（载运工具运用工程专业论文）基于轴箱谱的轨道短波不平顺识别方法研究.pdf

韭塞銮通太堂亟堂焦逾塞虫塞撞要 中文摘要 摘要：随着行车速度的提高，轨道短波不平顺对轮轨动作用力的影响，成为 快速，高速线路十分重要的问题。而当前的传统轨道检测方法、专用的轨道检测 车、轻型轨道不平顺检测小车等不太适应高速高密度线路的频繁测量，因此，需 要研究其它检测轨道短波不平顺的辅助手段。 本文首次将机械故障诊断理论运用于轨道短波不平顺诊断识别的领域，提出 了基于轴箱谱的轨道短波不平顺识别方法。与目前各国从位移角度检测轨道不平 顺方法的不同，此方法从频率的角度来检测分析轨道短波不平顺。 课题的研究目的是：通过对轴箱加速度信号的处理和分析总结出信号特征和 相应轨道短波不平顺状态的对于关系，即利用轴箱加速度信号识别轨道短波不平 顺类型和状态。 本文基于系统动力学理论，建立了谐波型不平顺模型、集总参数的简单轮轨 模型和引入轨道不平顺的轮轨模型，推导了谐波型轨道不平顺频率与轴箱加速度 频率的相等关系；同时运用信号处理理论，对实验数据迸行预处理、滤波器滤波 处理和比较识别。从理论计算和实验数据处理两方面证明了：轨道出现短波不平 顺故障将导致轴箱加速度信号的变化，运用基于轴箱谱的轨道短波不平顺识别方 法，实现对波形磨耗、焊缝凹陷、轨枕空吊等类型的轨道短波不平顺状态的识别 是可行的。 关键词：故障诊断；轨道短波不平顺；轴箱谱；轮轨模型；检测系统；滤波器 分类号： a b s t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h ei n c r e a s eo f r u n n i n g 叩c c d ，t h ei n f l u e n c eo f t h es h o r tw a v e t r a c ki r 】e g u l a r i 虹舔o nd y n a m i ca c t i o nb e t w e e nw h e e la n dr a i lb c c , o m eav e r yi m p o r t a n t p r o b l e mo nh i 曲s p e e dr a i ll i n e s t h ec u r r e n tm e t h o d so f t r a c km e a s u r e m e n ta l et h e w , g l i t i o n a lm e a s u r e m e n lt h et r a c ki n s p e c t i o no a ra n dl i g h td u t ym o t o rt r o l l e y t h e ya r e n o tv e r ys u i t a b l ef o rf r e q u e n tm e a s u r e m e n to i lh i g hs p e e da n dh i g hd e n s i t yl i n e s s o ，t h e r e s e a r c ho f o t h e rs u p p l e m e n t a r ym c o x i sf o ri n s p e c t i o no f s h o r tw a v et r a c ki r r e g u l a r i t yi s n e e d e d i nt h i sp a p e r , t h em e c h a n i c a lf a u l td i a g n o s i st h e o r yi sa p p l i e dt ot h ef i e l do f s h o r t w a v et r a c ki r r e g u l a r i t yr e c o g n i t i o nf o rt h ef i r s tt i m e n 坨s h o r tw a v et r a c ki r r e g u l a r i t y r e c o g n i t i o nm e t h o db a s e do na x l e b o xs p e c t r u mi sp r o p o s e d 1 1 1 i sm e t h o di sf r o mt h e a n g l eo f t h e 疳e q u e n c yf o rt h ei n s p e c t i o no f s h o r tw a v et r a c ki r r e g u l a r i t y , w h i c hi s d i f f e r e n tf r o mt h ea n g l eo f t h ed i s p l a c e m e n ta d o p t e db yv a r i o u sc o u n t r i e sn o w t h e p u r p o s eo f t h es t u d yi st os u m m a r i z es i g u a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h