一种轨道交通转轴碰磨故障的冲击诊断方法

摘要

一种轨道交通转轴碰磨故障的冲击诊断方法，属于运动机械装备安全监控技术领域。若转轴上转动部件和固定部件间存在碰磨故障，说明旋转部件工况可能失衡，久而久之易引发相关部件严重故障，同时该碰磨类故障频率和转子转频同频，易引发误诊为转子上它类同频部件的故障，严重影响故障诊断系统的报警准确性。本发明分析了转轴碰磨故障冲击信息所独特的时域波形特征和频谱特征，利用该特征设计了对该类故障的识别方案，并准确计算碰磨故障程度，实现了对转轴碰磨故障监测、报警和适时提出准确的维修建议，及时防止该类故障冲击对机车、车辆的危害。

说明书

技术领域

本发明属于运动机械装备安全监控技术领域，具体涉及一种轨道交通车轴上或电机轴上转动部件和静止部件之间碰磨故障的冲击诊断方法。

技术背景

轨道交通车辆的车轴上或电机轴上的转动部件和静止部件间的碰磨故障是旋转机械中决不允许的故障。若转动部件和静止部件间存在碰磨故障，一定程度上说明旋转部件工况可能失衡，久而久之将引发相关部件发生严重事故，由于该碰磨类故障的特征频率和转子转动频率同频，易误诊为转动部件上它类同频故障，严重影响故障诊断系统的报警准确性。例如机车车轮轴箱位置金属密封叠环与轴箱外端盖间发生碰磨，其故障频率和车轮踏面故障同频，容易误报为踏面类故障。因此需要及时对转轴碰磨故障加以识别、区分，及时防止故障诊断系统因将碰磨故障误报为其他故障而导致错误维修，同时提醒关注转轴动静件间存在碰磨故障，防止扩展为事故。

转轴碰磨类故障源于一类非常复杂的动力学问题，一方面是旋转机械种类多、结构差异大，另一方面碰磨过程是一种典型的非光滑表面之间的、强非线性的滑动摩擦问题，涉及的系统维数高、系统参数多。目前大多数研究是基于经典模型，研究一个或少数几个参数对碰磨响应行为的影响，为碰磨相关理论研究提供了非常有价值的信息。关于转轴碰磨类故障诊断特别是在线实时诊断，在现有的技术中，多应用振动信息检测与诊断方式，其难点是难于从振动信号中提取有效信息，同时也难以区分转动部件上其它类和碰磨故障同频的故障类，以致无法分别采取相应的维修措施和防范事故的措施。

为了解决区分碰磨类故障与其他转子类故障的难题，本发明提出了下述的一种轨道交通转轴碰磨故障的冲击诊断方法。

发明内容

本发明提出一种轨道交通转轴碰磨故障的冲击诊断方法，检测包含转轴中转动部件和静止部件间碰磨引发的摩擦冲击，经过共振解调及跟踪采样后获取到冲击单样本信息，所要重点解决的技术问题是：提取故障冲击单样本所含的、由于碰磨而产生的、独特的时域波形特征和频谱特征，建立一种轨道交通转轴碰磨故障的冲击诊断方法。

一般情况下，轨道交通车辆的车轴或电机轴上转动部件和静止部件间具备设计间隙，在正常运行状态下不会发生碰磨。但若存在装配误差或长期应用中存在变形引起相对于设计间隙盈余量不足，则车辆在运动状态下，转动部件可能因外部激励而与静止部件间发生接触再弹开的碰磨现象。碰磨较轻时一般表现为单处轻微摩擦，严重时可能发展为多处较强烈的摩擦。

在发生碰磨的过程中，转动部件和静止部件在接触时刻因存在相对速度差而发生动摩擦，在整个摩擦时间段内引发连续的摩擦冲击，摩擦冲击连续程度及冲击强度，随发生摩擦时候摩擦件表面的粗糙程度、相对运动速度和摩擦件间的压力、润滑等因素相关。该连续的摩擦冲击信号经共振解调及采样后形成冲击单样本数据，其时域特征表现为一次碰磨事件对应的冲击簇波形前沿较陡峭、中空、有拖尾且整簇波形较光滑。这是因为：碰磨一旦发生，便出现连续、高频、强度相差不大的冲击簇，使得带宽有限的共振解调输出不能形成对应各次冲击的独立解调波，而是一波未尽二波又起，以致形成一簇居高不下的、峰值起伏很小的、波峰圆润的、中空的波形。

利用有限元仿真软件，建立简易转轴碰磨理论模型，给转轴施加300r/min的转速边界条件，同时设置轴沿着垂直方向与转速同频的振动，使得轴每旋转一周与固定部件碰磨一次。从获取到的冲击加速度信号中提取60000个数据点(采样频率为60kHz、采样时间为1s)，经MATLAB处理后得到碰磨冲击信号仿真数据如图1所示，其中第一个转动周期的局部展开图如图2所示，可以明显观察到一次碰磨事件中摩擦冲击连续情况及冲击幅值变化情况。将冲击加速度信号经共振解调及采样后，获取到冲击单样本如图3所示，其中第一个转动周期的局部展开图如图4所示，表现为一次碰磨事件中时域波形特征表现为前沿较陡峭、中空、有拖尾且整体较光滑。

