基于轨旁振动信号的城轨列车扁疤故障检测

摘要

随着全国铁路提速，车辆故障率呈现上升趋势。为保障列车运营安全，及时高效地检测车轮扁疤具有重要的意义。论文以车轮扁疤作为研究对象，以多体动力学软件SIMPACK仿真为基础，从轮轨冲击力的角度分析了扁疤对轮轨的冲击危害，并确立了以振动加速度法来监测轮对扁疤程度。本文采用经验模态分解多尺度熵的对采集信号进行分析诊断，实现扁疤故障的检测。现场试验结果表明，该方法能有效检测出车轮扁疤故障。 首先讨论了车轮扁疤的形成机理及其减缓措施。本文首先对车轮扁疤进行了详细分类并分别阐述了每种类型扁疤内在形成机理和外在影响因素，并针对如何减少车轮扁疤提出了相应的措施和建议，最后介绍了与车轮扁疤有关的车辆动力学性能指标。 其次基于多体动力学软件对扁疤轮轨冲击仿真分析。首先介绍了车轮扁疤二维和三维的模型并利用SIMPACK搭建车辆-轨道耦合仿真模型，利用该模型分析了扁疤轮轨冲击作用。着重从扁疤数大小和扁疤新旧两个方面阐述了扁疤的轮轨冲击作用，发现车速、扁疤大小与轮轨冲击力并不是简单线性关系，因此不能作为振动检测的关键影响因素，并最终确定利用振动加速度来判断扁疤的有无和程度，为下一步故障信号分析与特征提取打下基础。 然后研究了基于经验模态分解和多尺度熵结合的车轮扁疤诊断方法。鉴于多尺度熵在处理生物信号中的优势，将经验模态分解和多尺度熵结合并运用在扁疤故障检测上，并运用偏均值定量综合表示多尺度熵值。仿真分析结果表明基于经验模态分解和多尺度熵偏均值结合的方法能够有效区分不同长度的扁疤故障。 最后设计了一套轮对轨旁振动检测系统并进行现场测试。根据系统设计需求，设计了一套轨旁振动检测系统和并着重介绍了系统的总体设计的硬件选型。通过对现场实测数据分析，本文提出的方法能够较好识别车轮扁疤故障，为实现地对车检测提供了新的解决方案。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1课题来源

1．2研究背景及意义

1．3研究现状

1．3．1车辆多体动力学及其仿真研究现状及发展

1．3．2车轮扁疤理论、数值模拟研究的现状

1．3．3踏面缺陷的检测方法

1．4论文章节安排及研究内容

2踏面扁疤概述

2．1踏面扁疤故障

2．1．1车轮损伤分类

2．1．2扁疤成形机理

2．1．3扁疤形成的外界因素

2．1．4减缓扁疤措施

2．2车辆运行的动力学评价指标

2．2．1车辆运行平稳性及其评价指标

2．2．2轮轨冲击评价指标

2．3本章小结

3扁疤轮轨冲击力学分析

3．1扁疤冲击机理

3．1．1扁疤冲击模型

3．1．2扁疤冲击速度

3．1．3扁疤冲击能量

3．2车辆-轨道动力学模型

3．2．1多体动力学软件SIMPACK

3．2．2车辆-轨道多体动力学建模

3．3扁疤轮轨冲击力学分析

3．3．1车速、扁疤尺寸的轮轨冲击力学分析

3．3．2新、旧扁疤的轮轨冲击力学分析

3．4本章小结

4基于EMD多尺度熵扁疤车轮识别

4．1振动信号处理方法概述

4．1．1信号时域和频域处理方法

4．1．2信号时频域处理方法

4．2多尺度熵

4．2．1近似熵理论

4．2．2样本熵理论

4．2．3多尺度熵及多尺度熵偏均值理论

4．3基于EMD多尺度熵扁疤车轮识别

4．3．1踏面扁疤故障的信号特征

4．3．2振动信号多尺度熵分析

4．3．3基于EMD多尺度熵偏均值的分析

4．4本章小结

5基于EMD多尺度熵的轮对轨旁检测系统

5．1系统总体概述

5．1．1系统功能介绍

5．1．2系统总体框架

5．1．3系统工作过程

5．2系统硬件平台设计

5．2．1硬件选型

5．2．2硬件设备安装

5．3现场实测数据分析

5．3．1算法流程

5．3．2实测数据分析

5．4本章小结

6总结与展望

6．1全文总结

6．2研究展望

致谢

参考文献