一種基于時間與空間連續的車輪踏面與軌道故障檢測方法

一種基于時間與空間連續的車輪踏面與軌道故障檢測方法
【專利摘要】本發明涉及一種基于時間與空間連續的車輪踏面與軌道故障檢測方法，該方法包括如下步驟：(1)在待檢測軌道路段的軌道軌腰處鋪設用于空間和時間均連續的振動信號檢測和傳輸的振動檢測傳感器；(2)列車行駛在待檢測軌道路段時按設定采樣頻率采集步驟(1)中振動檢測傳感器檢測的振動信號并保存；(3)將保存的振動信號按照總的采集時間平均分成N段；(4)分別對每段振動信號進行故障診斷，獲取每段振動信號中的故障信號并記錄故障信號對應的時間；(5)根據每段振動信號中的故障信號分布情況判斷車輪踏面或軌道故障情況。與現有技術相比，本發明具有檢測精度高、布設方便、可行性高等優點。
【專利說明】
一種基于時間與空間連續的車輪踏面與軌道故障檢測方法
技術領域
[0001] 本發明涉及一種車輪踏面與軌道故障檢測方法，尤其是涉及一種基于時間與空間 連續的車輪踏面與軌道故障檢測方法。
【背景技術】
[0002] 列車運行過程中，軌道線路與列車的輪對踏面都有可能出現擦傷或異物，造成擦 傷的主要原因是由于列車運行的制動或空轉打滑而使車輪踏面與軌道間發生摩擦。輪對或 軌道擦傷的部位或存在的異物在列車行駛時產生沖擊，可能引起列車軌道系統的耦合振 動，危及行車安全。
[0003] 目前對于軌道線路與輪對踏面的故障檢測主要還是分開檢測，而沒有一種能夠對 輪對踏面與線路的故障進行統一檢測的系統和方法。分開檢測不僅耗費了更多的人力物 力，而且檢測的效率較為低下。
[0004] 常見的踏面故障檢測方法是使用加速度傳感器。但點狀分布的加速度傳感器在長 距離檢測時就會使安裝過程過于繁瑣。
[0005] 現有檢測方法是軌道線路與車輪分開檢測。檢測軌道線路主要依靠軌道探傷車與 人工檢修。檢測車輪分為地面檢測與車載檢測兩類。地面檢測多應用加速度傳感器，其成本 較高，點狀鋪設的特點可能導致漏檢;車載檢測多應用測力輪對與軸箱加速度測量兩種方 法，其布線較為復雜。

【發明內容】

[0006] 本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種基于時間與空 間連續的車輪踏面與軌道故障檢測方法。
[0007] 本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：
[0008] -種基于時間與空間連續的車輪踏面與軌道故障檢測方法，該方法包括如下步 驟：
[0009] (1)在待檢測軌道路段的軌道軌腰處鋪設用于空間和時間均連續的振動信號檢測 和傳輸的振動檢測傳感器；
[0010] (2)列車行駛在待檢測軌道路段時按設定采樣頻率采集步驟（1)中振動檢測傳感 器檢測的振動信號并保存；
[0011] (3)將保存的振動信號按照總的采集時間平均分成N段；
[0012] (4)分別對每段振動信號進行故障診斷，獲取每段振動信號中的故障信號并記錄 故障信號對應的時間；
[0013] (5)根據每段振動信號中的故障信號分布情況判斷車輪踏面或軌道故障情況。
[0014] 所述的振動檢測傳感器包括感應式光纖。
[0015] 所述的步驟(4)中對每段振動信號進行故障診斷具體為：
[0016] (401)獲取相應的振動信號x( i)，i = 1，2~FS ? To，其中Fs為采樣頻率，To為該段振 動信號對應的總時長；
[0017] (402)對振動信號進行差分得到差分信號X1d(j)，j = l，2."(Fs.T『l);
[0018] (403)求取差分信號絕對值的均方根值RMS0:
[0020] (404)將差分信號按照設定時間At分為No段：
，其中[_」表示向下取 整；
[0021] (405)分別求取No段差分信號中各差分信號的絕對值的均方根值RMS(k)，其中k = 1，2."N〇;
[0022] (406)對于k=l，2".N〇,依次判定RMS(k)〈RMSO/n〇是否成立，其中no為設定數值，若 是則對應的RMS(k)為無效信號，令對應的RMS(k)=0,否則RMS(k)為有效信號，保留對應的 數值；
[0023] (407)對于k = l，2，"N〇,求取所有非零RMS(k)的平均值Mrmsi;