es t a t eo f c o r r e s p o n d i n gs h o r tw a v e t r a c ki r r e g u l a r i t yt h r o u g ht h ep r o c e s s i n ga n da n a l y s i so f a x l e b o xa c c e l e r a t i o n t h a ti st or e c o g n i z et h et y p ea n ds t a t eo f s h o r tw a v et r a c k m e g u l a r i t yu t i l i z i n ga x l e b o xa c c e l e r a t i o n h a r m o m ci r r e g u l a r i t ym o d e l ，p a r a t n c t e rl u m p e ds i m p l ew h e o l - t r a c km o d e la n d w h e e l - t r a c km o d e la f t e ri n t r o d u c i n gt r a c ki r r e g u l a r i t ya i ee s t a b l i s h e db a s e do nd y n a m i c s i nt h ep a p e r a n dt h ee q u a lr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ef r e q u e n c yo f h a r m o n i ci r r e g u l a r i t y a n dt h ef r e q u e n c yo f a x l e b o xa c c e l e r a t i o ni sd 。d u c e d s i m u l t a n e o u s l y , t h ep r e p r o c e s s i n g , f i l t e rp r o c e s s i n go fe x p e r i m e n t a ld a t aa n dc o m p a r i s o nr e c o g n i t i o na 地d o n e w h a th a v e b e e np r o v e di nt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t a ld a t ap r o c e s s i n ga t et h a ts h o r t w a v et r a c ki r r e g u l a r i t yw i l ll e a dt ot h ec h a n g e so fa x l e b o xa c c e l e r a t i o n , t h er e c o g n i t i o n o fs h o r tw a v et r a c ki r r e g u l a r i t ys u c ha sc o r r u g a t i o n , w e l dd e p r e s s i o n , l o o s es l e e p e re t c u t i l i z i n gt h es h o r tw a v et r a c ki r r e g u l a r i t yr e c o g n i t i o nm e t h o db a s e do na x l e b o x s p e c t r u mi sf e a s i b l e k e y w o r d s ：f a u l td i a g n o s i s ；s h o r tw a v et r a c ki r r e g u l a r i t y ；a x l e b o xs p e c t r u m ； w h e e l - t r a c km o d e l ；d e t e c t i o ns y s t e m ；f i l t e r c l a s s n 0 ： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 私 韦 签字日期：? 叼年j 1 月1 1 日 导师签名：彳二歹7 磊墨 签字日期：7 年明加 拙虚銮道态堂亟堂僮迨塞独创链巨盟 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除 了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：务吒黏 签字日期： 之口吖年皿月f 了日 致谢 本论文的工作是在我的导师何庆复教授的悉心指导下完成的，何庆复教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 何庆复老师对我的关心和指导。 