（光学工程专业论文）车辆安全防范、预警系统中关键技术的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 安全是铁路永恒的主题。列车运行安全事故集中体现在辐板孔车轮崩裂、卸荷槽 车轴冷切、轴承热切轴事故。其中最典型的事故有轴承热切轴事故。目前国内外采用 的比较先进的“5 t ”系统就是针对以上故障问题而开发设计的防范、预警智能系统。 “5 t ”系统即：红外线轴温探测系统( 简称t h d s ) ，货车运行状态地面安全监测系统 ( 简称t p d s ) ，货车滚动轴承早期故障轨边声学诊断系统( 简称t a d s ) ，货车运行故 障动态图像检测系统( 简称t f d s ：) ，运行客车安全监控系统( 简称t c d s ) 。 该系统采用先进的检测技术手段，充分利用网络化、智能化和信息化技术，构筑 了一个防范措施直接有效、设备布局点线成网、数据共享上下交错、监测跟踪全程覆 盖的铁路货车安全防范体系，实现了地面设备对运行列车的动态监测、远程诊断、数 据集中、联网运行，使铁路安全防范由人控转向机控，由传统转向现代，由粗放管理 转向集约管理的历史性巨大转变，同时还为铁路货车制造和维修提供了大量数据信息， 从而提高了货车整体质量及维修效率。 本文通过对铁路安全形势进行分析，并且深入探讨了现行运用管理中存在的问题， 认真地对车辆安全防范、预警“5 t ”系统的关键技术进行了学习与使用，参与了昆明 铁路局“5 t ”防范、预警系统建设，旨在了解“5 t ”系统的原理与功能，进一步完善 防范、预警系统功能及运用管理制度，充分发挥在高速化铁路发展过程中保安全、保 运输的作用。 其次，本文基于对“5 t ”防：范、预警系统的学习，以轴承为对象，安装传感器采 集卡，搭建轴承检测试验台，模拟列车轴承磨损状况，采集不同工况下的数据，在时 域、频域及时频域进行特征值抽取，进而实现模式识别。在时域，抽取了时域信号的 峰值、方差、标准差、翘度系数等特征；在频域，通过傅里叶变换，抽取重心频率f c 、 均方频率m s f 、均方根频率r m s f 、频率方差v f 、频率标准差r v f ；窗口f o u r i e r 变换 对信号的频带划分是线性等间隔的。多分辨分析能对信号进行有效地时频分解，但由 于尺度是按二进制进行变换的，所以在高频段其频率分辨率较差，而且在低频段其时 间分辨率较差。实际工程问题中，为了更为精细的分解信号，对信号的高频部分进行 进一步的小波分解是必要的，因此在时频域特征抽取过程中，采用了现在信号分析过 程中比较常用小波包分析方法，得到不同时频空间中的特征值。最后运用人工神经网 西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 络( 本文采用b p 神经网络) 进行不同状态的模式识别，进而有效地确定出当前轴承所 处的运行状态。 最后，以获得的实验数据、经过分析得到的实验结果及研究经验，结合“5 t ”防 范、预警系统的具体执行操作过程，用理论知识指导具体的实践操作，更好的运用“5 t ” 防范、预警系统，让铁路运行变得更为安全。 关键词：“5 t ”系统动态监测声学摄像技术小波包人工神经网络 a bs t r a c t s a f e t yi sap e m a n e n tt h e m eo fr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n t h em a j o r t r a i n a c c l d e n t s ：e c r a c ki np l a t eh o l ei np l a t e ，c o l d c u t o fr e l i e fn o t c h ，t h e r m a lb r e a k a g e 。fb e a n n g l i l e t h e 眦a 1b r e a k a g eo fb e a r i n gi s t h em 。s tr e p r e s e n t a t i v e a c c i d e n ti nt h et r a i na c c i d e n t s t h e a d v a n c e d ”5 t ”i n t e l l i g e n tw 锄i n gs y s t e mi su s e d t om o n i t 。rt h et r a i ns t a t e s ，w h i c h 1 n c l u d i n g t r a c eh o t b o xd e t e c t i o ns y s t e m ，t r u c kp e r f o r m a n c e d e t e c t i o ns y s t e m ，t r a c k s i d e a c 。u ：t l c d e t e c t i o ns y s t e m ，t r o u b l e o fm o v i n gf r e i g h t c a rd e t e c t i o ns y s t e m ，t r a i n c o a c hn m n l n g 。w i mt h ew i t hi n t e l l i g e n c e ，i n f o r m a t i 。