一种基于时间与空间连续的车轮踏面与轨道故障检测方法

摘要

本发明涉及一种基于时间与空间连续的车轮踏面与轨道故障检测方法，该方法包括如下步骤：(1)在待检测轨道路段的轨道轨腰处铺设用于空间和时间均连续的振动信号检测和传输的振动检测传感器；(2)列车行驶在待检测轨道路段时按设定采样频率采集步骤(1)中振动检测传感器检测的振动信号并保存；(3)将保存的振动信号按照总的采集时间平均分成N段；(4)分别对每段振动信号进行故障诊断，获取每段振动信号中的故障信号并记录故障信号对应的时间；(5)根据每段振动信号中的故障信号分布情况判断车轮踏面或轨道故障情况。与现有技术相比，本发明具有检测精度高、布设方便、可行性高等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种车轮踏面与轨道故障检测方法，尤其是涉及一种基于时间与空间连续的车轮踏面与轨道故障检测方法。

背景技术

列车运行过程中，轨道线路与列车的轮对踏面都有可能出现擦伤或异物，造成擦伤的主要原因是由于列车运行的制动或空转打滑而使车轮踏面与轨道间发生摩擦。轮对或轨道擦伤的部位或存在的异物在列车行驶时产生冲击，可能引起列车轨道系统的耦合振动，危及行车安全。

目前对于轨道线路与轮对踏面的故障检测主要还是分开检测，而没有一种能够对轮对踏面与线路的故障进行统一检测的系统和方法。分开检测不仅耗费了更多的人力物力，而且检测的效率较为低下。

常见的踏面故障检测方法是使用加速度传感器。但点状分布的加速度传感器在长距离检测时就会使安装过程过于繁琐。

现有检测方法是轨道线路与车轮分开检测。检测轨道线路主要依靠轨道探伤车与人工检修。检测车轮分为地面检测与车载检测两类。地面检测多应用加速度传感器，其成本较高，点状铺设的特点可能导致漏检；车载检测多应用测力轮对与轴箱加速度测量两种方法，其布线较为复杂。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于时间与空间连续的车轮踏面与轨道故障检测方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于时间与空间连续的车轮踏面与轨道故障检测方法，该方法包括如下步骤：

(1)在待检测轨道路段的轨道轨腰处铺设用于空间和时间均连续的振动信号检测和传输的振动检测传感器；

(2)列车行驶在待检测轨道路段时按设定采样频率采集步骤(1)中振动检测传感器检测的振动信号并保存；

(3)将保存的振动信号按照总的采集时间平均分成N段；

(4)分别对每段振动信号进行故障诊断，获取每段振动信号中的故障信号并记录故障信号对应的时间；

(5)根据每段振动信号中的故障信号分布情况判断车轮踏面或轨道故障情况。

所述的振动检测传感器包括感应式光纤。

所述的步骤(4)中对每段振动信号进行故障诊断具体为：

(401)获取相应的振动信号x(i)，i＝1,2…F_s·T₀，其中F_s为采样频率，T₀为该段振动信号对应的总时长；

(402)对振动信号进行差分得到差分信号x_1d(j)，j＝1,2…(F_s·T₀-1)；

(403)求取差分信号绝对值的均方根值RMS0：

$RMS0=\sqrt{\frac{1}{F_s·T_0-1}\underset{j=1}{\overset{F_s·T_0-1}{\Sigma }}|x_{1d}\left(i\right){|}^2};$

(404)将差分信号按照设定时间Δt分为N₀段，其中表示向下取整；

(405)分别求取N₀段差分信号中各差分信号的绝对值的均方根值RMS(k)，其中k＝1,2…N₀；

(406)对于k＝1,2…N₀，依次判定RMS(k)<RMS0/n₀是否成立，其中n₀为设定数值，若是则对应的RMS(k)为无效信号，令对应的RMS(k)＝0，否则RMS(k)为有效信号，保留对应的数值；

(407)对于k＝1,2…N₀，求取所有非零RMS(k)的平均值Mrmsi；

(408)对于k＝1,2…N₀，分别判断RMS(k)>n₁·Mrmsi是否成立，其中n₁为设定数值，若是，则判定为故障信号，同时进行故障信号计数并记录该故障信号对应的时间，否则不做任何操作；

