深度国产化HXD1型机车走行部故障诊断与监测技术的研究 - 图文

西南交通大学工程硕士研究生学位论文

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西 南 交 通 大 学 研 究 生 学 位 论 文

深度国产化HXD1型机车走行部故障诊断与监测

技术的研究

年 级 10424310211102 姓 名 栾金明 申请学位级别 工程硕士 专 业 车辆工程 指导老师 付 攀

二零一四年十月十日

西南交通大学工程硕士研究生学位论文

Classified Index:（此处填国内图书分类号） U.D.C:（此处填国际图书分类号）

The research of the depth of domestic HXD1 type locomotive fault diagnosis and monitoring

device

Grade: 10424310211102 Candidate: Jinming Luan

Academic Degree Applied for: Master of Engineering(MEng) Speciality: Vehicle Engineering

Supervisor: Pan Fu

OCT.10,2014

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西南交通大学硕士学位论文主要工作（贡献）声明

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摘 要

机车走行部是机车最重要的组成部分之一，一旦机车走行部发生故障，就很可能危及行车安全。因此必须对其进行故障诊断与实时监测。目前的机械故障诊断方法大都以振动理论为基础，振动信号处理技术是故障诊断中最有效、最常用的方法。机车走行部车载监测装置是根据机车走行部故障诊断的需求，以“共振解调”等故障诊断技术为基础，结合多学科的研究，开发的机车走行部故障诊断系统，是专门为保证铁路机车安全运行而研制的在线车载动态监测预警装置。可对机车轴箱、电机、空心轴工作温度及车轮、轴系、齿轮故障冲击信息在线监测并自动诊断，提醒乘务员及时采取措施，确保机车运行安全。本文对机械故障的诊断方法、机车走行部故障诊断与监测技术作了研究，比较分析了目前使用的机车走行部车载监测装置存在的优缺点，结合深度国产化HXD1型机车走行部结构特点，提出深度国产化HXD1型机车走行部故障诊断与监测装置的使用建议。同时提出利用机车顶轮检测，对机车走行部故障诊断形成的有效补充，通过不断的积累经验，提高数据分析和故障判断、处理的能力，探索调整门限值6A系统故障诊断与监测的门限值，使装置更有效地为机车走行部的安全运行和状态检修发挥作用。

关键词 机车；走行部；故障诊断；监测；行车安全

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Abstract

Locomotive running gear is one of the most important parts of the locomotive. The operation of locomotive is in danger，when Locomotive running gear fails to work.So we must carry on the real-time monitoring and fault diagnosis. The current method of

machinery fault diagnosis mostly based on vibration theory, vibration signal processing technology is the most effective and commonly method in fault diagnosis .Vehicle load monitoring device of Locomotive running gear is failure diagnosis system which is a special dynamic monitoring and early warning of online vehicle device developed for ensuring the safe operation of the railway locomotive，it’s based on the demand of locomotive running gear fault diagnosis and with \diagnosis technology as the foundation, combined with the research of

multi-disciplines .The device can be Online monitoring and automatic diagnosis for

temperature of the locomotive axlebox, motor and the working hollow axles,and for fault impact information of wheels,shaft, gear which reminds trainman’s attendant to take timely measures and ensures the safety of locomotive. This study aim to the diagnosis method of mechanical fault , running gear fault diagnosis and monitoring techniques,compare and analysis the advantages and disadvantages of the use of locomotive for vehicle load

monitoring device, combined with the depth of the localization of type HXD1 locomotive bogie structure characteristics, put forward the suggestion of using the depth of domestic HXD1 type locomotive fault diagnosis and monitoring device.At the same time the device puts forward the Crown wheel detection and take effective supplement for fault diagnosis of locomotive , through the continuous accumulation of experience, improves the ability of data analysis , fault judgement and processing , explores the adjustment of threshold value of fault diagnosis and monitoring system of 6A threshold value, makes the device more effectively for the locomotive safe operation and status maintenance play a role.

key words：locomotive; walking; fault diagnosis; monitoring; traffic safety

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目 录

第1章 绪论…………………………………………………………………………………………………………….. 1.1 问题的提出 ……………………………………………………………………………………………….. 1.2 机车走行部的构成………………………………………………………………………………………. 1.3 故障诊断与监测技术的发展现状与趋势 ………………………………………………….. 1.4 机车故障诊断与监测技术的发展现状与趋势…………………………………………….. 1.5 本文研究的主要内容、目标………………………………………………………………………… 第2章 故障的诊断与监测技术………………………………………………………………………………... 2.1 时域分析法……………………………………………………………………………………………………..

2.1.1 故障诊断特征量示性指标……………………………………………………………………………. 2.1.2 时域故障诊断的概率分析法………………………………………………………………………… 2.1.3 时域同步平均法………………………………………………………………………………………….

2.2 频域分析法……………………………………………………………………………………………………..

2.2.1 响应频谱诊断法…………………………………………………………………………………………. 2.2.2 高阶频谱诊断法………………………………………………………………………………………….

2.3 时频分析法………………………………………………………………………………………………………

2.3.1 短时傅立叶变换……………………………………………………………………………………….... 2.3.2 连续小波变换……………………………………………………………………………………………..

2.4 共振解调技术…………………………………………………………………………….…………………….

2.4.1 共振解调技术原理简介………………………………………………………………………………… 2.4.2 共振解调技术基本原理…………………………………………………………………………………

第3章 机车走行部监测与故障诊断技术…………………………………………………………………….. 3.1 齿轮的监测与故障诊断技术……………………………………….........................................

3.1.1 齿轮失效的基本形式…………………………………………………………………………………….. 3.1.2 齿轮的振动信号特征…………………………………………………………………………………….. 3.1.3 齿轮的振动监测及振动信号分析……………………………………………………………………. 3.1.4 齿轮故障的时域诊断分析……………………………………………………………………………….

3.2 滚动轴承的监测与故障诊断技术……………………………………...................................

3.2.1 滚动轴承故障的基本形式………………………………………………………………………………. 3.2.2 滚动轴承的振动…………………………………………………………………………………………….. 3.2.3 滚动轴承异常振动的诊断方法…………………………………………………………………………. 3.2.4 滚动轴承故障诊断系统……………………………………………………………………………………

3.3 轮对踏面的监测和故障诊断……………………………………………………………………………….

3.3.1 轮对故障的基本形式……………………………………………………………………………………….. 3.3.2 机车轮对故障诊断与在线监测系统…………………………………………………………………….

第4章 机车走行部车载监测装置概述…………………………………………………………………………..

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4.1 JK00430型机车走行部车载监测装置（JK11430 装置）……….............................

4.1.1 JK00430 装置简介…………………………………………………………………………………………. 4.1.2 JK00430装置技术特点……………………………………………………………………………………

4.2 JK11430 机车走行部车载监测装置（JK11430 装置）…………………………………….

4.2.1 JK11430 装置简介………………………………………………………………………………………….. 4.2.2 JK11430装置技术特点……………………………………………………………………………………..

4.3 YZB-1型机车熔断式轴温报警装置（YZB-1装置）………………...............................

4.3.1 YZB-1装置简介………………………………………………………………………………………………. 4.3.2 YZB-1装置技术特点…………………………………………………………………………………………

4.4 机车车载安全防护系统（6A系统）……………………………………………………………………..

4.4.1 6A 系统简介…………………………………………………………………………………………………… 4.4.2 走行部故障监测子系统简介……………………………………………………………………………… 4.4.3 6A 系统技术特点……………………………………………………………………………………………

4.5 机车走行部车载监测装置比较与分析……………………………………………………………… 结论………………………………………………………………………………………………………………………………….. 致谢………………………………………………………………………………………………………………………………….. 参考文献 ………………………………………………………………………………………………………………………..

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第1章 绪论

1.1 问题的提出

近几年来，中国铁路建设取得了举世瞩目的成就。我国自主开发的CRH型动车组及“和谐”系列大功率交流传动机车等新型高速、重载客、货运机车广泛应用，标志着铁路技术水平跃上了新的台阶。不断提高的运行速度与牵引质量，对铁路行车安全技术提出了更高的要求。随着计算机技术的不断提高和普遍应用，我国的列车运行监控和检测装置技术也在迅速发展，并逐渐在动车组及内燃、电力机车上推广普及，为保证运输安全发挥了重要作用。

近年来随着机车交路的不断延长，运行速度的不断提高及牵引重量的不断加大，机车在运用现场的安全事故也时有发生，直接和间接损失巨大，影响了运用安全和运营秩序。其中走行部轴箱轴承、电机轴承等故障；列车在运行中发生折角塞门非正常关闭引发的冒进、冲撞事故；机车高压绝缘破坏，引起接触网烧损，造成大面积停电；机车内部电线电缆短路、过热及其他原因而引起的机车火灾；列车供电故障，造成列车不能正常出库、发车等均严重破坏了铁路运行安全基础。因此，如何用技术手段体系化的解决机车安全的管控问题，已经成为机车运用部门的关注重点。为了解决上述问题，我们现有机车上已安装有相关的安全监测设备。安全监测设备种类多，范围广，涉及机车走行部、电器、辅助、制动等系统。其中机车走行部是关系到铁路运输安全的关键部件，机车走行部长时间处予高速、高负载运动中，冲击振动、腐蚀、金属疲劳等都会影响到行车安全，更有甚者由于轮对擦伤、剥离、崩箍等引发的机车脱轨及轴承故障会引发的机车热轴、切轴事故，因此铁路部门对机车走行部故障的研究非常重视。

机车走行部车载监测装置较具代表性的是JK00430型机车走行部车载监测装置。目前广泛运用与我国直流传动内燃、电力机车，此装置是北京唐智科技发展有限公司以唐德尧教授发展的“共振解调”等设备故障诊断技术为基础，针对机车走行部故障诊断的需求，结合多学科的研究，开发的机车走行部故障诊断系统，是专门为保证铁路机车安全运行而研制的在线车载动态监测预警装置。可对机车轴箱、电机、空心轴工作温度及车轮、轴系、齿轮故障冲击信息在线监测并自动诊断，提醒乘务员及时采取措施，确保列车运行安全。

深度国产化HXD1型电力机车是在HXD1型八轴电力机车的基础上，机车整体性能与HXD1型八轴电力机车25t轴重条件下的性能保持一致，机械间设备布置和机车整体尺寸也基本保持一致的情况下，仅对机车的牵引变流系统和微机控制系统进行深度国产化产品的等同替代工作和机车性能的技术提升工作。2013年1月，武汉铁路局襄阳机务段配属30台装用自主研发牵引变流器和网络控制系统的HXD1型电力机车，这是该型机车国产化后的首次大批量运用，因此，探索和研究该型机车的机车走行部故障诊断与监测技术，预防走行部安全是很有必要的。

