一種鐵道車輛車輪踏面擦傷的檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種鐵道車輛車輛踏面擦傷的檢測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 列車運(yùn)行中車輪踏面常因制動(dòng)或空轉(zhuǎn)打滑等原因產(chǎn)生局部擦傷。擦傷車輪運(yùn)行時(shí) 輪軌間會(huì)產(chǎn)生周期性沖擊，引起整個(gè)車輛軌道系統(tǒng)的耦合振動(dòng)，危及行車安全。因此，對(duì)車 輪踏面擦傷進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)與識(shí)別非常重要和必要。
[0003] 現(xiàn)有的車輪踏面擦傷檢測(cè)技術(shù)主要分為兩大類：地面檢測(cè)與車載檢測(cè)。
[0004] 地面檢測(cè)方法中使用得最多的是測(cè)力鋼軌，然而在軌道上布置應(yīng)變片的數(shù)量有 限，車輪擦傷位置剛好作用于應(yīng)變片安裝處的概率較小，容易漏檢。由于振動(dòng)傳感器的響應(yīng) 范圍更大，因此，部分檢測(cè)系統(tǒng)在軌道上安裝加速度傳感器去替代應(yīng)變片，但是此方法難以 避免相鄰車輪帶來的影響，可能發(fā)生誤判。還有部分方法使用光學(xué)或激光傳感器，通過圖像 的方式識(shí)別車輪缺陷，但這類方法只適用于靜態(tài)或低速狀態(tài)下?？偟恼f來，地面檢測(cè)方法的 共有缺陷在于它難以對(duì)車輛運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行全過程實(shí)時(shí)檢測(cè)。
[0005] 車載檢測(cè)技術(shù)主要包括兩種：測(cè)力輪對(duì)和軸箱加速度測(cè)量。測(cè)力輪對(duì)通過輪軌垂 向力的測(cè)試，能直接反映車輪實(shí)時(shí)狀態(tài)，但是該方法的最大不足在于其貼片和標(biāo)定過程異 常復(fù)雜，工作量大，成本高。軸箱振動(dòng)加速度是輪軌接觸界面不平順的測(cè)度，能夠間接反映 車輪狀態(tài)，同時(shí)，軸箱加速度測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，便于安裝，成本較低。因此，本發(fā)明通過分 析軸箱的振動(dòng)，運(yùn)用科學(xué)的方法提取相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)車輪踏面擦傷的動(dòng)態(tài)檢測(cè)與識(shí)別。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本專利發(fā)明的目的就是提供一種鐵道車輛車輪踏面擦傷的檢測(cè)方法，該方法通過 對(duì)測(cè)量軸箱垂向振動(dòng)加速度信號(hào)的分析，有效提取車輪故障特征，實(shí)現(xiàn)踏面擦傷的檢測(cè)。
[0007] 本發(fā)明的目的是通過以下的手段實(shí)現(xiàn)的。
[0008] -種鐵道車輛車輪踏面擦傷的檢測(cè)方法，通過對(duì)測(cè)量軸箱垂向振動(dòng)加速度信號(hào)的 分析有效提取車輪故障特征，實(shí)現(xiàn)踏面擦傷的檢測(cè)，包含如下的步驟：
[0009] A、對(duì)采集到的軸箱垂向振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)濾波；
[0010] B、將濾波后的信號(hào)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（Empirical Mode Decomposition，EMD)，得 到一組固有模態(tài)分量MF ;
[0011] C、使用能量原理識(shí)別處理這組MF，消除虛假模態(tài)，得到一組只含真實(shí)模態(tài)的 IMF ；
[0012] D、找出C處理后這組MF中對(duì)故障最為敏感的一個(gè)頂F，對(duì)最為敏感的MF進(jìn)行頻 譜分析，根據(jù)特征頻率對(duì)故障進(jìn)行判斷。
[0013] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
[0014] 一、本方法針對(duì)EMD分解中存在的模態(tài)混疊現(xiàn)象，提出了一種基于形態(tài)學(xué)濾波、能 量原理以及特征MF選擇的EMD改進(jìn)算法。形態(tài)濾波可以有效地抑制信號(hào)中噪聲的影響， 能量原理判定法能夠去除MF中的虛假成分，有效地提高EMD的精度，合適的IMF選擇可以 進(jìn)一步強(qiáng)化故障特征。
[0015] 二、通過對(duì)內(nèi)圈故障軸承振動(dòng)信號(hào)的分析，證明該方法能在信噪比較低、存在局部 強(qiáng)干擾的情況下，有效識(shí)別故障特征。將改進(jìn)的EMD算法應(yīng)用于列車車輪踏面擦傷的檢測(cè) 中，利用仿真和試驗(yàn)兩種手段進(jìn)行研宄，研宄結(jié)果表明此方法能夠有效提取不同運(yùn)行條件 下車輪踏面擦傷引起的軸箱垂向振動(dòng)響應(yīng)的特征，且不受軌道不平順及車速變化的影響， 從而實(shí)現(xiàn)了車輪踏面擦傷故障的檢測(cè)。