柳拥军副教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都 给予了我很大的关心和帮助，在此向柳拥军老师表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，付新生、王连柱、靳晓波、周君蜂、刘晓芳、 张明浩等同学对我论文中的动力学模型建立、数据分析工作给予了热情帮助，宿 舍杨绍华、谭元文同学在生活上给与了很大帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢父亲、母亲、弟弟，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成 我的学业。 韭塞 窑 通盔 堂亟 堂焦 j 金 塞绪盈 1 绪论 本章将详细阐述课题的提出的背景、课题研究的深远意义以及国内外在轨道 检测方法研究方面的概况，并介绍所要完成的主要工作。 1 1课题的提出及其意义 1 1 1 课题的提出 铁路工务设备是铁路的基础设施，直接影响到铁路运输的安全与效率。铁路 工务设备中最重要的是轨道，对轨道的检查和维护，一直是铁路工作重点“1 。轨道 不平顺是指轨道几何状况、位置在竖向和横向的偏差。主要包括高低、水平、方 向等。轨道不平顺是机车、车辆振动的主要激扰源，其不同空间频率成分对车辆 的影响各不相同“。随着我国铁路跨越式大发展，铁路运输高速化、重载化的进程 大大加快，对轨道平顺性比以往也有了更高的要求，特别是高速铁路，对轨道的 平顺性有着更严格的要求。如果平顺性不良，轻则引起机车车辆剧烈振动，轮轨 的动作用力成倍增加，严重危害轨道和机车车辆部件，影响列车速度的提高，降 低轨道及机车车辆的寿命；重则引起列车脱轨、倾覆等恶性事故，危及行车安全。 随着行车速度的提高，轨道短波不平顺对轮轨动作用力的影响，成为快速、 高速线路十分重要的问题。因此，对轨道不平顺，特别是轨道短波不平顺进行快 速、精确的检测具有重要意义。 轨道的检测，传统的方法主要是用目测和一般的量具相结合，进行人工测量， 这种方法费力费时，而且测量的精度不高，不能满足铁路提速发展的要求。而在 轨道线路的建设中，主要是用专用的轨道检测车来测量，这种方法快速省力，精 度较高，但使用成本较大”。轻型轨道不平顺检测小车需要人工推行，速度慢，也 不太适合于高速高密度线路的频繁测量，因此需要研究其它辅助手段进行检铡。 机械故障诊断学是二十世纪六十年代发展起来的一门新学科。随着现代科学 技术水平的日益提高，尤其是计算机科学和控制科学的飞速发展，故障诊断技术 在军事和航天领域迅速成长起来，并渗透到社会生产的各个领域“1 。我们可以认为， 轨道不平顺是轨道的种故障状态，应用故障诊断理论，我们提出了基于轴箱谱 的轨道短波不平顺识别的方法。通过布置在轮对左右两侧轴箱顶面上的加速度传 感器获取轴箱谱，间接监测轨道状态，诊断轨道不平顺故障、识别轨道短波不平 韭 塞 窑 适 太 堂亟 堂僮j 盆塞缝监 顺的类型和状态。 1 1 2 课题的意义 轨道短波不平顺是产生噪音和引起火车轮轨相互作用力变化的主要原因之 一。轨面微小的短波不平顺在高速行车时可引起数十吨的动作用力，直接造成轮 轨伤损，影响行车安全。有些轨面微小不平顺引起的冲击振动虽不致直接构成威 胁，但却是引起轨道不平顺发展恶化的根源，不根治就不能实现持续高平顺性。 随着铁路运输不断向高速、重载方向发展，轨道短波不平顺程度更是日益严重， 加强对轨道的不平顺检测，为轨道维护工作提供科学依据的任务追在眉睫。 基于轴箱谱的轨道短波不平顺识别，可通过普通列车车载测量实现，所需设 备简单，且无需专门操作员，虽然相对专业轨检车检测精度下降，却成百倍的降 低了检测成本。由于基于轴箱谱的轨道短波不平顺的识别方法同时具有相对于专 业轨检车检测成本的优势和相对于轻型轨道不平顺检查小车的高速性，应用此法 可以实现高密度线路上轨道平顺状态的高频率检测，更好为轨道养护计划的制定 提供科学依据，从而指导日常轨道养护工作，提高旅客乘车舒适度，保障行车安 全，可见其经济和社会效益都十分可观。 1 2国内外轨道检测方法研究概况 轨道不平顺的检测方法对于取荦导结果的真实性有很大的影响。目前世界各国 用来检测轨道不平顺的方法可以归纳为弦测法和惯性基准法两大类”。弦测法包 括：两点差分法、三点中弦法( 又称正矢法) 、三点偏弦法、多点弦测法。惯性 基准法包括：惯性位移法( 又称振动质量法) 、轴箱加速度积分法、轴箱加速度 快速傅立叶变换法、质量弹簧系统加速度积分与位移相加法。它们都是从位移角 度出发，直接利用传感器获取轨道不平顺位移或者利用加速度两次积分的方法获 取位移。 应用上述两类方法，各国采取的具体实现形式有所不同。澳大利亚采用轴箱 加速度二次积分的办法得到位移来表示轨道表面短波不平顺幅值，并用滤波消除 速度影响；美国有的采用弦测法原理，通过电涡流传感器或光电位移计获得位移， 有的采用惯性基准法原理，在构架上安装加速度计，在轴箱上安装光电位移计测 轴箱相对加速度计安装点的位移；日本采用三点弦测法测出基础数据，再按弦测 法传递函数随波长变化的关系修正补偿后，得到轨道不平顺”；俄罗斯采用轴箱加 2 速度的办法，根据运行速度的不同分三个速度档分别进行二次积分和高通滤波， 以减小速度对检测结果的影响；德国现正在研究用光电扫描的办法获得轨面相对 惯性平台的位移，从而达到检测轨道短波不平顺的目的。 