n a n dn e t w o r kt e c h n o l 。g y , t h e 5 ts y s t e mc a n e s t a b l i s har a i l w a yt m c ks e c u r i t y s y s t e mw h i c hh a y ead i r e c t a n de f ! i 、e c t i v ep r e v e n t l v e m e a s u r e ，an e t w o r ke q u i p m e n tl a y o u t ， a9 1 0 b a ld a t as h a r ec h a r m e l ，a n da 如1 1c 0 、：e r a g ： m 。n i t o r i n gs y s t e m t h e 5 ts y s t e ma c h i e v et h ed y n a m i cm 。n i t o n n 岛r e m o t ed i a 鼍( ：s l s 攀 n e t w o r k i n go p e r a t i o no ft h er u n n i n gt r a i nb yg r o u n d e q u i p m e m ，w h i c hr e a l i z et h e h i s t o r i c a ，l t r a n s f o m a t i o no fr a i l w a ys e c u r i t ys y s t e mc h a n g e f r o mm a n - c o n t r o l l e dt oc o m p u t e 心d ， f r o mt r a d i t i o nt om o d e m i z a t i o n ，a n df r o me x t e n s i v em a n a g e m e n t t oi n t e n s i v e m a n a g e m e n t m e a n v ，h i l e ，t h es y s t e mp r o v i d e s al a r g en u m b e ro fd a t a i n f o r m a t i o nf o rr a i l w a yt n 比皇 m a n u f a c t u r i n ga n dm a i n t e n a n c e ，w h i c hi m p r o v e t h eo v e r a l lq u a l i t ya n dr e p a l re f f i c i e n c yo t t h i sp a p e ra n a l y z e dt h er a i l w a ys e c u r i t ys i t u a t i o na n d d i s c u s s e dt h ee x i s t i n gp r o b l e m 8 i nt h ec u r r e n tm a l l a g e m e n t t h ek e y t e c h n o l o g yo f5 ts y s t e ma n d t r a i ns a f e t yw a sr e s e a r c n e d i no r d e rt o 吼d e r s t o 。dp r i n c i p l e s a n df u n c t i o n s 。ft h e5 ts y s t e ma n di m p r o v et h ee a r l y w 锄i n g 趾dm a n a g e m e n ts y s t e m ，a n5 tp r o j e c tw a sb u i l ti nk u m n i n gr a i l w a y a d i n l m s t r a t l o n ， w h i c hg i v e 鼬lp l a yt or o l eo fs a f e t ya n d t r 砒1 s p 。r ti nt h eh i g h 。s p e e dr a i l w a yd e v e l o p m e n t 1 s e c o n d ，t h i sp a p e ra c h i e v e d t h eb e a r i n gc o n d i t i o nm o n i t o r i n gb a s e d o nt h ek e y t e c h n o l o g yo f5 ts y s t e m ab e a r i n gm o n i t o r i n gt e s t b e dw a sb u i l ，w h i c hc a ns l m u l 缸e ，e b e a r i n 2w e a rc o n d i t i o no f t r a i n t h em o n i t o r i n gs i g n a l si nd i f f e r e n tc o n d i t i o n s c a nb eg o tb y t h es e n s o ra n dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m t h eb e a r i n g s t a t e sf e a t u r ei n f o m a t l o n c a nb e o b t a i n e db yt h ef - e a t u r ee x t r a c t i o nt ot i m ed o m a i n ，f r e q u e n c yd o m a i n a n dt l m e 。