CN109059839B - 一种车轮踏面失圆故障的诊断方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种车轮踏面失圆故障的诊断方法，包括获取车轮踏面在运行过程中的振动加速度信号；对所述振动加速度信号进行包络分析，获得包络分析结果；判断所述包络分析结果中是否存在踏面特征，若存在，则确定所述车轮踏面发生失圆故障。该诊断方法可实时对车辆的车轮踏面失圆故障进行检测，有效避免了因车轮踏面失圆故障导致的安全事故，保障了车辆的安全运行。本申请还公开了一种车轮踏面失圆故障的诊断装置、系统及计算机可读存储介质，也具有上述有益效果。

Description

一种车轮踏面失圆故障的诊断方法、装置及系统

技术领域

本申请涉及轨道交通车辆运行安全监测领域，特别涉及一种车轮踏面失圆故障的诊断方法，还涉及一种车轮踏面失圆故障的诊断装置、系统及计算机可读存储介质。

背景技术

近年来，新涌现的铁路机车、车辆和地铁、高铁车辆中普遍爆发有严重车轮故障，其中包括几乎前所罕见的多边形失圆，以致进一步引发轨道波磨故障，而这些轮、轨故障在车辆运行中所引起的振动不仅会危害车轮、轨道本身，还可能导致车辆走行部的车轮降噪板、轴箱轴承、一系弹簧、转向架以及其它部件安装于转向架上的安装支架等发生故障。

为了避免车轮失圆故障引发的危害，现有的方法一般是在停车后采用定期测量和定期镟修的方式，然而，定期测量的方式无法在车辆运行中进行实时监测，如若在行车过程中出现失圆故障，则会发生漏诊；定期镟修的方式则容易出现过渡镟修或欠修的问题，其中，过渡镟修会造成浪费，大大降低车轮的使用率，欠修则会出现车轮带病运行的可能，存在安全隐患。

为解决上述问题，近年来有采用动态测量的方法，如利用激光照射车轮踏面进行检测，但其前提是在车辆低速通过时进行检测，一般仅能检测车速低于30km/h的情况，故当车辆高速运行时，则无法及时进行检测，导致车辆可能带病运行，存在安全隐患。再如采集车辆在运行过程中的冲击信号，利用冲击特征来识别失圆，但该方法的前提是其失圆处能够引发冲击，并产生冲击信号，但大多数踏面失圆故障的边界处都是平滑过渡的，如椭圆等，并不会引起冲击以产生冲击信号，则会进一步导致无法及时检测到失圆故障的发生，易于造成安全事故。

因此，如何实时对车辆的车轮踏面失圆故障进行检测，以避免因车轮踏面失圆故障导致安全事故的发生，进一步保证车辆的安全运行是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本申请的目的是提供一种车轮踏面失圆故障的诊断方法，该诊断方法可实时对车辆的车轮踏面失圆故障进行检测，有效避免了因车轮踏面失圆故障导致的安全事故，保障了车辆的安全运行；本申请的另一目的是提供一种车轮踏面失圆故障的诊断装置、系统及计算机可读存储介质，也具有上述有益效果。

