CN112082782B - 城市轨道交通列车走行部故障数字诊断系统及其诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种城市轨道交通列车走行部故障数字诊断系统及其诊断方法，该系统中加速度信号采集器实时采集被测行走部的加速度信号，并将该信号传送至对应的前置处理器中，所述前置处理器对收到的信号进行A/D转换，并将转换后的信号进行压缩，将压缩后的信号通过交换机传送至第一车载诊断仪中，第一车载诊断仪实时读取列车TCMS系统中的数据和交换机中的数据，并根据读取的数据判断第i节车厢的行走部是否出现故障以及故障类型。本发明消除了采集信号时产生的时间滞后，提高了故障判断的精度，实用与城轨车辆的轴箱轴承故障在线检测。

Description

城市轨道交通列车走行部故障数字诊断系统及其诊断方法

技术领域

本发明属于轨道交通领域。

背景技术

当前，城市轨道交通车辆保有量巨大，且在仍处于快速发展阶段。列车走行部故障检测一般通过在被检测部件上安装传感器检测温度、振动和冲击，前置处理器将获取的传感器信号电压进行电压/电流转换，上传至车辆分机，车辆分机进行电流/电压转换，硬件共振解调，模拟信号离散化处理后与预设阈值比较，决定是否输出报警。但是现有技术在信号采集环节存在冲击信号失真、低频干扰、高频丢失等问题，且采用分布式诊断方式，未提取整车及轨道的振动特征，导致故障漏报、误报率较高。

发明内容

发明目的：为解决背景技术中现有技术存在的问题，本发明提供一种城市轨道交通列车走行部故障数字诊断系统。

技术方案：本发明提供了一种城市轨道交通列车走行部故障数字诊断系统，包括加速度信号采集器、前置处理器、n个交换机和第一车载诊断仪，n为列车车厢的总个数；根据需要被检测的行走部，在每节车厢一侧的该行走部上安装加速度信号采集器，且每节车厢上的加速度信号采集器的个数大于等于4；每节车厢中的每四个加速度信号采集器连接一个前置处理器，第i个车厢中所有的前置处理器相互连接后与第i个交换机连接，n个交换机相互连接后与第一车载诊断仪连接，i＝1，2…n；

所述加速度信号采集器实时采集被测行走部的加速度信号，并将该信号传送至对应的前置处理器中，所述前置处理器对收到的信号进行A/D转换，并将转换后的信号进行压缩，将压缩后的信号通过交换机传送至第一车载诊断仪中，第一车载诊断仪实时读取列车TCMS系统中的数据和交换机中的数据，并根据读取的数据判断第i节车厢的行走部是否出现故障以及故障类型。

进一步的，所述加速度信号采集器为加速度传感器或者复合传感器。

进一步的，所述第一车载诊断仪与列车TCMS系统通过MVB总线连接。

进一步的，所述前置处理器对加速度信号的采集频率为400KHz，且第一车载诊断仪向前置处理器发送同步的采集信号，使得前置处理器与第一车载诊断仪的信号采集是同时刻进行的。

进一步的，该系统还包括第二车载诊断仪，用于当第一车载诊断仪发生故障时，第二车载诊断仪代替第一车载诊断仪判断列车是否发生故障。

城市轨道交通列车走行部故障数字诊断系统的诊断方法，所述故障包括磨损/电腐蚀类故障和剥离类故障；在列车无故障时，对列车进行试运行，实时采集第m节车厢的被测行走部在不同车速，不同位置，不同载荷时的加速度信号，得到若干个加速度信号，对每一个信号进行优化并存储至标准信号库，m＝1，2，…n；

所述剥离类故障判断具体包括如下步骤；

步骤1：以采样间隔t对TCMS系统中列车速度进行T次采样，该速度为列车一侧的速度，并基于读取到的速度计算第T次采样时第m节车厢的位置s_m；

步骤2：基于s_m以及该节车厢的起始位置，判断在第T次采样时该车厢是否处于弯道，若是，根据第T次采样到的列车的一侧速度v_T，计算第T次采样时第m节车厢的另外一侧的速度；若否，则将第T次采样时第m节车厢的另外一侧的速度赋值为v_T；

步骤3：根据速度v_T，计算第T次采样时第m节车厢两侧轴承的转速；

步骤4：根据第m节车厢两侧轴承的转速和两侧的速度计算出理论故障倍频，并基于理论故障倍频设置故障倍频范围；

步骤5：消除第m节车厢中相邻两个轴承之间的信号干扰；

步骤6：采集第T次采样时第m节车厢的载荷AW_m和第m节车厢的被测行走部的加速度信号；将标准信号库中第m节车厢在位置为s_m，载荷为AW_m和车速为v_T时的标准信号与第T次采样得到的加速度信号进行对比；若第T次采样得到的加速度信号中存在频率在故障倍频范围内的信号，而标准信号中不存在频率在故障倍频范围内的信号，则认定被测行走部存在剥离类故障；