我国的g j 4 型检测系统采用惯性基准测量原理和无接触测量方法，应用伺服 跟踪、光电、陀螺、数字滤波等新技术，具有非常好的重复性和可靠性。 1 3本文的主要研究工作 针对基于轴箱谱的轨道短波不平顺识别方法的研究，本文主要做了以下几方 面工作： ( 1 ) 轨道不平顺是轨道的一种故障状态，对轨道不平顺的分类、特征描述以及 波形磨耗、焊缝凹陷、轨枕空吊三类轨道短波不平顺进行深入探讨，以机械故障 诊断技术理论基础，提出轨道短波不平顺识别的基本内容及流程。 ( 2 ) 研究轨道不平顺的故障机理，总结短波不平顺对车辆轨道系统的影响的规 律，建立谐波型不平顺模型、集总参数的简单轮轨模型、引入轨道不平顺的轮轨 模型，推导谐波型轨道不平顺频率与轴箱加速度频率的关系，从而得出特定轨道 短波不平顺的故障征兆。 ( 3 ) 根据测量目的、测量对象和测量环境，从加速度传感器的灵敏度、横向灵 敏度、动态范围分辨率、频率范围、相位特性、环境条件适应性以及尺寸和重量 等方面选择合适的轴箱加速度传感器，从数据采集卡的总线方式、输入输出通道 数、采样率、输入输出范围、分辨率和配套软件等方面选择合适的轴箱加速度信 号数据采集卡。搭建轴箱加速度信号检测系统。 ( 4 ) 以傅立叶变换为理论基础，深入探讨振动信号处理的基本内容、滤波器 的设计思想和设计步骤以及在m a t l a b 中设计滤波器的方法，研究轴籍谱的预处理 方法、通过滤波处理分离轨道短波不平顺和比较特征频率幅度谱值与门限值识别 轨道短波不平顺的分析方法。 ( 5 ) 计算波浪磨耗、焊缝凹陷和轨枕空吊的特征频率，确定特征频率幅值谱 的门限值，在m a t l a b 平台上编写信号预处理消除多项式趋势项程序、多带f i r 滤 波器滤波程序和轨道短波不平顺识别程序，处理实验数据，识别轨道短波不平顺。 3 韭塞窑通太堂亟堂焦j 金塞熟道短渡丕壬躯兹瞳途断基丕 2 轨道短波不平顺故障诊断技术 轨道不平顺是轨道的一种故障状态，本章将对轨道不平顺的分类、特征描述 和几种轨道短波不平顺进行深入探讨，并以机械故障诊断技术为理论基础，提出 轨道短波不平顺识别的基本内容及流程。 2 1机械故障诊断技术 机械故障诊断技术是通过掌握设备过去和现在运行中或基本不拆卸的情况下 的状态量，来判明其质量优劣、利用程度、是否安全、有关异常或故障的原因及 预测对将来的影响，从而找出必要对策的技术。其根本宗旨在于，以经济的、科 学的手段保障生产系统安全地、高效地进行。它是将医学诊断学中的基本思想推 广到机械工程中所形成的一门新兴学科。 。 机械故障诊断技术以设备及其零部件以及工艺参数和工作环境为研究对象， 以鼓掌机理分析为基础，以信号检测、信号分析与处理、模式识别为主要技术手 段，以机械设备在给定条件下准确实现预期功能为目标。各种机械设备的结构组 成和工作方式之间往往有很大的差别，不同故障诊断领域所使用的方法也不可能 完全相同，但是基本思想、基本技术是相通的”1 。 2 1 1 机械故障诊断的分类 每一类对象都有相应的研究方法和理论，准确地了解机械故障诊断的分类， 清楚所属的范畴和领域，就能使我们在科学研究中有的放矢，更好地完成对各种 设备的故障诊断工作。 机械故障诊断技术，可以按不同的方法对故障诊断技术进行分类： ( 1 ) 按诊断目的、要求和条件的不同可以把故障诊断技术分为： 功能诊断和运行诊断。功能诊断是指对新安装或刚维修设备及部件的运行 工况和功能进行检测和判断，并根据检测与判断的结果对其进行调整。而运行诊 断是指对正在运行中的设备或系统进行状态监测，以便对异常的发生和发展进行 早期诊断。 定期诊断和连续监测。定期诊断是指间隔一定时间对服役中的设备或系统 进行一次常规的检查和诊断。而连续监测则是采用仪器仪表和计算机信号处理系 统对设备或系统的运行状态进行连续监视和检测。 直接诊断和间接诊断。直接诊断是指直接根据关键零部件的状态信息来确 4 韭塞銮适太堂亟堂僮监塞塾遵蕉渡丕王眍篮睡途断基盔 定其所处的状态的一种诊断。直接诊断迅速可靠，但往往受到机械结构和工作条 件的限制而无法实现。间接诊断是指通过设备运行中的二次诊断信息来间接判断 关键零部件的状态变化。在间接诊断中往往会出现伪警或漏检的情况。 在线诊断和离线诊断。在线诊断是指对现场正在运行中的设备进行的自动 实时诊断。而离线诊断则是通过磁带记录仪将现场测量的状态信号记录下来，带 回实验室后再结合诊断对象的历史档案进行进一步的分析诊断，或通过网络进行 的诊断。 常规诊断和特殊诊断。常规诊断是指在设备正常服役条件下进行的诊断。 信号在常规诊断中采集不到时，就要考虑采用特殊诊断。 简易诊断和精密诊断。简易诊断一般由现场作业人员凭着听、摸、看、闻 或借助便携式简单诊断仪器对设备进行人工监测、判断设备是否出现故障。精密 诊断由精密诊断专家借助先进的传感器、精密诊断仪器和各种先进分析手段实施 的诊断。通过检测、分析，确定故障类型、程度、部位和产生故障的原因，了解 故障的发展趋势。 ( 2 ) 按诊断的物理参数对诊断技术进行分类，可将诊断技术分为振动诊断技 术、声学诊断技术、温度诊断技术、污染诊断技术、无损诊断技术、压力诊断技 术、强度诊断技术、电参数诊断技术、趋向诊断技术、综合诊断技术等。 ( 3 ) 按诊断的直接对象对诊断技术进行分类，可将诊断技术分为机械零件诊 断技术、液压系统诊断技术、旋转机械诊断技术、往复机械诊断技术、工程结构 诊断技术、工艺流程诊断技术、生产系统诊断技术、电器设备诊断技术等。 2 1 2 振动诊断技术 由于本文将应用振动诊断技术，在此对其进行详细介绍。机械系统的运行过 程必然伴随着振动，故障的存在必然导致异常振动。不同类型、不同部位的故障 一般产生不同特征的振动。故障诊断法将在设备特定部位检取的振动位移、速度 或加速度信号作为分析对象，依据振动信号的结构、强度和变化方式，识别机械 系统运行状态和故障模式。 振动诊断技术的故障分辨率和灵敏度较高，加之在电子技术和信号处理技术 迅速发展的今天，振动信号处理具有简单、直观、诊断结果可靠等优点，振动诊 断技术在实际中得到了极为广泛的应用。在工业发达国家中，振动诊断技术已经 成为诊断机械设备故障的主要手段。 振动测试按测量原理分为相对式与绝对式两种；按测量方法可分为接触式和非 接触式两类。振动测试主要是指振动的位移、速度、加速度、频率、相位等参数 韭塞窑壅盍堂亟堂壑监塞塾堂垣边丕垩璧墼睦遂堑基查 的测量。由于被测信号振动强度与被测体的振动加速度成正比，所以现行的测量 振动所用的参数基本上是加速度1 。 2 1 3 故障诊颤的内容瓤实现 ( 1 ) 故障诊断的基本内容 故障诊断技术是- - f l 综合性技术，其研究涉及到多门学科如现代控制理论、 可靠性理论、数理统计、模糊集理论、信号检测、信息处理、模式识别、人工智 能等学科理论。一般认为，机城故障诊断的内容包括以下五个方面： 故障分析故障分析是对故障机理的研究，通过分析故障内在本质和产生 原因，找出该故障发生时的各种特征( 征兆) 。故障分析是故障诊断中的一个非常 基础而又必不可少的工作，主要从故障规律、故障征兆和故障模型等方面进行。 信号采集也叫做状态监测。设备在运行过程中必然会有力、热、振动及 能量等各种量的变化，由此会产生各种不同信息。根据不同的诊断需要。选择能 表征设备工作状态的不同信号。如振动、压力、温度等是十穷必要的。这些信号 一般足用不同的传感器来测取的。 信号处理是将采集到的信号进行分类处理、加工，获得能表征机器特征 的过程，也称待征提取过程。如对振动信号从时域变换到频城进行频谱分析即是 这个过程。信号处理( 或诊断数据处理) 的主要内容是统计分析，相关分析、频谱 分析、小渡分析和模态分析等，其理论基础是数理统计与随机过程。 故障识别将经过信号处理后获得的设备特征参数与规定的允许参数或 判别参数进行比较、对比以确定设备所处的状态，是否存在故障及故障的类型和 性质等。为此应正确制定相应的判别准则和诊断策略。 诊断决策根据对设备状态的判断，决定应采取的对策和措施，同时应根 据当裁信号预溺设备袄态可瓮发震的趋势，迸行趋势分析。 故障识别其实就是故障的诊断过程，而诊断决策是针对系统发生的故障，对 于应采取的措旋给出指导性的建议。故障识别和诊断决策技术正向着智能化阶段 迈进。目前基于信号处理和建模处理的设备诊断技术正发展为基于知识处理的设 备诊断技术，并在知识层次上实现辩证逻辑与数理逻辑的集成，符号处理与数值 处理的绕、推理过程与算法过程的统一、知识库与数据痒钓交互等。 机械故障诊断的基本内容和技术过程m 如图2 1 所示： 6 典型故障卜叫故障分析卜协断知识库 趋势分析 图2 - 1 机械故障诊断流程图 f i g 2 1f l o wc h a r to f m e c h a n i c a lf a u l td i a g n o s i s ( 2 ) 故障诊断的实现 总的来说，机械故障诊断方法的实现有以下三种方式“4 ： 基于物理模型的故障诊断 它是以物理量为手段来实现故障检测与分离的。常用的方法有硬件冗余方法 和模式识别方法。硬件冗余方法不仅可以诊断仪表的故障，还可以检测控制系统 的故障。这种方法的缺陷是要增加更多的仪器设备，使系统更加复杂化。模式识 别方法的基本思想是通过对系统的工作流程经过仿真和分析，加上人们的经验， 建立各种故障模式，根据测量信息，确定系统属于哪一种模式，从而能检测和分 离故障。 基于数学模型的故障诊断 这种方法就是根据系统参数的估计值与其正常值之间的偏离数值，判断出系 统的故障状况。 a 参数估计诊断法它是根据参数变化的统计特性来检测故障的发生。直接 建立模型，当故障由参数的显著变化来描述时，可利用已有的参数估计法，基于 故障检测信息，根据参数的估计值与正常值之间的偏差情况来判定系统的故障情 况。 b 状态估计法它是从系统的状态方程和观测方程的残差序列均值的变化来 判断系统的故障状态。被控对象的状态直接反映系统运行状态，通过估计出系统 的状态，并结合适当的模型可进行故障诊断。 基于智能方法的故障诊断 当前的控制系统变得越来越复杂，很多情况下要想获得系统的精确数学模型 是非常困难的。同时，由于系统故障是多种多样的，其故障和征兆之间不存在简 单的一一对应关系，故障诊断往往是一种探索过程。而基于专家系统的故障诊断 方法不依赖于系统的数学模型，而是根据人们的经验和故障信息，设计出智能程 序，以此来解决复杂系统的故障诊断问题。