t r e q u e n c y d o m a i n t h eb e a r i n gs t a t e s c a nb ei d e n t i f i e db yt h ep a t t e r nr e c o g n i t i o n t o t h e 。b t a l _ e d f e a t u r e s t h ef e a t l 】r ei n f o r m a t i o ni nt i m ed o m a i n i n c l u d e sp e a k ，v a r i a n c e ，s t a n d a r dd e v i a t i o _ a n dk u r t o s i s a r e rt h ef f tt r a n s f o r m t ot i m ed o m a i ns i g n a l ，t h ef e a t u r e1 i l 士o m a t l o n m f r e q u e n c yd o m a i n c a i lb eg o t ，i n c l u d eg r a v i t yf r e q u e n c y ，m e a n - s q u a r e 矗e q u e n c y ，r o o t m e a n s q u a r ef r e q u e n c y ，v a r i a n c e 丘e q p e n c y a n ds t a n d a r dd e v i a t i 。nf r e q u e n c y 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1v 页 m u l t i r e s o l u t i o na n a l y s i sf o rs i g n a lt i m e - f r e q u e n c yd e c o m p o s i t i o ni se f f e c t i v e ，b u td u e t ot h et r a n s f o r m a t i o ni sa c c o r d i n gt ot h eb i n a r yc o n v e r s i o n ，s oi nh i g hf r e q u e n c yb a n dt h e f r e q u e n c yr e s o l u t i o ni sp o o r e r , a n d i nl o wf r e q u e n c yb a n dt h e t i m er e s o l u t i o ni sp o o r e r f a c e i n gt h ea c t u a le n g i n e e r i n gp r o b l e m s ，i no r d e rt om o r ee l a b o r a t ed e c o m p o s i t i o ns i g n a l ， t h a tt h eh i g hf r e q u e n c yp a r to fs i g n a lh a sb e e nf u r t h e rw a v e l e td e c o m p o s i t i o ni sn e c e s s a r y s oi nt h et i m ed o m a i na n df r e q u e n c yd o m a i nf e a t u r ee x t r a c t i o np r o c e s s ，t h i sp a p e ra d o p t e d t h ew a v e l e tp a c k e ta n a l y s ism e t h o dw h i c ha r ew i d e l yu s e di nt h ep r o c e s so fs i g n a la n a l y s i s n o wd a y s ，a tt h es a m et i m eg o tt h ef e a t u r eo fd i f f e r e n tt i m e f r e q u e n c ys p a c e l a s tt h r o u g h u s i n ga r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ( b a s e do nt h eb p n e u r a ln e t w o r k ) f o rd i f f e r e n ts t a t eo fp a t t e m r e c o g n i t i o n ，a n de f f