使用历史温度数据的铁路机车和动车组转向架轴承在线监测方法

摘要

本发明公开了一种使用历史温度数据的铁路机车和动车组转向架轴承在线监测方法，该方法包括建立历史温度数据库、更新历史温度数据库以及根据历史温度数据库判断多个测点位中的一个对应的轴承的状况。该方法对典型工况下轴承的历史温度进行累积并更新，可以更科学、可靠地获得轴承状况的诊断结果。

说明书

技术领域

本发明涉及一种轴承监测系统，更具体地，涉及一种使用历史温度数据的铁路机车和动车组转向架轴承在线监测专家系统。

背景技术

机车转向架轴承监测系统是专门针对转向架轴承(包括电机轴承、抱轴箱轴承、轴箱轴承等)、通过采集各部位轴承的温度和冲击振动信息，对轴承状态进行实时监测的车载系统。

如图1所示(以六轴机车为例)，机车转向架轴承在线监测系统由中央处理平台、主机监测板卡、数据前置处理器、温度振动复合传感器或(和)温度传感器及连接线组成。其中，主机监测板卡是机车走行部故障监测系统的主要部件，能够实时采集被监测对象的状态数据，进行在线监测诊断，并完成集中显示、报警和数据记录等功能；数据前置处理器安装于机车转向架上，介于系统主机模块与传感器之间，完成信息的预处理及总线传输；温度振动复合传感器或/和温度传感器安装于各部位轴承座上，实现故障冲击、温度两个物理量的复合监测。

如何对相关数据进行分析判断，通过技术手段和相关规则提取出能够反应轴承状态的特征值，进而对机车走行部安全状况作出综合判断，达到故障报警的目的，并避免机车带故障运行，保证机车运行安全，是机车转向架轴承监测系统的核心技术。

目前机车转向架轴承监测系统温度报警方式主要有两种：

1、绝对值报警方式：指某轴承位置的传感器采集到的温度大于90℃时，监测系统发出报警。2、温升报警方式：指某轴承位置的传感器采集到的温度值比参考温度值高55K时，监测系统发出报警。

现有解决铁路机车和动车组转向架轴承在线监测问题的技术方案还存在以下技术问题：

1、在绝对值报警方式中，受到环境温度、机车车型等因素的影响，故障轴承测点温度没有达到绝对值报警的条件，进而导致轴承故障的漏报。

2、在温升报警方式中，比较方式是轴承测点温度与位置不同的环境温度相比，由于车速、电机通风状况等外在因素的影响，导致了轴承故障的漏报。

3、目前的在线判断方式均为利用一个统一的标准评价所有车辆，而没有根据每辆车的运用工况不同以及车辆自身状态进行比较判断。

发明内容

本发明提出了一种使用历史温度数据的铁路机车和动车组转向架轴承在线监测方法，该方法包括以下步骤：

建立用于存储特定车速V和特定环境温度T_环下多个测点位中的每一个对应的轴承历史温度数据和历史温度均值的历史温度数据库，多个测点位中的每一个包括与机车转向架对应的轴号和位号；

周期地更新历史温度数据库，当在一个更新周期内多个测点位中的每一个对应的轴承均无故障时，获取所述一个更新周期内的环境温度t_环、车速v以及多个测点位中的每一个对应的轴承的温度t_更新，使用温度t_更新更新所述一个更新周期内的环境温度t_环和车速v对应的特定环境温度T_环和特定车速V下的多个测点位中的每一个对应的轴承的历史温度数据和历史温度均值；和

在一个温度循环采集周期中，比较多个测点位中的一个对应的轴承的温度t_i与历史温度数据库中存储的与被比较的测点位对应的历史温度均值，并根据比较的结果判断被比较测点位对应的轴承的状况。

在本发明的一个示例性实施例中，温度循环采集的周期为2秒。

在本发明的一个示例性实施例中，历史温度数据库包括多个特定环境温度T_环中的每一个与多个特定车速V组成的多个组合，其中建立历史温度数据库的步骤包括：

获取多个测点位中的每一个对应的轴承运行正常的一个更新周期内的环境温度t_环、车速>建表；

分别比较采集到环境温度t_环与多个特定环境温度T_环、车速v与多个特定车速V，以确定最接近且大于采集到环境温度t_环的特定环境温度T_环以及最接近且大于采集到的车速v的特定车速V；

