CN110146308A - 用于诊断转向架故障的方法、服务器及故障诊断系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种用于诊断转向架故障的方法、服务器及故障诊断系统，属于车辆技术领域。该方法包括：获取故障诊断信号，其中，所述故障诊断信号包括振动信号和冲击信号；确定转向架的部件的故障特征系数；以及基于所述故障诊断信号和所述故障特征系数诊断所述转向架是否存在磨损类故障和冲击类故障。藉此，解决了故障诊断类别单一的问题，多方面判断转向架是否存在问题，保证车辆安全行驶。

Description

用于诊断转向架故障的方法、服务器及故障诊断系统

技术领域

本发明涉及车辆技术领域，具体地涉及一种用于诊断转向架故障的方法、服务器及故障诊断系统。

背景技术

截至2017年底我国目前铁路货车保有量接近90余万辆之多。不仅国铁货车保有量巨大，各大企业自备货车也达到了20余万辆。同时全路共有38个货车车辆段，57个检修车间，239个运用车间，148个站修作业场，985个列检作业场。因此，保证铁路车辆健康状况良好、确保铁路运输安全的压力日益凸显，必须依靠先进、可靠的铁路车辆安全监测技术和装备，全面建立起信息化、系统化、网络化的车辆安全防范保障体系。目前，对车辆转向架的故障诊断只能诊断磨损类故障，故障诊断类别单一。

发明内容

本发明的目的是提供一种设备，其可解决或至少部分解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明的一个方面提供一种用于诊断转向架故障的方法，该方法包括：获取故障诊断信号，其中，所述故障诊断信号包括振动信号和冲击信号；确定转向架的部件的故障特征系数；以及基于所述故障诊断信号和所述故障特征系数诊断所述转向架是否存在磨损类故障和冲击类故障。

可选地，所述故障诊断信号还包括温度信号，该方法还包括：基于所述转向架是否存在磨损类故障和冲击类故障的诊断结果和所述温度信号判断所述转向架是否可用。

可选地，所述基于所述故障诊断信号和所述故障特征系数诊断所述转向架是否存在磨损类故障和冲击类故障包括：对所述振动信号和所述冲击信号做频谱分析处理，以将所述振动信号转化为振动特征频谱及将所述冲击信号转化为冲击特征频谱；将所述振动特征频谱和所述冲击特征频谱分别与所述故障特征系数做匹配识别处理；以及根据所述匹配识别处理的结果诊断所述转向架是否存在所述磨损类故障和所述冲击类故障。

此外，本发明的另一方面还提供一种服务器，该服务器包括：信号获取模块，用于获取故障诊断信号，其中，所述故障诊断信号包括振动信号和冲击信号；故障特征系数确定模块，用于确定车辆的转向架的部件的故障特征系数；以及故障诊断模块，用于基于所述故障诊断信号和所述故障特征系数诊断所述转向架是否存在磨损类故障和冲击类故障。

可选地，所述故障诊断信号还包括温度信号，所述故障诊断模块还用于基于所述转向架是否存在磨损类故障和冲击类故障的诊断结果和所述温度信号判断所述转向架是否可用。

可选地，所述故障诊断模块基于所述故障诊断信号和所述故障特征系数诊断所述转向架是否存在磨损类故障和冲击类故障包括：对所述振动信号和所述冲击信号做频谱分析处理，以将所述振动信号转化为振动特征频谱及将所述冲击信号转化为冲击特征频谱；将所述振动特征频谱和所述冲击特征频谱分别与所述故障特征系数做匹配识别处理；以及根据所述匹配识别处理的结果诊断所述转向架是否存在所述磨损类故障和所述冲击类故障。

此外，本发明的另一方面还提供一种故障诊断系统，该系统包括：上述的服务器；以及数据中转站，用于接收故障诊断信号并向所述服务器传输故障诊断信号。

可选地，该系统还包括：转向架监测装置，用于采集所述故障诊断信号并向所述数据中转站传输所述故障诊断信号。

另外，本发明的另一方面还提供一种机器可读存储介质，该机器可读存储介质上存储有指令，该指令用于使得机器执行上述的方法。

通过上述技术方案，除诊断车辆的转向架是否存在磨损类故障外，还可以诊断转向架是否存在冲击类故障，如此，解决了故障诊断类别单一的问题，多方面判断转向架是否存在问题，保证车辆安全行驶。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：