e c t i v e l yi d e n t i f yt h er u n n i n gs t a t eo f t h eb e a r i n g f i n a l l y ，w i t ht h ea i do fe x p e r i m e n t a ld a t a ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dt h er e s e a r c ho f e x p e r i e n c e ，a n dc o m b i n a t i n gw i t ht h eo p e r a t i o np r o c e s so f ”5t ”p r e v e n t i o n ，e a r l yw a r n i n g s y s t e m ，a l lo f t h i sc o u l dr e s u l tt h a tb e t t e ru s eo f ”5t ”p r e v e n t i o n ，e a r l yw a r n i n gs y s t e m ，a n d l e tt h er a i l w a yo p e r a t i o nb e c o m em o r es a f e t y k e y w o r d s ：5 ts y s t e m ；d y n a m i cm o n i t o r i n g ；a c o u s t i cc a m e r at e c h n o l o g y ；w a v e l e tp a c k e t a n a l y s i s ；a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 第1 章绪论 1 1 铁路车辆知识 1 1 1 铁路货车的一般构造 货车按照用途可分为专用货车，通用货车及特种货车，无论哪种车辆，结构一般 都由以下五大部件组成：走行部( 也称转向架或台车) 、制动装置、车钩缓冲装置、 车体及车辆内部设备。 一、走行部 即支撑车体，承载车辆自重和载重，在钢轨上直接接触行驶的部分，是由两个或 两个以上轮对、构架、轴承装置、摇枕、基础制动装置和弹簧减震装置等配件构成的 一个独立结构，称为转向架n 1 。其中，轴承装置是保证车辆运行正常的重要部件。 二、制动装置 是使列车按运行需要进行减速或在规定的距离内停车的装置，有人力( 手、脚踏) 制动机、空气制动机和基础制动装置等，。 三、车钩缓冲装置 安装在底架中梁两端的牵引梁内，是连接车辆，传递牵引力，缓和列车运行冲击 力的装置，由缓冲器、车钩、丛板、钩尾销、钩尾框以及解钩装置等组成。 四、车体 车体一般由侧墙、端墙、底架和车顶等组成，是装载货物的部分瞳1 。 五、车辆内部设备 按照车辆的用途在车体内部安装的设施，如保温车的降温设备，家畜车的水箱等。 1 1 2 车辆主要部件 一、车轴 货车车轴有滑动轴承车轴和滚动轴承车轴，滚动轴承车轴构成如下：轴端螺栓孔、 轴端中心孔、轴颈、轴颈后肩、卸荷槽、防尘板座、轴身、轮座前肩、轮座后肩和轮 座构成。 二、轮对 轮对由两个相同型号、相同材质的车轮和一根车轴通过过盈配合而成。 一个完整的车轮分为轮缘、轮辋、轮毂、踏面、辐板组成，目前我国使用的均为 l m 型踏面车轮。 三、货车轮轴 当前我国铁路货车轮轴按轴重主要分为两大类：第一种是装用在7 0 吨及8 0 吨货 车上的2 5 吨轴重轮对，以r e 2 b 型为主；第二种是装用在6 0 吨货车上的2 1 吨轴重轮 对，即r d 2 型轮对。轮对的三大件即哺3 ： 1 车轮。当前使用货车车轮分为d 型轮和e 型轮，也可分为带辐板孔车轮( 8 4 0 d 型车轮) 和无辐板孔车轮( h d z b 、h d s a 、h d z d 、h e z d 、h e s a 型车轮) 。 2 轴承。货车滚动轴承主要由外圈、内圈、中隔圈、滚子、保持架、前盖、后档 及密封装置等组成。目前使用的货车轴承均采用工程塑料保持架，主要有3 0 型和2 6 型。3 0 型包括：3 5 3 1 3 0 a 、3 5 3 1 3 0 b 、t b u l 5 0 、t a r o l l 5 0 等；2 6 型包括：1 9 7 7 2 6 ，s k f l 9 7 7 2 6 、 3 5 2 2 2 6 x 2 2 r z 型等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 3 车轴。货车车轴按材质上分为4 0 钢和5 0 钢车轴；按结构上分为有卸荷槽和无 卸荷槽车轴；按轴重上分为2 1 吨及2 5 吨轴重车轴比。 