转轴碰磨故障冲击频率和轴转频同频，其频谱特征与轴转频、一个旋转周期中发生碰磨的次数以及每次碰磨的位置相关，总体而言频谱特征表现为轴转频谱线及其高阶突出。一个旋转周期中存在一处碰磨冲击如图5所示，一个旋转周期中存在两处碰磨冲击且碰磨点并非对称分布(3点均布但缺少1点)如图6所示，其频谱特征均表现轴转频或其高阶谱线突出。

本发明是通过如下方式实现的：

一种轨道交通转轴碰磨故障的冲击诊断方法，使用冲击信息采集系统进行信号的采集和共振解调，获得冲击单样本数据；冲击信息采集系统包括安装在车轮轴上的转速传感器，安装在车轴或者电机轴轴承座上检测振动冲击的复合传感器和在线监控装置；在线监控装置与各传感器连接，采用转速跟踪方式，采集各传感器所测信号并进行共振解调变换之后的冲击信息，形成冲击单样本数据，冲击单样本数据经下述轨道交通转轴碰磨故障的冲击诊断方法识别，再综合决策输出报警信息。其中，轨道交通转轴碰磨故障的冲击诊断方法，含有如下步骤：

步骤一，对转轴运转X转时采集冲击共振解调信息的数据长度为N₀的冲击单样本数据X₀，经快速傅里叶变换获取频谱Y，进行下一步；

步骤二，依据轴转频率、冲击单样本数据长度N₀以及冲击单样本数据采样频率计算与轴转频率同频故障的特征谱号P，搜索频谱Y中以特征谱号P为1阶谱线的前N阶谱线PN＝{h*P|h＝1,2,…,N}，式中N≥3，若PN谱线的幅度是包含在频谱Y中前30个极大值之内，则进行下一步，否则退出；

步骤三，将冲击单样本数据X₀按照旋转周数划分成X个区间，取前Z＝INT(X)个区间，搜索每个区间的最大SV值，定义Z个最大SV值之均值为时域的均大值JD，定义冲击单样本数据X₀的平均值为时域的均值YD，如果单样本时域均大值和均值的比值不低于5，即JD/YD≥5，则进行下一步，否则退出；

步骤四，对长度为N₀的冲击单样本数据X₀进行左右n点平滑，其中N₀>n≥4,得到单样本平滑数据X₁，从X₁的前Z个周期中每个周期获取前m大幅值对应的数据点，其中m≥5，则一个单样本中共获取到N_W＝m*Z个数据点，形成集合W＝{W₁₁,W₁₂…W_1m,W₂₁,W₂₂…W_2m,…,W_Z1,W_Z2…W_Zm}，其中W_i1,W_i2…W_im表示X₁的第i个周期中前m大幅值点，进行下一步；

步骤五，对X₀进行左右k点平滑，其中n>k≥1，得到数据X₂，依据步骤四中W记录的N_W个数据点，对应从冲击单样本数据X₀中获取到N_W个数据值形成集合X_W0＝{X₀(i)|i∈W}，同时对应从X₂中获取到N_W个数据值形成集合X_W2＝{X₂(i)|i∈W}，以X_W0各数值为真实值，计算X_W2相对于X_W0每个对应点间的相对误差之和的均值若XD<0.073，则判定为碰磨故障，否则，判定为其他转子类故障，进行下一步；

步骤六，利用P号谱线前N阶谱线中的最大幅值决策单样本报警级别。

进一步，所述对转轴运转X转时采集冲击单样本数据X₀的长度N₀，至少为含有X≥5的数据长度，最佳为含有X为整数的数据长度。

进一步，步骤二中，依据轴转频率、冲击单样本数据长度N₀以及冲击单样本数据采样频率计算与轴转频率同频故障的特征谱号P，其具体方法是：定义轴转频率fz以及采样频率fs，则特征谱号P＝fz/(fs/N₀)。

进一步，步骤四中所述对长度为N₀的冲击单样本数据X₀进行左右n点平滑得到数据X₁，其具体方法是：首先将X₀进行左n点平滑得到y，即通过式计算得到y，计算过程中j<1的时候对应X₀的值采用0补充。然后将y进行右n点平滑得到最终结果X₁，即通过式计算得到X₁，计算过程中j>N₀的时候对应y的值采用0补充。

进一步，步骤六中所述利用P号谱线前N阶谱线中的最大幅值决策单样本报警级别的具体方法是：根据P号谱线前N阶谱线中的最大幅值通过在线监控装置计算故障诊断级差DB值；当DB大于或等于限制值的时候则发出报警，所述限制值的规定为：预警限制值54dB，一级报警限制值60dB，二级报警限制值66dB。