[0024] (408)對于k=l，2."N〇,分別判斷RMS(k)>m ? Mrmsi是否成立，其中m為設定數值， 若是，則判定為故障信號，同時進行故障信號計數并記錄該故障信號對應的時間，否則不做 任何操作；
[0025] (409)統計所有故障信號的個數。
[0026]所述的步驟(5)具體為：
[0027] (501)獲取步驟(4)中各段振動信號中故障信號的個數和對應的故障信號對應的 時間，并對各段振動信號進行故障判定，分別確定各段振動信號所對應的各段線路上是否 存在故障；
[0028] (502)若各段線路均無故障，則車輪踏面和各段線路的軌道均無故障；
[0029] 若各段振動信號對應的線路中部分線路存在故障，則相應振動信號對應的線路的 軌道存在故障；
[0030] 若各段振動信號對應的線路中均存在故障，則車輪踏面或整個線路的軌道存在故 障，進而通過人工排查進行確定。
[0031] 步驟(501)中對各段振動信號進行故障判定通過下述方式實現:獲取待判定段振 動信號中故障信號的個數Ni，判斷NKm是否成立，若是則待判定段振動信號對應的線路上 不存在故障，否則存在故障，其中n 2為待判定段振動信號對應的線路上的軌道接縫數與列 車輪對數的乘積。
[0032] 與現有技術相比，本發明具有如下優點：
[0033] (1)本發明采用在軌道上可以連續鋪設的振動檢測傳感器，實現振動信號在空間 位置和時間上均連續的檢測，對振動檢測傳感器檢測的信號進行處理分析，提取有效故障 信息，實現故障的診斷以及故障來源的判斷，改變了傳到軌道與車輪踏面分開檢測的方式， 本發明的檢測方法中的振動檢測傳感器的布設方便，提高了可行性；
[0034] (2)本發明采用兩段時間上連續的振動信號，分別對兩段振動信號進行差分、提取 有效信號，進而判定故障信號，最后通過兩段振動信號中故障信號的分布情況進行軌道和 車輪踏面故障的判斷，能夠提高判斷準確性，為軌道交通車輛的安全運行提供保證；
[0035] (3)本發明的故障檢測方法簡單、易于實現。
【附圖說明】
[0036] 圖1為本發明故障檢測方法的總體流程圖；
[0037] 圖2為本發明求取差分信號并得到所有差分信號絕對值的均方根值的具體流程 圖；
[0038] 圖3為本發明對差分信號進行分段并提取有效信號的具體流程圖；
[0039] 圖4為本發明通過RMS(k)判定待判定段振動信號對應的線路是否存在故障的具體 流程圖。
【具體實施方式】
[0040] 下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。
[0041 ] 實施例
[0042] 如圖1所示，一種基于時間與空間連續的車輪踏面與軌道故障檢測方法，該方法包 括如下步驟：
[0043] 步驟1:在待檢測軌道路段的軌道軌腰處鋪設用于空間和時間均連續的振動信號 檢測和傳輸的振動檢測傳感器，該實施例中振動檢測傳感器采用感應式光纖，該發明中振 動檢測傳感器不局限于感應式光纖，凡是能夠連續鋪設的且能連續檢測振動信號的振動檢 測傳感器均可作為本發明的振動檢測傳感器來使用；
[0044] 步驟2:列車行駛在待檢測軌道路段時按設定采樣頻率采集步驟1中振動檢測傳感 器檢測的振動信號并保存；
[0045] 步驟3:將保存的振動信號按照總的采集時間平均分成N段，N可以根據實際情況而 定，本實施例中N取2;
[0046] 步驟4:分別對各段振動信號進行故障診斷，獲取每段振動信號中的故障信號并記 錄故障信號對應的時間；
[0047] 步驟5:根據各段振動信號中的故障信號分布情況判斷車輪踏面或軌道故障情況。
[0048] 所述的步驟4中對每段振動信號進行故障診斷具體為：
[0049] (401)獲取相應的振動信號奴1)，1 = 1，2~？^1'〇，其中？3為采樣頻率，1'()為該段振 動信號對應的總時長；
[0050] (402)對振動信號進行差分得到差分信號X1d(j)，j = l，2"_(Fs*T〇-l);
[0051 ] (403)求取差分信號絕對值的均方根值RMS0:
[0053] (404)將差分信號按照設定時間At分為No段，其中L」表示向下取 整；
[0054] (405)分別求取No段差分信號中各差分信號的絕對值的均方根值RMS(k)，其中k = 1，2."No;
