CN109708884A - 一种万向轴故障检测方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种万向轴故障检测方法，包括获取列车行车过程中万向轴的振动加速度信号和/或冲击信号和/或温度信号；根据获取得到的所述振动加速度信号和/或所述冲击信号和/或所述温度信号进行特征提取得到对应信号的特征值；根据所述特征值进行特征比较以判断所述特征值是否超出预设阈值；若所述特征值超出所述预设阈值则判断万向轴存在故障。本发明还公开了一种万向轴故障检测设备。上述万向轴故障检测方法及设备能够有效的解决万向轴的监测与监控问题，避免了万向轴故障导致的重大安全事故。

Description

一种万向轴故障检测方法及设备

技术领域

本发明涉及安全监测与监控技术领域，特别涉及一种万向轴故障检测方法，还涉及一种万向轴故障检测设备。

背景技术

万向轴作为一种传力部件在轨道交通的高速动车组(如CRH5型车)、汽车、矿山机械、冶金机械等领域广泛应用，万向轴最大的特点是其结构有较大的角度补偿能力，结构紧凑，传动效率高。

但同时由于结构的特殊性，其故障往往多发，通常表现为万向轴不平衡故障、十字头故障等。现有技术中对于旋转机械的故障诊断方法往往是：先依据传动系统的结构及参数，确定各个零部件发生故障后的旋转通过频率，即故障频率，再根据检测的信号中是否含有相应故障频率的谱线，来确定相应零部件是否存在故障。然而万向轴的十字头单元包中的滚针轴承并不是整周期360度完全旋转，且旋转速度时刻变化，因此现有的旋转机械故障诊断方法对于不具有整周期旋转且转速时刻变化的万向轴已无法使用，因此，如何能够提供一种有效的解决万向轴的监测与监控问题以避免故障导致的重大安全事故的万向轴故障检测方法是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种万向轴故障检测方法，该方法能够有效的解决万向轴的监测与监控问题，避免了万向轴故障导致的重大安全事故。本发明还提供一种万向轴故障检测设备。

为实现上述目的，本发明提供一种万向轴故障检测方法，包括，

获取列车行车过程中万向轴的振动加速度信号和/或冲击信号和/或温度信号；

根据获取得到的所述振动加速度信号和/或所述冲击信号和/或所述温度信号进行特征提取得到对应信号的特征值；

根据所述特征值进行特征比较以判断所述特征值是否超出预设阈值；

若所述特征值超出所述预设阈值则判断万向轴存在故障。

优选地，所述获取列车行车过程中万向轴的振动加速度信号和/或冲击信号和/或温度信号的步骤具体为：

采用转速跟踪采样的信号采集方法，获取列车行车过程中万向轴的振动加速度信号和/或冲击信号和/或温度信号。

优选地，所述根据获取得到的所述振动加速度信号和/或所述冲击信号和/或所述温度信号进行特征提取得到对应信号的特征值的步骤包括：

根据获取得到的所述振动加速度信号进行特征提取得到所述振动加速度的有效值和/或所述振动加速度的转频1阶对应的幅值。

优选地，所述根据获取得到的所述振动加速度信号和/或所述冲击信号和/或所述温度信号进行特征提取得到对应信号的特征值的步骤包括：

根据获取得到的所述振动加速度信号和/或所述冲击信号进行特征提取得到所述振动加速度信号的转频2阶对应的幅值和/或所述冲击信号的转频2阶对应的幅值。

优选地，所述根据所述特征值进行特征比较以判断所述特征值是否超出预设阈值的步骤包括：

根据所述振动加速度的有效值和/或所述振动加速度的转频1阶对应的幅值进行特征比较以判断所述振动加速度的有效值和/或所述振动加速度的转频1阶对应的幅值是否超出预设阈值。

优选地，所述根据所述特征值进行特征比较以判断所述特征值是否超出预设阈值的步骤包括：

根据所述振动加速度信号的转频2阶对应的幅值和/或所述冲击信号的转频2阶对应的幅值进行特征比较以判断所述振动加速度信号的转频2阶对应的幅值和/或所述冲击信号的转频2阶对应的幅值是否超出预设阈值。