为解决上述技术问题，本申请提供了一种车轮踏面失圆故障的诊断方法，所述诊断方法包括：

获取车轮踏面在运行过程中的振动加速度信号；

对所述振动加速度信号进行包络分析，获得包络分析结果；

判断所述包络分析结果中是否存在踏面特征，若存在，则确定所述车轮踏面发生失圆故障。

优选的，所述对所述振动加速度信号进行包络分析，获得包络分析结果包括：

采用希尔伯特变换算法对所述振动加速度信号进行包络分析，获得所述包络分析结果。

优选的，所述判断所述包络分析结果中是否存在踏面特征包括：

对所述包络分析结果进行频谱分析，获得频谱分析结果；

判断所述频谱分析结果中是否存在踏面特征谱，若存在，则确定所述包络分析结果中存在所述踏面特征。

优选的，所述判断所述频谱分析结果中是否存在踏面特征谱包括：

在所述频谱分析结果的所有谱线中，选取预设范围内的谱线；

计算在所述预设范围内的所有谱线的幅值；

确定所述幅值超出预设幅值的谱线为所述踏面特征谱。

优选的，所述诊断方法还包括：

对所述振动加速度信号进行重积分，获得位移信号；

计算所述位移信号的波形幅度特征值，获得失圆量值。

优选的，所述计算所述位移信号的波形幅度特征值包括：

计算所述位移信号的峰峰值，获得所述失圆量值。

优选的，所述计算所述位移信号的波形幅度特征值包括：

在所述位移信号中获取超出第一阈值的所有极小值；

在所有所述极小值中，确定最大极小值和最小极小值；

计算所述最大极小值与所述最小极小值的差值，获得所述失圆量值。

为解决上述技术问题，本申请提供了一种车轮踏面失圆故障的诊断装置，所述诊断装置包括：

信号采集模块，用于采集车轮踏面在运行过程中的振动加速度信号；

包络分析模块，用于对所述振动加速度信号进行包络分析，获得包络分析结果；

故障确定模块，用于判断所述包络分析结果中是否存在踏面特征，若存在，则确定所述车轮踏面发生失圆故障。

为解决上述技术问题，本申请提供了一种车轮踏面失圆故障的诊断系统，所述诊断系统包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现上述任意一种车轮踏面失圆故障的诊断方法的步骤。

为解决上述技术问题，本申请提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任意一种车轮踏面失圆故障的诊断方法的步骤。

本申请所提供的一种车轮踏面失圆故障的诊断方法，包括获取车轮踏面在运行过程中的振动加速度信号；对所述振动加速度信号进行包络分析，获得包络分析结果；判断所述包络分析结果中是否存在踏面特征，若存在，则确定所述车轮踏面发生失圆故障。

可见，本申请所提供的车轮踏面失圆故障的诊断方法，在车辆的运行过程中，通过获取踏面在运行过程中的振动加速度信号，并对其进行实时分析，以实现确定踏面失圆故障是否存在的目的，相较于激光照射的检测方法，该诊断方法不受车辆运行速度的影响，在车辆正常运行过程中，可实时对其车轮踏面失圆故障进行检测；而相较于冲击信号检测方法，该诊断方法可有效避免由于踏面失圆故障边界为平滑过渡而导致无法采集冲击信号，从而出现车辆带病运行的问题，更加有效地避免了安全事故的发生，进一步保障了车辆的安全运行。

本申请所提供的一种车轮踏面失圆故障的诊断装置、系统及计算机可读存储介质，也具有上述有益效果，在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请所提供的一种车轮踏面失圆故障的诊断方法的流程示意图；

图2为本申请所提供的一种跟踪采样获取的振动加速度信号波形图；

图3为本申请所提供的一种采用包络分析进行频谱分析的结果图；

图4为本申请所提供的一种重积分获取到的位移信号图；

图5为本申请所提供的一种车轮踏面失圆故障的诊断装置的结构示意图；

图6为本申请所提供的一种车轮踏面失圆故障的诊断系统的结构示意图。

具体实施方式

本申请的核心是提供一种车轮踏面失圆故障的诊断方法，该诊断方法可实时对车辆的车轮踏面失圆故障进行检测，有效避免了因车轮踏面失圆故障导致的安全事故，保障了车辆的安全运行；本申请的另一核心是提供一种诊断装置、系统及计算机可读存储介质，也具有上述有益效果。

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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它实施例，都属于本申请保护的范围。

请参考图1，图1为本申请所提供的一种车轮踏面失圆故障的诊断方法的流程示意图，该诊断方法可以包括：

S101：获取车轮踏面在运行过程中的振动加速度信号；

具体的，当车辆以正常车速运行时，可通过相应的信号采集设备采集车轮踏面在运行过程中的振动加速度信号，并将其发送至处理器以进行后续处理。其中，上述用于采集振动加速度信号的信号采集设备在本申请中采用的是振动加速度传感器，可安装于各种旋转机械装置的轴承座上，振动加速度传感器是一种常见的传感器，常用于检测一些相关特征的振动加速度。需要说明的是，上述信号采集设备的选择仅为本申请所提供的一种实施方式，并不唯一，对于其种类选择及其对应的型号选择，本申请不做具体限定，如可以选择压电式、电容式、MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems，微机电系统)等。而对于其安装位置，本申请同样不做限定，可实现对踏面与轨面接触的振动加速度信号的采集即可，如安装于轴箱轴承座上、转向架上等。

其中，可以采用跟踪采样的方式来实现上述振动加速度信号的获取，可参考图2，图2为本申请所提供的一种跟踪采样获取的振动加速度信号波形图，其中，横坐标为采样点序号/点、纵坐标为加速度/g，当踏面旋转一周时，采集400个采样点，样本长度为4000，即对应采样时间长度为踏面旋转10周。