由于神经网络具有很好逼近非线性函 7 竺r 一别测一识预一式势一模趋 韭立銮适太堂亟堂焦论塞塾堂缒越丕垩题丝瞳丝匦基垄 数的能力，并且具有自组织、自学习的特点，当专家系统在遇到未见过的新故障 信息或现象而不能正确处理时，神经网络可以利用它的相似性、联想能力进行诊 断： ( 3 ) 故障判断标准“” 为了对设备的状态做出判断，判断是否存在故障及故障的程度如何，必须对 表征机器状态的测量值与规定的标准值进行比较。 常用的有三种判断标准，即绝对判断标准、相对判断标准以及类比判断标准。 绝对判断标准要求在设备的同一部位或按一定的要求铡得的表征机器设备状态的 值与某种相应的判断标准相比较，以评定设备的状态。相对判断标准是以正常情 况的振动值定为初始值，根据实测值与初始值相比达到的倍数进行判断。新的机 器或大修后检验合格经过跑合后的工况都可以作为正常情况。类比判断标准是指 数台同规格的设备，在相同工作条件下运行时，对同位置进行振动测量，对测 得的结果进行对比判断，若某台设备较其余的超出一倍以上，则可以认为是异常。 ( 4 ) 故障诊断系统性能判断 对于一个故障诊断系统其性能好坏的判断，要看其诊断性能指标的好坏。首 先要看其故障分离能力，它是指诊断系统对不同故障的区分能力。分离能力越强， 表明诊断系统对于不同故障的区分能力越强，那么对故障的定位也就越准确。其 次要看其故障辨识的准确性。也就是诊断系统对故障的大小及其时变特性的估计 的准确程度。故障辨识的准确性越高，表明诊断系统对故障的估计就越准确，也 就越有利于故障的评价与决策。 2 2 轨道不平顺 2 2 i 轨道不平顺的类型 轨道不平顺是指轨道的几何形状、尺寸和空间位置相对其正常状态的偏差。 凡是直线轨道不平、不直，对轨道中心线位置和高度、宽度正确尺寸的偏差；曲 线轨道不圆顺，偏离正确的曲线中心线位置或正确的超高、轨距及顺坡变化数值， 通称轨道不平顺。 轨道不平顺的类型，可按他们对机车车辆激扰作用的方向、不平顺的波长或 形状特征、显现记录时有无轮载作用等分类脚“”。 ( 1 ) 按激扰方向区分类型 根据对机车车辆激扰作用的方向，轨道不平顺可分为垂向、横向，和垂向、 s 横向复合( 简称复合) 三类。垂向、横向轨道不平顺示意图如图2 2 所示。 图2 - 2 垂向、横向轨道不平顺示意图 f i g 2 - 2s k e t c hm a po f v e r t i c a la n dl a t e r a lt r a c ki r r e g u l a r i t y 垂向轨道不平顺 a 高低不平顺 高低不平顺是指轨道沿钢轨长度方向，在垂向上的凹凸不平。 它包括钢轨表面不平、轨道弹性形交和残余变形不均匀、部件间隙不一致、 路基不均匀下沉等形成的垂向不平顺。 左、右两根钢轨高低的起伏变化趋势，虽然有时比较一致，但各自的变化并 不完全相同，所以还必须区分左轨高低不平顺和右轨高低不平顺。 b 水平不平顺 水平不平顺即轨道各个横截面上左右两轨顶面高差的波动变化。 水平不平顺的幅值，在曲线上是指扣除正常超高值的偏差部分，在直线上是 扣除一侧钢轨均匀抬高值后的偏差值。 c 扭曲不平顺 轨道平面扭曲( 有些国家称为平面性，我国常称三角坑) 即左右两轨顶面相 对于轨道平面的扭曲，用相隔一定距离的两个横截面水平幅值的代数差度量。国 际铁路联盟u i co r eb 5 5 专门委员会将所谓“一定距离”定义为“作用距离”，指 车辆的轴距或心盘距。 d 轨面短波不平顺 即钢轨顶面小范围内的不平顺。包括轨面不均匀磨耗、擦伤、剥离掉块、焊 缝不平、接头错牙等钢轨表面不平顺。其中，轨面擦伤、焊缝不平、接头错牙等 多是孤立的，不具周期性。而波纹磨耗、波浪形磨耗具有周期性特征。图2 - 3 和 9 韭塞套逗鑫堂亟堂僮诠塞塾煎堑遮丕垩题兹瞳途匦拄鲞 2 - 4 分别是非周期轨面不平顺和周期性轨面短波不平顺实测波形哪。 图2 - 3 非周期轨面短波不平顺实测波形 f i g 2 - 3m e a s u r e dw a v e f o r m so f n o n p e r i o d i cs h o r tw a v et r a c ki r r e g u l a r i t y 图2 - 4 周期性轨面短波不平顺实铡波形 f i g 2 - 3m e a s u r e dw a v e f o r m so f p e r i o d i cs h o r t r a v ct r a c ki r r e g d a f i t y e 新型轨身垂向周期性不平j 颐 钢轨在轧制校直过程中，由于轧辊等的影响会形成轨身垂向周期性的弯曲变 形。 横向轨道不平 a 轨道方向不平顺 轨道方向不平顺( 常简称轨向不平顺或方向不平顺) 指轨头内侧面沿长度方 向的横向凹凸不平顺。它包括轨道中心线偏差、轨排横向不均匀残余变形积累、 轨头侧面不均匀磨耗、轨道横向弹性不一致等形成的横向不平顺。 左、右两根钢轨方向的变化往往不同，尤其在木枕和扣件薄弱的曲线区段差 异更大，因此需要区分左轨方向不平顺和右轨方向不平顾，并将左、右轨方向不 平顺的平均值作为轨道的中心线方向偏差。 b 轨距偏差 即在轨道同一横截面、钢轨顶面以下1 6 r a m 处、左右两根钢轨之间的摄小内侧 距离相对于标准轨距的偏差。