1.2 机车走行部的构成

机车走行部一般多采用转向架的结构形式，由于机车的用途、运行条件、制造和检修能力等因素不同，转向架的类型很多，结构各异。机车转向架主要由轮对、驱动装置、弹簧悬挂装置、构架、牵引装置和基础制动装置等组成。机车走行部结构和作用大致相同，但在部分部件上又有所区别。

1.构架。构架由侧梁、中间横梁、牵引端梁和后端梁等组成。构架是转向架的重要组成部分，构架把转向架的各个部件联系在一起构成一个整体。车体的重量通过构

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架两侧的钢弹簧或橡胶堆传递到构架上，再由构架传到轮对轴箱，然后通过轮对作用于钢轨；而牵引力由牵引电机、驱动装置通过轮轨粘着而产生，制动力一般由制动装置通过轮轨粘着而产生，牵引、制动力经由轮对轴箱传递到构架，再通过牵引装置传递到车体；各种振动载荷主要由轮轨激扰产生，部分振动载荷为钩缓传递的列车振动研究侧风载荷等；上述振动载荷沿牵引、制动力或重量的传递路径，在机车各部分之间耦合传递。当机车在不同状态运行时，构架除了承受垂直静载荷外，同时还要承受附加垂直力、纵向水平力和横向水平力等。

2.轮对。轮对由车轴、车轮及轴箱构成。轮对是机车走行部分最重要的零件之一，轮对由一根车轴和两个车轮压装成一体。在机车运行过程中，车轮和车轴之间不容许有相对位移。机车的全部静载荷通过轮对传递到钢轨；牵引电机的转矩也通过轮对作用于钢轨而产生牵引力，当机车沿着轨道运行时，轮对还刚性地承受来自钢轨接头、道岔及线路不平顺等线路激扰引起的全部动态作用力，同时轮对本身也将这些作用力刚性地作用到线路。

3.驱动装置。驱动装置包括车轮、车轴、牵引电机和齿轮传动装置等，其主要作用是：使牵引电机的扭矩转化为轮对或车轮上的转矩，利用轮轨间的粘着作用产生牵引力，驱动机车沿钢轨运行。货运机车驱动装置一般采用滚动抱轴半悬挂方式，一侧通过抱轴承箱和抱轴承与车轴联结，另一侧采用１个电机吊杆悬挂于构架上。电机吊杆上安装有橡胶弹性元件，可实现轮对与构架之间相对位移，隔离轮对通过牵引电机传递到构架的振动和冲击。

4.齿轮装置。齿轮装置由齿轮箱、齿轮箱支撑轴承、小齿轮轴和大齿轮等构成。齿轮装置是传递驱动扭矩或制动扭矩的关键部件。齿轮装置的作用是将主电动机的扭转力矩传递到车轴，或是将车轴的转矩传递给发电机。

5.深度国产化HXD1型电力机车走行部结构。深度国产化HXD1型电力机车是八轴机车，轴式为2（Bo- Bo），为铁路干线用机车。2012年6月，南车株洲电力机车有限公司完成2台车的生产工作，并完成机车在北京环形铁道进行的型式试验项点。转向架主要由构架、轮对、驱动单元、一系悬挂和二系悬挂、一系减振器和二系减振器、牵引装置（转向架和车体的连接）、制动装置和转向架附属装置等组成。轮对驱动系统结构，牵引电机采用抱轴式半悬挂，由轮对、轴箱、牵引电机、齿轮箱、抱轴等主要零部件组成。牵引电动机为交流异步电动机，额定功率1225kW。

1.3 故障诊断方法的发展现状与趋势

故障诊断学是识别机器或机组运行状态的科学，它研究的是机器或机组运行状态的变化在诊断信息中的反映。随着科学技术不断发展和工业化程度的不断提高，机械设备精密程度、复杂程度及自动化程度不断提高，凭个人的感观经验进行诊断己经远远不够。故障诊断技术集数学、物理、化学、电子技术、通讯技术、信息技术、计算机技术、模式识别、人工智能等多种综合技术发展起来的一门多学科交叉和融合的新技术。早在二次世界大战期间，由于大量军事装备缺乏诊断技术和维修手段，而造成非战斗性的损坏，使人们意识到故障诊断与监测技术的重要性。60年代以来，由于半导体的发展，集成电路的出现，电子技术、计算机技术的更新换代，特别是1965 年FFT方法获得突破性进展后出现了数字信号处理和分析技术的新分支，为故障诊断和监测技术的发展奠定了重要的技术基础。

目前国内外学者的对于故障诊断的一些方法的研究工作主要集中在以下几个方面:

1.时域分析法。时域分析法是滚动轴承故障诊断技术发展最早的一种方法，在时域诊断中，提取信号特征的主要方法有相关分析和时序分析，普遍采用振动信号的基

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本数字特征及其概率分布特征进行诊断分析，如均值、有效值、峰值和无量纲因子判别方法等。

2.频域分析法。频域分析方法是将时域波形经过FFT变换转换成频谱图，采用振动信号的频谱特征进行诊断分析，如特征频率、幅值、无量纲判别因子等，对故障可以进行精密诊断。

3.时频分析法。采用普通的频谱分析无法同时进行时频分析，找出信号的时域特征。而时频分析法既能够反映时域特征又能够反映频域特征，可以很好的描述故障特征的全貌，常用的时频分析方法有短时傅立叶变换、小波变换、小波包分析等。

4.智能诊断。计算机人工智能与诊断理论相结合形成了具有信息时代特色的智能诊断。当前故障诊断领域中最常用的两类人工智能诊断系统是基于知识的专家系统和基于网络的智能诊断系统。基于知识的专家系统的特点是以知识工程(知识库)为基础，在串行运行的格式中模拟人脑的逻辑思维，实现严格的诊断推理。基于神经网络的智能诊断系统的特点是以神经网络结构为基础，在大规模并行运算格式中模拟人脑的物理结构。

近几年来，通信技术、电子技术、计算机技术、数据处理技术的飞速发展为滚动轴承故障诊断的发展提供了强大的支持。从目前的研究资料来看，故障诊断的发展方向和发展趋势如下:

1.混合故障诊断技术研究。智能诊断技术是故障诊断技术的一个重要的研究方向。将多种不同的智能技术结合起来的混合诊断系统，是智能故障诊断研究的一个发展趋势。结合方式主要有基于规则的专家系统与神经网络的结合，实例推理与神经网络的结合模糊逻辑、神经网络与专家系统的结合等。

2.多信息量融合，多层次诊断集成。集成知识库中的各种诊断知识，结合数据库中的各种故障数据，按照不同的故障情况进行综合分析、判断，定位故障点。主要对状态监测所得到的信息进行融合，然后结合层次诊断模型，按照深浅结合的推理层次进行诊断。它进一步把状态监测中的信号监测处理集成到诊断系统中，进行在线数据处理与在线诊断推理，实现非实时诊断到实时诊断的转变，也实现信息诊断与智能诊断的统一。

3.远程协作诊断。基于因特网的故障远程协作诊断是将诊断技术与计算机网络技术相结合，用若千台中心计算机作为服务器，在企业的关键设备上建立状态监测点，采集设备状态数据;在技术力量较强的科研院所建立分析诊断中心，为企业提供远程技术支持和保障。跨地域远程协作诊断的特点是测试数据、分析方法和诊断知识的网络共享，因此必须使传统诊断技术的核心部分(即信号采集、信号分析和诊断专家系统)能够在网络上远程运行。

4.诊断与控制相结合。根据当前设备的健康状况决定设备运行方式或策略，最终预知故障，从而防止故障的发生，是诊断技术的最高目标。它是把诊断系统和控制系统进一步结合，达到集监测、诊断、控制、管理于一身.它由单机诊断发展到分布式全系统诊断，信息量大，类型多，相应的也就需要多种数据处理和诊断推理方法的联合。

总之，在今后的研究中应进一步对诊断理论与诊断方法加以研究，建立一套完整的故障诊断指导理论和方法体系，将诊断理论和诊断方法能运用到实际的生成中，同时加强对便携式诊断和监测工具的研究，致力于建立简单的故障诊断平台，建立更人性化的人机工作环境，提高诊断的效率，提高人们的设备管理意识，促进故障诊断技术的应用和发展。

1.4 机车故障诊断与监测技术的发展现状与趋势

作为保障机车运行安全的基本措施之一，机车故障诊断与监测技术可以对早期故

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障做出预报，提出对策或建议，发挥了极大的作用。上世纪 80年代以来, 随着现代测试技术、计算机技术和信号处理技术的迅速发展，机车故障诊断和监测技术也得到了很大的发展，各国铁路都在积极地开展工作，故障诊断和监测技术在机车中的应用越来越广泛。

1.1965年美国Servo公司推出了第一套安装在道旁的红外热轴探测系统，将轴承温度信号记录在记录纸上，由有经验的人员来辨别轴温情况。现在轴温探测普遍采用了计算机和网络技术，可自动测量轴承温度，自动定位和预报轴承故障，因此得到了广泛的应用。近年来，GM公司电力驱动分部（EMD）又开发了基于商业无线通讯网络的机车远程检测诊断系统，利用车载检测装置测量记录机车的状态信息，通过无线网络将数据发送到EMD的机车管理中心，那里的专家可对数据进行分析并对机车状态做出判断， 发现故障可及时通知检修基地做好相应准备。这一系统使机车的运行和状态数据实时性更强，能及时发现并排除故障，提高了运输安全性，此外可以缩短检修停时，提高机车的可用性和实际利用率，效益非常显著。

美国、加拿大、澳大利亚铁路以重载运输为主，重点发展了道旁检测诊断技术，不同企业及研究机构充分合作，共同研发了内容广泛的道旁检测网络系统，对运输安全起了积极的保障作用。其中在滚动轴承的检测和诊断方面做了大量的工作，其成果值得我们借鉴。此外美国在机车状态检测与诊断方面也做了大量的工作，开发了机车车载检测装置及基于无线通讯网络的机车远程检测诊断系统，提高了机车利用率。

2.德国铁路从1975年开始研究故障诊断技术，1980年左右随着微电子技术引入机车，诊断技术也受到了重视，现在它已经成为机车运营和维修的重要辅助工具。ICE1高速机车装设了计算机辅助故障管理系统，它具有从故障产生到故障排除及统计分析的全面管理作用，覆盖了车上的大部分主要部件或系统。其综合控制装置包含 100 多个由计算机控制的分系统，控制计算机同时承担诊断任务。分系统的诊断结果以代码型式向上传输，采用串行通讯方式，在车辆及机车级上集中和显示，节省了分系统的显示装置。诊断任务包括故障通报、故障定位、采集故障出现的频率及环境条件、显示诊断结果、存储履历、集中查询、补救程序、接受人工输入故障、测试运行、显示过程值、统计数据等。ICE2有很多与ICE1相似之处，但在转换器、存储器、故障输入、供电装置等方面做了较大改进。ICE3和ICE-T机车采用了新一代基于机车通讯网络 （TCN）检测和控制系统。诊断系统的功能是处理所有诊断子系统记录的所有事件，并将有关信息显示给司机、机车长/运转车长和随车技术人员，也可以直接通过无线网络将数据传输到基地。

