动车组走行部关键部位滚动轴承的故障诊断研究

摘要

随着我国高速铁路客流量和里程数的迅速增长，动车组数量急剧增加，动车组行车安全成为铁路运行过程中最重要的环节。滚动轴承作为动车组走行部的重要部件，运转状态的好坏直接影响动车组行车安全。在动车组高速运行过程中，滚动轴承的早期故障很容易进一步扩大从而造成列车颠覆等安全事故。因此，对动车组走行部滚动轴承进行有效的在线故障诊断研究，不仅可以避免行车事故的发生，还能通过判断滚动轴承的故障类型来确定动车组的维修方案，降低动车组的运维成本。
　　本文在研究滚动轴承故障产生机理和诊断方法的基础上，确定了基于振动信号的滚动轴承故障诊断方法，并设计了动车组走行部滚动轴承故障诊断系统。该系统通过实时监测轴承振动信号的时域特征参数判断轴承运行状态，并自动保存轴承故障信号;离线处理时采用非平稳信号分析处理算法对故障信号进行特征提取，判断轴承具体故障类型，实现了对走行部滚动轴承的在线监测和离线诊断的功能。本文主要完成以下工作:
　　1)对传感器的选型和嵌入式数据前置处理器的硬件电路进行了选型和设计，涉及到的电路包括模拟处理电路、AD转换电路、网口电路等;完成了系统软件的核心算法设计，利用小波变换对原始信号进行消噪，提高了系统的精确度;以轴承振动信号的时域特征参数为判断依据，实现对滚动轴承运行状态的实时监测。2)建立了动车组轴箱轴承故障诊断分析模型，采用经验模态分解(EMD)算法对轴承外圈故障模拟信号进行了提取分析，并通过仿真分析验证了EMD算法适用于动车组滚动轴承故障特征的提取。
　　3)完成了对滚动轴承故障信号采集的振动试验。该试验首先采集了滚动轴承外圈、内圈、滚动体故障和正常轴承的振动信号，对振动信号的时域特征参数进行对比分析，验证了时域特征参数可以作为判断轴承运行状态的依据;其次通过EMD算法对这三种故障信号进行了故障特征提取，结果表明，提取到的故障特征与预知的轴承故障类型一致;最后，通过振动试验验证整个系统的可行性。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状综述

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．2．3 滚动轴承故障诊断方法

1．3 本文主要研究内容

1．4 本章小结

2 滚动轴承故障机理及诊断方法研究

2．1 滚动轴承的基本结构与主要失效形式

2．1．1 滚动轴承的基本结构

2．1．2 滚动轴承的主要失效形式

2．2 滚动轴承振动机理及故障诊断原理

2．2．1 滚动轴承振动机理

2．2．2 滚动轴承故障诊断原理

2．3 滚动轴承故障诊断方法研究

2．3．1 时域分析法

2．3．2 频域分析法

2．3．3 共振解调技术

2．3．4 常规滚动轴承故障诊断方法存在的问题

2．4 本章小结

3 系统的总体设计

3．1 系统的总体设计

3．2 振动传感器的选型

3．3 数据前置处理器硬件设计

3．3．1 模拟处理电路设计

3．3．2 AD采样电路设计

3．3．3 ARM处理器的选型

3．3．4 FLASH储存器电路

3．3．5 SDRAM存储器电路设计

3．3．6 JTAG调试电路和复位电路设计

3．3．7 网络接口电路设计

3．3．8 电源电路设计

3．4 系统软件设计

3．4．1 软件的整体结构和流程图

3．4．2 WinCE操作系统移植和定制

3．4．3 应用程序方案设计

3．4．4 信号消噪的算法实现

3．4．5 基于时域特征参数的故障监测方法实现

3．5 本章小结

4 离线诊断算法研究

4．1 非平稳信号分析方法

4．2 仿真模型的建立

4．3 基于经验模态分解的故障特征提取

4．4 本章小结

5 振动试验及结果分析

5．1 滚动轴承试验设备

5．1．1 滚动轴承振动试验台

5．1．2 试验对象

5．2 试验步骤

5．3 试验内容与结果

5．4 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

作者简历及攻读硕士期间取得的研究成果

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