[0055] (406)對于k=l，2."N〇,依次判定RMS(k)〈RMSO/n〇是否成立，其中no為設定數值，若 是則對應的RMS(k)為無效信號，令對應的RMS(k)=0,否則RMS(k)為有效信號，保留對應的 數值；
[0056] (407)對于k = l，2"_N〇,求取所有非零RMS(k)的平均值Mrmsi;
[0057] (408)對于k=l，2."N〇,分別判斷RMS(k)>m ? Mrmsi是否成立，其中m為設定數值， 根據實際情況進行設定，若是，則判定為故障信號，同時進行故障信號計數并記錄該故障信 號對應的時間，否則不做任何操作；
[0058] (409)統計所有故障信號的個數。
[0059]上述步驟(401)~（403)主要是對振動信號的放大得到差分信號并得到所有差分 信號絕對值的均方根值，具體可采用圖2中的流程圖來實現：
[0060]首先執行步驟la:獲取相應的振動信號x(i)，i = l，2~FS ? To,執行步驟lb;
[0061] 步驟lb:賦值j = l，執行步驟lc;
[0062]步驟lc:根據下式計算差分信號Xld(j)，執行步驟Id;
[0064] 步驟Id:賦值j = j+1，執行步驟le;
[0065] 步驟le:判斷j<Fs ? To-l是否成立，若是返回步驟lc，否則執行步驟If;
[0066]步驟If:求取差分信號絕對值的均方根值RMS0。
[0067]步驟(404)將差分信號按照設定時間A t分為No段 ，其中U表示向 下取整，每段時間At內包含Fs* At個差分信號；
[0068]接下來，上述步驟(405)~(407)主要是對差分信號進行分段并提取有效信號的過 程，具體可通過圖3所示的流程圖來實現：
[0069] 步驟2a:賦值k = l，執行步驟2b;
[0070] 步驟2b:根據下式計算RMS(k):
[0072]執行步驟2c;
[0073] 步驟2c:賦值k = k+l，執行步驟2d;
[0074] 步驟2d:判_
是否成立，若是返回步驟2b，否則執行步驟2e;
[0075] 步驟2e :重新賦值k= 1，同時賦值M = 0，M用于對非零RMS(k)進行計數，執行步驟 2f；
[0076] 步驟2f:判定RMS(k)〈RMSO/n〇是否成立，no為設定數值，若是則執行步驟2g，否則執 行步驟2h;
[0077] 步驟2g:賦值RMS(k) =0,執行步驟2i ;
[0078] 步驟2h:賦值M=M+1，執行步驟2i ;
[0079] 步驟2i :賦值k = k+l，執行步驟2j ;
[0080] 步驟2j:判斷
是否成立，若是，返回步驟2f，否則執行步驟2k;
[0081 ] 步驟2k:根據下式求取所有RMS(k)的平均值Mrmsi :
[0083] 上述步驟5具體為：
[0084] (501)獲取步驟4中各段振動信號中故障信號的個數和對應的故障信號對應的時 間，并對各段振動信號進行故障判定，分別確定各段振動信號所對應的各段線路上是否存 在故障；
[0085] (502)若各段線路均無故障，則車輪踏面和各段線路的軌道均無故障；
[0086] 若各段振動信號對應的線路中部分線路存在故障，則相應振動信號對應的線路的 軌道存在故障；
[0087] 若各段振動信號對應的線路中均存在故障，則車輪踏面或整個線路的軌道存在故 障，進而通過人工排查進行確定，在人工排查時首先通過對列車進行檢查，若車輪踏面沒有 故障，則確定整個線路的軌道上存在故障，進一步對軌道進行檢查維修。
[0088] 步驟(501)中對各段振動信號進行故障判定通過下述方式實現:獲取待判定段振 動信號中故障信號的個數Ni，判斷NKm是否成立，若是則待判定段振動信號對應的線路上 不存在故障，否則存在故障，其中n 2為待判定段振動信號對應的線路上的軌道接縫數與列 車輪對數的乘積。
[0089] 如圖4所示為通過RMS(k)判定待判定段振動信號對應的線路是否存在故障的具體 流程圖：
[0090]執行步驟3a:賦值Ni = 0，k=l，q=l，其中Ni用來記錄待判定段振動信號中故障信 號的個數見，執行步驟3b;