需要说明的是，上述振动加速度信号的采集方式仅为本申请所提供的一种优选实施例，并不唯一，如还可以采用定频率的天文采样实现上述过程，具体可参照已有技术，此处不再阐述。

S102：对振动加速度信号进行包络分析，获得包络分析结果；

具体的，由于包络谱可以反映信号调制情况，因此，可进一步对获取的振动加速度信号进行包络分析，以获得对应的包络分析结果。

优选的，上述振动加速度信号进行包络分析，获得包络分析结果可以包括采用希尔伯特变换算法对振动加速度信号进行包络分析，获得包络分析结果。

具体的，在本申请中，可以采用希尔伯特变换算法实现上述包络分析过程，可参考图3，图3为本申请所提供的一种采用包络分析进行频谱分析的结果图，其中，横坐标为时间/t、纵坐标为加速度/g。当然，上述包络分析方法的选用仅为本申请所提供的一种优选实施例，并不唯一，如还可以采用检波方法实现上述过程，如峰值检波等其他可以获取包络信号的任意方法，具体可参照已有技术，此处不再赘述。

S103：判断包络分析结果中是否存在踏面特征；

S104：若包络分析结果中存在踏面特征，则确定车轮踏面发生失圆故障；

S105：若包络分析结果中不存在踏面特征，则确定车轮踏面未发生失圆故障。

具体的，在获得包络分析结果之后，即可判断其中是否存在踏面特征，如若存在，则说明车轮踏面已发生失圆故障，需及时进行维修；相反，如若不存在踏面特征，则说明车轮踏面未发生失圆故障，处于正常运行状态。其中，上述判断包络分析结果中是否存在踏面特征，即分析包络分析结果中是否存在跟踏面旋转频率相同的频率成分，可以从时域上进行分析，也可以是从频域上进行分析，本申请不做唯一限定。

优选的，上述判断包络分析结果中是否存在踏面特征可以包括对包络分析结果进行频谱分析，获得频谱分析结果；判断频谱分析结果中是否存在踏面特征谱，若存在，则确定包络分析结果中存在踏面特征。

具体的，当判断包络分析结果中是否存在有踏面特征时，可对获得的包络分析结果进行频谱分析，以获得频谱分析结果，其中包含有相应的频谱图，进一步，即可判断该频谱分析结果中是否存在有踏面特征谱，如若存在，则说明包络分析结果中存在踏面特征。

例如，对于上述跟踪采样，踏面特征谱可以理解为预设的旋转圈数，具体而言，当进行跟踪采样时，踏面每转动1/X周获得一个采样信号，则当踏面旋转一周时，可以获得X个采样信号；进一步，踏面特征谱可以表示为A/X，其中，A为在一定采样时间段内获得的采样点的总个数，将A除以X，可以得到踏面特征谱，也就是对应的采样时间段内踏面旋转的圈数。如图2所示，当对踏面进行跟踪采样时，每转动一圈采样400个点，当获得的采样点的个数为4000时，踏面特征谱为10。当然，上述预设的旋转圈数可以根据实际情况进行设定和调整，并不影响本申请技术方案的实施。

此外，对于定频率的天文采样方法，踏面特征谱则可以理解为踏面旋转频率，即踏面转速对应的频率值，对此，本申请不再阐述。

优选的，上述判断频谱分析结果中是否存在踏面特征谱可以包括在频谱分析结果的所有谱线中，选取预设范围内的谱线；计算在预设范围内的所有谱线的幅值；确定幅值超出预设幅值的谱线为踏面特征谱。

具体的，可以在频谱分析结果的所有谱线中，选取预设范围内的谱线，该预设范围可根据实际经验进行设定，本申请不做限定，例如，可在频谱分析结果中取左右连续的3根谱线进行计算等；进一步，计算该预设范围内所有谱线的幅值，对应幅值超出预设幅值的谱线即为踏面特征谱，其中，上述预设幅值本申请同样不进行限定，例如，可设定该预设幅值为上述预设范围内所有谱线幅值之和的70％，如图3所示，可看出存在较明显的踏面特征谱，即10号谱，即可确定该车辆已发生车轮踏面失圆故障。

本申请所提供的车轮踏面失圆故障的诊断方法，在车辆的运行过程中，通过获取踏面在运行过程中的振动加速度信号，并对其进行实时分析，以实现确定踏面失圆故障是否存在的目的，该诊断方法不受车辆运行速度的影响，可实时对其车轮踏面失圆故障进行检测，有效避免了因车轮踏面失圆故障导致的安全事故，进一步保障了车辆的安全运行。