优选地，所述若特征值超出所述预设阈值则判断万向轴存在故障的步骤具体为：

若所述特征值超出所述第一预设阈值则判断万向轴存在故障并预警；若所述特征值超出所述第二预设阈值则判断万向轴存在故障并报警。

优选地，所述若特征值超出所述预设阈值则判断万向轴存在故障的步骤包括：

若所述振动加速度的有效值和/或所述振动加速度的转频1阶对应的幅值超出所述预设阈值则判断万向轴存在不平衡故障。

优选地，所述若特征值超出所述预设阈值则判断万向轴存在故障的步骤包括：

若所述振动加速度信号的转频2阶对应的幅值和/或所述冲击信号的转频2阶对应的幅值超出所述预设阈值则判断万向轴的十字头单元包存在故障。

优选地，所述若特征值超出所述预设阈值则判断万向轴存在故障的步骤包括：

若所述振动加速度信号的转频2阶对应的幅值与所述冲击信号的转频2阶对应的幅值的相对积超出所述预设阈值则判断万向轴存在故障。

本发明还提供一种万向轴故障检测设备，应用于轨道车辆，包括：

处理器；

用于存储所述处理器可执行指令的存储器；

其中，所述处理器被配置为执行上述任一项所述方法中的步骤。

相对于上述背景技术，本发明所提供的万向轴故障检测方法首先获取得到列车行车过程中万向轴的振动加速度信号和/或冲击信号和/或温度信号，然后将获取得到的信号进行特征比对以得到每种信号对应的特征值，再将特征比对得到的特征值进行特征比较以判断该特征值是否超出预设阈值，如果特征值超出预设阈值则判断万向轴存在故障。如此，该万向轴故障检测方法可以根据要求对振动加速度信号、冲击信号和温度信号中的一个或多个进行检测获取，并通过获取得到的振动加速度信号、冲击信号和温度信号三者中的单个或多个组合进行特征提取并对特征提取后的特征值进行特征比较以判断是否超出预设阈值，上述故障检测方法所检测获取的参数种类多样组合多样，覆盖万向轴运行参数的主要基本参数，有效针对万向轴工作状态的多种参数进行参数获取、提取特征和特征比较并做出万向轴存在故障的诊断，能够有效的解决万向轴的监测与监控问题，避免了万向轴故障导致的重大安全事故。

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发明的实施例，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为本发明实施例所提供的万向轴故障检测方法的流程图；

图2为本发明实施例所提供的万向轴故障检测方法的振动加速度信号图；

图3为图2中振动加速度信号的频谱图；

图4为本发明实施例所提供的万向轴故障检测方法的冲击信号图；

图5为图4中冲击信号的频谱图。

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。

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1，其中，图1为本发明实施例所提供的万向轴故障检测方法的流程图。

在第一种具体的实施方式中，本发明所提供的万向轴故障检测方法主要包括四个步骤，分别为：

S1：获取列车行车过程中万向轴的振动加速度信号和/或冲击信号和/或温度信号；

S2：根据获取得到的振动加速度信号和/或冲击信号和/或温度信号进行特征提取得到对应信号的特征值；

S3：根据特征值进行特征比较以判断特征值是否超出预设阈值；

S4：若特征值超出预设阈值则判断万向轴存在故障。

首先在步骤S1中，在列车行车的过程中获取得到万向轴的振动加速度信号、冲击信号和温度信号中的一种或多种组合，其次在步骤S2中，根据获取得到的万向轴的振动加速度信号、冲击信号和温度信号中的一种或多种组合，将单一信号或多信号组合进行特征提取得到对应信号的特征值，也即单一信号得到该信号对应的单一特征值，多信号组合得到多信号对应的多特征值组合，再在步骤S3中，将特征提取得到的单一特征值或多特征值组合与预设阈值进行比较，若超出预设阈值则判断万向轴存在故障，需要说明的是，若特征提取得到的为单一信号对应的单一特征值，则应将单一特征值与对应信号的预设阈值进行比较，若超出则判断万向轴存在故障；若特征提取得到的为多信号对应的多特征值组合，则应将多特征值组合与对应多信号的多个预设阈值进行比较，若超出则判断万向轴存在故障，这里应注意的是，只要有一个信号对应的特征值超出其对应的预设阈值即判断万向轴存在故障，而非指多信号对应的多特征值组合均超出其对应的预设阈值才判断万向轴存在故障，以此确保万向轴的安全监测与监控，避免万向轴故障导致的重大安全事故。