(409)统计所有故障信号的个数。

所述的步骤(5)具体为：

(501)获取步骤(4)中各段振动信号中故障信号的个数和对应的故障信号对 应的时间，并对各段振动信号进行故障判定，分别确定各段振动信号所对应的各段线路上是否存在故障；

(502)若各段线路均无故障，则车轮踏面和各段线路的轨道均无故障；

若各段振动信号对应的线路中部分线路存在故障，则相应振动信号对应的线路的轨道存在故障；

若各段振动信号对应的线路中均存在故障，则车轮踏面或整个线路的轨道存在故障，进而通过人工排查进行确定。

步骤(501)中对各段振动信号进行故障判定通过下述方式实现：获取待判定段振动信号中故障信号的个数N₁，判断N₁<n₂是否成立，若是则待判定段振动信号对应的线路上不存在故障，否则存在故障，其中n₂为待判定段振动信号对应的线路上的轨道接缝数与列车轮对数的乘积。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明采用在轨道上可以连续铺设的振动检测传感器，实现振动信号在空间位置和时间上均连续的检测，对振动检测传感器检测的信号进行处理分析，提取有效故障信息，实现故障的诊断以及故障来源的判断，改变了传到轨道与车轮踏面分开检测的方式，本发明的检测方法中的振动检测传感器的布设方便，提高了可行性；

(2)本发明采用两段时间上连续的振动信号，分别对两段振动信号进行差分、提取有效信号，进而判定故障信号，最后通过两段振动信号中故障信号的分布情况进行轨道和车轮踏面故障的判断，能够提高判断准确性，为轨道交通车辆的安全运行提供保证；

(3)本发明的故障检测方法简单、易于实现。

附图说明

图1为本发明故障检测方法的总体流程图；

图2为本发明求取差分信号并得到所有差分信号绝对值的均方根值的具体流程图；

图3为本发明对差分信号进行分段并提取有效信号的具体流程图；

图4为本发明通过RMS(k)判定待判定段振动信号对应的线路是否存在故障的具体流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，一种基于时间与空间连续的车轮踏面与轨道故障检测方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：在待检测轨道路段的轨道轨腰处铺设用于空间和时间均连续的振动信号检测和传输的振动检测传感器，该实施例中振动检测传感器采用感应式光纤，该发明中振动检测传感器不局限于感应式光纤，凡是能够连续铺设的且能连续检测振动信号的振动检测传感器均可作为本发明的振动检测传感器来使用；

步骤2：列车行驶在待检测轨道路段时按设定采样频率采集步骤1中振动检测传感器检测的振动信号并保存；

步骤3：将保存的振动信号按照总的采集时间平均分成N段，N可以根据实际情况而定，本实施例中N取2；

步骤4：分别对各段振动信号进行故障诊断，获取每段振动信号中的故障信号并记录故障信号对应的时间；

步骤5：根据各段振动信号中的故障信号分布情况判断车轮踏面或轨道故障情况。

所述的步骤4中对每段振动信号进行故障诊断具体为：

(401)获取相应的振动信号x(i)，i＝1,2…F_s·T₀，其中F_s为采样频率，T₀为该段振动信号对应的总时长；

(402)对振动信号进行差分得到差分信号x_1d(j)，j＝1,2…(F_s·T₀-1)；

(403)求取差分信号绝对值的均方根值RMS0：

$RMS0=\sqrt{\frac{1}{F_s·T_0-1}\underset{j=1}{\overset{F_s·T_0-1}{\Sigma }}|x_{1d}\left(i\right){|}^2};$

(404)将差分信号按照设定时间Δt分为N₀段，其中表示向下取整；

(405)分别求取N₀段差分信号中各差分信号的绝对值的均方根值RMS(k)，其中k＝1,2…N₀；

(406)对于k＝1,2…N₀，依次判定RMS(k)<RMS0/n₀是否成立，其中n₀为设定数 值，若是则对应的RMS(k)为无效信号，令对应的RMS(k)＝0，否则RMS(k)为有效信号，保留对应的数值；

(407)对于k＝1,2…N₀，求取所有非零RMS(k)的平均值Mrmsi；

(408)对于k＝1,2…N₀，分别判断RMS(k)>n₁·Mrmsi是否成立，其中n₁为设定数值，根据实际情况进行设定，若是，则判定为故障信号，同时进行故障信号计数并记录该故障信号对应的时间，否则不做任何操作；

