CN112781864A - 动车底部传动系统故障诊断方法、装置和系统 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种动车底部传动系统故障诊断方法、装置和系统,包括:获取由安装于距离两侧铁轨相等且位于相邻枕木之间的麦克风阵列采集的声学信号;对所述声学信号进行增强;基于增强后的所述声学信号和预设故障特征频段判断传动系统是否出现故障。本申请能够在车辆运行过程中对整个传动系统进行检测,不需要与车辆进行接触,便于安装和维护。
Description
技术领域
本申请涉及铁路车辆安全检测技术领域,尤其是涉及一种动车底部传动系统故障诊断方法、装置和系统。
背景技术
随着高速铁路的快速发展,动车组速度也在不断提高,在长时间高速运行条件下,动车底部传动系统的各个部件由于正常磨损和疲劳、制造或者装配误差以及恶劣的运行环境,在列车运行的不断冲击下,容易发生疲劳和损坏。传动装置是车辆运行的关键部件,如果不能及时检测和发现故障,将会严重影响车辆的行车安全。
由于目前检修条件的限制,对动车底部传动系统各部件的检修手段比较单一和落后,目前对动车底部传动系统的检测方式主要包括振动检测、人耳感知监听检测和回厂检修。利用振动传感器的检测结果比较准确,但是不便于安装,而且对安装位置要求比较严格;人耳感知监听受主观影响比较大,费时费力而且容易发生误判和漏判;回厂检修是在运行一定里程后进行,不能及时发现故障。
发明内容
为了能够在车辆运行过程中对整个传动系统进行检测,本申请提供一种动车底部传动系统故障诊断方法、装置和系统。
第一方面,本申请提供了一种动车底部传动系统故障诊断方法,包括:获取由安装于距离两侧铁轨相等且位于相邻枕木之间的麦克风阵列采集的声学信号;对所述声学信号进行增强;基于增强后的所述声学信号和预设故障特征频段判断传动系统是否出现故障。
优选的,所述对所述声学信号进行增强,包括:将所述声学信号进行傅里叶变换以得到所述声学信号的频域信号;采用波束形成法对所述频域信号进行增强;将增强后的所述频域信号进行傅里叶反变换以得到增强后的时域信号,完成所述声学信号的增强。
优选的,所述采用波束形成法对所述频域信号进行增强,包括:将所述频域信号按照频率顺序划分为多段子频域信号,并计算每个子频域信号的中心频率;将多段子频域信号按照其所属的通道、频带,形成第一矩阵;计算传动系统中设备与麦克风阵列中心位置的第一距离,以传动系统中设备与麦克风阵列中每个麦克风的第二距离减去第一距离形成第二矩阵;
采用下式对所述子频域信号进行增强:
exp(-j*2*pi*中心频率*第二矩阵/v)
其中,j为基本虚数单位,pi为圆周率,v为声音在空气中的传播速度;
将增强后的所述子频域信号按照顺序进行连接以形成增强后的所述频域信号。
优选的,所述基于增强后的所述声学信号和预设故障特征频段判断传动系统是否出现故障,包括:对增强后的所述声学信号进行归一化处理;对归一化后的所述声学信号进行Hilbert变换得到解析信号;计算所述解析信号的包络谱;根据所述包络谱的峰值和谐波值、所述预设故障特征频段的峰值和谐波值来判断所述传动系统是否出现故障。
第二方面,本申请提供了一种动车底部传动系统故障诊断装置,包括处理器;所述处理器被配置为:获取由安装于距离两侧铁轨相等且位于相邻枕木之间的麦克风阵列采集的声学信号;对所述声学信号进行增强;基于增强后的所述声学信号和预设故障特征频段判断传动系统是否出现故障。
优选的,所述处理器具体被配置为:将所述声学信号进行傅里叶变换以得到所述声学信号的频域信号;采用波束形成法对所述频域信号进行增强;将增强后的所述频域信号进行傅里叶反变换以得到增强后的时域信号,完成所述声学信号的增强。
优选的,所述处理器具体被配置为:将所述频域信号按照频率顺序划分为多段子频域信号,并计算每个子频域信号的中心频率;将多段子频域信号按照其所属的通道、频带,形成第一矩阵;计算传动系统中设备与麦克风阵列中心位置的第一距离,以传动系统中设备与麦克风阵列中每个麦克风的第二距离减去第一距离形成第二矩阵;采用下式对所述子频域信号进行增强:
exp(-j*2*pi*中心频率*第二矩阵/v)
其中,j为基本虚数单位,pi为圆周率,v为声音在空气中的传播速度;
将增强后的所述子频域信号按照顺序进行连接以形成增强后的所述频域信号。
优选的,所述处理器具体被配置为:对增强后的所述声学信号进行归一化处理;对归一化后的所述声学信号进行Hilbert变换得到解析信号;计算所述解析信号的包络谱;根据所述包络谱的峰值和谐波值、所述预设故障特征频段的峰值和谐波值来判断所述传动系统是否出现故障。