( 欧洲等许多铁路在轨面以下1 4 m 处测量轨距) 。 c 轨身横向周期性不平顺 钢轨在轧制校直过程中产生的轨身横向周期性弯曲变形。 复合不平顺 在轨道同一位置上，垂向和横向不平顺共存形成的双向不平顺称为轨道复合 不平顺，危害较大的复合不平顺如下所述。 1 0 韭塞窑通盘堂亟堂焦途奎塾遵堑适丕垩题篮睦丝匦基丕 a 方向水平逆相复合不平顺 方向水平逆相复合不平顺是指在同一位置既有方向不平顺又有水平不平顺， 并且轨道臌曲方向与高轨位置形成反超高状态。 日本等国的研究和我国的试验均证实，方向水平逆相复合不平顺对行车安全 有严重影响，往往是引起脱轨的重要原因。 b 曲线头尾的几何偏差 在曲线圆缓点区、缓直点区，超高、正矢、轨距顺坡起点、终点不一致或不 匹配形成的几何偏差，对行车平稳舒适和安全有不可忽视的影响。 ( 2 ) 按轨道不平顺波长特征区分类型 随机性轨道不平顺包含许多不同的波长成分，波长范围很宽，o 0 1 - 2 0 0 m 波长 的不平顺均常见。波长l m 以下的轨面短波不平顺幅值很小，多在0 1 2 m m ，主要 由钢轨接头焊缝、不均匀磨耗、轨头擦伤、剥离掉块。波浪和波纹磨耗以及轨枕 间距等因素形成。l q 5 m 范围的波长成分，主要是钢轨在轧制过程中形成的周期 性成分和波浪形磨耗。3 - 3 0 m 波段主要由道床路基的残余变形不均匀，道床弹性、 密实度不均，各部件问隙不等，接头或焊头形成的以轨长为基波的复杂周期波成 分，以及桥涵、道口等轨道刚度变化和中、小跨度桥梁的动挠度、折角等形成。 3 0 - - 1 5 0 m 波段多有路基工后沉降不均、路基施工的高程偏差、跨度较大的桥梁动 挠度等构成。更长的长波多为地形起伏、线路坡度变化等形成。 轨道不平顺不仅波长的变化范围大，而且不同波长的不平顺，其影响也各不 相同。因此需要按轨道不平顺的波长分类。 按轨道不平顺的波长特征，可分为短波、中波、长波不平顺三类。又可分为 周期性和非周期性两种。周期性不平顺的特征是多波连续，基频波的波长相同， 幅值具有随机性。非周期性不平顺的波长各不相同，无明显的基频波。 各国划分的波长类型基本相近，但各类型的波长范围不完全相同。根据我国 的实际情况，划分如表2 1 所列”。 表2 i 按波长划分的轨道不平顺 t a b l e2 - lt r a c ki r r e g u l a r i t yd i v i d e da c c o r d i n gt ow a v e l e n g t h 波长类型波长范围可能出现的幅值范围包含的常见不平顺 几毫米至几十毫米l m m 以内 擦佰、剥离掉块、焊缝等轨面不 短波不平顺平顺，波纹磨耗 几百毫米2 m m 以内波浪形磨耗、轨枕间距不平顺 l 一3 5 m0 1 - l m m 新轨轨身不平顺 中波不平顺 3 - 3 0 m 1 3 5 ( 低等级线更大)高低、轨向、扭曲，水平、轨距 长波不平顺3 0 1 5 0 m 1 , - , 6 0 m m高低、轨向不平顺 短波不平顺 波长在几毫米至几十毫米的短波不平顺有轨面擦伤、剥离掉块、焊缝不平、 波纹磨耗等。波长为几百毫米的不平顺主要是钢轨波形磨耗和轨枕间距引起的不 平顺等。其中波纹磨耗和波形磨耗大多是周期性不平顺 中波不平顺 中波不平顺的波长范围在1 - 3 0 m ，其中： 1 - 3 ，5 m 波长的周期性不平顺，多为钢轨在轧制校直过程中形成的周期不平顺。 波长3 3 0 m 非周期、高低、轨向、扭曲、水平、轨距等不平顺的波长多在这 范围内。 波长1 2 5 m 、2 5 m 等与钢轨定尺长度有关的周期性不平顺，主要钢轨接头，焊 缝处轨道沉降形成的周期性高低不平顺，以及某些厂矿线和左右两轨错接接头形 成的周期性水平、扭曲不平顺。 长波不平顺 3 0 - - 1 5 0 m 的长波不平顺，包括路基不均匀沉降，3 0 m 以上跨度桥梁的挠曲变 形，桥梁、隧道头尾剐度差异，测量误差形成的长波不平顺。多跨等距桥粱挠度 形成的不平顺，具有周期性特征。 非周期不平顺 孤立地存在于轨道上的不平顺。 周期不平顺 来源于有缝轨轨道的接头和焊接长钢轨轨道约焊缝，以及钢轨的波形磨耗 ( c o r r u g a t i o n ) 、轨枕的间歇效应等。 ( 3 ) 按轨道不平顺形状特征区分类型 轨道多是由相同标准定尺长度的钢轨焊接或栓接而陈。桥梁、路基、轨道等 结构以及施工、养护维修方法也大致相同。因此。某些地段例如接头区、焊缝区、 平交道口、道岔区、桥梁路基过渡段等轨道不平顺的形状虽不尽相同，但常有类 似性。国内外都对实测的轨道不平顺形状特征进行过大量统计归纳分析，按其近 似的形状特征可分为； 余弦形不平顺； 正弦形轨道不平顺( 包括局部孤立的和连续周期性的) ； 抛物线形不平顺； 凸台形不平顺( 包括台阶形逆向台阶和顺向台阶不平顺，多为局部不平 顺) ； 三角形不平顺( 包括局部孤立的和连续周期性的) ； s 形不平顺( 包括局部孤立的和连续周期性的) 。 ( 4 ) 按轨道不平顺显现时有无轮载作用区分类型 按轨道不平顺显现时有无轮载作用，可分为动态轨道不平顺和静态轨道不平 顺两类。 静态轨道不平顺 无轮载作用时，人工或轻型测量小车测得的不平顺通常称为静态不平顺。无 轮载作用时，由于具有一定的刚度，在较短的距离内钢轨、轨枕不会紧随道床的 不均匀残余变形和暗坑等产生弯曲。