所述磨损/电腐蚀类故障具体判断方法如下所示：实时采集第m节车厢中第N个转向架上所有的被测行走部的加速度，并计算加速度均方根a，N＝1，2，...，H，所述H为第m节车厢中转向架的总个数，并根据当前时刻列车的速度v1，第m节车厢所在的位置s_m1，以及载荷AW_m1，计算标准信号库中第m节车厢在位置为s_m1，载荷为AW_m1和车速为v1时第m节车中第N个转向架上所有的被测行走部的加速度均方根

并将两个均方根进行比较，判断被测行走部是否存在磨损/电腐蚀类故障。

进一步的，所述步骤1具体为：

根据采集到的速度信息计算第m节车厢所在位置具体s_m为：

s₀为第m节车厢的初始位置，v_T为第T次采样时得到的TCMS系统中列车一侧的速度，l为车厢长度。

进一步的，所述步骤2具体为：若该第m节车厢所在位置为弯道，则计算车厢另外一侧的速度v’：

其中，r为弯道的半径；

根据TCMS系统中列车一侧的速度计算该侧轴承的工作转速n₁为；

其中，D为车轮直径；

若第m节车厢所在位置为弯道，则另一端轴承工作转速n₂为：

若第m节车厢所在位置不是弯道，则另一端轴承工作转速

进一步的，所述判断被测行走部是否存在磨损/电腐蚀类故障具体为：

其中，d为被测行走部的相对位移；

所述K为第m节车厢的第N个转向架中被测行走的总个数，a_k为第m节车厢的第N个转向架中第k个被测行走部的加速度；

若d位于[0～2.0mm)内，则认为被测行走部不存在磨损/电腐蚀类故障；

若d位于[2～4.0mm)内，则认为被测行走部存在磨损/电腐蚀类故障但不需要检修；

若d大于等于4mm内，则认为被测行走部存在磨损/电腐蚀类故障且需要检修。

有益效果：本发明采用多个加速度信号采集器对车厢的加速进行同时采集，得到的信号不存在时间滞后，减少时间滞后产生的误差，为后续数据分析提高精度；同时本发明不单单只采用TCMS中的速度，还对对列车过弯一侧的速度进行修正提高了判断故障的准确性。

附图说明

图1为本发明的系统结构图。

具体实施方式

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

如图1所示，本发明提供了一种城市轨道交通列车走行部故障数字诊断系统，包括加速度信号采集器S1～S4、处理器、n个交换机和第一车载诊断仪，n为列车车厢的总个数；根据需要被检测的行走部(如轴箱、电机驱动端、电机非驱动端或齿轮箱等)，在每节车厢一侧的该行走部上安装加速度信号采集器，且每节车厢上的加速度信号采集器的个数大于等于4；每节车厢中的每四个传感器连接一个前置处理器，第i个车厢中所有的处理器相互连接后与第i个交换机连接，n个交换机相互连接后与第一车载诊断仪连接,i＝1，2…n；

所述加速度信号采集器实时采集被测行走部的加速度信号，并将该信号传送至对应的置处理器中，所述置处理器对收到的信号进行A/D转换，并转换后的信号进行压缩，将压缩后的信号通过交换机传送至第一车载诊断仪中，第一车载诊断仪实时读取列车的TCMS系统(列车控制和管理系统)中的数据和交换机中的数据，第一车载诊断仪根据读取的信号判断第i节车厢的行走部是否出现故障以及故障类型。

车辆轴承的运行故障可分为两大类：一类为磨损、电腐蚀等，故障特征为振幅高；另一类为剥离类表面损伤。在列车无故障时，对列车进行试运行，实时采集第m节车厢的被测行走部在不同车速，不同位置，不同载荷时的加速度信号，得到若干个加速度信号，对每一个信号进行优化并存储至标准信号库，m＝1，2，…n；

所述剥离类故障判断具体包括如下步骤；

滚动轴承的内圈、外圈、滚动体、保持架剥离类故障特征频率可以依据轴承参数通过计算公式得到。计算公式中轴承转速为必备条件。车辆在直线段运行，车轴两端的轴承转速是相同的；车辆经过小曲线半径，车轴两端的轴承转速差与小曲线半径数值相关。TCMS每128ms发送一次列车速度，通过速度与时间累积获得车辆在线路中的位置。车辆运行距离与已知线路信息对比，来判定车辆是否在小曲线内，具体为：

步骤1：以采样间隔t(本实施例中t＝128ms)，对TCMS系统中列车速度进行T次采样，该速度为列车一侧的速度；并基于读取到的速度计算第T次采样时第m节车厢的位置s_m；