所述在线监控装置为现有车载监控装置(如北京唐智科技发展有限公司生产的车载监控装置)，用于采集各传感器所测信号并进行共振解调变换之后的冲击信息，以及根据谱线幅值计算故障诊断级差值。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

本发明所提出的“一种轨道交通转轴碰磨故障的冲击诊断方法”能准确的发现转轴碰磨故障，并能准确的测定转轴碰磨故障程度。对轨道交通当前多发的转轴碰磨故障实现及时发现故障、找到引发故障的原因、实时采取监控对策等方面实现技术突破。为我国走在世界前列的轨道骄傲同装备技术更加健康地发展、更加可靠的运行和创造向全球推广的经济效益保驾护航。

附图说明：

图1是转轴碰磨冲击信号仿真图；

图2是转轴碰磨冲击信号第一个转动周期局部展开图；

图3是转轴碰磨冲击单样本仿真图；

图4是转轴碰磨冲击单样本第一个转动周期局部展开图；

图5是转轴一个旋转周期中存在一处碰磨冲击的频谱特征图；

图6是转轴一个旋转周期中存在两处碰磨冲击的频谱特征图；

图7是某车型齿端轴箱位置金属密封叠环结构示意图及局部放大图；

图8是金属密封叠环碰磨冲击引发踏面一级误报警图；

图9是金属密封叠环碰磨故障正确识别并在报警上给出‘迷宫’标志图；

图10是金属密封叠环、测速齿盘齿面碰磨故障正确识别并在报警上给出‘迷宫’标志图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细的描述。

实施例1：诊断某台车3轴车轮轴箱金属密封叠环(即迷宫圈)碰磨故障。

某台车车轮齿端轴箱位置有接地碳刷装置，在运行过程中接地碳刷因正常磨损产生粉末。为了防止粉末进入轴箱体1轴承2，在轴箱外端盖3与轴承压盖4之间装有两件金属密封叠环5，即迷宫圈，具体方法是以胀紧方式安装在外端盖3的内圆柱面之沟槽内，其结构示意图及局部放大图如图7所示。运行过程中若存在金属密封叠环5碰磨故障，则其故障冲击频谱特征表现为踏面故障频谱特征一致，易引发“踏面故障”误报警。

在机车运行过程中，3轴1位轴箱位置振动冲击复合传感器采集到的冲击单样本数据显示，存在明显的轴转碰磨信息，后期经拆解确认是金属密封叠环存在碰磨故障。在未添加该转轴碰磨故障识别方法前，发出错误的踏面一级报警，如图8所示。

在添加该转轴碰磨故障识别方法后，准确识别出金属密封叠环5碰磨信息，并在报警前面添加‘迷宫’特殊标志。依据该算法编制的软件对冲击单样本的详细识别流程如下：

首先，与碰磨故障同频的踏面故障冲击频谱特征明显，踏面故障谱线至少前三阶突出，即该3阶谱线的幅度是包含在频谱Y中前30个极大值之内，符合步骤2的判定限制条件；

其次，单样本时域均大值是2959.29、均值是396.13，则均大值/均值是7.47大于5，符合步骤3的判定限制条件；

最后，单样本相对误差均值0.0064远低于0.073门限值，符合步骤5的判定限制条件。

软件识别出碰磨故障，利用与其同频的踏面故障谱线及高阶中幅值最大者计算故障诊断级差值，得到61dB，并在“诊断结论”栏的报警级别“一级”之前添加“迷宫”标识，如附图9所示。

实施例2：诊断某台机车4轴车轮轴箱金属密封叠环及测速齿盘碰磨故障。

在机车运行过程中，4轴1位轴箱位置振动冲击复合传感器采集到的冲击单样本数据显示，存在明显的轴转碰磨信息，后期经拆解确认是金属密封叠环侧面存在磨损，且测速齿盘齿面上有磨损。在添加该车轮踏面多边形失圆故障识别方法后，准确识别出金属密封叠环碰及测速齿盘碰磨信息，并在报警前面添加‘迷宫’特殊标志。

依据该算法编制的软件对冲击单样本的详细识别流程如下：

首先，与碰磨故障同频的踏面故障冲击频谱特征明显，踏面故障谱线至少前三阶突出，即该3阶谱线的幅度是包含在频谱Y中前30个极大值之内，符合步骤2的判定限制条件；

其次，单样本时域均大值是1731.02、均值是196.77，则均大值/均值是8.80大于5，符合步骤3的判定限制条件；

最后，单样本相对误差均值0.069低于0.073门限值，符合步骤5的判定限制条件。

软件识别出碰磨故障，利用与其同频的踏面故障谱线及高阶中幅值最大者计算故障诊断级差值，得到57dB，并在“诊断结论”栏的报警级别“预警”之前添加“迷宫”标识，如附图10所示。