(409)统计所有故障信号的个数。

上述步骤(401)～(403)主要是对振动信号的放大得到差分信号并得到所有差分信号绝对值的均方根值，具体可采用图2中的流程图来实现：

首先执行步骤1a：获取相应的振动信号x(i)，i＝1,2…F_s·T₀，执行步骤1b；

步骤1b：赋值j＝1，执行步骤1c；

步骤1c：根据下式计算差分信号x_1d(j)，执行步骤1d；

$x_{1d}\left(j\right)=\frac{x(j+1)-x\left(j\right)}{1/F_s};$

步骤1d：赋值j＝j+1，执行步骤1e；

步骤1e：判断j≤F_s·T₀-1是否成立，若是返回步骤1c，否则执行步骤1f；

步骤1f：求取差分信号绝对值的均方根值RMS0。

步骤(404)将差分信号按照设定时间Δt分为N₀段，其中表示向下取整，每段时间Δt内包含F_S·Δt个差分信号；

接下来，上述步骤(405)～(407)主要是对差分信号进行分段并提取有效信号的过程，具体可通过图3所示的流程图来实现：

步骤2a：赋值k＝1，执行步骤2b；

步骤2b：根据下式计算RMS(k)：

$RMS\left(k\right)=\sqrt{\frac{1}{F_S·\Delta t}\underset{p=1}{\overset{F_S·\Delta t}{\Sigma }}|x_{1d}(F_S·\Delta t·(i-1)+p){|}^2},$

执行步骤2c；

步骤2c：赋值k＝k+1，执行步骤2d；

步骤2d：判断是否成立，若是返回步骤2b，否则执行步骤2e；

步骤2e：重新赋值k＝1，同时赋值M＝0，M用于对非零RMS(k)进行计数，执 行步骤2f；

步骤2f：判定RMS(k)<RMS0/n₀是否成立，n₀为设定数值，若是则执行步骤2g，否则执行步骤2h；

步骤2g：赋值RMS(k)＝0，执行步骤2i；

步骤2h：赋值M＝M+1，执行步骤2i；

步骤2i：赋值k＝k+1，执行步骤2j；

步骤2j：判断是否成立，若是，返回步骤2f，否则执行步骤2k；

步骤2k：根据下式求取所有RMS(k)的平均值Mrmsi：

上述步骤5具体为：

(501)获取步骤4中各段振动信号中故障信号的个数和对应的故障信号对应的时间，并对各段振动信号进行故障判定，分别确定各段振动信号所对应的各段线路上是否存在故障；

(502)若各段线路均无故障，则车轮踏面和各段线路的轨道均无故障；

若各段振动信号对应的线路中部分线路存在故障，则相应振动信号对应的线路的轨道存在故障；

若各段振动信号对应的线路中均存在故障，则车轮踏面或整个线路的轨道存在故障，进而通过人工排查进行确定，在人工排查时首先通过对列车进行检查，若车轮踏面没有故障，则确定整个线路的轨道上存在故障，进一步对轨道进行检查维修。

步骤(501)中对各段振动信号进行故障判定通过下述方式实现：获取待判定段振动信号中故障信号的个数N₁，判断N₁<n₂是否成立，若是则待判定段振动信号对应的线路上不存在故障，否则存在故障，其中n₂为待判定段振动信号对应的线路上的轨道接缝数与列车轮对数的乘积。

如图4所示为通过RMS(k)判定待判定段振动信号对应的线路是否存在故障的具体流程图：

执行步骤3a：赋值N₁＝0，k＝1，q＝1，其中N₁用来记录待判定段振动信号中故障信号的个数N₁，执行步骤3b；

步骤3b：判断RMS(k)>n₁·Mrmsi是否成立，其中n₁为设定数值，根据实际情 况进行设定，若是则执行步骤3c，否则执行步骤3d；

步骤3c：赋值N₁＝N₁+1，TOV(q)＝k*Δt，q＝q+1，其中TOV(q)用来存储第q个故障信号对应的时间，继续执行步骤3d；

步骤3d：令k＝k+1，执行步骤3e；

步骤3e：判断判断是否成立，若是，返回步骤3b，否则执行步骤3f；

步骤3f：判断N₁<n₂是否成立，若是则执行步骤3g，否则执行步骤3h；

步骤3g：待判定段振动信号对应的线路不存在故障，结束；

步骤3h：待判定段振动信号对应的线路存在故障，并输出各故障信号对应的时间值，结束。