欧洲铁路以高速客运为主，主要发展了车载检测诊断技术，机车上的控制计算机同时具备诊断功能，可对多种机车部件或子系统进行诊断。其发展趋势是网络化，应用各种现场总线技术将不同位置、不同功能的诊断装置连接成网，实现信息共享和集中管理。

3.日本于20 世纪60年代修建并开通了第一条新干线高速铁路，率先开始了高速化进程。为保证安全和降低维修成本，很早就开展了机车、车辆和动车组的故障诊断研究，如利用通用仪器进行了振动和铁谱分析技术的应用研究，特别是通过测量和分析电力机车上一些旋转机械的振动加速度O/A 值，对判断标准的设定做了探讨。为提高高速机车运行的安全性和舒适性，研究开发了车载检测诊断系统，比如在200系新干线高速电动车组上装设了仪器，可同时检测8个被测部位的垂向和横向振动，并根据有关舒适性指标对机车运行状态进行判断，推测不良部位，以实现有效的检修，数据可显示和打印输出。700系动车组采用了智能化检测系统，可对主要电气装置的动作和控制状态进行直接检测，并可传送到操纵台的中央检测装置，还可以为维修提供数

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据，简化维修作业。

日本铁路也是以高速为主，但与欧洲不同的是除开发车载检测装置外还开发了很多面向机车检修方面的仪器和装备，应用在检修基地。研究、开发工作的有组织进行，诊断技术研究会 (联络会)起了很大的作用,，诊断方法、种类呈现多样性，包括振动、电气、油液分析等，现场应用效果良好。

4.俄罗斯 (包括前苏联)自20世纪80年代起，包括全苏铁路运输科学院、高等院校、铁路局和机务段在内的许多单位和部门都投入了力量，在电气、轴承、柴油机、轮对等很多方面开展了诊断技术的研究、开发和应用工作。

俄罗斯铁路在电气、轴承、柴油机、轮对等很多方面开展了诊断工作，采用各种方法与计算机技术结合开发了多种仪器，并在机务段和车辆段进行了推广应用，取得了较好的效果。在高速动车组上，利用控制计算机进行某些部件的诊断，以保证机车的运行安全。

5.我国铁路自20世纪80年代起，积极开展了诊断技术在机车上的应用工作，进行了内容广泛的诊断技术研究、开发和应用，技术上取得了很大进展并获得了明显的经济效益。所采用的故障诊断方法主要有温度探测、光铁谱分析、电气参数检测、动态压力检测及振动诊断等，新的理论、方法和技术的探索与应用包括模式识别、灰色系统、模糊数学、专家系统、小波变换、神经网络、遗传算法等。20世纪90年代初开发的机车轴承诊断仪，可提取峭度系数、均方根值等多个特征参数，并具有共振解调分析功能。随后开发的机车轴承动态检测系统采用了多参数灰色关联分析方法，用于中修机务段和轴承厂，对单件轴承的动态品质进行检测和自动判别，保证良好的轴承才能装车使用。机车走行部顶轮诊断系统，可用于各机务段在机车不解体条件下，诊断机车的轴箱轴承、牵引电机轴承、抱轴承、空心轴轴承及牵引齿轮等的状态，保障运用机车走行部的安全。为提高货车的运行安全、减少不必要的拆卸，开发了货车轴承诊断系统，安装在车辆段轮对检修流水线上，对未到期的轴承进行诊断。该系统经多次改进已成为机电一体化装备，轴承故障可自动识别，取得了比较好的效果。此外还研究了小波变换、神经网络及遗传算法等在轴承诊断中的应用，并进行了大量的现场实践和技术推广，基本解决了机车旋转机械部件的故障诊断问题，促进了故障诊断技术在机车上的应用和发展。特别是在机车轴承诊断方面，不仅做了大量的技术开发和推广工作，而且从管理的角度制订了相关的规范，使轴承诊断工作制度化和规范化。目前全铁路绝大多数中修机务段都建立了机车轴承检测站，有些机务段还对传统的检修管理模式做了相应的改革，将诊断与维修分离，前者负责机车入段维修前的测试诊断，提出修理、更换内容，并进行维修后的检验，后者根据诊断结果进行有针对性的修理或更换，对未达到质量要求的部分进行返工修复。这样，既保证了机车的检修质量和运行安全，又节约了维修成本，经济和社会效益十分显著。

中国铁路在铁谱、电气性能、振动等方面进行了广泛的应用研究和开发，研制的仪器、装备已在全铁路范围内获得了应用，正在改变着机车检修模式。同时也开发了一些车载检测诊断装置，对机车的提速起了安全保障作用。

1.5 本文研究的主要内容、目标

本文通过对故障的振动诊断方法、机车走行部监测与故障诊断技术的研究，比较分析目前使用的机车走行部车载监测装置，探讨各机车走行部车载监测装置存在的优缺点，结合深度国产化HXD1型机车走行部结构特点，提出深度国产化HXD1型机车走行部车载监测装置使用的建议，使机车走行部车载监测装置更为准确可靠，实现对机车走行部质量安全可靠性的分析判断。

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第二章 故障的诊断与监测技术

2.1时域分析法

直接对振动时域信号进行分析和评估是故障诊断和状态监测最简单和最直接的方法，特别是当信号中含有简单谐振信号、周期信号或短脉冲信号时更为有效。直接观察时域波形可以看出周期、谐波、脉冲，利用波形分析可直接识别共振现象和拍频现象。当然这种分析对比较典型的信号或特别明显的信号以及较有经验的人员才比较适用。此外还可利用各种示性指标来进行诊断。

2.1.1故障诊断特征量示性指标

作为故障诊断特征量的一些示性指标如下：

??1 T?平均幅值 Xp?x(t) dt?T 0?1 T2均方根幅值 XRMS?x(t) dt??T 0? ? （2-1） 21?1 T?方根幅值 Xr??x(t)2dt?? 0?T??? ?3?偏斜度指标 (简称偏度) ?3?xp(x) dx ??? ??峭度指标 (简称峭度) ?4?x4p(x) dx? ???峰值??maxx(t) X?????式中 x(t)——系统中某特征点的振动响应； T?——?采样时间；

——x(t)的概率密度函数。

1.在旋转机械振动监测和故障诊断中，对于波形复杂的振动信号，常常采用其峰-峰值（双振幅），记为p?p，即最大峰值与其相邻的最低谷值之间的幅值作为振动大小的特征量，称为振动的“通频幅值”。峰-峰值的提取十分方便。

2.利用系统中某些特征点振动响应的均方根幅值作为故障诊断的判断依据是最简单、最常用的一种方法。均方根值诊断法多适用于稳态振动的情况，当机器振动不平稳、振动响应随时间变化时，可用振幅-时间图诊断法，该方法在研究系统的过渡过程(开机和停机)中是有效的，根据曲线的变化可以判断系统的状态和故障。

3.比值

?33?xxp(x)称为偏态因数（简称偏态），此处?x为标准偏差。偏态是概率密度函数

?4?x4??4??4?3??或?x?称为峰态因数（简称峰态），是概率密度分布

不对称性程度的度量。比值

峭度程度的度量。对于正态分布来说，其偏态等于零，对于一般的实际信号来说，偏态也接近于零。高阶偶次矩对信号中的冲击特性较敏感，而峭度是不够敏感的低阶矩与较敏感的高阶矩之间的一个折中特征量，它可以用于滚动轴承的故障诊断。例如，轴承圈出现裂纹，滚动元件或滚珠轴承边缘剥裂等，在时域波形中都可能引起相当大的脉冲，用峭度作为故障诊断特征量是很有效的；但用于滑动轴承的故障诊断就不灵敏了。

4.当时间信号中包含的信息不是来自一个零件或部件，而是属于多个元件时，例

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如，在多级齿轮的振动信号中往往包含有来自高速齿轮、低速齿轮以及轴承等部件的信息，在这种情况下，可利用下列的一些无量纲示性指标进行故障诊断或趋势分析：

波形因数K?峰值因数XRMS,Xp?XXRMS,脉冲因数????X?Xp? ? （2-2） ?X??=Xr??

裕度因数?=在选择上述示性指标时，按其诊断能力由大到小顺序排列，大体上为峰态因数→

裕度因数→脉冲因数→峰值因数→波形因数。

图?2-1中示出了一个轴承外圈在工作了?21?小时后出现损伤，其峰态因数和峰值因数的变化趋势。由图可见，当轴承正常工作时，两者都接近于3，当出现损伤时，峰态因数的变化趋势非常明显，其值可达?13，这是因为信号中脉冲成分比较明显的缘故。而峰值因数相比峰态因数则变化得不够明显。

图2-1 轴承外圈损伤时峰态因数和峰值因数的比较

2.1.2 时域故障诊断的概率分析法

对于各种状态历经的随机过程，可用其时间历程的概率分布来描述。图?2-2?所示为某一信号的时间历程及其概率密度函数p(x)，p(x)可由下列关系式计算：

p(x)?limp??x?x(t)≤x??x??? x? x?0?lim Tx?1?lim （2-3）

?x?0? x?T??T???式中，Tx是在总的观测时间?T?中信号x(t)位于?x, x?? x?区间内的所有时间之和。

图2-2 信号及其概率密度函数

2.1.3 时域同步平均法

时域同步平均法是从混有噪声干扰的信号中提取周期性分量的有效方法，也称相

干检波法。

我们知道，一个随机信号的时域平均起着滤波的作用，当平均次数?N?无穷大(或相当大)时可得信号的直流分量，即平均值。当随机信号中包含有确定性的周期信号时，如果截取信号的采样时间等于周期性信号的周期?T，将所截得的信号叠加平均，就能将

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该周期信号从随机信号、非周期信号以及与指定周期?T?不一致的其他周期信号中分离出来，而保留指定的周期分量及其高频谐波分量，提高待研究的周期信号的信噪比，即使该周期信号较弱也可以分离出来，这是频谱分析法所不及的，这就是时域同步平均法的基本思路。如果事先不知道周期信号的周期，可通过相关分析来确定信号的周期。对于旋转机械，截取的周期应和机器运行的转动周期同步起来，例如转一圈采一帧(或整转几圈采一帧)，如此循环采集若干帧信号进行平均即可。

假设观测得到的信号为

x(t)?d(t)?n(t) （2-4）

式中 d(t)——欲提取的周期信号，其周期为?T，频率为?f＝1?/?T，角频率??2? f； ——噪声信号。

可以证明，时域信号的平均相当于在频域上设置一个频域窗函数。经?N?次平均后，输出噪声能量降为输入噪声能量的?1/?N，从而所得到的输出信号y(t)为

y(t)?d(t)?n(t)N （2-5）

n(t)图?2-3?示出了某一信号经不同平均次数后的时域波形。

图2-3 用时域平均法提取周期信号

2.2频域分析法

通过振动信号的频谱分析揭示振动过程的频率结构，是进行故障诊断的重要途径，特别是随着快速傅里叶变换（FFT）算法的出现和近代频谱分析仪的推出，频域分析法已被广泛采用。