在上述实施例的基础上：

作为一种优选实施例，上述诊断方法还可以包括对振动加速度信号进行重积分，获得位移信号；计算位移信号的波形幅度特征值，获得失圆量值。

具体的，在确定车辆存在车轮踏面失圆故障后，还可以进一步确定相应的失圆量值，以确定车轮踏面失圆的严重程度。具体而言，可对获取的振动加速度信号进行重积分，得到位移信号，即加速度信号一次积分得到速度信号，二次积分得到位移信号，二次积分即为重积分，其中，上述积分方法在本申请中不做限定，可以是时域积分，也可以是频域积分。同时，请参考图4，图4为本申请所提供的一种重积分获取到的位移信号图，需要说明的是，上述积分过程是在天文域定义和实现的，如果是采用跟踪采样，则需要先将信号转换至天文域后再进行积分运算，其转换方法可以利用采样过程中的转速信号进行插值运行，当然，该转换方法并不唯一。进一步，在获得位移信号后，即可计算该位移信号的波形幅度特征值，以获得上述失圆量值，其中，上述波形幅度特征值可以有多种表达计算方式，如信号的峰峰值、最大极小差值、正峰值、负峰值等，具体可根据实际情况进行相应设定，本申请不做限定。

优选的，上述计算位移信号的波形幅度特征值可以包括计算位移信号的峰峰值，获得失圆量值。

具体的，上述波形幅度特征值可以采用位移信号的峰峰值表示，在对振动加速度信号进行重积分获得位移信号之后，即可计算该位移信号的峰峰值，即获得失圆量值。

优选的，上述计算位移信号的波形幅度特征值也可以包括在位移信号中获取超出第一阈值的所有极小值；在所有极小值中，确定最大极小值和最小极小值；计算最大极小值与最小极小值的差值，获得失圆量值。

具体的，上述波形幅度特征值也可以采用最大极小差值表示，其计算过程如下：在已获得的位移信号中获取超出第一阈值的所有极小值，其中，该第一阈值可根据实际经验进行设定，并不唯一；进一步，在所有极小值中，确定最大极小值和最小极小值，并计算二者之差，以获得上述最大极小差值，即失圆量值，以表示车轮踏面失圆故障的严重程度。

本申请实施例所提供的车轮踏面失圆故障的诊断方法，在确定车辆车轮踏面发生失圆故障的基础上，还可实现其失圆量值的计算，进一步通过该失圆量值反应失圆故障的严重程度，更加便于维修人员可根据其严重程度实施维修操作。

为解决上述问题，请参考图5，图5为本申请所提供的一种车轮踏面失圆故障的诊断装置的示意图，该诊断装置可包括：

信号采集模块10，用于采集车轮踏面在运行过程中的振动加速度信号；

包络分析模块20，用于对振动加速度信号进行包络分析，获得包络分析结果；

故障确定模块30，用于判断包络分析结果中是否存在踏面特征，若存在，则确定车轮踏面发生失圆故障。

作为一种优选实施例，上述包络分析模块20可具体用于采用希尔伯特变换算法对振动加速度信号进行包络分析，获得包络分析结果。

作为一种优选实施例，上述故障确定模块30可包括：

频谱分析子模块，用于对包络分析结果进行频谱分析，获得频谱分析结果；

谱线判断子模块，用于判断频谱分析结果中是否存在踏面特征谱，若存在，则确定包络分析结果中存在踏面特征。

作为一种优选实施例，上述谱线判断子模块具体用于在频谱分析结果的所有谱线中，选取预设范围内的谱线；计算在预设范围内的所有谱线的幅值；确定幅值超出预设幅值的谱线为踏面特征谱。

作为一种优选实施例，该诊断装置还可以包括：

第一计算模块，用于对振动加速度信号进行重积分，获得位移信号；

第二计算模块，用于计算位移信号的波形幅度特征值，获得失圆量值。

作为一种优选实施例，上述第二计算模块可以包括：

第一计算子模块，用于计算位移信号的峰峰值，获得所述失圆量值。

作为一种优选实施例，上述第二计算模块也可以包括：

获取子模块，用于在位移信号中获取超出第一阈值的所有极小值；

确定子模块，用于在所有极小值中，确定最大极小值和最小极小值；

第二计算子模块，用于计算最大极小值与最小极小值的差值，获得失圆量值。

对于本申请提供的装置的介绍请参照上述方法实施例，本申请在此不做赘述。

为解决上述问题，请参考图6，图6为本申请所提供的一种车轮踏面失圆故障的诊断系统的示意图，该诊断系统可包括：

存储器1，用于存储计算机程序；

处理器2，用于执行计算机程序时实现如下步骤：

获取车轮踏面在运行过程中的振动加速度信号；对振动加速度信号进行包络分析，获得包络分析结果；判断包络分析结果中是否存在踏面特征，若存在，则确定车轮踏面发生失圆故障。