1 1 3 车种车号 我国货车车种车号编码如下旧1 ： 表卜1 车种编码 车种代码：车种代码车种代码 棚车 p集装箱车 x水泥车u 敞车 c 矿石车 k 粮食车 l 平车 n 长大货物车 d 特种车 t 罐车 g 毒品车 w 守车 s 冷藏车 b 家畜车j 表1 - 2 车号编码范围 车种车号范围 车种车号范围 棚车 3 0 0 0 0 0 0 3 5 9 9 9 9 9毒品车8 0 0 0 0 0 0 8 0 0 9 9 9 9 敞车 4 0 0 0 0 0 0 4 8 9 9 9 9 9家畜车8 010 0 0 0 8 0 2 9 9 9 9 平车 5 0 0 0 0 0 0 5 0 9 9 9 9 9 水泥车 8 0 3 0 0 0 0 8 0 5 9 9 9 9 集装箱车 5 2 0 0 0 0 0 5 3 0 9 9 9 9粮食车 8 0 6 0 0 0 0 8 0 6 4 9 9 9 矿石车 5 5 0 0 0 0 0 5 5 319 9 9特种车8 0 6 5 0 0 0 8 0 7 4 9 9 9 长大货物车 5 6 0 0 0 0 0 5 6 9 9 9 9 9 守车 9 0 0 0 0 0 0 9 0 4 9 9 9 9 罐车 6 0 0 0 0 0 0 6 3 5 4 9 9 9 海南车 9 1 0 0 0 0 0 9 1 9 9 9 9 9 冷藏车 7 0 0 0 0 0 0 7 2 3 1 9 9 9 自备车0 0 0 0 0 01 2 9 9 9 9 9 9 1 1 4 货车转向架 货车转向架是支撑车体，并承担车辆走行任务的主要部分，是车辆的重要部件之 一，它的结构是否合理对于车辆的运行安全、振动性能和运用指标有很大的影响。常 用转向架类型有：转k 1 2 3 4 5 7 6 ，转8 a 8 a b 8 b 等口3 。 1 2 “5 t ”系统产生背景 1 。2 1 保障铁路运输安全的需要 安全是铁路永恒的主题。近几年货车轮轴发生的事故主要是：辐板孔车轮崩裂、 卸荷槽车轴冷切、轴承热切轴事故。其中最主要的事故原因就是轴承热切轴事故。传 统的人工静态检查模式已相当落后，已经无法保证列车运行安全。我国铁路经过六次 大提速后，客、货车运行速度提高，机车交路延长，周转时间减少，列检保证区段延 长，重载货物列车增多，使铁路运输安全保障工作更加困难。“5 t ”系统采用先进的 网络化技术，对运行中的列车进行动态监测，能够实时掌握列车运行状态。经过投入 大量的人力、物力研究，并通过使用检验证明：“5 t ”系统是一个行之有效的安全防 范措施，对确保列车运输安全起着非常重要的作用瞳1 。 1 2 2 国际安全形势发展的需要 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 当今世界正处在大发展大变革大调整时期。世界多级化、经济全球化深入发展， 科技进步日新月异，国际金融危机影响深远，世界经济格局发生新变化，国际力量对 比出现新态势，全球思想文化交流交融交锋呈现新特点，发达国家在经济、科技等方 面仍占优势，综合国力竞争和各种力量较量更趋激烈，不稳定不确定因素增多，给我 国发展带来新的机遇和挑战。铁路作为国家经济大动脉，运输安全的好坏不仅关系到 每个旅客的生命财产，还关系到铁路的声誉和经济效益，更直接影响到我国在国际上 的地位和竞争能力。我国铁路实行客货混行，提速重载并举，“5 t ”系统应运而生， 它立足于我国国情、路情，采用地对车、车对车等先进的动态监测技术，充分利用网 络化、智能化和信息化手段，体现出了我国在铁路运输安全方面所取得的优异成绩。旧。 1 2 3 提高运输效率的需要 铁路运输对于国民经济发展起着关键性的作用。为提高运输效率，采取了全面提 高列车运行速度，长交路运行，开行长大重载列车等措施。随着铁路运力逐年提高， 铁路运输高速发展，列车使用频率大幅增加，列车安全保障形势更加严峻。“5 t ”系 统的产生和使用，使列车不停车检查成为可能，大大缩短了检车时间，大幅度延长了 列车的安全保障距离，从而提高了运输效率。旧1 1 2 4 减轻列检人员作业负担的需要 “5 t ”系统中的t f d s 系统利用轨边高速摄像技术，实时在线监测通过货物列车， 采用图像智能辨别技术和人机分二 的方式检查货车隐蔽和常见故障，实现了列检作业 革命性的变革，体现了“以人为本”的科学理念。检车工作环境大大改善，从室外作 业转变为室内作业，减轻了列检人员劳动强度，压缩了技检时间，特别是对于新型车 辆结构，提高了列检人员检查的彻底性。使用该系统后，大大减少了现场作业人员， 提高了列检劳动生产率州。 1 3 “5 t 系统定义及功能 “5 t ”系统，即：红外线轴温探测系统( t h d s ) 、货车运行状态地面安全监测系 统( t p d s ) 、货车滚动轴承早期故障轨边声学诊断系统( t a d s ) 、货车运行故障动态 图像检测系统( t f d s ) 、运行客车安全监控系统( t c d s ) 。 该体系采用先进的技术手段，充分利用网络化。智能化和信息化技术，构筑了防 范措施直接有效。设备布局点线成网、数据共享上下交错、监测跟踪全程覆盖的铁路 货车安全防范体系，实现了地面设备对运行列车的动态监测、远程诊断、数据集中、 联网运行，使铁路安全防范由人控转向机控，由传统转向现代，由粗放管理转向集约 管理，同时还为铁路货车制造和维修提供了大量数据信息瞳川。 ( 1 ) 红外线轴温探测系统( t h d s ) 利用红外线轴温探测站安装于轨边的红外线探头，对通过车辆的每个轴承温度实 时检测，并将检测信息实时上传到局车辆运行安全监测中心，进行集中报警。通过配 套故障智能跟踪装置，实现列车车次、车号跟踪，热轴货车车号精确定位和热轴故障 的跟踪，防范热切轴事故。 ( 2 ) 货车运行状态地面安全监测系统( t p d s ) 利用轨道检测平台，通过对轮重和横向力的连续检测分析，建立综合评价方法， 可对货车运行状态( 如蛇形失稳) 、超偏载、轮对踏面故障等进行动态全面检测。