[0016] 綜上所述，利用本發(fā)明方法能夠?qū)⑤S箱垂向振動(dòng)加速度進(jìn)行分析，有效提取出車 輪故障特征，實(shí)現(xiàn)了踏面擦傷的檢測(cè)。
【附圖說明】：
[0017] 圖1是現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試獲得的軸箱振動(dòng)加速度信號(hào)的時(shí)間歷程曲線及頻譜。其中， 圖1(a)是現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試獲得的軸箱振動(dòng)加速度信號(hào)的時(shí)間歷程曲線；圖1(b)是對(duì)其進(jìn)行 頻譜分析的結(jié)果。
[0018] 圖2運(yùn)用本發(fā)明方法對(duì)圖1所示的信號(hào)進(jìn)行分析的結(jié)果。其中圖2(a)為運(yùn)用本 發(fā)明方法對(duì)圖I (a)所示信號(hào)進(jìn)行分析得到的結(jié)果；圖2 (b)為對(duì)圖2 (a)所示信號(hào)進(jìn)行頻譜 分析的結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 下面結(jié)合實(shí)例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明：
[0020] 1、一種鐵道車輛車輪踏面擦傷的檢測(cè)方法，其步驟為：
[0021] A、對(duì)采集到的軸箱垂向振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)濾波；
[0022] 采用的是組合形態(tài)濾波器，見式（7)。
[0023] 形態(tài)學(xué)濾波是基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)變換的非線性濾波方法，它依據(jù)待處理信號(hào)的局部 形態(tài)特征，通過數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)變換，將信號(hào)與噪聲分離。形態(tài)濾波的基本思想是設(shè)計(jì)一個(gè)稱作 結(jié)構(gòu)元素的"探針"，通過探針的移動(dòng)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行匹配，以達(dá)到提取信號(hào)、保持細(xì)節(jié)和抑制 噪聲的目的。
[0024] 數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)有兩種基本運(yùn)算：膨脹和腐蝕。設(shè)原始信號(hào)f(n)為定義在F = (0, 1，...，N-1)上的離散函數(shù)，結(jié)構(gòu)元素 g(m)為定義在G= (0, 1，...，M-1)上的離散函數(shù)， 且N彡M，那么f (η)關(guān)于g (m)的膨脹和腐蝕分別定義為：
[0025] (f ffi g) (n) = max [f (n_m)+g (m) ] m e 〇, 1，…，M-1 (I)
[0026] (f Θ g) (η) = min [f (n+m)-g (m) ] m e 〇, 1，…，M_1 (2)
[0027] 符號(hào)田和Θ分別表示膨脹和腐蝕。膨脹變換是一個(gè)擴(kuò)張過程，它使目標(biāo)擴(kuò)張、孔 洞收縮。腐蝕變換是一種收縮變換，它使目標(biāo)收縮、孔洞擴(kuò)張。f(n)關(guān)于g(m)的開運(yùn)算與 閉運(yùn)算分別定義為：
[0028] (f 〇 g) (n) = (f Θ g ffi g) (η) (3)
[0029] (f · g) (η) = (f ffi g Θ g) (η) (4)
[0030] 符號(hào)?和?分別表示開運(yùn)算和閉運(yùn)算。開運(yùn)算能去掉毛刺和孤立點(diǎn)，可以抑制信 號(hào)中的峰值噪聲；閉運(yùn)算能填平小溝、彌合孔洞，可以抑制信號(hào)中的低谷噪聲。由不同的形 態(tài)開、閉的級(jí)聯(lián)順序，產(chǎn)生了形態(tài)開-閉和閉-開濾波器：
[0031] Foc (f (n)) = (f〇g* g) (η) (5)
[0032] Fco (f (η)) = (f · g 〇 g) (η) (6)
[0033] 開-閉和閉-開濾波器均存在中值偏倚現(xiàn)象，常采用組合形態(tài)濾波器：
[0034] ν(? = \[Foc{f{n)) + iv0 (/(?))] (7)
[0035] 組合形態(tài)濾波器可以同時(shí)消除信號(hào)中的正、負(fù)沖擊，對(duì)信號(hào)進(jìn)行平滑。
[0036] B、將濾波后的信號(hào)進(jìn)行EMD，得到一組頂F ;
[0037] 經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（Empirical Mode Decomposition，EMD)是一種基于信號(hào)局部特征 的信號(hào)分解方法，與基于傅里葉變換的傳統(tǒng)信號(hào)分析方法相比，其優(yōu)點(diǎn)是不再要求被分析 信號(hào)具有線性、高斯性和平穩(wěn)性的特點(diǎn)。同時(shí)， EMD是一種自適應(yīng)的信號(hào)處理方法，分析結(jié) 果具有清晰的物理意義。