2.2.1 响应频谱诊断法

利用频谱分析进行故障诊断越来越得到广泛的应用。最初是靠熟练技师进行人工的定性分析，以后研制了各种便携式的频谱分析仪，目前频谱分析已进入微机化和智能化阶段。

不同的机械设备和结构系统，在不同的工况下其响应频谱的幅值和形状是不同的，只要积累大量的现场实测资料，并做一定的分析对比实验，经统计分析后就可利用频谱进行振动诊断。在很多机械中已给定了进行诊断维护的标准频谱图。如图?2-4所示，图中曲线?1?是在一定条件下机器在某给定点上响应的频谱维护极限，即机器振动频谱值超过曲线?l?就应停机维修；曲线?2?和曲线?3?分别表示机器运行在良好状态和正常状态下的频谱包络线。维护极限和良好状态曲线形成一定宽度的谱标，它是根据机器振动的基本统计特征，并考虑一定的许用极限形成的，把观测到的频谱和这一谱标进行有规则地比较就会判断系统的故障。对于转速变化很大的信号，常采用宽带谱标；对

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于转速只有较小浮动的信号，常采用窄带谱标。为了补偿转速的变化，可用等百分比带宽分析代替等带宽分析来获得频谱图。

图?2-4 某机器的典型频谱图

在进行故障诊断时，既可以用傅里叶频谱及其包络线，又可以用功率谱密度函数；既可以用二维频谱图，又可以用三维瀑布图。

2.2.2 高阶频谱诊断法

功率谱分析是线性系统最基本的分析工具之一，也是故障诊断最有效的方法之一。但自功率谱分析却丢失了相位信息，抗噪声干扰的能力不强，在故障发生初期信号变化不大且信号中混有高斯噪声时，利用功率谱分析就难以得到令人满意的结果，而利用三阶频谱或高阶频谱进行故障诊断现已引起人们的重视。

1.三阶频谱的定义和计算

对于平稳随机过程x(t)，其三阶自相关函数为

Rxxx(?1, ?2)?E??x(t) x(t??1) x(t??2)?? （2-6）

三阶自相关函数Rxxx(?1, ?2)与三阶频谱Sxxx(?1, ?2)是一种二重傅里叶变换对，还可

以类似地定义三阶互相关函数和三阶互谱。

随机信号x(t)的三阶频谱等于该信号的一维傅里叶变换的三次乘积的数学期望，即

*Sxxx(?1, ?2)?E?X(?)X(?)X(?1??2)?12?? （2-7）

同理，系统的输入x(t)与输出y(t)之间的三阶互谱也有类似的公式。信号的一维傅里叶变换可利用快速算法?FFT?完成，显然，?1??2也应满足?Shannon?采样定理，即

。

2.三阶频谱的特点及应用

（1）对于零均值平稳的高斯过程，其三阶矩恒等于零，三阶频谱也恒等于零，据此可检验一个随机过程是否为高斯过程。

（2）三阶频谱表示三个谱元之间的相关性。对于线性系统，若系统的输入为高斯平稳过程，系统的输出也为高斯平稳过程，三阶频谱恒等于零；当系统为非线性系统

?? / (2?t)??1??2?? / (2?t)时，系统的输出为非高斯平稳过程，在某些频率处会表现出较强的相关性，在?1-?2坐标下的三维图形上出现较高的谱峰，这些谱峰显露出非线性系统本身的频域特性，因此，三阶频谱分析为非线性输出信号的频谱分析及识别非线性系统提供了一个比较有效的方法。图2-5?为柴油机正常运转与发生故障时，在气缸盖上检测的振动响应信号的三阶频谱。由图可见，两个频谱图已清楚地表明了正常工作状态与故障状态的显著差异，不等于零的三阶频谱保留了相位信息。

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图?2-5 柴油机的三阶频谱图

（3）三阶频谱对高斯噪声不敏感。设x(t)和y(t)分别表示非高斯随机输入和输出，则输出y(t)的三阶频谱能有效地抑制高斯噪声，这是三阶频谱用于故障诊断的有利因素。

（4）三阶频谱对故障的敏感程度大。通过频响函数的三阶频谱作为故障诊断的特征量是一种可行的方法。

2.3 时频分析法

时频分析即时频联合域分析的简称，作为分析时变非平稳信号的有力工具，成为现代信号处理研究的一个热点，它作为一种新兴的信号处理方法，近年来受到越来越多的重视。时频分析方法提供了时间域与频率域的联合分布信息，清楚地描述了信号频率随时间变化的关系。

时频分析的基本思想是：设计时间和频率的联合函数，用它同时描述信号在不同时间和频率的能量密度或强度。时间和频率的这种联合函数简称为时频分布。利用时频分布来分析信号，能给出各个时刻的瞬时频率及其幅值，并且能够进行时频滤波和时变信号研究。

图?2-6 时频分析

时频分析的主要方法有短时傅立叶变换和连续小波变换。

2.3.1 短时傅立叶变换

短时傅立叶变换由于其算法简单，实现容易，所以在很长一段时间里成为非平稳信号分析标准和有力的工具，它己经在故障诊断的信号分析和处理中得到了广泛的应用。

短时傅立叶变换的基本思想是用一个时间宽度足够窄的固定的窗函数乘时间信号，使取出的信号可以被看成平稳的，然后对取出的这一段信号分成许多小的时间隔，用傅立叶变换分析每一个时间间隔，以便确定该时间间隔存在的频率，便可以反映出该时间宽度中的频谱变化规律。如果让这个固定的窗函数沿着时间轴移动，那就可以得

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到信号频谱随时间变化的规律了。其表达式为：

Sf(?,?)??f(t)g(t??)e?i?tdt.???第1页

（2-8）

其中，g(t)为一窗口函数，它一般是一光滑的低通函数，只在τ的附近有值，在其余处迅速衰减掉。这样，我们便得到函数在时刻τ附近的频率信息（即：频率为ω的信号成分的相对含量）。随着时间τ的变化，g(t)所确定的窗函数在时间轴上移动，对f(t)逐渐进行分析。

由此可见，短时傅立叶变换虽然在一定程度上克服了标准傅立叶变换不具有局部分析能力的缺陷，但它也存在着自身不可克服的缺陷，即当窗口函数g(t)确定后，矩形窗口的形状就确定了，τ、ω只能改变窗口在相平面上的位置，而不能改变窗口的形状。

因此，短时傅立叶变换用来分析平稳信号犹可，但对非平稳信号，在信号波形变化剧烈的时刻，主频是高频，要求有较高的时间分辨率（即δ要小），而波形变化比较平缓的时刻，主频是低频，则要求有较高的频率分辨率（即ε要小）。而短时傅立叶变换不能兼顾两者。

2.3.2 连续小波变换

短时傅里叶变换在分析非平稳性信号时表现出严重的不足。然而实际中的信号均包含大量的非平稳成分。例如偏移、趋势、突变等，它们往往反映了信号的重要特征。因此需要寻求一种同时具有时间分辨率和频域分辨率的分析方法。小波变换继承了短时傅里叶变换的思想，它的窗口大小不变，但窗口形状可以改变，是一种时间窗和频率窗都可改变的时频分析方法。即在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率，在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率。因此在时频域都具有很强的表征信号局部特征的能力。小波变换由于其良好的时频特性，已广泛地应用于齿轮、轴承等的故障诊断与监测中。

将任意L2（R）空间中的函数f(t)在小波基下展开，称这种展开为函数f(t)的连续小波变换（CWT）。其表达式为：

WTf(a,?)??f(t),?a,?(t)???a,?(t)?|a|?(?121a?Rf(t)??(t??)dta （2-9）

其中：

t??),b?R,a?R?{0}a

WT(a,?)从定义可以看出：小波变换和傅立叶变换一样，也是一种变换，f为小波变换系数。也可见其与傅立叶变换的区别，若小波满足容许条件，则连续小波变换存

|?(?)|2C???d???|?|R在着逆变换。容许条件：

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逆变换公式为：

f(t)??1C?1C???0第1页

???0da??WTf(a,?)?a,?(t)d?2???a???da1t??WT(a,?)?()d?f2???aaa （2-10）

逆变换存在，必须满足“容许条件”。在实际应用中，对基本小波的要求往往不局限于满足容许条件，对?(t)还要施加所谓“正则性条件”，使?(?)在频域上表现出较好的局域性能。为了在频域上有较好的局域性，要求|WTf(a,?)|随a的减小而迅速减小，所以这就要求?(t)的前n阶原点距为0，且n值越高越好。即： ?t?(t)dt?0,p?1~n，且n值越大越好。p连续小波变换的性质：

（1）线性性: 一个多分量信号的连续小波变换等于各个分量的小波变换之和； （2）平移不变性:若f(t)的小波变换为Wf(a,b)，则f(t)的小波变换为（3）伸缩共变性:若f(t)的小波变换为Wf(a,b)，则f(ct)的小波变换为

Wf(a,b??)；

1cWf(ca,cb)；

（4）自相似性:对应不同尺度参数a和不同的平移参数b的连续小波变换之间是自相似的；

（5）冗余性: 连续小波变换中存在信息表述的冗余。 连续小波变换的步骤：

（1）选择小波函数及其尺度a值；

（2）从信号的起始位置开始，将小波函数和信号进行比较，即计算小波系数； （3）沿时间轴移动小波函数，即改变参数b，在新的位置计算小波系数，直至信号的终点；

（4）改变尺度a值，重复（2）、（3）步。

连续小波变换是一种新的变换分析方法，它继承和发展了短时傅立叶变换局部化的思想，同时又克服了窗口大小不随频率变化等缺点，能够提供一个随频率改变的“时间-频率”窗口，是进行信号时频分析和处理的理想工具。它的主要特点是通过变换能够充分突出问题某些方面的特征，因此，小波变换在许多领域都得到了成功的应用，特别是小波变换的离散数字算法已被广泛用于许多问题的变换研究中。从此，小波变换越来越引起人们的重视，其应用领域来越来越广泛。

2.4 共振解调技术

2.4.1 共振解调技术原理简介

共振解调技术是从振动监测——分析技术发展起来的一门新技术，传统的振动分析技术途径是直接分析机器振动冲击信号寻找故障，因而进展艰难。因为故障信号总是被强大的“转子不平衡振动的多阶频谱”、“齿轮啮合振动的频谱”等常规振动信号掩盖而不能成功。共振解调技术不是直接分析振动信号的频谱，而是设置一个谐振频率远远高于常规振动频率的“共振器”，去吸收和重新分配振动冲击信号的能量；常规的、不危害机器安全的振动是柔和的，不含有“共振器”频带所能吸收的能量，共振器没