防 范货车脱轨、踏面擦伤、剥离；防范货物超载、偏载等行车安全隐患，加大货车运行 安全监控力度，实现货车运行安全质量互控。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 ( 3 ) 货车滚动轴承早期故障轨边声学诊断系统( t a d s ) 采用轨边声学诊断技术，对运行货车滚动轴承的振动声音信号进行采集分析，建 立复杂的数学模型，判断轴承内套、外套、滚柱等故障并分级预报，从而在车辆轴承 故障还没有发展成为热轴前就能诊断出故障，做到轴承故障早期发现、早期预报，将 车辆轴承故障的防范关口前移一个阶段。 ( 4 ) 货车运行故障动态图像检测系统( t f d s ) 利用轨边高速数字摄像机( c c d ) 对运行货车进行动态检测，重点检测货车走行部、 制动梁、悬吊件、摇枕弹簧、大部件、车钩缓冲装置等安全关键部位。防范制动梁脱 落事故，防范摇枕、侧架、钩缓大部件裂损、折断，防范枕簧丢失、窜出等危及行车 安全事故。 ( 5 ) 运行客车安全监控系统( t c d s ) 通过车载系统对客车运行关键部位进行实时监测和诊断；通过无线、有线网络，将 监测信息向地面传输、汇总，形成实时的客车安全监控运行图，使各级车辆管理部门 及时掌控客车运行及安全情况。重点检测时速1 6 0 k m h 及以上客车轴温、制动系统、 转向架安全指标、火灾报警、客车供电、电器及空调系统运行安全情况。防范客车热 轴事故，防范走行部、制动部、供电、电器及空调故障。 1 4 “5 t ”系统国内外建设发展历程 1 4 1 国外研究发展历程 2 0 世纪8 0 年代，美国、澳大利亚、日本等国家铁路，研究通过声学诊断来检测运 行中车辆的轴承早期故障。一开始使用单个声学传感器采集轴承信号，再使用计算机 进行数据分析和处理，最终判断轴承状态；经过试验，发现采集的信号过短，判断的 准确性不高，于是在9 0 年代改用多个传感器声学阵列，并且计算机软件和硬件方面也 有了突破性的进展，到2 0 0 0 年后达到了实用程度。 2 0 世纪9 0 年代，美国研发了铁道车辆动力学检测设备，采用在钢轨上粘贴应变 片组成应变桥的测量方式，采集弯道上运行车辆的轮轨垂直力、横向力和车轮冲击角， 以此检测列车转向架的运行情况，识别问题转向架，以预防列车脱轨。该系统在北美 的一些铁路得到了应用。同时美国还研制出利用激光技术辅以图像处理技术，实现对 运行中的车辆进行图像采集，这套系统对及时发现故障和尺寸超限轮对及为轮对加工 量提供了数据，减少了列车出轨的风险率，这就是早期的t f d s 系统u 2 。1 5 0 。 1 4 2 国内“5 t 系统建设发展历程 2 0 世纪8 0 年代起，我国即开始了红外线轴温探测系统的研究，经过二十多年的发 展，该系统已趋于成熟，在防止车辆燃、切轴方面起到了关键性的作用。货车运行状 态地面安全检测系统即t p d s 系统于1 9 9 9 年在沪宁线安装了2 套进行试验运用，于2 0 0 1 年1 2 月通过产品鉴定；2 0 0 3 年在京沪线由单点的检测实现了多点联网( 当时有8 套) ， 利用该系统提供的信息，保障了京沪线行车安全并积累了丰富的经验，为后期5 t 系统 建设和信息整合奠定了基础。我国货车轴承目前全部采用滚动轴承，红外线轴温探测 系统只使用于轴承发热的故障轴承，1 9 9 7 年通过引进美国等国家的先进技术，利用声 学诊断技术来对早期故障轴承进行识别判断，起到了很好的作用。在2 0 0 0 年，武昌南 车辆段研制出了一种在线图像监测系统，即t f d s 的原型机。2 0 0 3 年底在大秦线将i 套t a d s 、2 套t p d s 、2 套t f d s 和既有的t h d s 进行联网运用试验，结果表明，上述安 全监测设备对保障大秦线运输安全发挥出了重要的作用。2 0 0 4 年上半年，为确保旅客 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 列车的绝对安全，决定建设客车运行安全监控系统即t c d s 。由此将“5 t ”系统正式命 名为：地对车安全监控系统u 。 截至2 0 0 9 年1 2 月底，全路共安装t h d s 设备4 8 7 2 套，t p d s 设备7 7 套，t a d s 设 备6 0 套，t f d s 设备2 0 8 套，t c d s 设备套。 1 5 模拟实验及现代信号分析方法 “5 t ”系统功能完善，但其深层次的故障原理及处理方法未曾知晓。为了更好的 学好、用好“5 t ”系统，通过搭建模拟实验台，模拟故障产生过程，研究故障发生的 机理，并采集原始信号，运用现代信号处理方法，对原始信号在时域、频域及时频域 进行多角度特征抽取，之后用人二 智能( a i ) 方法对研究对象进行磨损状态识别，从 而深入学习和掌握采集信号和处理信号的方法。 本文以铁路运行过程中故障出现率相对比较高的轴承为实验对象，安装传感器采 集卡，搭建轴承检测试验台，模拟列车轴承磨损状况，采集不同工况下的数据，在时 域、频域及时频域进行特征值抽取，进而实现模式识别。在时域，抽取了时域信号的 峰值、方差、标准差、翘度系数等特征；在频域，通过傅里叶变换，抽取重心频率f c 、 均方频率m s f 、均方根频率r m s f 、频率方差v f 、频率标准差r v f ；窗口f o u r i e r 变换 对信号的频带划分是线性等间隔的。