[OO91]步驟3b:判斷RMS(k)>m ? Mrmsi是否成立，其中m為設定數值，根據實際情況進行 設定，若是則執行步驟3c，否則執行步驟3d;
[0092] 步驟3c:賦值見=見+1，T0V (q) = k* A t，q = q+1，其中T0V (q)用來存儲第q個故障信 號對應的時間，繼續執行步驟3d;
[0093] 步驟3d:令k = k+l，執行步驟3e;
[0094] 步驟3e:判斷判斷
是否成立，若是，返回步驟3b，否則執行步驟3f;
[0095]步驟3f:判斷NKn2是否成立，若是則執行步驟3g，否則執行步驟3h;
[0096] 步驟3g:待判定段振動信號對應的線路不存在故障，結束；
[0097] 步驟3h:待判定段振動信號對應的線路存在故障，并輸出各故障信號對應的時間 值，結束。
【主權項】
1. 一種基于時間與空間連續的車輪踏面與軌道故障檢測方法，其特征在于，該方法包 括如下步驟： (1) 在待檢測軌道路段的軌道軌腰處鋪設用于空間和時間均連續的振動信號檢測和傳 輸的振動檢測傳感器； (2) 列車行駛在待檢測軌道路段時按設定采樣頻率采集步驟（1)中振動檢測傳感器檢 測的振動信號并保存； (3) 將保存的振動信號按照總的采集時間平均分成N段； (4) 分別對每段振動信號進行故障診斷，獲取每段振動信號中的故障信號并記錄故障 信號對應的時間； (5) 根據每段振動信號中的故障信號分布情況判斷車輪踏面或軌道故障情況。2. 根據權利要求1所述的一種基于時間與空間連續的車輪踏面與軌道故障檢測方法， 其特征在于，所述的振動檢測傳感器包括感應式光纖。3. 根據權利要求1所述的一種基于時間與空間連續的車輪踏面與軌道故障檢測方法， 其特征在于，所述的步驟(4)中對每段振動信號進行故障診斷具體為： (401)獲取相應的振動信號奴1)，1 = 1，2-？^1'〇，其中？3為采樣頻率，1'()為該段振動信 號對應的總時長； ^(^對振動信號進行差分得到差分信號咖⑶一二^…沾·！^); (403) 求取差分信號絕對值的均方根值RMSO:(404) 將差分信號按照設定時間At分為No段，，其中L」表示向下取整； (405) 分別求取No段差分信號中各差分信號的絕對值的均方根值RMS (k)，其中k=l，2··· No； (406) 對于k=l，2."N〇,依次判定RMS(k)〈RMSO/n〇是否成立，其中no為設定數值，若是則 對應的RMS (k)為無效信號，令對應的RMS (k) = 0，否則RMS (k)為有效信號，保留對應的數值； (407) 對于k=l，2，"N〇,求取所有非零RMS(k)的平均值Mrmsi; (408) 對于k=l，2…No,分別判斷RMS(k)>m · Mrmsi是否成立，其中ηι為設定數值，若 是，則判定為故障信號，同時進行故障信號計數并記錄該故障信號對應的時間，否則不做任 何操作； (409) 統計所有故障信號的個數。4. 根據權利要求1所述的一種基于時間與空間連續的車輪踏面與軌道故障檢測方法， 其特征在于，所述的步驟(5)具體為： (501) 獲取步驟(4)中各段振動信號中故障信號的個數和對應的故障信號對應的時間， 并對各段振動信號進行故障判定，分別確定各段振動信號所對應的各段線路上是否存在故 障； (502) 若各段線路均無故障，則車輪踏面和各段線路的軌道均無故障； 若各段振動信號對應的線路中部分線路存在故障，則相應振動信號對應的線路的軌道 存在故障； 若各段振動信號對應的線路中均存在故障，則車輪踏面或整個線路的軌道存在故障， 進而通過人工排查進行確定。5.根據權利要求4所述的一種基于時間與空間連續的車輪踏面與軌道故障檢測方法， 其特征在于，步驟(501)中對各段振動信號進行故障判定通過下述方式實現:獲取待判定段 振動信號中故障信號的個數他，判斷NKm是否成立，若是則待判定段振動信號對應的線路 上不存在故障，否則存在故障，其中11 2為待判定段振動信號對應的線路上的軌道接縫數與 列車輪對數的乘積。
【文檔編號】G01N29/04GK105929025SQ201610398343
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年6月7日
【發明人】張濟民, 周和超, 汪樂涵, 陳昊然, 張帆舟
【申請人】同濟大學