图1是本发明一实施例提供的用于诊断转向架故障的方法的流程图；

图2是本发明另一实施例提供的服务器的结构框图；

图3是本发明另一实施例提供的故障诊断系统的结构框图；

图4是本发明另一实施例提供的轨旁数据基站的结构框图；

图5是本发明另一实施例提供的地面监测与诊断系统拓扑结构示意图；

图6是本发明另一实施例提供的诊断转向架故障的逻辑示意图；

图7是本发明另一实施例提供的地面监测诊断服务器的基本结构示意图；以及

图8是本发明另一实施例提供的地面监测诊断服务器的功能结构示意图。

附图标记说明

1 信号获取模块 2 故障诊断模块

3 故障特征系数确定模块

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

本发明实施例的一个方面提供一种用于诊断转向架故障的方法。图1是本发明一实施例提供的用于诊断转向架故障的方法的流程图。如图1所示，该方法包括以下内容。

在步骤S10中，获取故障诊断信号，其中，故障诊断信号包括振动信号和冲击信号，故障诊断信号用于以其为基础诊断转向架是否存在故障。例如，使用可以采集振动信号和冲击信号的组合传感器来采集振动信号和冲击信号，通过接收基于组合传感器采集的振动信号和冲击信号来获取故障诊断信号。

在步骤S11中，确定转向架的部件的故障特征系数。例如，基于旋转机械故障诊断理论来确定故障特征系数，具体地，结合转向架的部件的尺寸参数，根据旋转机械故障诊断理论中对于故障特征系数的计算公式，计算出转向架的部件的故障特征系数。

在步骤S12中，基于故障诊断信号和故障诊断系数诊断转向架是否存在磨损类故障和冲击类故障。

例如，可以通过以下内容来诊断转向架是否存在磨损类故障和冲击类故障。通过对振动信号和冲击信号做频谱分析处理，可以将振动信号转化为振动特征频谱及将冲击信号转化为冲击特征频谱。将振动特征频谱和冲击特征频谱分别与故障特征系数做匹配识别处理，根据匹配识别处理的结果诊断转向架是否存在磨损类故障和冲击类故障。将振动特征频谱与故障特征系数做匹配识别处理，判断振动特征频谱上是否存在故障特征系数，以根据判断结果判断转向架是否存在磨损类故障；若振动特征频谱上存在故障特征系数则判断为转向架存在磨损类故障，若振动特征频谱上不存在故障特征系数则判断为转向架不存在磨损类故障。将冲击特征频谱与故障特征系数做匹配识别处理，判断冲击特征频谱上是否存在故障特征系数，以根据判断结果判断转向架上是否存在冲击类故障；若冲击特征频谱上存在故障特征系数则判断转向架存在冲击类故障，若冲击特征频谱上不存在故障特征系数则判断转向架不存在冲击类故障。

本发明实施例提供的用于诊断转向架故障的方法除诊断车辆的转向架是否存在磨损类故障外，还可以诊断转向架是否存在冲击类故障，如此，解决了故障诊断类别单一的问题，多方面判断转向架是否存在问题，保证车辆安全行驶。

可选地，在本发明实施例中，故障诊断信号还可以包括温度信号，该用于诊断转向架故障的方法还包括基于转向架是否存在磨损类故障和冲击类故障的诊断结果和温度信号判断转向架是否可用。结合温度信号判断转向架是否可用，提高了诊断的精确度。

相应地，本发明实施例的另一方面提供一种服务器。图2是本发明另一实施例提供的服务器的结构框图。如图2所示，该服务器包括信号获取模块1、故障诊断模块2和故障特征系数确定模块3。其中，信号获取模块1用于获取故障诊断信号，其中，故障诊断信号包括振动信号和冲击信号，故障诊断信号用于以其为基础诊断转向架是否存在故障；故障特征系数确定模块2用于确定车辆的转向架的部件的故障特征系数；故障诊断模块3用于基于故障诊断信号和故障特征系数诊断转向架是否存在磨损类故障和冲击类故障。

可选地，在本发明实施例中，故障诊断信号还包括温度信号，故障诊断模块还用于基于转向架是否存在磨损类故障和冲击类故障的诊断结果和温度信号判断转向架是否可用。

可选地，在本发明实施例中，故障诊断模块基于故障诊断信号和故障特征系数诊断转向架是否存在磨损类故障和冲击类故障包括：对振动信号和冲击信号做频谱分析处理，以将振动信号转化为振动特征频谱及将冲击信号转化为冲击特征频谱；将振动特征频谱和冲击特征频谱分别与故障特征系数做匹配识别处理；以及根据匹配识别处理的结果诊断转向架是否存在磨损类故障和冲击类故障。