多分辨分析能对信号进行有效地时频分解，但由 于尺度是按二进制进行变换的，所以在高频段其频率分辨率较差，而且在低频段其时 间分辨率较差。实际工程问题中，为了更为精细的分解信号，对信号的高频部分进行 进一步的小波分解是必要的，因此在时频域特征抽取过程中，采用了现在信号分析过 程中比较常用的小波包分析方法，得到不同时频空间中的特征值。最后运用人工神经 网络( 本文采用b p 神经网络) 进：行不同状态的模式识别，进而有效地确定出当前轴承 所处的运行状态。 最后，以获得的实验数据、经过分析得到的实验结果及研究经验，结合“5 t ”防 范、预警系统的具体执行操作过程，用理论知识指导具体的实践操作，为将来更好的 运用“5 t ”防范、预警系统做一些准备。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 曼曼曼曼曼曼曼曼曼量量曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼邑曼量曼皇量曼量曼曼曼曼曼曼曼曼曼置曼曼曼曼曼曼皇皇曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼量曼曼曼曼曼曼曼曼曼i 曼曼曼曼曼曼曼 第2 章“5 t 系统分类说明 2 1 红外线轴温探测系统( t h d s ) 在可见光谱红色光的外端有看不见的光线存在，并具有热效应，称为红夕h 线或红 外辐射。自然界中任何物体，只要它本身具有一定温度，高于绝对温度零度( _ - 1 2 7 3 1 6 度) ，都能辐射红外线1 。利用红外线技术设计出的红外线探头，安装于轨边，对通 过车辆的每个轴承温度进行实时的非接触式检测，由车号采集系统精确定位，通过网 络技术将检测信息实时上传到局车辆运行安全监测中心，进行集中预报，以实现避免 发生热切轴事故的目的。通过多年的实践表明，它是一套行之有效的先进的安全保障 系统，为我国铁路运输安全生产做出了突出的贡献。 2 1 1t h d s 结构图 图2 1 红外轴温探测系统网络基本框架 图2 - 2 红外轴温探测网络构成示例 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 1 2t h d s 工作原理 孰边设备车轮传吕器 要罡睦盛暑 处监别中心显 示耜螫磊蹬 图2 3 红外线轴温探测设备 2 1 2 1 探测流程 红外线轴温探测系统( t h d s ) 一以环温或选定的参照温度为基准，利用安装于轨边 的红外线探头中的红外线探测器( 或称红外元件) 捕捉通过车辆轴承或轴箱辐射的红 外能量，并将其转换为相应的电压信号。轴承( 箱) 表面的温度越高，其红外辐射的 能量也越高，红外探头输出的相应电压值也越高，从而达到实时检测每个通过车辆的 轴承温度和发现热轴的目的，检测信息实时上传到局车辆运行安全监测站，进行集中 报警。通过配套故障智能跟踪装置( 车号采集系统) ，实现列车车次、车号跟踪，热 轴货车车号精确定位和热轴故障的跟踪，防范热切轴事故7 1 。 2 1 2 2 热轴波形的形成及采集 一、t h d s a 型探测站室外轨边双探 生 “，j ：芝篓 i 陌 附、鲨 i 溪、璧： f 鬻! 罗7 一8 “溱 醚鬻；魏、蒸豳 薹藿+ 瀵 黧i 慧 蓊 鬻鋈 蘩霪 鬻 4 号醯钢 隧i2 。i 鎏烹 j 号磁铜 2 号照钢 ， 一_ m 1“。m t # 一煺。萨巍麓群囊戆鍪鬻戮秽紫激。： ii i 裁翻霜。簟。jc i 黪壤一鬟i i 蒸蓼一嚣溱! 图2 4 探测站室外轨边双探 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 内探探测角度 探头光学中心距轨内侧2 6 5 + l o m m ，靶牌校准点距轨内侧2 6 5 l o m m 靶牌校准点距 轨面高度5 4 0 + _ 5 0 r a m 。元件中心距钢轨内测2 6 5 5 m m ，水平夹角为零度。扫描曲线为 滚动轴承底部，两副保持架中心位置，波形顶部比较平直，宽约1 0 至1 4 点。对于内 探角度探测的某些货车1 、3 轴，由于挡键遮挡的缘故，故波形的顶部宽度较窄( 约为 标准波形的一半) ，此类波形属于正常波形。 图2 - 5内探探测角度 外探探测角度：探头光学中心距轨内侧4 1 0 _ + l o m m ，靶牌校准点距轨内侧3 7 5 l o m m ， 靶牌校准点距轨面高度5 4 0 5 0 m m 。 标准的货车滚动轴承波形 图2 - 6 外探探测角度 图2 7 标准的货车滚动轴承波形 舀先扫描车底架5 6 个点，扫描轴承轴径1 5 1 6 个点，接着扫描车底架9 1 3 点，标准的货车滚动轴承波形大致上左右对称，前沿部分大约为1 至3 点， 尾部大约为3 至5 点，为波形平项属轴承热区部分。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 图2 - 8 底架 4 8 辆彳i1 轴溜波形l 常 图2 - 9 有挡键轴温波形图 车型与热轴探测 客车：普通客车因轴承带有轴箱盖，外探探侧效果并不好，采用内探可以照到轴 承的下面中间位置，效果比较好。 一些特殊的车型对探测角度有要求： 动车：个别车型轴承下面有遮挡，探测不到温度。所以内探效果不好。 