第三方面,本申请提供了一种动车底部传动系统故障诊断系统,包括麦克风阵列、多通道数据采集卡、阵列供电模块以及如第二方面中任一项所述的动车底部传动系统故障诊断装置;所述麦克风阵列安装于距离两侧铁轨相等且位于相邻枕木之间,所述阵列供电模块与所述麦克风阵列连接,所述多通道数据采集卡分别与所述麦克风阵列和所述动车底部传动系统故障诊断装置连接。
第四方面,本申请提供了一种动车底部传动系统故障诊断系统,包括麦克风阵列、多通道数据采集卡、阵列供电模块以及客户端;所述麦克风阵列安装于距离两侧铁轨相等且位于相邻枕木之间,所述阵列供电模块与所述麦克风阵列连接,所述多通道数据采集卡分别与所述麦克风阵列和所述客户端连接,所述客户端包括如第二方面中任一项所述的动车底部传动系统故障诊断装置。
在本申请的实施例提供的动车底部传动系统故障诊断方法、装置和系统中,首先获取由安装于距离两侧铁轨相等且位于相邻枕木之间的麦克风阵列采集的声学信号,然后对声学信号进行增强,最后基于增强后的声学信号和预设故障特征频段判断传动系统是否出现故障,从而能够在车辆运行过程中对整个传动系统进行检测,不需要与车辆进行接触,便于安装和维护,同时不需要分别安装在每辆车的底部,降低了检测成本。
附图说明
图1示出了根据本申请实施例的动车底部传动系统故障诊断方法的流程图。
图2示出了根据本申请实施例的动车底部传动系统故障诊断系统的方框图。
具体实施方式
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作出创造性劳动前提下所获得的全部其他实施例,都属于本申请保护的范围。
图1示出了根据本申请实施例的动车底部传动系统故障诊断方法的流程图。
如图1所示,动车底部传动系统故障诊断方法包括以下步骤:
步骤110,获取由安装于距离两侧铁轨相等且位于相邻枕木之间的麦克风阵列采集的声学信号。
在本实施例中,麦克风阵列中每个麦克风分别用于采集一个通道的声学信号。也就是说,声学信号的通道数和麦克风阵列中的麦克风数量相对应。
步骤120,对声学信号进行增强。
对声学信号进行增强可以采用如下方法:
首先,将声学信号进行傅里叶变换以得到声学信号的频域信号;然后,采用波束形成法对频域信号进行增强;最后,将增强后的频域信号进行傅里叶反变换以得到增强后的时域信号,完成声学信号的增强。
在一些实施例中,采用波束形成法对频域信号进行增强可以采用以下步骤:
步骤1201,将频域信号按照频率顺序划分为多段子频域信号,并计算每个子频域信号的中心频率。
其中,中心频率为每个频带最低频率和最高频率的均值。
步骤1202,将多段子频域信号按照其所属的通道、频带,形成第一矩阵。
步骤1203,计算传动系统中设备与麦克风阵列中心位置的第一距离,以传动系统中设备与麦克风阵列中每个麦克风的第二距离减去第一距离形成第二矩阵。
步骤1204,采用下式对子频域信号进行增强:
exp(-j*2*pi*中心频率*第二矩阵/v)
其中,j为基本虚数单位,pi为圆周率,v为声音在空气中的传播速度。
步骤1205,将增强后的子频域信号按照顺序进行连接以形成增强后的频域信号。
以四通道的声学信号为例,
对四通道的声学信号进行傅里叶变换,可得
将四个通道的频域信号分别按照顺序划分为多段子频域信号,例如可以按照顺序分别将四个通道的频域信号进行平均划分为三段子频域信号,那么
传动系统中的设备可以包括电机、齿轮箱或万向轴的轴连接处,选取其中的一个设备,例如可以选取电机,则计算电机与麦克风阵列中心的第一距离为d1,计算电机与麦克风阵列中每个麦克风的第二距离
那么
然后通过下式计算增强矩阵
exp(-j*2*pi*中心频率*第二矩阵/v)
中心频率依次取子频域信号的中心频率和第一矩阵的每个子频带数据相乘,得到每个子频带增强数据。前面划分为三段子频域信号,则得到三个增强矩阵为
中心频率1对应的增强矩阵和第一矩阵的第一列相乘得到第一个子频带增强信号A1,中心频率2对应的增强矩阵和第一矩阵的第二列相乘得到第二个子频带增强信号A2,中心频率3对应的增强矩阵和第一矩阵的第三列相乘得到第三个子频带增强信号A3。
将增强后的子频域信号按照顺序连接形成增强后的频域信号,如下:
{子频域信号A1子频域信号A2子频域信号A3}
最后,将增强后的频域信号进行傅里叶反变换以得到增强后的时域信号,完成声学信号的增强。
步骤130,基于增强后的声学信号和预设故障特征频段判断传动系统是否出现故障。