本发明实施例提供的服务器的具体工作原理及益处与本发明实施例提供的用于诊断转向架故障的方法的具体工作原理及益处相似，这里将不再赘述。

此外，本发明实施例的另一方面还提供一种故障诊断系统，该系统包括上述实施例中所述的服务器及数据中转站。其中，数据中转站用于接收故障诊断信号并向服务器传输故障诊断信号。例如，借助于现有技术中的5T系统设置数据中转站，如此，当车辆在地理位置比较偏僻、无稳定公共网络的地方运行时，也能通过数据中转站将故障诊断监测信号传输出来。

可选地，在本发明实施例中，数据中转站可以基于现有5T系统(红外线轴温探测系统THDS、货车运行故障动态图像检测系统TFDS、货车滚动轴承早期故障轨边声学诊断系统TADS、货车运行状态地面安全监测系统TPDS、车辆轮对故障与尺寸动态检测系统TWDS)进行设置。

可选地，在本发明实施例中，故障诊断系统还可以包括转向架监测装置，用于采集故障诊断信号并向数据中转转传输故障诊断信号。例如，转向架监测装置包括可以采集振动信号、冲击信号和/或温度信号的组合传感器，该组合传感器采集振动信号、冲击信号和/或温度信号，以使得转向架监测装置将其传输至数据中转站。

下面以示例形式介绍本发明一实施例提供的故障诊断系统，其中，在该实施例中，故障诊断系统被应用于铁路方面。

现有5T系统(红外线轴温探测系统THDS、货车运行故障动态图像检测系统TFDS、货车滚动轴承早期故障轨边声学诊断系统TADS、货车运行状态地面安全监测系统TPDS、车辆轮对故障与尺寸动态检测系统TWDS)已在铁路轨道两边按一定的距离要求建设好了探测站，为避免与现有系统的功能冲突，可以在现有5T系统的探测站内设置一个轨旁数据基站(也就是本发明实施例中所述的数据中转站)，该轨旁数据基站仅使用现有探测站内的共用供电电源，不占用探测站内和5T系统的其它软硬件资源。

故障诊断系统的结构框图可以参见图3所示。轨旁数据基站采用非2.4GHz、5GHz频段的无线通信方式与车载无线无源传感与监测组件(等同于本发明实施例中所述的转向架监测装置)组成WSN网络，可最大程度的减小不同系统间的相互干扰隐患。轨旁数据基站具有多线程通信功能，当检测到铁路货运车辆进入WSN网络通信范围，自动启动多线程WSN通信，各个分线程分别于铁路货车的不同车载无线无源传感与监测组件通信，接收并缓存不同车载无线无源传感与监测组件发送的货运车辆的每节车厢走行部运行状态监测数据(包括本发明实施例中所述的故障诊断信号)，直到车辆完全离开WSN网络通信范围才结束WSN通信。在每次接收数据完成后，轨旁数据基站将数据打包形成一个完整的铁路货车运行状态数据包，通过4G网络自动将数据传输到车辆段内的地面监测与诊断主机(等同于本发明实施例中所述的服务器)，由地面监测与诊断主机对列车运行状态数据进行分析处理与故障诊断。轨旁数据基站在完成铁路货车车辆运行状态数据的接收与传输后自动进入低功耗待机状态，以最大程度地节约电能消耗。

轨旁数据基站与车载无线无源传感与监测组件的多线程WSN通信技术研究，其特征在于车地信息传输过程不影响列车正常行驶，且数据传输具备实时性与完整性等特点；采用该方式的安装地面接收设备涉及改造和投入少、经济性好、不影响现场其他设备的正常工作，尽量利用现有铁路轨边既有的供电等设施。车地信息传输技术符合国家无线电管理要求，能适应国家能源集团铁路运输线路的特点，能适应风、雷、雨、雪等不同气候条件下的应用需求。轨旁数据基站具有数据接收、数据缓存和数据发送三个功能，其基本结构框如附图4所示。

轨旁数据基站的供电电源来自于现有5T系统探测站电源，经过电源变换电路后为轨旁数据基站的相关组件供电。轨旁数据基站的中央处理器CPU控制GPRS模块与机务段内的地面监测与诊断主机采用4G无线通讯方式传送数据。轨旁数据基站的中央处理器CPU通过通信接口控制若干个通信模块1、通信模块2到通信模块n，通过WSN技术与通过轨旁数据基站的铁路货车车辆上安装的车辆传感与监测组件通信，实时读取车辆传感与监测组件采集的铁路货车车辆运行状态数据。