对于本申请提供的系统的介绍请参照上述方法实施例，本申请在此不做赘述。

为解决上述问题，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时可实现如下步骤：

获取车轮踏面在运行过程中的振动加速度信号；对振动加速度信号进行包络分析，获得包络分析结果；判断包络分析结果中是否存在踏面特征，若存在，则确定车轮踏面发生失圆故障。

其中，上述计算机可读存储介质可以包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-OnlyMemory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

对于本发明提供的计算机可读存储介质的介绍请参照上述方法实施例，本发明在此不做赘述。

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。对于实施例公开的装置而言，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。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上对本申请所提供的车轮踏面失圆故障的诊断方法、装置、系统及计算机可读存储介质进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请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申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围要素。

Claims (5)

1.一种车轮踏面失圆故障的诊断方法，其特征在于，包括：

获取车轮踏面在运行过程中的振动加速度信号；

对所述振动加速度信号进行包络分析，获得包络分析结果；

判断所述包络分析结果中是否存在踏面特征，若存在，则确定所述车轮踏面发生失圆故障；

对所述振动加速度信号进行重积分，获得位移信号；

计算所述位移信号的波形幅度特征值，获得失圆量值；

其中，所述判断所述包络分析结果中是否存在踏面特征包括：对所述包络分析结果进行频谱分析，获得频谱分析结果；判断所述频谱分析结果中是否存在踏面特征谱，若存在，则确定所述包络分析结果中存在所述踏面特征；其中，所述判断所述频谱分析结果中是否存在踏面特征谱包括：在所述频谱分析结果的所有谱线中，选取预设范围内的谱线；计算在所述预设范围内的所有谱线的幅值；确定所述幅值超出预设幅值的谱线为所述踏面特征谱；

其中，所述计算所述位移信号的波形幅度特征值包括：在所述位移信号中获取超出第一阈值的所有极小值；在所有所述极小值中，确定最大极小值和最小极小值；计算所述最大极小值与所述最小极小值的差值，获得所述失圆量值。

2.如权利要求1所述的诊断方法，其特征在于，所述对所述振动加速度信号进行包络分析，获得包络分析结果包括：

采用希尔伯特变换算法对所述振动加速度信号进行包络分析，获得所述包络分析结果。

3.一种车轮踏面失圆故障的诊断装置，其特征在于，包括：

信号采集模块，用于采集车轮踏面在运行过程中的振动加速度信号；

包络分析模块，用于对所述振动加速度信号进行包络分析，获得包络分析结果；

故障确定模块，用于判断所述包络分析结果中是否存在踏面特征，若存在，则确定所述车轮踏面发生失圆故障；

第一计算模块，用于对所述振动加速度信号进行重积分，获得位移信号；

第二计算模块，用于计算所述位移信号的波形幅度特征值，获得失圆量值；

其中，所述故障确定模块包括：频谱分析子模块，用于对所述包络分析结果进行频谱分析，获得频谱分析结果；谱线判断子模块，用于判断所述频谱分析结果中是否存在踏面特征谱，若存在，则确定所述包络分析结果中存在所述踏面特征；其中，所述谱线判断子模块具体用于在所述频谱分析结果的所有谱线中，选取预设范围内的谱线；计算在所述预设范围内的所有谱线的幅值；确定所述幅值超出预设幅值的谱线为所述踏面特征谱；

其中，所述第二计算模块包括：获取子模块，用于在所述位移信号中获取超出第一阈值的所有极小值；确定子模块，用于在所有所述极小值中，确定最大极小值和最小极小值；第二计算子模块，用于计算所述最大极小值与所述最小极小值的差值，获得所述失圆量值。

4.一种车轮踏面失圆故障的诊断系统，其特征在于，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1或2所述车轮踏面失圆故障的诊断方法的步骤。

5.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1或2所述的车轮踏面失圆故障的诊断方法的步骤。

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