集装箱运输车( 如x l k ) ：轴箱下面有遮挡，内探照不到轴承。因此宜采用外探。 罐车、无车底板的平车等：外探会收到阳光干扰，宜采用内探。 带挡键的车型：转k 2 ，转k 4 ，转k 6 等转向架的车型，通常在1 、3 轴上有挡键，个 别车在2 、4 轴上挡键有遮挡。会部分遮挡内探探头的照射，所以最好是双角度探测。 不会漏探，兑现率也高u 8 。别。 2 1 2 3 环境对热轴的影响 轮对踏面损伤的影响 红外线预报的热轴中有约一半以上有踏面损伤问题，说明存在踏面损伤的货车， 发生热轴预报的几率就会增大，换言之，踏面损伤是轴承故障的重要原因之一。轮对 踏面损伤不仅会造成红外线预报热轴数量增加，更为严重的是会造成轴承故障，甚至 热切。2 0 0 7 年2 月2 8 日1 8 ：0 0 至3 月3 1 日1 8 ：0 0 ，t p d s 全路联网数据表明，在1 6 3 9 6 5 辆踏面损伤货车中，同一轮对两侧踏面同时损伤货车为1 2 0 0 7 辆，单侧踏面损伤货车 为1 5 1 9 5 8 辆，单侧踏面损伤货车占损伤总数的9 3 。瞳 匹南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 例如：乌鲁木齐铁路局大步下行统型设备热轴预报与t p d s 数据关联分析： 表2 - i大步下行统型设备热轴预报与t p d s 数据关联分析 探测站名预报等级内探温升外探温升环温平均速度设备状态 了墩最大值4 7 一6 6 4 i k m h正常 红柳最大值 3 7 一4 6 1 9 k m h正常 大步强热 4 3 7 4 一4 6 4 6 k m h正常 该车在t p d s 系统中曾多次预报擦伤，跟踪情况如表2 2 所示： 表2 - 2 该车在t p d s 系统中曾多次预报擦伤的跟踪情况 序号局别探潮站遁过时问系统车次辅序鳇别方冉 速度( k m l l l 报警信息 r 1乌局 大步下行 2 0 0 9 11 - 3 01 ：0 4t h6 2 13 5 兰新线下行 6 4 强热 2乌局 黄芦岗 2 0 0 9 - 11 - 2 919 ：2 1 3t p6 2 13 5 兰新线下行 7 0 路面损伤3 3 兰局滔泉2 0 0 9 1 1 2 72 1 ：2 ：2t p2 9 0 171g 兰新线下行 4 5 路面损伤3 4 兰局千武 2 0 0 9 11 2 75 ：4 1 t p2 3 0 2 12 1千武线 下行 4 9 路面损伤3 5 兰局自由路 2 0 0 9 11 - 2 418 ：4 ：3 t p4 5 5 1 14 1兰新线下行5 5 路面损伤3 6 兰局自由路 2 0 0 9 11 - 2 316 ：3 rt p3 10 0 3 5 0兰新线下行3 4 路面损伤3 7兰局 自由踌 2 0 0 9 - 11 - 195 ：2 2t p15 兰新线下行 4 0 路面损伤3 8西局 霉口 2 0 0 9 - 1 1 186 ：16t p1 10 5 315 陇海线下行7 6路面损伤3 9 西局 新丰镇 2 0 0 9 - 11 - 710 ：0 3t p8 7 0 0 47 陇海线上行 6 4 路面损伤3 10 西局新筑 2 0 0 9 1 1 10 ：0 5 t p3 上行 5 3 路面损伤3 11 兰局嘉峪关 2 0 0 9 10 2 99 ：3 9t p1 10 2 2 2 1 兰新线上行 3 5 踏面损伤3 12乌局 黄芦岗 2 0 0 9 - 10 - 162 2 ：17t p1 10 3 92 兰新线下行6 7路面损伤3 13 兰局 滔泉 2 0 0 9 10 167 ：2 0t p1 10 3 912 兰新线下行 5 0 路面损伤3 14兰局千武2 0 0 9 1 0 152 1 ：16t p”0 3 912 千武线下行 5 5 路面损伤3 15 兰局自由路 2 0 0 9 - 10 812 ：3 1 t p8 7 0 3 53 5 兰新线下行 4 1 路面损伤3 分析认为：该热轴为正常预报，轴承发热是由于轮对擦伤引起。 超偏载的影响 绝大多数超载、偏载货车平均温升高于正常装载货车；约6 0 的偏重货车平均温升 高于正常装载货车。分析结论：货车超偏载会造成轴承温升升高，加速轴承的失效， 因此，杜绝货车超偏载，就会降低热轴的概率，热轴预报数量就会相应降低，需要进 行停车检查的数量就会相应降低。 环温的影响 春季和冬季的误拦率非常高，这是因为春季和冬季的环温比较低( 一般在1 0 以 下) ，系统在进行温升计算时，计算结果相对较高，如当绝对温度为6 0 时，若环温 为2 5 ，则温升为3 5 ；若环温为5 。c ，则温升为5 5 ；而在红外线热判模型中，温 升是一个比较重要的评判指标，当温升较高时，就会报出较高的热级。分析结论：红 外线热判模型中应绑定环温进行热级预报，当环温低于1 0 。c ，特别是低于o c 时，应 弱化温升比较，强化绝对温度的比较，就会大幅降低误拦误甩。2 别 2 i 2 4 轴承故障分析 滚动轴承在运转过程中可能会由于各种原因引起损坏，如装配不当、润滑不良、 水分和异物侵入、腐蚀和过载等都可能会导致轴承过早损坏。心3 1 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 即使在安装、润滑和使用维护都正常的情况下，经过一段时间运转，轴承也会出 现疲劳剥落