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组成。走行部故障监测子系统二通过传感器采集机车振动加速度数据，将采集数据传输至走行部监测板卡2（AT2），走行部监测板卡2 进行诊断分析后，将诊断结果和过程数据通过6A 系统主机内部总线传送至6A 系统的中央处理单元（CPP）。走行部故障监测子系统二只有一级报警，不会对机车的正常运用产生影响，不需要司乘人员进行任何干预，机车运行完交路回到库内时，通知相关人员进行检查和排除故障即可。 4.4.3 6A 系统技术特点

1.具有统一功能接口； 2.数据进行统一存储； 3.具有统一安装方式； 4.具有统一人机界面； 5.具有统一维护操作；

4.5 机车走行部车载监测装置比较与分析

机车走行部是机车最重要的组成部分之一，一旦机车走行部发生故障，就很可能危及行车安全。原有轴温报警装置（温度试纸）通过监测机车轴箱轴承、抱轴承、电机轴承的温度来判断机车走行部的质量状态，具有局限性。这是因为轴承故障往往并不直接表现为温度升高，而且轴温升高通常是没有预见性的，温度报警只能限于故障发生之后。通过对目前使用的几种常见走行部监测装置的简介和技术特点，我们比较比较分析如下：

1.JK00430装置则在兼容和完善原轴温报警器的轴温监测和报警功能的基础上，新增加了共振解调的设备故障诊断技术，使该装置不论从监测范围和功能上，都比原来的轴温报警器有了较大幅度的提升。

2.JK11430装置在继承前一代产品（JK00430 装置）众多优点的基础上，进行了技术创新和改造，在功能和性能上全面超越了前一代产品，提高了系统的可靠性、可维护性。

3.YZB-1装置借鉴了CRH2的成熟经验，采用易熔合金作为温度感知件，能够可靠地监测轴箱轴承、牵引电机传动端轴承、牵引电机非传动端轴承等部位的异常温度，具有误报率低的优点。但其传感器采用串联方式，任何一个断开都会导致电气回路开路，只能定性的监测电气回路的通断，而不能定位是由哪个/哪几个传感器造成的开路。且其传感器采用了灌封工艺将易熔合金固化在其探头中，易熔合金的熔断是一次性的、不能恢复，当易熔合金发生熔断后就需要更换新的传感器。因此在实际使用中造成故障判断及处理异常复杂。

4.6A系统是针对机车的高压绝缘、防火、视频、列车供电、制动系统、走行部等危及安全的重要事项、重点部件和部位，采用实时监测、监视、报警并可实现网络传输、统一固态存储和智能人机界面，整体研究设计而形成平台化的安全防护装置。

根据比较和分析，我们得出如下结论：

1.YZB-1装置更多的是具有原有轴温报警装置（温度试纸）的温度检测功能，不能故障振动进行诊断，同时由于其设计采用传感器串联方式，造成故障定位和对监测装置本身检修的困难。

2.JK00430、JK11430型采用了共振解调的设备故障诊断技术，相比较YZB-1装置能更好的监测机车走行部的振动和温度变化趋势。

3.6A系统做为一个平台，很好的解决了各监测设备在标准、功能、安装、人机界面、维护管理等方面不统一，无法纳入规范化管理和信息处理网络得弊端。可以很好的适应统一管理、跨局运用等现实需求。

4.状态监测、故障诊断技术虽然有其不可替代的优势，但由于机车走行部结构部

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件多，机械运动有复杂的结构系统，运行参数间并非全部有严格的逻辑和定量关系，其故障现象、故障原理之间具有很大的不确定性，一个故障可表现出多种征兆，监测到的几个故障起因同时反映一个故障征兆，故障与征兆之间关系模糊复杂，因此完全通过建立精确的数学模型来诊断是十分困难的。在目前情况下，尚存在很多不足和问题需要解决。因此机务段机车检修部门采用机车顶轮检测的方式对走行部监测装置报警情况进行进一步确认，普遍采用JL-601A 机车走行部装置。

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结 论

本文研究了机械故障的诊断方法、机车走行部故障诊断与监测技术，比较分析了目前使用的机车走行部车载监测装置存在的优缺点，结合深度国产化HXD1型机车走行部结构特点，提出深度国产化HXD1型机车走行部车载监测装置使用的建议如下：

（1）6A系统是更适合深度国产化HXD1型机车使用的走行部车载监测装置； （2）利用机车顶轮检测，是对机车走行部故障的有效补充； （3）6A系统走行部车载监测装置的门限值没有经验依据，现行规程中没有监测的技术要求和指标，使故障诊断时缺乏科学的判据，需加强机车故障统计分析来探索调整门限值；

（4）机务段技术人员要经常向厂方专家学习、交流，善于积累经验，提高数据分析和故障判断、处理的能力，使装置更有效地为机车走行部的安全运行和状态检修发挥作用。

当然，本文也存在不足之处，主要是由于机务段是机车运用、维护保养部门，对走行部车载监测装置报警存在问题的机车部件一般采用整体更换的方式，对故障部件进行返厂解体，送轴承厂家进行有关分析，机务段缺少相关分析数据，对故障诊断的结果的正确性和部件的损害程度缺少直观的认识。

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致 谢

本文是在付攀老师的指导和帮助下完成的，付攀老师认真严谨的治学态度，扎实的学术基础和丰富的科研经验给我留下了深刻印象，为我今后的工作和学习树立了榜样。在毕业论文的完成过程中，刘勤峰高级工程师给了我极大的关心和支持，在技术问题上一丝不苟的研究精神都值得我学习和尊敬。在此谨表示衷心的感谢！

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参考文献

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有与之相关的输出；而故障冲击不论多么小，也含有比低频振动丰富得多的高频能量，其冲击能够激发共振器发生共振。通过解调即可复现原始的、清晰的故障信号，准确地发现故障处所和部件。

2.4.2 共振解调技术基本原理

常规振动分析技术和若干新发展起来的分析技术都不能有效地识别轴承、齿轮、踏面的初期故障，更不能在车载条件下有效地运用。其原因何在？共振解调技术是怎样工作的？

图2-6 振动信号直接分析与共振解调分析的对比

如图2-6中A所示，即使是工作条件良好的地面机器，其振动信号中，总是含有转子不平衡振动、齿轮啮合振动等振动信号，如果轴承出现了故障，其信号特征是幅度很小、宽度很窄的冲击脉冲。如同我们骑车通过水泥马路的接缝（裂纹）和柏油马路的小坑（剥离）时受到的冲击相似。

传统技术试图通过对该信号的FFT分析，获得图中B所示的频谱，试图从中获得“轴承故障冲击脉冲的其频谱（夸大）”。却总是被强大的“转子不平衡振动的多阶频谱”“齿轮啮合振动的频谱”掩盖而不能成功。而且，扑获冲击脉冲需要很高很高的采样频率，因为冲击波很窄很窄，它的频谱很高很高。

共振解调技术不是直接分析振动信号A的频谱，而是设置一个谐振频率远远高于常规振动频率的“共振器”，去处理振动信号；常规的、不危害机器安全的振动是柔和的，不含有“共振器”频带内的频谱分量，共振器没有与之相关的输出；而故障冲击不论多么小，也含有几乎无限丰富的高频能量，能够激发共振器发生共振；这好比几十个人同时去摇晃（振动）永乐大钟，大钟纹丝不动，而当一个小硬币落在大钟上时，却能够激发出清脆的、突然发生、很快变小的响声——冲击激发了自由衰减式广义共振！如图中的C所示。

我们人的耳朵不能判定“清脆的”响声的频率，所注意到的是一个该响声从没有到突然发生然后逐渐变小的过程，如图中的D所示。我们将这个感觉过程比作“解调”。C和D联合作用的过程，就比作“共振解调”。

图1中A的振动冲击波中的每一次冲击（小脉冲），都对应地激发一次共振解调，获得一个“共振解调波”。这就是对应性——共振解调波与轴承等故障冲击一一对应，不遗漏任何一次故障冲击。

我们注意到：自行车沿着光滑的马路爬上高坡、滑下深谷（大幅度的振动），只要车子没有受到冲击，就不抖动。说明常规的正常振动不能够激发共振解调波。这就是

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选择性——只对故障冲击响应，没有故障冲击就没有共振解调波。马路上的小坑能激发自行车强烈的抖动，这就是共振解调的放大性——微小的故障冲击就能激起很大的共振解调波。

大的坑能激起大的抖动，小的坑能激起小的抖动，这就是比例性——共振解调波的幅度与原始的故障冲击幅度成比例。

硬币落到大钟上，立即弹跳离去，说明冲击接触的时间很短，我们看不到冲击和解除的过程；而激发的共振却延续很长的时间，使我们能清晰地听到。这就是共振解调的展宽性——共振解调波的宽度远大于冲击脉冲的宽度，展宽的程度与谐振器的Q值有关，与冲击的重复频率和共振的频率无关。

由于共振解调波被展宽，它的频谱范围已经变得很低，就是说，共振解调波具有低频性——共振解调波的重复频率和它的高阶谐波都是低频信号，即：共振解调将冲击的高频能量调理为低频信号的方式出现，方便于数据采集和FFT分析。

图中的E是对共振解调波作FFT分析所获得的“共振解调谱”。除了涵盖所有上述性质外，我们还发现该频谱由间隔相等（等于故障冲击的重复频率）的一组频谱构成，这就是共振解调频谱独有的多阶性——共振解调波的频谱（如图中的E）是多阶的梳状谱线。

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第3章 机车走行部监测与故障诊断技术

利用振动信号对故障进行诊断，是机车走行部故障诊断方法中最有效、最常用的方法。机车在运行过程中的振动及其特征信息是反映机车走行部运行状态及其变化规律的主要信号。通过各种动态测试仪器拾取、记录和分析系统振动信号，是进行机车走行部状态监测和故障诊断的主要途径。

3.1 齿轮的监测与故障诊断

3.1.1 齿轮失效的基本形式

一般情况下，常见的齿轮失效形式主要有四种，即断裂、磨料磨损、擦伤以及疲劳剥落。

1.齿轮的疲劳断裂失效。齿轮在运行过程中承受载荷，如同悬臂梁，其根部受到脉冲循环的弯曲应力作用。当这种周期性应力超过齿轮材料的疲劳极限时，会在根部产生裂纹，并逐步扩展，当剩余部分无法承受传动载荷时就会发生断齿现象。此外，齿轮在工作中受到严重的冲击、偏载以及材质不均匀也可能会引起断齿。当齿轮受到过高的交变周期应力时，也会引起疲劳断裂。

2.齿轮的磨损失效。当齿轮工作面间润滑油不足或油质不清洁，有金属微粒、金属氧化物或其他硬质磨料存在时，会引起磨料磨损。这些外界的硬质微粒开始先嵌入一个工作表面，然后以微粒切削的形式从另一工作表面挖去金属的微小微粒，或在塑性流动下引起齿轮金属表面变形，使齿廓显著改变，侧隙加大，以至于齿厚过度减薄导致断齿。一般情况下，当润滑油料中夹杂有直径?30??m?以上的磨料时，就会在齿轮运行中引起磨料磨损。

