检测装置输出的车轮不圆时频图，如图2所示，图中包括多个凹凸处，表示为多阶不圆；图3为本发明车轮伤损检测装置输出的车轮扁巴时频图，如图3所示，图中包括一处缺陷。

如果出现车轮不圆或扁巴，按照上述振动加速度-波长-波深的三维数表进行查表计算，可以确定定量的车轮伤损程度。

图4为本发明车轮伤损检测系统的结构图。如图4所示，所述系统包括：

垂向振动加速度获取模块401，用于获取安装在轮对的轴箱处的传感器感应的车轮垂向振动加速度信号；

时频图获取模块402，用于根据所述垂向振动加速度信号进行短时傅里叶变换，获得车轮振动的时频图；

车轮伤损类型确定模块403，用于根据所述时频图，确定所述车轮伤损的类型，所述车轮伤损的类型包括车轮扁巴和车轮不圆。

图5为本发明车轮伤损检测装置结构图。如图5所示，所述装置包括：加速度传感器501、数据采集器502、处理器503；

所述加速度传感器501位于轮对的轴箱504处，由于加速度传感器501是根据车轮505的频率进一步得到车轮的加速度，因此，加速度传感器501位于轴箱504的位置要求不严格，无论出于哪个位置，均不影响装置检测的准确性，在安装时可以根据实际情况进行安装。加速度传感器501为压电式加速度传感器，用于采集车轮505垂向振动的加速度。加速度传感器501的量程至少达到±700g，加速度传感器501可以使用BK压电式高频响加速度传感器。

所述加速度传感器501的输出端通过信号线507与所述数据采集器502的输入端连接；数据采集器502一方面用于接收加速度传感器501的电信号，对电信号进行放大，并根据所述电信号计算对应的加速度数据信号；另一方面用于为加速度传感器501供电。数据采集器502安装的采样频率为10kHz以上，数据采集器502可以使用HBM eDAQ数据采集系统。

所述处理器503的输入端连接所述数据采集器502的输出端，用于根据所述数据采集器502输出的车轮垂向振动加速度数据信号得到车轮垂向振动的时频图，以便工作人员根据所述时频图确定车轮伤损的类型。车轮不圆的时频特征表现为连续的横向条带，且该频率随车速的变化而变化；车轮扁巴的时频特征表现为周期性的纵向冲击条带，每条纵向冲击条带上的频率均为车轮转频的倍频，如果相邻两个条带的间隔T为车轮滚动一圈的周期，则出现车轮扁巴。所述处理器503可以采用车载工控机。处理器503还可以根据内部存储的振动加速度-波长-波深的三维数表，获得车轮伤损等级。

所述装置还可以包括显示屏508，显示屏508的输入端连接所述处理器503的输出端，用于显示时频图。还用于显示车轮伤损等级。

所述装置可以实现车轮505在钢轨506上行驶过程中，实时获得时频图，工作人员根据时频图获得车轮伤损的类型。还可以直接获得车轮伤损等级。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种车轮伤损检测方法，其特征在于，所述方法包括：

获取安装在轮对的轴箱处的传感器感应的车轮垂向振动加速度信号；

根据所述垂向振动加速度信号进行短时傅里叶变换，获得车轮振动的时频图；

根据所述时频图，确定所述车轮伤损的类型。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述时频图，确定所述车轮伤损的类型，具体包括：

确定所述时频图的时频特性；

当所述时频图的时频特性为连续的横向条带时，确定所述车轮伤损的类型为车轮不圆；

当所述时频图的时频特性为周期性的纵向冲击条带时，确定所述车轮伤损的类型为车轮扁巴。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述当所述时频图的时频特性为连续的横向条带时，确定所述车轮伤损的类型为车轮不圆之后，还包括：

利用公式确定所述车轮不圆的阶数N，其中V为车速，r为车轮半径，f为所述时频图的主频。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述当所述时频图的时频特性为周期性的纵向冲击条带时，确定所述车轮伤损的类型为车轮扁巴，具体包括：

判断相邻两个纵向冲击条带的时间间隔是否为车轮滚动一周的周期，得到第一判断结果；所述车轮滚动一周的周期其中V为车速，r为车轮半径；

当所述第一判断结果表示相邻两个纵向冲击条带的时间间隔为车轮滚动一周的周期时，确定所述车轮伤损的类型为车轮扁巴。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述时频图，确定所述车轮伤损的类型之后，还包括：

建立车轮伤损等效模型；所述等效模型中包括不同程度的车轮伤损；

根据所述等效模型，获得不同等级的车轮伤损对应的车轮垂向振动加速度、时频图；

确定所述时频图中的波长和波深；不同的波长和波深对应不同等级的车轮伤损；

在后续车轮伤损检测过程中，根据车轮垂向振动加速度确定对应的波长和波深，确定所述对应的波长和波深对应的车轮伤损的等级。

6.一种车轮伤损检测系统，其特征在于，所述系统包括：

垂向振动加速度获取模块，用于获取安装在轮对的轴箱处的传感器感应的车轮垂向振动加速度信号；

时频图获取模块，用于根据所述垂向振动加速度信号进行短时傅里叶变换，获得车轮振动的时频图；

车轮伤损类型确定模块，用于根据所述时频图，确定所述车轮伤损的类型。

7.一种车轮伤损检测装置，其特征在于，所述装置包括：加速度传感器、数据采集器、处理器；所述加速度传感器位于轮对的轴箱处，所述加速度传感器的输出端通过信号线与所述数据采集器的输入端连接；所述处理器的输入端连接所述数据采集器的输出端，用于根据所述数据采集器输出的车轮垂向振动加速度数据信号得到车轮垂向振动的时频图，以便工作人员根据所述时频图确定车轮伤损的类型。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置还包括显示器，所述显示器的输入端连接所述处理器的输出端，用于显示所述时频图。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述数据采集器用于将所述加速度传感器的电压信号放大，并转换为车轮垂向振动加速度数据信号。

10.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述数据采集器还用于为所述加速度传感器供电。