轨旁数据基站通常处于低功耗待机状态，当安装有无线无源转向架振动传感与监测组件的货运车辆进入轨旁数据基站的WSN网络通信范围内时，轨旁数据基站会自动退出低功耗待机而进入数据接收准备状态；然后根据车辆段内的地面监测与诊断主机的任务规划启动多线程WSN通信，轨旁数据基站接收并缓存当前经过轨旁数据基站的货运车辆的运行状态监测数据，直到车辆完全离开WSN网络通信范围才结束WSN通信；在每次接收数据完成后实时通过4G网络自动将数据传输到车辆段内的地面监测与诊断主机，由地面监测与诊断主机对列车运行状态数据进行分析处理与故障诊断，并根据诊断结果规划下一个轨旁数据基站的数据接收任务并发送控制指令。

现有5T系统的红外线轴温探测系统(THDS)一般是每隔30Km左右设置一个轨旁探测站，将本系统的轨旁数据基站安装在既有的轨旁探测站内。当列车按照最高速度120Km/h速度运行时，即每间隔15分钟经过一个数据基站；当列车按照监测系统运行要求最低速度20km/h运行时，则每间隔90分钟经过一个数据基站。采用WSN网络传输方式的最大数据传输速率为6.8Mbps，有效通信距离为轨旁数据基站前、后100m；列车120Km/h速度运行时通过轨旁数据基站的有效通信距离的时间为30s，20Km/h速度运行时通过轨旁数据基站的有效通信距离的时间为180s。无线无源转向架振动传感与监测组件按轮对每旋转8周同步采样1次转向架上4个测点的振动数据(与列车运行速度无关)，在监测组件内进行初级诊断形成实时监测的简易档案(4×16×8bit)和精密档案(4×2048×8bit)，然后按采样时间先后与间隔、振动dB值大小、有无故障、故障严重程度等替换原则始终保持每个测点有30组简易档案、精密档案。按最大通信速率完全发送监测组件内所有测点的30组简易档案、精密档案所需的时间是：

通常情况系统只需读取简易档案，只有在存在故障预警时才需读取精密档案。因此，采用WSN网络传输的方式完全能可靠完整的将数据进行传输到远端服务器。

系统充分利用现有的先进4G网络资源以及5T系统监测站，通过在车辆段内增设地面监测与诊断主机、维修部门增设智能运维管理主机，以实现货运车辆的安全运行监测与智能运维，地面监测与诊断系统拓扑结构如图5所示。

两级车地数据传输技术：第一级为车辆运行数据传输至地面基站(轨旁数据基站)采用动态随车基站方式，即在机车机头部放置随车基站，用于对整车的监控、采集、汇总、上传，随车基站独立于其他车辆传感与监测组件。随车基站与铁路货车车辆上安装的40个车辆传感与监测组件间采用自组织网的方式组建Ad-Hoc局域网。在铁路货车车辆运行过程中实时汇总各车辆传感与监测组件采集的转向架运行状态数据。基站无需特殊技术，方便搭建，成本低。可整车管理，对整车进行管控，对任意故障可实时上报，快速反应。且系统扩展性好，可以随意增减或重新组建车厢，只需机车头部随车基站不被替换可。

第二级为地面基站与远端服务器，地面监测诊断服务器(等同于本发明实施例中所述的服务器)通过轨旁数据基站接收无线无源转向架振动传感与监测组件发送的监测数据和诊断结论，并保存在地面监测诊断服务器上。运行在诊断服务器上的诊断软件，负责对监测数据进行综合分析与故障诊断识别。根据检测到的转向架、车轮、车轴等部件的振动数据信息，分析振动信息和车辆故障之间的映射规律，研究深层次关联关系，建立振动信息与车辆故障之间的分析诊断模型，综合铁路货车车辆一个编组20节货车车辆的各测点健康状态，采用定量分析的方法给出铁路货车整车状态健康状况值。通过并开发相应的故障监控系统，将该结果提供给车辆运行管理部门和维修部门，作为其安排维修的车辆调度的参考信心。

其中，地面监测诊断服务器诊断转向架是否存在故障的内容如下，参见图6所示。通过对振动信号和冲击信号做常规频谱分析处理(其中，振动信号和冲击信号经由轨旁数据基站接收，无线无源转向架振动传感与监测组件获取振动信号和冲击信号，传输至轨旁数据基站，轨旁数据基站传输至地面监测诊断服务器)可以将时域振动信号和冲击信号转化为振动特征频谱和冲击特征频谱。结合转向架的部件(例如轴承、齿轮等)的尺寸参数，根据旋转机械故障诊断理论中对于故障特征系数的计算公式，可以计算出部件的故障特征系数。将振动特征频谱和冲击特征频谱与故障特征系数做匹配识别处理，首先振动特征频谱与故障特征系数做匹配识别处理，其结果可以用于识别磨损类故障，再者冲击特征频谱与故障特征系数做匹配识别处理，其结果可以用于识别冲击类故障。两个故障识别结论结合温度信号进行诊断结论综合分析，最终得到铁路货车车辆转向架故障诊断结论，也就是转向架是否可用。