3.齿轮的擦伤失效。重载和高速的齿轮传动，使齿面工作区温度很高。如润滑条件不好，齿面间的油膜破裂，一个齿面的金属会熔焊在与之啮合的另一个齿面上，在齿面上形成垂直于节线的划痕胶合。新齿轮未经跑合时，常在某一局部产生这种现象，使齿轮擦伤。一般来说，当润滑油黏度过低、转速过低、运行温度过高以及接触面积过小，均会使油膜破裂而造成齿面擦伤。

4.齿面接触疲劳。齿轮在啮合过程中，既有相对滚动，又有相对滑动，而且相对滑动的摩擦力在节点两侧的方向相反，从而产生脉动载荷。这两种力的作用使齿轮表面层深处产生脉动循环变化的剪应力。当这种剪应力超过齿轮材料的剪切疲劳极限时表面将产生疲劳裂纹。裂纹扩展，最终会使齿面金属小块剥落，在齿面上形成小坑，称为点蚀。当“点蚀”扩大，连成一片时，形成齿面上金属块剥落，齿面上剩余的工作面积无法再继续承受外部载荷，从而使整个齿产生断裂。此外，材质不均或局部擦伤，也易在齿轮的某一轮齿上首先出现接触疲劳，产生剥落。

3.1.2 齿轮的振动信号特征

1.齿轮正常时的振动。没有缺陷的正常齿轮，其运行时的振动主要是由于齿轮自身的刚度等引起的。

（1）时域特征。正常齿轮由于刚度的影响，其振动波形为周期性的衰减波形，其中低频信号具有近似正弦波的啮合波形，如图3-1所示。

（2）频域特征。正常齿轮的振动信号反映在功率上，有啮合频率及其谐波分量，即nfc（n＝1，2，?），且以啮合频率成分为主，其高次谐波依次减小；同时，在低频处有齿轮轴旋转频率及其高次谐波mfr（m＝1，2，?），其频谱图如图?3-2?所示。

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图?3-1 正常齿轮的低频振动波形 图?3-2 正常齿轮的频谱图

2.齿轮磨损引起的振动。齿轮磨损是指由于齿轮的材料、润滑等方面的原因或者长期在高负荷下工作造成的齿面磨损。

（1）时域特征。齿轮发生均匀磨损时，导致齿侧间隙增大，通常会使其正弦波式的啮合波形遭到破坏，图?3-3是齿轮发生磨损后引起的高频及低频振动。

（a）高频振动

（b）低频振动

图?3-3 齿轮磨损引起的高频振动和低频振动

fm—?啮合频率

（2）频域特征。齿面均匀磨损时，啮合频率及其谐波分量nfc（n＝1，2，?）在频谱图上的位置保持不变，但其幅值大小发生改变，而且高次谐波幅值相对增大较多。分析时，要分析三个以上谐波的幅值变化才能从频谱图上监测出这种特征。图3-4?所示反映了磨损后齿轮的啮合频率及谐波幅值的变化。随着磨损的加剧，还有可能产生?1/k（k＝2，3，4，?）的分数谐波，有时还会出现如图?3-5所示的呈非线性振动的跳跃现象。

图?3-4 齿轮磨损时的频谱图 图?3-5 非线性振幅跳跃现象

3.齿轮偏心时引起的振动。齿轮偏心是指齿轮的中心与旋转轴的中心不重合，这种故障往往是由于加工造成的。

（1）时域特征。当一对互相啮合的齿轮中有一个齿轮存在偏心时，其振动波形由于偏心的影响被调制，产生调幅振动。图?3-6?所示为齿轮偏心时的振动波形。

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图?3-6 偏心齿轮振动时的波形

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（2）频域特征。齿轮存在偏心时，其频谱结构将在两个方面有所反映：一是以齿轮的旋转频率为特征的附加脉冲幅值增大；二是发生以齿轮转一周为周期的载荷波动，从而导致调幅现象，这时的调制频率为齿轮的回转频率，比所调制的啮合频率要小得多。图?3-7?所示为偏心齿轮的典型频谱特征。

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图?3-7 齿轮偏心时的频谱图

4.齿轮不同轴引起的振动。齿轮不同轴故障是指由于齿轮和轴装配不当造成的齿轮和轴不同轴。不同轴故障会使齿轮产生局部接触，导致部分轮齿承受较大的负荷。 （1）时域特征。当齿轮出现不同轴或不对中时，其振动的时域信号具有明显的调幅现象。图?3-8所示为其低频振动信号呈现明显的调幅现象。

（2）频域特征。具有不同轴故障的齿轮，由于其振幅调制作用，会在频谱上产生以各阶啮合频率nfc（n＝1，2，?）为中心，以故障齿轮的旋转频率fr?为间隔的一阶边频带，即nfc±fr（n＝1，2，?）。同时，故障齿轮的旋转特征频率mfr（m＝1，2，?）在频谱上有一定反映。图?3-9?所示为典型的发生不同轴故障齿轮的特征频谱图。

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图?3-8 不同轴齿轮的振动波形 图?3-9 不同轴齿轮的频谱图

5.齿轮局部异常引起的振动。齿轮的局部异常包括齿根部有较大裂纹、局部齿面磨损、轮齿折断、局部齿形误差等，图?3-10表示了几种常见的异常情况。局部异常齿轮的振动波形是典型的以齿轮旋转频率为周期的冲击脉冲，如图?3-11?所示。具有局部异常故障的齿轮，由于裂纹、断齿或齿形误差的影响，将以旋转频率为主要频域特征，即mfr（m＝1，2，?），如图?3-12?所示。

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Tc

图?3-10 齿轮的局部异常 图?3-11 局部异常齿轮的振动波形

1—齿根部有裂纹；2—局部齿面磨损； 3—局部齿形误差；4—断齿

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fr

图?3-12 局部异常齿轮的频谱图

3.1.3 齿轮的振动监测及振动信号分析

齿轮在运转过程中，通常是在齿轮箱上测取振动信号，通过?FFT?处理后，作振动信号的功率谱分析，借以监测和诊断齿轮运行工况，也可用声级计测取齿轮箱运行时的噪声作为分析的信号。

1.啮合频率及其各次谐波的分析。以标准渐开线为轮廓的齿轮，在节线附近是单齿啮合，从节线两侧的某个部位开始（其确切位置由重叠系数而定）至齿顶和齿根的两个区段为双齿啮合。因此，每个轮齿在啮合过程中，载荷的分配是变化的，载荷的变化会引起轮齿的刚度性发生变化，从而引起轮齿的振动，在齿轮运转时，其振动频谱图上含有啮合频率及其各次谐波分量。此外，两啮合轮齿的齿面相对滑动速度及摩擦力在节线处要改变方向，从而形成交变的摩擦力，而且齿廓的制造误差等因素会在啮合频率及其各次谐波上产生振动分量，特别是齿面均匀磨损后，这些成分会变得格外突出。随着齿轮的磨损，频谱图上啮合频率及其各次谐波振动分量的幅值都会上升，如图?3-13?所示。需要注意的是，啮合频率高次谐波的幅值要比基波的幅值上升得快。

图?3-13 齿轮磨损的典型频谱（虚线为磨损后情况）

啮合频率是齿轮振动中比较突出的成分，它既是齿轮齿阔磨损的一个灵敏指针，同时齿面上产生点蚀、剥落等损伤也会在啮合频率及各次谐波成分上表现出来。

对于一对新齿轮来说，其振动能量水平较低，啮合频率的基波及其第二、三次谐波幅值依次减少。对于具有中等点蚀故障的齿轮，其频谱随着点蚀的增加，整个频谱的幅值都随之增加，且啮合频率高次谐波幅值将超过基波；另一个特点是，啮合频率的二次谐波两边的边频带愈加丰富。当齿面出现重度点蚀时，谐波噪声总量急剧上升，且啮合频率的谐波延伸到七次以上。

啮合频率分析也有其不足之处，它毕竟是齿轮振动的众多能量的平均值，因此在局部轮齿呈现损伤时，其幅值的增长就不那么明显，只有大多数轮齿受到磨损或出现点蚀、剥落等损坏时才有明显的增量。

此外，齿轮的振动信号十分复杂，故障对振动信号的影响是多方面的，会产生振动冲击和信号的调制现象。因此，还需要进一步分析齿轮运转的轴频和边频及其谐波成分的变化，才能确定齿轮故障的类型和发生位置。

2.齿轮振动信号中的调幅、调频现象。在一对齿轮啮合的过程中，其啮合频率及各次谐波可以被看成是一个高频振荡，即把它看作载波。而那些在每周呈现一次或二次的振动信号，如齿面上的点蚀、剥落所引起的振动信号可视为缓变信号，即调制信号。两种信号同时出现时，就会产生调制效应。在频谱图中，两频线间的间隔即为其

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调制信号的频率——这是非常有价值的诊断信号，找出调制信号的频率即可判别其相应的故障。调制又可以分为两类：幅值调制和频率调制。

（1）幅值调制。幅值调制简称调幅。它是由于齿面载荷波动对振动幅值的影响而造成的。当齿轮齿矩周期性变化、载荷的波动及局部或均布故障的出现都会产生幅值调制效应。幅值调制从数学的观点上看，是两个函数（信号）相乘，而在频域中则表现为两函数的卷积，如图?3-14?所示。齿轮缺陷分布不同，对边频带的影响也不同。

① 局部缺陷。当齿轮缺陷发生在局部时，就相当于齿轮每转一圈产生一个脉冲激励，齿轮的啮合频率被一个短的周期脉冲所调制。在频谱图中表现为啮合频率两侧的大量边频带，其幅值较低且均匀而平坦，如图?3-15（a）所示。

② 均布缺陷是一种比较均匀分布的缺陷，它相当于时域包络线比较宽的脉冲，因此它在频谱图中表现为在啮合频率两边产生了一簇幅值较高、起伏较大、分布较窄的边频带，如图?3-15（b）所示。

（a）时域 （b）频域 图?3-14 单一频率的幅值调制

（a）局部缺陷

（b）均布缺陷

图?3-15 齿轮缺陷分布对边频带的影响

（2）调频效应。齿轮载荷不均匀、齿距不均匀及故障造成的载荷波动，除了对振

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动幅值产生影响外，同时也必然产生扭矩波动，使齿轮转速产生波动。这种由于齿矩周期性变化及载荷波动引起的调制，我们称为频率调制。事实上，一个齿轮上的载荷发生波动就会引起齿轮速度的波动，所以导致调幅的因素也必然会导致频率调制，两种调制总是同时存在的。调频的结果同样会在频谱图中出现一簇边频带，其间距的含义与调幅相同，如图?3-16?所示。从理论上讲，由调幅、调频效应所产生的边频带对载波应是对称的。但实际上，由于经常是调幅和调频效应同时产生，而且还有相位等综合影响的结果，在频谱图上会形成不对称的边频带，尽管如此，但只要仔细分析，同样能找出其特征频率——边频带的谱线间隔。

