基于振动信号数据采集与无线传输的列车轴承在线监测系统设计

摘要

随着货运列车、客运列车、地铁列车的越来越多，列车的安全保障显得越来越重要。列车轮对作为列车的关键部件，更是其故障多发“地带”，随着铁路局扩建铁路、无缝钢轨的增加带来的大面积提速等因素的影响，列车轴承因此受到更加的冲击力，加上本身就一直受到的车身的压力、热应力等，轴承更容易发生疲劳裂纹，除了这些使用因素外，装配、润滑等可能存在的细节问题，加上周围磨料的侵入、腐蚀、气候、生物介质等这些环境因素都可能造成列车轴承更早更易发生故障，因此发展对列车轴承的故障研究刻不容缓。
　　当前列车轴承监测诊断的方法众多，其中利用温度、油液分析的方法劣势明显，声信号的道旁检测方法成本低又能检测早期故障，但其技术难点太多难以解决。振动信号的车载式检测不仅能够实现在线监测，也能诊断出早期的故障，非常具有研究价值的一种方法，但是车载监测系统的成本过高且容易误警。
　　本文在对声信号方法与振动信号的方法调研分析的基础上，总结了各自的优缺点及技术难点，结合实际，对车载监测系统进行改进，提出了一种基于振动信号数据采集与无线传输的列车轴承在线监测系统。该系统通过振动传感器直接从列车轴承采集振动信号，通过无线数据传输到上位机进行数据处理，以监测是否有故障。由于本系统是直接采集轴承的振动信号，就克服了轨边声音信号“强噪声多声源陡畸变”的难题，不仅继承了传统车载监测系统的优点——可实现在线监测、信号处理难度相对较小等，还在一定程度上克服了成本高和系统复杂等缺陷。
　　论文的主要工作如下:
　　(1)、对现有的轴承故障诊断方法进行比较，特别是声信号与振动信号的方法，总结各自优缺点及技术难点。
　　(2)、提出了新的振动信号车载监测系统，设计了整体方案。
　　(3)、根据整体方案，对系统进行具体设计。包括有硬件电路设计、无线数据传输协议及上位机软件设计等。
　　(4)、对本系统信号处理算法的讨论，并通过仿真验证系统状态监测与故障诊断。
　　(5)、进行实验，验证本系统数据采集与数据传输的可靠性。
　　(6)、提出后续工作的方向。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 机械设备状态监测与故障诊断

1．1．1 机械设备状态监测与故障诊断的意义

1．1．2 机械设备状态监测与故障诊断的方法

1．2 列车轮对轴承状态监测与故障诊断

1．2．1 列车轮对轴承状态监测与故障诊断的意义

1．2．2 列车轮对轴承状态监测与故障诊断的发展现状

1．3 车载振动信号监测系统的技术难点

1．4 论文的主要研究内容

1．5 论文的主要创新点

第2章 基于振动信号数据采集与无线传输的列车轴承在线监测系统设计

2．1 无线通信器件的选型

2．1．1 无线通信技术发展概况

2．1．2 系统中无线通信要求

2．1．3 无线通信器件选型

2．2 系统的总体方案设计

2．3 本章小结

第3章 系统硬件电路设计

3．1 系统硬件电路总体结构设计

3．1．1 硬件电路设计主要原则

3．1．2 硬件电路总体设计框图

3．2 振动传感器选型

3．3 微处理器模块设计

3．3．1 微处理器选型

3．3．2 系统复位电路

3．3．3 系统晶振电路

3．3．4 SWD下载测试电路

3．3．5 系统电源电路

3．4 A/D转换器

3．5 NAND FLASH存储器

3．6 温度传感器

3．7 无线模块的连接

3．8 本章小结

第4章 系统软件设计

4．1 串口通信协议的制定

4．1．1 控制帧的通信协议

4．1．2 数据帧的通信协议

4．2 串口通信协议的优化

4．3 系统软件设计

4．4 本章小结

第5章 故障分析及系统信号处理的讨论

5．1 故障分析

5．1．1 滚动轴承主要故障形式

5．1．2 滚动轴承振动信号特征

5．2 本系统信号处理的讨论

5．2．1 信号滤波处理

5．2．2 列车轴承状态监测参数

5．2．3 故障诊断

5．3 本章小结

第6章 仿真及实验

6．1 故障监测与诊断的仿真

6．1．1 状态监测仿真

6．1．2 故障诊断仿真

6．2 系统数据收发可靠性实验

6．3 本章小结

第7章 总结与展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果