[0038] 信號(hào)X⑴經(jīng)EMD分解后，得到n-Ι個(gè)MF分量c⑴和一個(gè)余項(xiàng)r⑴：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種鐵道車輛車輪踏面擦傷的檢測(cè)方法，通過對(duì)測(cè)量軸箱垂向振動(dòng)加速度信號(hào)的分 析有效提取車輪故障特征，實(shí)現(xiàn)踏面擦傷的檢測(cè)，包含如下的步驟： A、 對(duì)采集到的軸箱垂向振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)濾波； B、 將濾波后的信號(hào)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解EMD，得到一組固有模態(tài)分量頂F ; C、 使用能量原理識(shí)別處理這組MF，消除虛假模態(tài)，得到一組只含真實(shí)模態(tài)的MF ; D、 找出C處理后這組MF中對(duì)故障最為敏感的一個(gè)MF，對(duì)最為敏感的MF進(jìn)行頻譜分 析，根據(jù)特征頻率對(duì)故障進(jìn)行判斷。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述之鐵道車輛車輪踏面擦傷的檢測(cè)方法，其特征在于，所述對(duì)虛 假模態(tài)分量進(jìn)行識(shí)別和消除，具體步驟如下： η 1) 根據(jù)能量守恒原理，檢查分解后是否存在虛假模態(tài)分量，如果<Σ&2，說明虛 /:1 假模態(tài)成分存在，分解結(jié)果需要逐一檢驗(yàn)，否則，退出檢驗(yàn)； 2) 將分解得到的所有分量與原信號(hào)進(jìn)行相關(guān)分析，將相關(guān)系數(shù)最大的分量ci (t)作為 真實(shí)模態(tài)分量，當(dāng)分解得到的第j階模態(tài)分量cj (t)與真實(shí)固有模態(tài)分量ci (t)相加，能量 增大，即在》.2 > A.,.2，則第j階分量cj⑴被判斷為真實(shí)模態(tài)分量；若cj⑴與ci⑴相加， 能量減小，即巧<4,2 >則第j階分量cj (t)被判斷為虛假模態(tài)分量； 3) 用原信號(hào)減去所有虛假模態(tài)分量，再次進(jìn)行EMD，若分解結(jié)果不再含有虛假分量，停 止，否則回到步驟1); 其中，E為信號(hào)能量，Ex2為分解前信號(hào)總能量，￡x,2為分解前后信號(hào)總能量，K, 2為真實(shí) 模態(tài)分量的能量，乓,\2為真實(shí)模態(tài)分量與任意一個(gè)模態(tài)分量相加后的能量，ci (t)為分解 的得到的第i個(gè)模態(tài)分量，cj (t)為分解的得到的第j個(gè)模態(tài)分量。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述之鐵道車輛車輪踏面擦傷的檢測(cè)方法，其特征在于，所述最 敏感的IMF采用如下步驟獲取：計(jì)算故障信號(hào)與分解得到的每一個(gè)IMF的相關(guān)系數(shù)a n，以及 上述每一個(gè)MF與正常工況下振動(dòng)信號(hào)的相關(guān)系數(shù)bn，故障相關(guān)系數(shù)定義為cn= b n-an，故 障敏感因子為< =二：;二)，最大的4所對(duì)應(yīng)的IMF即為最敏感的IMF。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種鐵道車輛車輪踏面擦傷的檢測(cè)方法，基于形態(tài)濾波、能量原理和特征固有模態(tài)分量(Intrinsic Mode Function,IMF)選擇的改進(jìn)，通過對(duì)測(cè)量軸箱垂向振動(dòng)加速度信號(hào)的分析有效提取車輪故障特征，實(shí)現(xiàn)踏面擦傷的檢測(cè)。本發(fā)明首先使用形態(tài)濾波去噪，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(Empirical Mode Decomposition，EMD)，得到多個(gè)IMF，再根據(jù)能量原理對(duì)其進(jìn)行判斷，消除虛假模態(tài)成分，最后選取對(duì)故障最為敏感的IMF，從而實(shí)現(xiàn)故障特征的提取。將此方法運(yùn)用于列車車輪踏面擦傷的檢測(cè)中，能夠有效提取復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境下由車輪踏面擦傷引起的軸箱垂向振動(dòng)信號(hào)的特征，實(shí)現(xiàn)車輪踏面擦傷故障檢測(cè)。
【IPC分類】G01M17-10
【公開號(hào)】CN104833535
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510247513
【發(fā)明人】劉建新, 李奕璠, 劉偉渭, 曾祥光, 王燕, 陳迪來
【申請(qǐng)人】西南交通大學(xué)
【公開日】2015年8月12日
【申請(qǐng)日】2015年5月15日