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3.齿轮振动信号中的其他成分。

（1）隐含成分。一对新齿轮传动时，如同啮合频率一样，在其频谱图上会出现某一频率的基波及其低次谐波成分，我们称为隐含成分。其实它是制作该齿轮时所用的加工机床的分度齿轮的啮合频率。该频率有如下两个特点：它不受载荷的影响；当齿轮运转一段时间后，由于齿轮均匀磨损，啮合频率各次谐波的振动分量逐渐增加，而隐含成分的各次谐波却逐渐下降。隐含成分对齿轮的故障诊断没有直接的观察效果，但它的各次谐波分量的下降却给出了该齿轮轮齿的齿阔磨损的信息。

（2）附加脉冲。齿轮平衡不良、对中不良、零部件机械松动等缺陷都会引起附加脉冲。它们均是旋转频率低次谐波的振源，而不一定与齿轮本身缺陷直接有关。 （3）交叉调制成分。由上述基本成分互相调制而成，表现为一些频率的和频与差频。它们并不独立，只有那些基本成分改变时才会有所改变，一般可不去考虑和分析它们。

4.轴速频率及其低次谐波。齿轮信号的调制所产生的信号大体上都是对称于零电平的。但是由于附加脉冲的影响，实际上测到的信号不一定对称于零线。附加脉冲通常是由于齿轮轴每旋转一周重复产生的，此外齿轮的局部严重故障，如严重剥落、断齿、失衡、不对中及机械松动等缺陷都会引起附加脉冲。

附加脉冲是直接叠加在齿轮的常规振动上，而不是以调制的形式出现。它与调幅、调频效应不同，后者对称于零线，前者不对称于零线，这在时域信号中有明显的特征，如图?3-17所示。在频谱中，调制信号表现为啮合频率两侧的边频带，而附加脉冲只是轴频的低次谐波。

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图?3-16 频率调制及其边频带

（a）总信号 （b）附加部分 （c）调频部分

图3-17 将齿轮箱振动信号分解出附加脉冲

5.边频带分析。对齿轮的故障诊断来说，在频谱图上对啮合频率成分两侧的边频带分析是一个很重要的环节，它包含了丰富的齿轮故障信息，齿轮传动中的许多缺陷

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是以边频带的形式呈现出来的。实际上，它是由于故障或缺陷所产生的振动频率对啮合频率调制的结果。根据这些边频带的存在、边频带所呈现的形式及谱线的间隔，可以对故障及故障的部位作出判断。

① 齿轮偏心、齿矩的周期变化及载荷波动等缺陷存在时，齿轮每旋转一周，缺陷重复作用一次或几次，就会产生一次或几次振动，这些缺陷出现的频率与该齿轮轴的轴频fr成正比。因此，在频谱图上，会在啮合频率的两侧产生m fc(啮合频率)?n fr (m, n?1, 2, 3, )的边频带。要注意的是：与齿轮偏心有关联的边频带常常是下边带，即它仅有fc?n fr的成分。

② 转轴上连轴节不平衡、不对中等故障，会在啮合频率的两侧产生m fc（啮合频率）? n fr或m fc?2n fr的一簇边频带。

③ 齿面的剥落、裂纹及断齿会产生周期脉冲，产生局部故障特有的瞬态调制，频谱上除呈现其脉冲频率外，还会在啮合频率两侧产生一系列边频带，其特点是边频带阶数多而谱线分散，并且由于高阶边频的互相叠加而使边频形状各异（参见图?3-15）。由于局部缺陷和均布缺陷所引起的脉冲宽度不一样，有时还会呈现出低次轴频的谐波。

④ 齿轮“点蚀”等分布故障会在频谱上形成类似图3-15（b）所示的边频带，其边频带阶数少而集中在啮合频率及其谐频的两侧。

⑤ 不少实验验证，啮合频率的第四次谐波对故障反应较灵敏，在该次谐波成分两侧的边频带分布也极为丰富，是信息的汇集之处。 3.1.4 齿轮故障的时域诊断分析

近年来在齿轮振动分析方法上开始重视时域分析，即利用相位信息对振动信号进行分析。下面介绍利用相位分析的残差法和解调法。

1.残差法。齿轮信号中总是包含很强的“常规振动”成分，由故障造成的振动信号变化相对“常规振动”来说是很小的，由此得到的振动特征参数往往不够敏感，在一定假设条件下，可以将上面两种振动成分分离。

先对时域平均后的信号作FFT滤波处理，即可得到齿轮“常规振动”和“故障振动”（即残差）的时域信号，从而实现了两者的分离。残差分析的过程如图?3-18?所示。

图?3-18 残差分析法

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残差信号为齿轮时域平均后的信号和“常规振动”信号之差。正常齿轮的残差幅值较小。随着故障的出现，残差增大。在故障点进入啮合处，残差明显增大。为了定量描述，可以计算残差信号的有效值。利用残差信号比直接根据原始信号更能反映故障的影响。

2.解调法。从时域信号中直接提取调制信号，直接分析调制函数在齿轮故障影响下的变化，这就是解调法．齿轮振动信号的解调包括对调幅、调频两种调制的解调，但研究和应用较多的是频率的解调。

一般情况下，齿轮振动信号为周期函数，用傅里叶级数展开后可表示为?N?项之和，每一项分别对应一个边频族（即啮合频率的某一阶谐频及其周围的边频成分），如图?3-19所示。对信号作带通滤波，以便取出一个边频族。

下面进行瞬时频率波动分析（TFF）。TFF?分析是以?Hilbert?变换为基础的一种频率解调方法。它可以提取信号的调制频率变化曲线。信号中若存在频率调制，则其瞬时波动频率TFF（t）时高时低，围绕其载波频率上下波动。由于齿轮故障会使振动产生频率调制，所以通过TFF分析可以识别齿轮故障。

TFF?分析的过程如图3-20?所示。经过时域平均、带通滤波后，再对信号作Hilbert变换，然后经过公式计算即可直接得到?TFF（t）曲线。在计算中，采用了差分代替微分运算。

图3-19 带通滤波器的波段选择 图3-20 TFF?分析的过程

图3-21是用?TFF?方法对一标准频率调制信号的解调结果，其中载波信号和调制信号均为单一频率成分的简谐函数。从图中可以看到，TFF?曲线只与载波信号的频率变化有关，与其幅值无关。

（a）解调前 （b）解调后

图3-21 用?TFF?法对调频信号解调

3.2 滚动轴承的监测与故障诊断

3.2.1 滚动轴承故障的基本形式

1.疲劳剥落。在滚动轴承中，滚道和滚动体表面既承受载荷，又相对滚动。由于

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交变载荷的作用，首先在表面一定深度处形成裂纹，继而扩展到使表层形成剥落坑，最后发展到大片剥落。这种疲劳剥落现象造成了运行时的冲击载荷，使振动和噪声加剧。

2.磨损。滚道和滚动体间的相对运动及杂质异物的侵入都引起表面磨损，润滑不良加剧了磨损。磨损导致轴承游隙增大，表面粗糙，降低了机器运行精度，增大了振动和噪声。

3.塑性变形。轴承因受到过大的冲击载荷、静载荷、落入硬质异物等在滚道表面上形成凹痕或划痕，而且一旦有了压痕，压痕引起的冲击载荷会进一步使邻近表面剥落。由载荷的累积作用或短时超载会引起轴承的塑性变形。

4.腐蚀。润滑油、水或空气中水分引起表面锈蚀，轴承内部有较大电流通过造成的电腐蚀，以及轴承套圈在座孔中或轴颈上微小相对运动造成的微振腐蚀。

5.断裂。常因载荷过大或疲劳引起轴承零件破裂。热处理、装配引起的残余应力、运行时的热应力过大也会引起断裂。

6.胶合。在润滑不良、高速重载的情况下，由于摩擦发热，轴承零件可以在极短时间内达到很高的温度，导致表面烧伤，或某处表面上的金属黏附到另一表面上。

3.2.2 滚动轴承的振动

滚动轴承的振动，原则上分为与轴承的弹性有关的振动和与轴承滚动表面状况有关的振动两种类型。前者不论轴承正常或异常，振动都要发生，它虽与轴承异常无关，但却决定了振动系统的传递特性；后者则反映了轴承的损伤状况。下面分别对滚动轴承的各种振动进一步讨论。

1.滚动轴承的固有振动。轴承工作时，滚动体与内环或外环之间可能产生冲击而诱发轴承元件的振动。这种振动是一种强迫振动，当振动频率与轴承元件固有频率相等时振动加剧。固有频率仅取决于元件本身的材料、形状和质量，与轴转速无关。一般滚动轴承元件固有频率由数千赫兹到数十千赫兹，是频率非常高的振动。

2.承载状态下滚动轴承的振动。滚动轴承在承载时，由于在不同位置承载滚子数目不同，见图?3-22，因而承载刚度有变化，引起轴心起伏波动，它由滚动体公转而产生，这种振动有时称为滚动体的传输振动，其振动的主要频率成分为fcz，其中z为滚动体数目，fc为滚动体公转频率。

图3-22 滚动轴承的承载状态

3.轴承刚度非线性引起的振动。滚动轴承是靠滚道与滚动体的弹性接触来承受载荷的，具有弹簧的性质。当轴承的润滑状态不良时，就会呈现非线性弹簧的特性。

例如，轴向的弹簧特性如图3-23?所示，其非线性会导致在推力方向产生异常振动，

11fa, fa,3??。但是，这其频率有轴的旋转频率fa及高次谐波2fa，3fa，?，分数谐波2种振动多半发生在深槽球轴承上，在自动调心型的滚子轴承上不常发生。

4.轴承制造或装配的原因引起的振动。

①加工面波纹引起的振动，其频率比滚动体在滚道上的通过频率高很多倍。

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②轴弯曲或轴安装歪斜，由于轴承偏斜引起的振动，其振动频率成分为fcz?fa。 ③滚动体大小不均匀引起的振动，其频率包括滚动体公转频率fc及n fc?fa（其中?n＝1，2，?）。频率数值一般在1?kHz?以下。

④装配过紧或过松引起的振动，见图3-24。当滚动体通过特定位置时，会产生频率相应于滚动体通过周期的周期振动。

图3-23 滚动轴承的非线性弹簧特性 图3-24装配过紧引起的振动

5.滚动轴承的异常振动。滚动轴承异常振动的原因是各种各样的，大体可分为疲劳剥落损伤、磨损、胶合等有代表性的三种类型。

（1）疲劳剥落损伤。在这类异常中，包括表面剥落、裂纹、压痕等滚动面发生局部损伤的异常状态。在发生表面剥落时，会产生图?3-25?所示的冲击振动。这种振动从性质上可分成两类：

图3-25 滚动轴承发生冲击振动

①第一类是由于轴承元件的缺陷，滚动体依次滚过工作面，缺陷受到反复冲击而产生的低频脉动，称为轴承的“通过振动”，其发生周期可从转速和零件的尺寸求得。例如，在轴承零件的圆周上发生了一处剥落时，由于冲击振动所产生的相应频率称为“通过频率”，因剥落的位置不同而不同。表?3-1?给出了求取这种通过频率的相应公式，其中?z?为滚动体数目，fa为轴转动频率，D?为轴承节径，d?为滚动体直径，??为接触角。

表3-1 通过频率计算公式

表面剥落的位置 内圈 外圈 冲击振动发生的间隔频率 fi?1?d?fa?1?cos??z2?D? 1?d?fa?1?cos??z2?D? fo?