在本实施例中，获取列车行车过程中万向轴的振动加速度信号和/或冲击信号和/或温度信号的步骤具体为：采用转速跟踪采样的信号采集方法，获取列车行车过程中万向轴的振动加速度信号和/或冲击信号和/或温度信号。需要说明的是，万向轴的十字头单元包中的滚针轴承并不是整周期360度完全旋转，且旋转速度时刻变化，因此采用转速跟踪采样能够有效获取得到相关参数并进行相关故障的检测判断，而转速跟踪采样作为诊断系统的一种信号采集方法应为本领域技术人员所熟知，具体原理请参照现有技术中对于转速跟踪采样的说明，这里不再赘述。

具体而言，若采用转速跟踪采样获取得到列车行车过程中的振动加速度信号，则在特征提取中得到振动加速度的有效值和/或振动加速度的转频1阶对应的幅值，也就是说，振动加速度信号对应有振动加速度的有效值和/或振动加速度的转频1阶对应的幅值，根据振动加速度的有效值和振动加速度的转频1阶对应的幅值二者中的单一值或二者的结合与预设阈值进行判断，也即可以根据振动加速度的有效值与振动加速度的有效值对应的预设阈值进行比较以判断万向轴的故障，也可以根据振动加速度的转频1阶对应的幅值与振动加速度的转频1阶对应的幅值对应的预设阈值进行比较以判断万向轴的故障，也可以将上述两种判断相结合以更加有效的实现万向轴的故障检测。

类似的，若采用转速跟踪采样获取得到列车行车过程中的振动加速度信号和/或冲击信号，则在特征提取中得到振动加速度信号的转频2阶对应的幅值和/或冲击信号的转频2阶对应的幅值，也就是说，振动加速度信号对应有振动加速度信号的转频2阶对应的幅值，冲击信号对应有冲击信号的转频2阶对应的幅值，根据振动加速度信号的转频2阶对应的幅值和冲击信号的转频2阶对应的幅值二者中的单一值或二者的结合与预设阈值进行判断，也即可以根据振动加速度信号的转频2阶对应的幅值与振动加速度信号的转频2阶对应的幅值对应的预设阈值进行比较以判断万向轴的故障，也可以根据冲击信号的转频2阶对应的幅值与冲击信号的转频2阶对应的幅值对应的预设阈值进行比较以判断万向轴的故障，也可以将上述两种判断相结合以更加有效的实现万向轴的故障检测。需要说明的是，本发明所指的2阶幅值，可以是对信号进行FFT分析后，转频2阶谱线对应的幅值大小，也可以是通过其他手段提取到的能够反应转频2阶的能量幅值大小，无论采取何种手段提取得到的转频2阶幅值，都应属于本实施例的说明范围。

在另外一种具体的实施方式中，本发明提供的万向轴故障检测方法中的预设阈值包括第一预设阈值和第二预设阈值，若特征值超出第一预设阈值则判断万向轴存在故障并预警，若特征值超出第二预设阈值则判断万向轴存在故障并报警。需要说明的是，对应温度应设有第一预设温度阈值和第二预设温度阈值；同样的，对于振动加速度信号应设有振动加速度的转频1阶对应的幅值对应的第一预设振动加速度1阶阈值和第二预设振动加速度1阶阈值，以及振动加速度的转频2阶对应的幅值对应的第一预设振动加速度2阶阈值和第二预设振动加速度2阶阈值；对于冲击信号应设有冲击信号的转频2阶对应的幅值对应的第一预设冲击信号2阶阈值和第二预设冲击信号2阶阈值，为了便于说明方便，现具体给定第一预设温度阈值为90度，第二预设温度阈值为110度，也就是说，当温度信号对应的特征值超出90度时则万向轴存在故障并预警，当温度信号对应的特征值超出110度时则万向轴存在故障并报警，对于振动加速度信号和冲击信号与温度信号应具有类似的说明，这里不再赘述。