步骤2：基于第m节车厢的位置以及该节车厢的起始位置，判断在第T次时该车厢是否处于弯道，若是，根据第T次采样到的列车的一侧速度v_T，计算此时第m节车厢的另外一侧的速度；若否，则对此时第m节车厢的另外一侧的速度赋值为v_T；

步骤3：根据速度v_T，计算第T次采样时第m节车厢两侧轴承的转速

步骤4：根据车厢两侧轴承的转速和车厢两侧的速度计算出理论故障倍频，并基于理论故障倍频设置故障倍频范围(根据滚动轴承保持架故障频率的计算公式、滚动轴承外环故障频率的计算公式、滚动轴承外环故障频率的计算公式、滚动轴承内环故障频率的计算公式以及轴承参数可以计算出理论故障倍频)；

步骤5：消除第m节车厢中相邻两个轴承之间的信号干扰(本实施例中利用有限元软件分析轴承故障信号到振动加速度传感器传递路径、衰减特性用于补偿目标采集信号，消除临近轴承振动干扰；对采集信号利用小波分析提取故障特征频率)；

步骤6：采集第T次采样时第m节车厢的载荷AW_m和第m节车厢的被测行走部的加速度信号；将标准信号库中第m节车厢在位置为s_m，载荷AW_m为和车速为v_T时的标准信号与第T次采样得到的加速度信号进行对比；若第T次采样得到的加速度信号中存在某些信号，且该某些信号在故障倍频范围内，而标准信号中没有在故障倍频范围内的信号，则认定被测行走部存在剥离类故障。

本实施例中复合传感器采集到的振动加速度信号为轴承振动、牵引电机振动、轮轨相互作用振动、车体振动或其它轴承振动等激励的复合信号。转向架为焊接构件，车轴安装以及轴承安装等公差也会造成理论计算和轴承故障对应频率间存在差异。为此，标准信号中若存在轴承故障频率信号(基频、谐频)，则可认为此频率为车辆固有振动特征。则所述磨损/电腐蚀类故障具体判断方法如下所示：实时采集第m节车厢中第N个转向架上所有的被测行走部的加速度，并计算加速度均方根a，N＝1，2，...，H，所述H为第m节车厢中所有转向架的总个数，并根据当前时刻列车的速度v1，第m节车厢所在的位置s_m1，以及载荷AW_m1，计算标准信号库中第m节车厢在位置为s_m1，载荷为AW_m1和车速为v1时第m节车中第N个转向架上所有的被测行走部的加速度均方根

并将两个均方根进行比较，判断被测行走部是否存在磨损/电腐蚀类故障。

优选的，所述步骤1具体为：

根据采集到的速度信息计算第m节车厢所在位置具体s_m为：

s₀为第m节车厢的初始位置，v_T为第T次采样得到的TCMS系统中列车一侧的速度，l为车厢长度。

优选的，所述步骤2具体为：若该第m节车厢所在位置为弯道，则计算车厢另外一侧的速度

r为弯道的半径；

若第m节车厢所在位置为弯道，则另一端轴承工作转速n₂为：

若第m节车厢所在位置不是弯道，则另一端轴承工作转速

优选的，所述判断被测行走部是否存在磨损/电腐蚀类故障具体为：

d为被测行走部的相对位移；

所述K为第m节车厢中第N个转向架中被测行走的总个数，a_k为第m节车厢中第N个转向架中第k个被测行走部的加速度；

若d位于[0～2.0mm)内，则认定被测行走部不存在磨损/电腐蚀类故障；

当d位于[2～4.0mm)内，则认定被测行走部存在磨损/电腐蚀类故障但不需要检修；

当d大于等于4mm，则认定被测行走部存在磨损/电腐蚀类故障且需要检修。

优选的，所述加速度信号采集器为加速度传感器或者复合传感器。复合传感器输出为1路加速度信号(电压型)、1路温度信号(电压型)；3轴加速度传感器输出为3路正交的加速度信号，均为电压型。前置处理器采用端口复用技术可兼容复合传感器传感器和3轴加速度传感器，且对传感器的每路输出采用独立A/D转换通道。A/D模块分辨力为16bit，采集频率为400kHz，兼顾高频信号和低频信号，每个前置处理器可接入4个传感器。前置处理器接收车载诊断仪的同步信号，即整车所有传感器信号采集是同步的。前置处理器的预处理模块去除无效信号，通过TRDP通信协议与车载诊断仪通信。

优选的，还包括第二车载诊断仪，用于当第一车载诊断仪发生故障时，第二车载诊断仪作为主机判断列车是否发生故障。

优选的，所述车载诊断仪与列车的TCMS系统通过MVB总线连接，车载诊断仪接收MVB发送的公共数据，如：车辆ID、日期时间、控制。指令(牵引指令、快速制动指令激活、列车施加紧急制动)等。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (4)