将采集到的温度t_建表存储到通过上述比较确定的特定环境温度T_环和特定车速V对应的组合；

计算多所述对应的组合中多个测点位中的每一个对应的轴承的历史温度均值；和记录更新对应的组合中的温度数据的次数S。

在本发明的一个示例性实施例中，历史温度数据库的更新包括以下步骤：

在多个测点位中的每一个对应的轴承运行正常的一个更新周期内，获取环境温度t_环、车速v以及多个测点位中的每一个对应的轴承的温度t_更新；

获取与环境温度t_环和车速v对应的多个组合中的一个，称为匹配组合；和使用温度t_更新更新温度匹配组合中的历史温度均值，公式如下：

在本发明的一个示例性实施例中，在多个组合中的每一个中：

存储R个更新周期中采集的多个测点位中的每一个对应的轴承的温度数据，并且当 S＝R+i时，用第S次记录的温度数据覆盖温度历史数据库中的第i个数据。

在本发明的一个示例性实施例中，R的取值在[90，100]之间。

在本发明的一个示例性实施例中，判断轴承的运行状况的步骤包括：

获取环境温度t_环、车速v以及多个测点位中的一个对应的轴承的温度t_测；

确定与环境温度t_环和车速v对应的多个组合中的一个，称为温度监测匹配组合；和

比较温度t_测与温度监测匹配组合中与多个测点位中的所述一个对应的轴承对应的历史温度均值Z，根据t_测-Z的值判断：

如果在连续W个温度循环采集周期内t_测-Z的值均小于第一历史温度阀值，则判定轴承正常；

如果在连续W个温度循环采集周期内t_测-Z的值在第一历史温度阀值与第二历史温度阀值之间，则发出温度预警；

如果在连续W个温度循环采集周期内t_测-Z的值在第二历史温度阀值与第三历史温度阀值之间，则发出I级温度报警；以及

如果在连续W个温度循环采集周期内t_测-Z的值均超过第三历史温度阀值，则发出II级温度报警。

在本发明的一个示例性实施例中，W≥3。

在本发明的一个示例性实施例中，该方法还包括：存储出现温度预警、I级温度报警或者II级温度报警时的温度数据。

在本发明的一个示例性实施例中，更新周期为1天。

本发明根据铁路机车和动车组转向架轴承的特点提出了使用温度历史比较法判断轴承状况，对机车在典型工况下的历史温度数据进行累积并更新，使诊断结果更加科学可靠。

附图说明

图1为根据本发明一个示例性实施例的使用历史温度数据的铁路机车和动车组转向架轴承在线监测方法所使用的机车转向架轴承在线监测系统的组成示意图；和

图2为图1中所示的机车转向架轴承在线监测系统中传感器的安装位置示意图。

具体实施方式

下文将以铁路机车转向架轴承为例说明本发明提出的使用历史温度数据的铁路机车和动车组转向架轴承在线监测方法

详细说明本发明提出的使用历史温度数据的铁路机车和动车组转向架轴承在线监测方法之前需要指出的是，在本发明的一个示例性实施例中采用《机车车载安全防护系统(6A系统) 机车走行部故障监测子系统一技术条件》中规定的轴位号以及传感器的安装位置的编号方式。如图2所示，轴位号用两位数字表示传感器在机车测点安装位置上的位置坐标，第一位(十位) 表示轴号；第二位(个位)表示位号，0位固定为表示温度传感器；轴号从司机室I开始计算；位号从靠近齿轮箱端轴箱开始计算，以半悬挂单齿轮结构为例，每轴6个测点位，从齿轮箱所在端开始，依次为：1位：齿端轴箱轴承座；2位：齿端电机轴承座；3位：齿端抱轴轴承座；4位：非齿端抱轴轴承座；5位：非齿端电机轴承座；6位：非齿端轴箱轴承座。

对于机车转向架的异轴同位轴承，其受载与结构基本相同，并且当机车被分配到某个路局后，其运营路线及环境条件基本不会有较大变化，同一轴承的温度及振动数据也相差不大。基于机车及其转向架轴承的上述特点，本发明提出的根据温度历史比较法计算得到的温度预警/报警结果和振动预警/报警结果具有可靠性。温度历史比较法是指根据计算多个测点位中的一个对应的轴承在连续多个温度采集周期中的温度与特定环境中的历史温度阀值的差值来判断轴承的状况，其中历史温度阀值是在多次采集多个测点位中的每一个对应的轴承的温度数据的基础上计算得到的相应轴承的温度数据，可以表征历史上多个轴承中的每一个运行正常的情况下的各轴承的温度临界值。根据温度历史比较法的比较结果作出轴承正常、温度预警或者不同级别的温度报警的判断。