具体而言，万向轴的故障分为不同的类型，由于不同的信号对不同的故障具有不同的敏感程度，如万向轴的不平衡故障，如动不平衡、平衡块丢失或移动、万向轴弯曲度超差等故障类型，则利用振动加速度信号比较有效；再如十字头单元包故障，包括十字头故障、滚针轴承故障，衬套开裂等，则利用冲击信号比较有效；而温度信号属于诊断的最后一道防线，如果设备存在严重故障，则相应测点的温度会急剧上升。但这三种信号是三种完全不同类型的信息，分别反映是不同的物理量信息，采样是独立的三个通道，当然这三种信息也会存在有关联情况，如温度升高时，振动信息也可能会超标，但这种关系不是绝对，也会存在温度升高时，振动正常的情况。

除此以外，对于振动加速度信号，主要提取振动加速度的有效值或转频1阶对应的幅值，当然也可以是其他特征值，如加速度峰值、峰峰值、峭度、歪度等；对于冲击信号，主要是提取冲击信号转频2阶对应的幅值，当然也包括其他特征值，如幅值、有效性、其他阶或多阶的幅值；对于温度信号，一般先要对温度信号进行预处理，如先进行有效性判断，一般采用温升率来识别，温升率是指单位时间内温度上升的度数，这是因为，温度的升温过程一般是缓变的，热传导需要时间，例如根据经验设定温升率如果超过2度/秒，则判断温度不可信，对于温度的报警，一般依据相关标准或相关试验，如目前齿轮箱测点采用超温识别的方式，如温度超过90度则输出预警、温度超过110度则输出报警。

在本实施例中，当万向轴存在故障时，如万向轴的不平衡故障，往往表现万向轴每旋转一周，不平衡量重复表现一次，即表现为转速的1阶超标，这是因为不平衡即旋转体存在不对称的附加质量，这种附加质量会引发振动，每旋转一次重复出现一次，如汽车车轮如果扎上一颗钉子，则车轮每旋转一次，钉子重复出现一次声音。万向轴一般分为输入轴、中间轴和输出轴，二个十字头分别用于连接输入轴与中间轴，以及连接中间轴和输出轴，满足输入轴、中间轴和输出轴必须在同一平面内，简称同平面条件；输入端和输出端两个万向节必须在同一相位，简称同相位条件；输入轴与中间轴折角A和输出轴与中间轴折角A必须相等，简称同倾角条件。当满足上述三个条件时，输入轴与输出轴同步，但中间轴为变速旋转，当输入轴匀速时，中间轴是先减速，再加速，可以看出旋转一周，中间轴变化2次，对应的十字头旋转，正反各旋转一次，十字头单元包存在故障时，往往表现为冲击信号超标，这是由于故障使接触面不平顺，发出高频尖锐的冲击信息，由于万向轴的传动关系可知，这种冲击表现为轴每旋转一周，重复出现二次，即表现为转频的2阶特征，因此可利用冲击信号的转频2阶对应的幅值与预设阈值进行判断。因此，若振动加速度的有效值和/或振动加速度的转频1阶对应的幅值超出预设阈值则判断万向轴存在不平衡故障，若振动加速度信号的转频2阶对应的幅值和/或冲击信号的转频2阶对应的幅值超出预设阈值则判断万向轴的十字头单元包存在故障。

请参考图2至图5，其中，图2为本发明实施例所提供的万向轴故障检测方法的振动加速度信号图，图3为图2中振动加速度信号的频谱图，图4为本发明实施例所提供的万向轴故障检测方法的冲击信号图，图5为图4中冲击信号的频谱图。

在另一种具体的实施方式中，若振动加速度信号的转频2阶对应的幅值与冲击信号的转频2阶对应的幅值的相对积超出预设阈值则判断万向轴存在故障。当超出时，则确定万向轴十字头单元包存在故障。需要说明的是，本发明所指的相对积是用于评判两个信号(如x(t)和y(t))关联后的强度，可采用两个信号在2阶处对应的幅值的乘积，如图2为振动加速度信号，图3为对应的频谱，根据相关采样参数及传动参数，转频的2阶为91号谱，对应的幅值为0.8g，图4为同时刻采样到的冲击信号，图5为对应的频谱，转频2阶处，即91号谱对应的幅值为95.9SV，即两者相对积为0.8g*95.9SV＝76.72gSV，也可以是2个信号时域波形的乘积，即x(t)*y(t)，还可以是将其中一个信号时延一个值q后再者的乘积，即x(t)*y(t-q)。对于相对积的阈值，可根据实际应用情况进行调整，如第一阈值设置为300gSV，第二阈值设置为600gSV。