1.城市轨道交通列车走行部故障数字诊断方法，包括加速度信号采集器、前置处理器、n个交换机和第一车载诊断仪，n为列车车厢的总个数；根据需要被检测的行走部，在每节车厢一侧的该行走部上安装加速度信号采集器，且每节车厢上的加速度信号采集器的个数大于等于4；每节车厢中的每四个加速度信号采集器连接一个前置处理器，第i个车厢中所有的前置处理器相互连接后与第i个交换机连接，n个交换机相互连接后与第一车载诊断仪连接,i＝1,2…n；

所述加速度信号采集器实时采集被测行走部的加速度信号，并将该信号传送至对应的前置处理器中，所述前置处理器对收到的信号进行A/D转换，并将转换后的信号进行压缩，将压缩后的信号通过交换机传送至第一车载诊断仪中，第一车载诊断仪实时读取列车TCMS系统中的数据和交换机中的数据，并根据读取的数据判断第i节车厢的行走部是否出现故障以及故障类型；其特征在于，所述故障包括磨损/电腐蚀类故障和剥离类故障；在列车无故障时，对列车进行试运行，实时采集第m节车厢的被测行走部在不同车速，不同位置，不同载荷时的加速度信号，得到若干个加速度信号，对每一个信号进行优化并存储至标准信号库，m＝1,2,…n；

所述剥离类故障判断具体包括如下步骤；

步骤1：以采样间隔t对TCMS系统中列车速度进行T次采样，该速度为列车一侧的速度，并基于读取到的速度计算第T次采样时第m节车厢的位置s_m；

步骤2：基于s_m，判断在第T次采样时该车厢是否处于弯道，若是，根据第T次采样到的列车的一侧速度v_T，计算第T次采样时第m节车厢的另外一侧的速度；若否，则将第T次采样时第m节车厢的另外一侧的速度赋值为v_T；

步骤3：根据速度v_T，计算第T次采样时第m节车厢两侧轴承的转速；

步骤4：根据第m节车厢两侧轴承的转速和两侧的速度计算出理论故障倍频，并基于理论故障倍频设置故障倍频范围；

步骤5：消除第m节车厢中相邻两个轴承之间的信号干扰；

步骤6：采集第T次采样时第m节车厢的载荷AW_m和第m节车厢的被测行走部的加速度信号；将标准信号库中第m节车厢在位置为s_m，载荷为AW_m和车速为v_T时的标准信号与第T次采样得到的加速度信号进行对比；若第T次采样得到的加速度信号中存在频率在故障倍频范围内的信号，而标准信号中不存在频率在故障倍频范围内的信号，则认定被测行走部存在剥离类故障；

所述磨损/电腐蚀类故障具体判断方法如下所示：实时采集第m节车厢中第N个转向架上所有的被测行走部的加速度，并计算加速度均方根a，N＝1,2,…,H，所述H为第m节车厢中转向架的总个数，并根据当前时刻列车的速度v1，第m节车厢所在的位置s_m1，以及载荷AW_m1，计算标准信号库中第m节车厢在位置为s_m1，载荷为AW_m1和车速为v1时第m节车中第N个转向架上所有的被测行走部的加速度均方根

并将两个均方根进行比较，判断被测行走部是否存在磨损/电腐蚀类故障。

2.根据权利要求1所述的城市轨道交通列车走行部故障数字诊断方法，其特征在于，所述步骤1具体为：

根据采集到的速度信息计算第m节车厢所在位置具体s_m为：

s₀为第m节车厢的初始位置，v_T为第T次采样时得到的TCMS系统中列车一侧的速度，l为车厢长度。

3.根据权利要求1所述的城市轨道交通列车走行部故障数字诊断方法，其特征在于，所述步骤2具体为：若该第m节车厢所在位置为弯道，则计算车厢另外一侧的速度v’：

其中，r为弯道的半径；

根据TCMS系统中列车一侧的速度计算该侧轴承的工作转速n₁为；

其中，D为车轮直径；

若第m节车厢所在位置为弯道，则另一端轴承工作转速n₂为：

若第m节车厢所在位置不是弯道，则另一端轴承工作转速

4.根据权利要求1所述的城市轨道交通列车走行部故障数字诊断方法，其特征在于，所述判断被测行走部是否存在磨损/电腐蚀类故障具体为：

其中，d为被测行走部的相对位移；

所述K为第m节车厢的第N个转向架中被测行走的总个数，a_k为第m节车厢的第N个转向架中第k个被测行走部的加速度；

若d位于[0～2.0mm)内，则认为被测行走部不存在磨损/电腐蚀类故障；

若d位于[2～4.0mm)内，则认为被测行走部存在磨损/电腐蚀类故障但不需要检修；

若d大于等于4mm内，则认为被测行走部存在磨损/电腐蚀类故障且需要检修。

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