本发明公开的使用历史温度数据的铁路机车和动车组转向架轴承在线监测方法包括以下步骤。

主机监测板卡周期性对各前置处理器准备好的温度数据进行循环采集，例如以2s为周期进行循环采集，并将采集到的各测点位温度数据存于表1。例如，N₁指第2S时采集的多个测点位中的每一个对应的轴承的温度数据。温度数据按照表1进行循环存储。在本实施例中，存储连续36个更新周期中采集的温度数据，即，在第36个的更新周期中采集的数据存储到>36后，第37个更新周期中采集的温度数据覆盖N₁。这样，自动累积并更新温度数据可以充分考虑机车及服役工况的动态门槛值数据，避免一刀切的单一判据，提高报警的准确性和科学性。

判断周期温度数据温度数据温度数据温度数据温度数据温度数据1N₁N₂N₃N₄N₅N₆2N₇N₈N₉N₁₀N₁₁N₁₂3N₁₃N₁₄N₁₅N₁₆N₁₇N₁₈4N₁₉N₂₀N₂₁N₂₂N₂₃N₂₄5N₂₅N₂₆N₂₇N₂₈N₂₉N₃₀6N₃₁N₃₂N₃₃N₃₄N₃₅N₃₆

表1：温度数据存储表

建立用于存储特定车速和特定环境温度下多个测点位中的每一个对应的轴承的历史温度数据和历史温度均值的历史温度数据库，并且周期地更新历史温度数据库。当在一个更新周期内多个测点位中的每一个对应的轴承均无故障时，获取所述一个更新周期内的环境温度、车速以及多个测点位中的每一个对应的轴承的温度数据，使用该工况下的温度数据更新所述一个更新周期内的环境温度和车速对应的特定环境温度和特定车速下的多个测点位中的每一个对应的轴承的历史温度均值。在每一个温度循环采集周期中，比较多个测点位中的一个对应的轴承的温度与历史温度数据库中存储的与该测点位对应的轴承的历史温度均值，并根据比较结果判断被比较的测点位所安装的轴承的状况。

在本发明的一个实施例中，历史温度数据库包括多个特定环境温度T_环中的每一个与多个特定车速V组成的多个组合。建立历史温度数据库包括以下步骤。

获取多个测点位中的每一个对应的轴承运行正常的一个更新周期内的环境温度t_环、车速>建表。分别比较采集到环境温度t_环与多个特定环境温度T_环、特定车速v与多个特定车速V，以确定最接近且大于采集到环境温度t_环的特定环境温度T_环以及最接近且大于采集到的车速v的特定车速V。在本发明的一个实施例中，当采集到的环境温度t_环小于或等于特定环境温度T_环±1℃时，可以认为t_环≤T_环；当采集到的车速v小于或等于特定车速V±1km/h时，可以认为v≤V。将采集到的温度t_建表存储到与通过上述比较确定的特定环境温度T_环和特定车速V对应的组合。记录向该组合中更新温度数据的次数S。

以下为根据本发明一个示例性实施例的建立历史温度数据库的方法。

建立历史温度数据库并以表格显示特定环境温度中的每一个与特定车速的多个组合，如表2所示，其中针对每个特定环境温度和特定车速的组合存储连续100个更新周期内采集的温度数据，其中未显示每个组合中多个测点位中的每一个对应的轴承的温度数据。

表2：历史温度数据表

表2中每格信息存储特定速度、特定环境温度下多个测点位中的每一个对应的轴承的历史温度均值，以及在计算该历史温度均值之前的温度数据更新次数S。例如Z₁₁＝[Z₁₁₁、>112...Z_abc...Z₁₆₅、Z₁₆₆、N₁₁]，其中，a表示该历史温度均值在历史温度数据表中的行数，>111表征车速为20km/h、环境温度为-50℃的工况下1轴1位轴承的历史温度均值，Z₁₁₂表征该工况下1轴2位轴承的历史温度均值，Z₁₆₅表征该工况下6轴5位轴承的历史温度均值，N₁₁表征该工况下对Z₁₁的更新次数S。

历史温度数据库的更新包括以下步骤。

在一个更新周期内，获取环境温度t_环、车速v以及多个测点位中的每一个对应的轴承的温度t_更新。获取与环境温度t_环和车速v对应的多个组合中的一个，称为温度匹配组合。使用温度t_更新更新温度匹配组合中的历史温度均值，更新公式为：

以下为根据本发明一个示例性实施例的更新历史温度数据库的方法。在第i个更新周期内，1轴1位满足车速在19至21km/h、环境温度在-49至-51℃的条件下的最高温度为t₁₁₁，对Z₁₁进行更新，求解公式如下：

其中，Z₁₁₁⁺代表更新后的1轴1位轴承的历史温度均值；z₁₁₁代表更新前的1轴1位轴承的历史温度均值；N₁₁代表更新前速度为20km/h，环温在-50℃的数据更新次数；t_111-i代表在第>11自动加1，完成对Z₁₁的更新。