本发明还提供了一种万向轴故障检测设备，应用于轨道车辆，包括处理器和用于存储处理器可执行指令的存储器，其中，处理器被配置为执行上述任一项方法中的步骤，应具有和万向轴故障检测方法相同的有益技术效果，这里不再一一赘述。

以上对本发明所提供的万向轴故障检测方法及设备进行了详细介绍。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。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (11)

1.一种万向轴故障检测方法，其特征在于，包括，

获取列车行车过程中万向轴的振动加速度信号和/或冲击信号和/或温度信号；

根据获取得到的所述振动加速度信号和/或所述冲击信号和/或所述温度信号进行特征提取得到对应信号的特征值；

根据所述特征值进行特征比较以判断所述特征值是否超出预设阈值；

若所述特征值超出所述预设阈值则判断万向轴存在故障。

2.根据权利要求1所述的万向轴故障检测方法，其特征在于，所述获取列车行车过程中万向轴的振动加速度信号和/或冲击信号和/或温度信号的步骤具体为：

采用转速跟踪采样的信号采集方法，获取列车行车过程中万向轴的振动加速度信号和/或冲击信号和/或温度信号。

3.根据权利要求1所述的万向轴故障检测方法，其特征在于，所述根据获取得到的所述振动加速度信号和/或所述冲击信号和/或所述温度信号进行特征提取得到对应信号的特征值的步骤包括：

根据获取得到的所述振动加速度信号进行特征提取得到所述振动加速度的有效值和/或所述振动加速度的转频1阶对应的幅值。

4.根据权利要求1所述的万向轴故障检测方法，其特征在于，所述根据获取得到的所述振动加速度信号和/或所述冲击信号和/或所述温度信号进行特征提取得到对应信号的特征值的步骤包括：

根据获取得到的所述振动加速度信号和/或所述冲击信号进行特征提取得到所述振动加速度信号的转频2阶对应的幅值和/或所述冲击信号的转频2阶对应的幅值。

5.根据权利要求3所述的万向轴故障检测方法，其特征在于，所述根据所述特征值进行特征比较以判断所述特征值是否超出预设阈值的步骤包括：

根据所述振动加速度的有效值和/或所述振动加速度的转频1阶对应的幅值进行特征比较以判断所述振动加速度的有效值和/或所述振动加速度的转频1阶对应的幅值是否超出预设阈值。

6.根据权利要求4所述的万向轴故障检测方法，其特征在于，所述根据所述特征值进行特征比较以判断所述特征值是否超出预设阈值的步骤包括：

根据所述振动加速度信号的转频2阶对应的幅值和/或所述冲击信号的转频2阶对应的幅值进行特征比较以判断所述振动加速度信号的转频2阶对应的幅值和/或所述冲击信号的转频2阶对应的幅值是否超出预设阈值。

7.根据权利要求1至6任一项所述的万向轴故障检测方法，其特征在于，所述若特征值超出所述预设阈值则判断万向轴存在故障的步骤具体为：

若所述特征值超出所述第一预设阈值则判断万向轴存在故障并预警；若所述特征值超出所述第二预设阈值则判断万向轴存在故障并报警。

8.根据权利要求5所述的万向轴故障检测方法，其特征在于，所述若特征值超出所述预设阈值则判断万向轴存在故障的步骤包括：

若所述振动加速度的有效值和/或所述振动加速度的转频1阶对应的幅值超出所述预设阈值则判断万向轴存在不平衡故障。

9.根据权利要求6所述的万向轴故障检测方法，其特征在于，所述若特征值超出所述预设阈值则判断万向轴存在故障的步骤包括：

若所述振动加速度信号的转频2阶对应的幅值和/或所述冲击信号的转频2阶对应的幅值超出所述预设阈值则判断万向轴的十字头单元包存在故障。

10.根据权利要求6所述的万向轴故障检测方法，其特征在于，所述若特征值超出所述预设阈值则判断万向轴存在故障的步骤包括：

若所述振动加速度信号的转频2阶对应的幅值与所述冲击信号的转频2阶对应的幅值的相对积超出所述预设阈值则判断万向轴存在故障。

11.一种万向轴故障检测设备，应用于轨道车辆，其特征在于，包括：

处理器；

用于存储所述处理器可执行指令的存储器；

其中，所述处理器被配置为执行权利要求1至10中任一项所述方法中的步骤。