在一些实施例中,基于增强后的声学信号和预设故障特征频段判断传动系统是否出现故障,包括:
对增强后的声学信号进行归一化处理;对归一化后的声学信号进行Hilbert变换得到解析信号;计算解析信号的包络谱;根据包络谱的峰值和谐波值、预设故障特征频段的峰值和谐波值来判断传动系统是否出现故障。
需要说明的是,针对传动系统中不同的设备有不同的预设故障特征频段。例如,以传动系统中的电机来说,可以根据电机轴承的滚子数目、滚子直径、轴承节径以及转动频率来计算轴承外圈、内圈、滚子故障的特征频段范围,作为预设故障特征频段。又例如,以传动系统中的齿轮箱来说,可以根据齿轮箱的大、小齿轮数确定理论故障特征频段范围,以作为预设故障特征频段。还需要说明的是,动车在通过安装有麦克风阵列的铁轨时,麦克风阵列会采集到多帧声学信号,本申请实施例中仅对一帧声学信号的处理进行了说明,能够理解的是,在处理多帧声学信号时,仅需采用本申请实施例中的方法多次处理即可。
根据本申请的实施例,首先获取由安装于距离两侧铁轨相等且位于相邻枕木之间的麦克风阵列采集的声学信号,然后对声学信号进行增强,最后基于增强后的声学信号和预设故障特征频段判断传动系统是否出现故障,从而能够在车辆运行过程中对整个传动系统进行检测,不需要与车辆进行接触,便于安装和维护,同时不需要分别安装在每辆车的底部,降低了检测成本。
在另一方面,本申请还提供了一种动车底部传动系统故障诊断装置,该装置包括处理器,该处理器被配置为:
获取由安装于距离两侧铁轨相等且位于相邻枕木之间的麦克风阵列采集的声学信号;对所述声学信号进行增强;基于增强后的所述声学信号和预设故障特征频段判断传动系统是否出现故障。
在一些实施例中,所述处理器具体被配置为:
将所述声学信号进行傅里叶变换以得到所述声学信号的频域信号;采用波束形成法对所述频域信号进行增强;将增强后的所述频域信号进行傅里叶反变换以得到增强后的时域信号,完成所述声学信号的增强。
在一些实施例中,所述处理器具体被配置为:将所述频域信号按照频率顺序划分为多段子频域信号,并计算每个子频域信号的中心频率;将多段子频域信号按照其所属的通道、频带,形成第一矩阵;计算传动系统中设备与麦克风阵列中心位置的第一距离,以传动系统中设备与麦克风阵列中每个麦克风的第二距离减去第一距离形成第二矩阵;采用下式对所述子频域信号进行增强:
exp(-j*2*pi*中心频率*第二矩阵/v)
其中,j为基本虚数单位,pi为圆周率,v为声音在空气中的传播速度;
将增强后的所述子频域信号按照顺序进行连接以形成增强后的所述频域信号。
在一些实施例中,所述处理器具体被配置为:对增强后的所述声学信号进行归一化处理;对归一化后的所述声学信号进行Hilbert变换得到解析信号;计算所述解析信号的包络谱;根据所述包络谱的峰值和谐波值、所述预设故障特征频段的峰值和谐波值来判断所述传动系统是否出现故障。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到,为描述的方便和简洁,所述描述的模块的具体工作过程,可以参考前述方法实施例中的对应过程,在此不再赘述。
在另一方面,参见图2,本申请还提供了一种动车底部传动系统故障诊断系统,包括麦克风阵列202、多通道数据采集卡204、阵列供电模块206以及上述的动车底部传动系统故障诊断装置208。
其中,麦克风阵列202安装于距离两侧铁轨相等且位于相邻枕木之间,阵列供电模块206与麦克风阵列202连接,多通道数据采集卡204分别与麦克风阵列202和动车底部传动系统故障诊断装置208连接。
在另一方面,本申请还提供了一种动车底部传动系统故障诊断系统,包括麦克风阵列、多通道数据采集卡、阵列供电模块以及客户端。
其中,麦克风阵列安装于距离两侧铁轨相等且位于相邻枕木之间,阵列供电模块与麦克风阵列连接,多通道数据采集卡分别与麦克风阵列和客户端连接,客户端包括上述的动车底部传动系统故障诊断装置。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解,本申请中所涉及的申请范围,并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案,同时也应涵盖在不脱离前述申请构思的情况下,由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中申请的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
Claims (10)
1.一种动车底部传动系统故障诊断方法,其特征在于,包括:
获取由安装于距离两侧铁轨相等且位于相邻枕木之间的麦克风阵列采集的声学信号;
对所述声学信号进行增强;
基于增强后的所述声学信号和预设故障特征频段判断传动系统是否出现故障。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述对所述声学信号进行增强,包括:
将所述声学信号进行傅里叶变换以得到所述声学信号的频域信号;
采用波束形成法对所述频域信号进行增强;
将增强后的所述频域信号进行傅里叶反变换以得到增强后的时域信号,完成所述声学信号的增强。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述采用波束形成法对所述频域信号进行增强,包括:
将所述频域信号按照频率顺序划分为多段子频域信号,并计算每个子频域信号的中心频率;
将多段子频域信号按照其所属的通道、频带,形成第一矩阵;
计算传动系统中设备与麦克风阵列中心位置的第一距离,以传动系统中设备与麦克风阵列中每个麦克风的第二距离减去第一距离形成第二矩阵;
采用下式对所述子频域信号进行增强:
exp(-j*2*pi*中心频率*第二矩阵/v)
其中,j为基本虚数单位,pi为圆周率,v为声音在空气中的传播速度;
将增强后的所述子频域信号按照顺序进行连接以形成增强后的所述频域信号。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述基于增强后的所述声学信号和预设故障特征频段判断传动系统是否出现故障,包括:
对增强后的所述声学信号进行归一化处理;
对归一化后的所述声学信号进行Hilbert变换得到解析信号;
计算所述解析信号的包络谱;
根据所述包络谱的峰值和谐波值、所述预设故障特征频段的峰值和谐波值来判断所述传动系统是否出现故障。
5.一种动车底部传动系统故障诊断装置,其特征在于,包括处理器;
所述处理器被配置为:
获取由安装于距离两侧铁轨相等且位于相邻枕木之间的麦克风阵列采集的声学信号;
对所述声学信号进行增强;
基于增强后的所述声学信号和预设故障特征频段判断传动系统是否出现故障。
6.根据权利要求5所述的装置,其特征在于,所述处理器具体被配置为:
将所述声学信号进行傅里叶变换以得到所述声学信号的频域信号;
采用波束形成法对所述频域信号进行增强;
将增强后的所述频域信号进行傅里叶反变换以得到增强后的时域信号,完成所述声学信号的增强。
7.根据权利要求6所述的装置,其特征在于,所述处理器具体被配置为:
将所述频域信号按照频率顺序划分为多段子频域信号,并计算每个子频域信号的中心频率;
将多段子频域信号按照其所属的通道、频带,形成第一矩阵;
计算传动系统中设备与麦克风阵列中心位置的第一距离,以传动系统中设备与麦克风阵列中每个麦克风的第二距离减去第一距离形成第二矩阵;
采用下式对所述子频域信号进行增强:
exp(-j*2*pi*中心频率*第二矩阵/v)
其中,j为基本虚数单位,pi为圆周率,v为声音在空气中的传播速度;
将增强后的所述子频域信号按照顺序进行连接以形成增强后的所述频域信号。
8.根据权利要求5所述的装置,其特征在于,所述处理器具体被配置为:
对增强后的所述声学信号进行归一化处理;
对归一化后的所述声学信号进行Hilbert变换得到解析信号;
计算所述解析信号的包络谱;
根据所述包络谱的峰值和谐波值、所述预设故障特征频段的峰值和谐波值来判断所述传动系统是否出现故障。
9.一种动车底部传动系统故障诊断系统,其特征在于,包括麦克风阵列、多通道数据采集卡、阵列供电模块以及如权利要求5至8中任一项所述的动车底部传动系统故障诊断装置;
所述麦克风阵列安装于距离两侧铁轨相等且位于相邻枕木之间,所述阵列供电模块与所述麦克风阵列连接,所述多通道数据采集卡分别与所述麦克风阵列和所述动车底部传动系统故障诊断装置连接。
10.一种动车底部传动系统故障诊断系统,其特征在于,包括麦克风阵列、多通道数据采集卡、阵列供电模块以及客户端;
所述麦克风阵列安装于距离两侧铁轨相等且位于相邻枕木之间,所述阵列供电模块与所述麦克风阵列连接,所述多通道数据采集卡分别与所述麦克风阵列和所述客户端连接,所述客户端包括如权利要求5至8中任一项所述的动车底部传动系统故障诊断装置。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20210511 |
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