进一步地，在多个组合中的每一个中：存储R个更新周期中采集的多个测点位中的每一个对应的轴承的温度数据，并且当S＝R+i时，用第S次采集的温度数据覆盖历史温度数据库中的第i个数据，优选地，R’在[90，110]之间。即，在温度历史比较法中自动积累并更新典型工况下正常运行的轴承的历史温度数据，提高振动报警的准确性和科学性。下面以1轴1位轴承在特定车速为20km/h，特定环境温度为-50℃的情况为例，当采集次数达到第101次时， 1轴1位的轴承的历史温度均值Z₁₁₁的求解公式如下：

式中，Z₁₁₁⁺代表更新后的1轴1位轴承的历史温度均值；Z₁₁₁代表更新前的1轴1位轴承的历史温度均值；t_111-101代表第101次更新周期内上述工况下的1轴1位轴承的最高温度。

当第102次出现上述工况时，则覆盖第2次数据，利用第3次到第102次的温度均值，作为历史判据实现温度的在线诊断。

根据本发明的一个示例性实施例，根据历史温度数据判断轴承运行状况的方法包括以下步骤。

在一个温度循环采集周期内，获取环境温度t_环、车速v以及多个测点位中的一个对应的轴承的温度t_测。获取与环境温度t_环和车速v对应的特定环境温度和特定车速的多个组合中的一个，称为温度监测匹配组合。比较温度t_测与温度监测匹配组合中与多个测点位中的所述一个对应的轴承的历史温度均值Z，根据t_测-Z的值判断：如果在连续W个循环周期内t_测-Z的值均小于第一历史温度阀值，则判定轴承正常；如果在连续W个循环周期内t_测-Z的值在第一历史温度阀值与第二历史温度阀值之间，则发出温度预警；如果在连续W个循环周期内t_测>测-Z的值均超过第三历史温度阀值，则发出II级温度报警。

在本发明的一个实施例中，连续采集的循环周期个数W≥3，以保证判断的准确性。

在本发明的一个实施例中，第一历史温度阀值、第二历史温度阀值和第三历史温度阀值的取值可以参考机车运行的具体地理位置的环境温度或者海拔高度等因素确定上述阀值。例如，对于运行在中国东北地区的机车，可以选择第一历史温度阀值为8℃、第二历史温度阀值为10℃以及第三历史温度阀值15℃；对于运行在中国南部地区的机车，可以选择第一历史温度阀值为10℃、第二历史温度阀值为12℃以及第三历史温度阀值17℃。

以下为使用表2所示的历史温度数据库判断轴承状况的方法的示例性实施例。

在一个温度循环采集周期内，车速为v km/h、环境温度为t_环℃(环境温度取该温度循环采集周期内的两个温度测点的均值)，轴承温度为t_i时，根据历史温度表找出区间v∈[v₁，v₂]、>环∈[t₁，t₂]，如表3所示。根据就近原则，例如v更加靠近v₁，t_环更加靠近t₁，则将t_i与T₁进行比较。若在连续W个(例如，3个)温度循环采集周期内对于某一测点位的轴承的温度>i均有t_i-T₁＜T_{第一历史温度阀值}，则判定轴承正常，同时存储该温度循环采集周期内的多个轴承的温度数据；如在连续3个循环采集周期内对某一测点位的轴承的温度t_i均有T_{第一历史温度阀值}＜t_i-T>第二历史温度阀值，则发出温度预警；若在连续3个温度循环采集周期内对某一测点位的轴承的温度t_i均有T_{第二历史温度阀值}＜t_i-T₁＜T_{第三历史温度阀值}，则发出I级温度报警；若连续3个温度循环采集周期内对某一测点位的轴承的温度t_i均有t_i-T₁＞T_{第三历史温度阀值}，则发出II级温度报警。

表3：车速环境温度表

由上述说明可以知道，本发明提出的使用温度历史比较法判断机车轴承的运行状况的方法为不同工况下的机车建立可靠的历史温度数据库，并且自动更新典型工况下正常运行的温度数据，给当前轴承的运行状况的判断提供可靠的判断标准，提高了报警的准确性和科学性。

在本发明的一个实施例中，当出现温度预警、I级温度报警或者II级温度报警时，存储相应的温度数据，即冻结报警时的故障数据，这样既保存了报警前的各种故障数据，又不会在正常工况下产生大量的无用数据。

尽管对本发明的典型实施例进行了说明，但是显然本领域技术人员可以理解，在不背离本发明的精神和原理的情况下可以进行改变，其范围在权利要求书以及其等同物中进行了限定。