系统对收集的振动、冲击和温度信息通过模型分析计算后，能够得出故障预警、预报信息，分析后的数据结果可以通过网页等展现形式予以直观地展示。

此外，地面监测诊断服务器与无线无源转向架振动传感与监测组件可以构成一个完整的货运车辆的安全运行监测与智能运维系统。其功能为管理铁路货车运行单位所管理的所有车辆信息，并保存每台车辆的运行状态数据。它的主要功能是对无线无源转向架振动传感与监测组件采集的数据进行存储、显示、分析管理以及打印输出。地面监测诊断服务器是用户分析数据的主要平台，提供良好的操作界面，其基本结构如图7所示。

软件系统的数据库依照简单实用便于管理操作的原则进行设计，它操作简单、灵活，很适合故障诊断系统中数据存储、管理、维护，用户在必要时，可以利用Office组件进行操作维护工作。地面监测诊断服务器结构如图8所示，用户登录成功后即可进入主界面，在这个平台上进行用户管理、车辆信息数据录入、在线诊断参数配置，以及对采集的数据浏览、分析，系统根据列车故障诊断的数据处理方法，形成综合数据表，将完成的图表可以保存导入EXCEL文件或通过打印机打印输出。

另外，本发明实施例的另一方面还提供一种机器可读存储介质，该机器可读存储介质上存储有指令，该指令用于使得机器执行上述实施例中所述的用于诊断转向架故障的方法。

以上结合附图详细描述了本发明实施例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。

本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得单片机、芯片或处理器(processor)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

此外，本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。

Claims (9)

1.一种用于诊断转向架故障的方法，其特征在于，该方法包括：

获取故障诊断信号，其中，所述故障诊断信号包括振动信号和冲击信号；

确定转向架的部件的故障特征系数；以及

基于所述故障诊断信号和所述故障特征系数诊断所述转向架是否存在磨损类故障和冲击类故障。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述故障诊断信号还包括温度信号，该方法还包括：

基于所述转向架是否存在磨损类故障和冲击类故障的诊断结果和所述温度信号判断所述转向架是否可用。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述基于所述故障诊断信号和所述故障特征系数诊断所述转向架是否存在磨损类故障和冲击类故障包括：

对所述振动信号和所述冲击信号做频谱分析处理，以将所述振动信号转化为振动特征频谱及将所述冲击信号转化为冲击特征频谱；

将所述振动特征频谱和所述冲击特征频谱分别与所述故障特征系数做匹配识别处理；以及

根据所述匹配识别处理的结果诊断所述转向架是否存在所述磨损类故障和所述冲击类故障。

4.一种服务器，其特征在于，该服务器包括：

信号获取模块，用于获取故障诊断信号，其中，所述故障诊断信号包括振动信号和冲击信号；

故障特征系数确定模块，用于确定车辆的转向架的部件的故障特征系数；以及

故障诊断模块，用于基于所述故障诊断信号和所述故障特征系数诊断所述转向架是否存在磨损类故障和冲击类故障。

5.根据权利要求4所述的服务器，其特征在于，所述故障诊断信号还包括温度信号，所述故障诊断模块还用于基于所述转向架是否存在磨损类故障和冲击类故障的诊断结果和所述温度信号判断所述转向架是否可用。

6.根据权利要求4或5所述的服务器，其特征在于，所述故障诊断模块基于所述故障诊断信号和所述故障特征系数诊断所述转向架是否存在磨损类故障和冲击类故障包括：

对所述振动信号和所述冲击信号做频谱分析处理，以将所述振动信号转化为振动特征频谱及将所述冲击信号转化为冲击特征频谱；

将所述振动特征频谱和所述冲击特征频谱分别与所述故障特征系数做匹配识别处理；以及

根据所述匹配识别处理的结果诊断所述转向架是否存在所述磨损类故障和所述冲击类故障。

7.一种故障诊断系统，其特征在于，该系统包括：

权利要求4-6中任一项所述的服务器；以及

数据中转站，用于接收故障诊断信号并向所述服务器传输故障诊断信号。

8.根据权利要求7所述的故障诊断系统，其特征在于，该系统还包括：

转向架监测装置，用于采集所述故障诊断信号并向所述数据中转站传输所述故障诊断信号。

9.一种机器可读存储介质，该机器可读存储介质上存储有指令，该指令用于使得机器执行权利要求1-3中任一项所述的方法。