因此，静态轨道不平顺不能反映暗坑吊板和 弹性不均匀等形成的不平顺，只能部分反映道床、路基不均匀残余变形积累形成 的不平顺。 所以，静态不平顺只是在无列车轮载时，真实完整轨道不平顺的部分、不确 定的表象。用水准仪、经纬仪测量因路基不均匀沉降等形成的轨道长波不平顺， 所得的静态长波不平顺波形，经去除线路坡度变化和基线修正后，能较好地反映 实际情况。 动态轨道不平顺 在列车车轮载荷作用下才完全显现出来的轨道不平顺通常称为动态不平顺。 真正对行车安全、轮轨作用力、车辆振动产生实际影响的轨道不平顺是动态 不平顺。因此，各国轨道不平顺的各种控制及维修管理标准，尤其是安全管理标 准，大多是控制动态不平顺值。 有些学者认为，轨检车在不同速度时测得的轨道不平顺含有不同的轨道附加 交形和车轮振动响应成分，并非实际的轨道不平顺。从严格的理论角度而论，只 有准静态轮载作用下的轨道不平顺才是轨道本身所固有的真实状态。确实只有在 以步行低速度移动时，在不变的准静态轮载作用下，车轮重心的准静态轨迹才能 反映真实的垂向轨道不平顺。然而实际上，由于不同速度时，轨道的附加下沉和 车轮的振动位移响应均很小，一般都小于轨检车检测系统的分辨精度。因此，检 测速度对检测结果的真实性没有实质性影响。 2 2 2 轨道不平顺的特征描述 ( 1 ) 轨道不平顺的随机性 轨道不平顺的形成和发展是很多带有随机性的因素共同作用的结果，这些因 素包括，钢轨的初始平直性，线路施工工程偏差，路基的不均匀沉降，道床、路 基的不均匀残余变形积累，机车车辆时刻变化的动力作用，以及雨雪、气温等自 然环境因素。因此，各种轨道不平顺都具有随机性。 实际存在的轨道不平顺都是经常变化，很不规则的。不同位置轨道不平顺的 1 3 韭立銮道盘堂亟堂焦逾塞塾遵短波丕垩题筮睦途断挂苤 幅值和波长都各不相同。轨道不平顺波形不是单一规则的简谐波、三角波或抛物 线形波，而是由许多无法预知的不同频率、不同幅值、不同相位的简谐波叠加而 成的复杂的随机波。从本质上讲，轨道不平顺是一个随机过程，是里程位置的随 机函数，任一特定区段的轨道不平顺可看成随机过程的一个样本。 轨道不平顺的随机性特征决定了对轨道不平顺的描述不能用一个明确的数学 表达式来表示，而只能用随机振动理论中描述随机数据的“均方差”、“方差”、“功 率谱密度函数”等统计函数来表达轨道不平顺的特征，从时空域、频域、幅值域 等几方面对轨道不平顺的幅值特征、波长结构以及是否包含周期性波形等作全面 的描述。 ( 2 ) 轨道不平顺幅值的统计特征 个别低点某一处轨道不平顺的幅值不能代表一段轨道连续不平顺的总体状 态。一定长度区段内连续轨道不平顺的幅值大小、波长变化情况等状态，应根据 均方值、标准差等统计特征进行描述和评价。 轨道不平顺的均方值和方差 以里程位置工为横坐标的某段轨道不平顺玎( 工) 的均方值嘭和方差露用下式 表示 唧= 土f 矿( x ) a k ( 2 1 ) jv 爵= 圭r 【，7 ( 工) 一一】2 d x = r 叩2 ( x ) d x 一露= 叼一露 ( 2 - 2 ) 叼= 露+ 露 ( 2 - 3 ) 即轨道不平顺的均方值是由平均值和方差两部分组成的。如平均值为零，则 均方值就是方差。轨道不平顺的均方值与激扰能量相关。 方差能确切表示随机性不平顺的幅值偏离基线的离散程度，方差的正平方根 即标准差。 轨道不平顺的标准差瓯： 轨道不平顺的标准差能确切地表示该段轨道不平顺在幅值方面的严重程度， 我国和许多外国铁路都用标准差d 。评定各段轨道的不平顺程度。 驴j 辱l 窆_ 一2 ( 2 4 ) ( 3 ) 揭示轨道不平顺波长结构的功率谱密度 由于轨道不平顺的波长对车辆轨道相互作用也有重要影响，因此，对轨道不 平顺的幅值和波长两方面的特征都必须掌握。只有功率谱密度才能从幅值和波长 两方面来描述、揭示某段轨道不平顺的统计特征和规律。 由于运输条件、养护维修水平、轨道结构、自然气候等在不同线路上或同一 1 4 韭塞銮煎太堂亟堂焦途塞熟遵缒越丕垩题趁瞳途断撞垄 线路不同位置上都存在差异，所以严格而论，轨道不平顺并非都是各态历经和真 正平稳的。经平稳性检验证实，虽然多数轨道不平顺不具备各态历经性，部分接 头、焊缝、道岔区的轨道不平顺确实具有非平稳特征外，大多数轨道不平顺具有 平稳或弱平稳特性。因此，可将轨道不平顺按平稳随机过程处理。 轨道不平顺功率谱的定义 多数轨道不平顺的波长结构，可用平稳随机过程的功率谱密度描述。某段轨 道不平顺平稳样本记录叩( f ) 或，7 ( 的功率谱密度估计值g ，( n 定义为： 玎( f ) 或r ( x ) 在频率，到，+ v 微小带宽v 内的均方值甲，2 除以带宽 鹭。 6 朋：掣 ( 2 - 5 ) 坷 如果无限小( a f 斗0 ) 统计的时间t 无限长( t 寸a o ) 或距离x 无限大 ( x 一。) 时，便得到功率谱密度更精确的表达式： ， 占彤) = l i r a 堕导蛆 = 鳃吉躲；f 刁2 ( t , f , 4 f ) d t j ( 2 _ 6 ) 或者：= 掣l i + m 一，l ，l i m l 五。f 矿( t , f , a f ) d x ( 2 7 ) 式中刁( f ，厂，4 1