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?D1?d2fb?fa?1?2cos2??2?D?d第1页

滚动体 滚动体通过频率一般在?1?kHz?以下，是滚动轴承重要信息特征之一。但由于这一频

带中的噪声，特别是机器中流体动力噪声的干扰很大，所以目前直接利用这一频带诊断轴承故障已不多见。

②第二类是固有振动。根据频带不同，在轴承故障诊断中可利用的固有振动有三种：一是轴承外圈一阶径向固有振动，其频带在?1～8?kHz?范围内。在诸如离心泵、风机、轴承寿命试验机这类简单机械的滚动轴承故障诊断中，这是一种方便的诊断信息。二是轴承其他元件的固有振动，其频带在?20～60?kHz?范围内，能避开流体动力噪声，信噪比高。三是加速度传感器的一阶固有频率。合理利用加速度传感器（安装）系统的一阶谐振频率作为监测频带，常在轴承故障信号提取中收到良好效果，其频率范围通常选择在?10?kHz?左右。

由于各种固有频率只取决于元件的材料、形状和质量，与轴转速无关，一旦轴承元件出现疲劳剥落就会出现瞬态冲击，从而激发起各种固有振动。所以，利用这些固有振动当中的某一种是否出现，即可诊断有否疲劳剥落。

轴承内环表面剥落时的振动波形如图3-26?所示，外环表面剥落和滚动体表面剥落时的振动波形与此类似。

图3-26 内环的点蚀及内环存在点蚀的振动

疲劳状态下典型自功率频谱特征如图?2-27?所示。图中给出在通用疲劳寿命试验机上，轴承的正常、外圈疲劳、钢球疲劳和内圈疲劳状态下振动加速度的自功率谱图。

由图3-27?可见，对于正常轴承，频率成分多集中在?800?Hz?以下。轴承出现疲劳后，这部分的变化并不十分显著，但在某一中频带，则出现大量峰值群。研究表明，此峰值群的中心频率与测试轴承外圈及其外壳形成的振动系统的一阶径向固有振动有关。尽管不同元件疲劳时都会激起中心频率大体相同的中频峰值群，且该峰值群具有明显的脉冲调制特征，但各峰值群间在调制频率方面有确定且明显的区别。

（a）正常轴承 （b）钢球疲劳

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（c）外圈疲劳 （d）内圈疲劳

图?3-27 轴承不同状态下的加速度自功率谱图

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图?3-28?所示为滚动轴承正常和发生剥落时振动信号的幅值概率密度函数。剥落发生时，振动幅值分布的幅度广，这是由于剥落所致的冲击振动。这样，根据振动信号幅值的概率密度函数的形状就可以进行异常诊断。

（2）磨损。由图?3-29?可见，磨损与正常轴承的振动相比，两者都是无规则的，其振幅的概率密度大体均为正态分布，频谱亦无明显差别，只是振动有效值和峰值比正常时大。

图?3-28 轴承振动概率密度函数 图3-29 轴承振动波形

（3）烧损。这类异常是由于润滑状态恶化等原因引起的。由于从烧损的征兆出现到不能旋转时间很短，因此难以预知或通过定期检查发现，烧损过程中，伴随着冲击振动，且找不出其发生的周期，轴承的振动急速增大。 3.2.3 滚动轴承异常振动的诊断方法

1.有效值和峰值判别法。有效值即均方根值。由于这个值是对时间取平均的，所以对磨损这类无规则振动波形的异常，其测定值变动小，虽可给出恰当的评价，但不宜用于对剥落、压痕一类具有瞬变冲击振动异常的判别，此时峰值比有效值适用。

2.概率密度分析法。轴承由于磨损、疲劳、腐蚀、断裂、压痕、胶合等因素会使轴承振幅增大，振动谐波增多，高密度区增高，而两旁的低密度区向外扩展。此时利用峭度作为诊断特征量将很有效。

3.包络法。滚动轴承异常而在运行中产生脉动时，不但会引起高额冲击振动，而且此高频振动的幅值还受到脉动激发力的调制。

在包络法中（见图3-30），将上述经调制的高频分量拾取，经放大、滤波后送入解调器，即可得到原来的低频脉动信号，再经频谱分析即可获得功率谱图。

图?3-30 包络法原理框图

包络法不仅可根据某种高频固有振动是否出现来判断轴承是否异常，而且可根据包络信号的频率成分识别出产生故障的元件（如内圈、外圈，滚动体）。

包络法把与故障有关的信号从高频调制信号中解调出来，从而避免与其他低频干扰的混淆，因此有很高的诊断可靠性和灵敏度。

4.高通绝对值频率分析法。将加速度计测得的振动加速度信号经电荷放大器后，再通过?1?kHz?的高通滤波器，只抽出高频成分，然后将滤波后的波形作绝对值处理，再将经绝对值处理后的波形进行频率分析，即可判明各种故障原因。

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5.共振解调技术。共振解调技术是从振动监测分析技术发展起来的一门新技术。传统的振动分析技术是直接对振动信号作?FFT?分析，得到“振动频谱”，该频谱中含有：由机器转子不平衡、支承对中不良因素引起的低频振动的多阶频谱，齿轮啮合频率振动的多阶频谱，轴承故障损伤引起冲击的若干阶频谱。在该频谱中，前两种因素的频谱线非常强大，轴承故障冲击的频谱线实际上是看不到的。因此，企图从中发现轴承的故障是不可能的。但是，轴承故障冲击的一个重要特征是具有很宽的频带，也就是说，它的故障冲击具有机器中任何振动所不具有的高频能量。如果我们设置一个谐振频率远高于常规振动频率的高频谐振器，它将吸收冲击的能量而产生自由衰减振荡，可定义为“广义共振”。特别值得注意的是，如果没有故障冲击，不管低频的振动有多大，该谐振器不会发生共振；而只要有微小的冲击，谐振器就发生很大的自由衰减振荡。就像我们大幅度（大振动）地摇晃杯子时它不响，而用很硬的小棒轻轻地敲一下杯子时，它就发出很大的声响一样，这说明“共振”有放大作用。我们应用电子电路提取冲击并产生这个“共振波”，再对它作绝对值检波和平滑滤波，就得到共振解调波。

共振解调技术的特征是：

① 对应性。共振解调波与轴承等故障冲击一一对应，不遗漏任何一次故障冲击。 ② 选择性。只对故障冲击响应，没有故障冲击就没有共振解调波。 ③ 放大性。微小的故障冲击能激起很大的共振解调波。

④ 比例性。共振解调波的幅度与原始的故障冲击幅度成比例。

⑤ 展宽性。共振解调波的宽度远大于冲击脉冲的宽度，展宽的程度与谐振器的?Q?值有关，与冲击的重复频率无关。

⑥ 低频性。共振解调波的重复频率是低频，即共振解调将冲击的高频能量调理为低频信号的方式，以便于分析。

⑦ 多阶?FFT?性。共振解调波的频谱是多阶的梳状频谱线。

利用这些特性，只需研究共振解调波及其频谱，就能方便地识别轴承是否发生了金属硬碰撞，从而识别故障。

在对轴承进行故障诊断时，可根据实际情况，选择某一高频固有振动作为研究对象，通过中心频率等于该固有频率的带通滤波器把该固有振动分离出来；然后通过包络检波器检波，去除高频衰减振动的频率成分，得到只包含故障特征信息的低频包络信号，对这一包络信号进行频谱分析便可容易地诊断出轴承的故障。利用共振解调技术诊断轴承故障的流程如图3-31所示 。

图3-31 共振解调诊断故障流程图

3.2.4 滚动轴承故障诊断系统

1.滚动轴承故障诊断系统的基本环节。滚动轴承故障诊断的目的是保证轴承在一定的工作环境（在承受一定的载荷下运转）和一定的工作期间（一定的工作寿命）内有效可靠地运行，以保证整个系统的工作精度。滚动轴承故障诊断就是通过对轴承工作状态信号的观测、分析和处理来识别轴承的状态。一般来说，滚动轴承故障诊断过程包含信号采集、特征提取、状态识别、故障分析和决策干预等五个基本环节。

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（1）信号采集。信号采集环节主要是根据轴承的工作环境和性质，选择并测取能够反映轴承工作状态的信号。根据信号采集方式不同，滚动轴承故障诊断目前已有多种方法，例如，按信号测取方式不同，可将滚动轴承故障诊断分为振动、声学、温度、频谱分析、压力、电参数、表面形貌、污染物和光学振动等多种方式。

（2）特征提取。特征提取主要是利用数学工具，如?FFT、Z?变换、小波变换、相关函数及功率谱等信号处理技术以及频谱分析等数学工具进行信号的分析与处理，从而提取能够反映轴承工作状态的特征信息。

（3）状态识别。该环节主要是根据提取的特征信息，通过一定的故障识别方法识别轴承的状态，简单地判断轴承的工作状态是否正常。目前主要有数学分析、控制论、系统辩识、人工智能和模式识别多种方法。

（4）故障分析。当轴承出现故障时，该环节详细分析故障的类型、部位、性质、产生原因及发展趋势等。

（5）决策干预。该环节主要是根据轴承的状态及发展趋势，作出调整、控制或维修等决策，对轴承的使用进行干预。

滚动轴承故障诊断系统的工作流程如图3-32?所示。

图3-32 滚动轴承故障诊断系统的工作流程框图

2.滚动轴承故障诊断系统的基本功能。

①实时在线采集功能。实时采样是进行实时分析、自动监测及自动诊断的基础。 ②数据分析处理功能。

③自动进行状态判别和故障诊断功能，即系统可自动区分故障的有无以及故障的类型、位置、程度、原因及发展趋势等。

④人机对话功能，即操作人员能利用键盘实现人机对话，提供各种信息，进行各种分析等。也可向计算机提供更多的信息，帮助计算机进行更好的诊断，不断增加系统的 功能。

⑤进行定期巡检、连续监测的能力。

⑥分时诊断功能，即可对多个对象进行分时诊断，这些对象的诊断方案可以互不相同，系统可以根据情况自动选择。

⑦多样化的结果图形显示、光标定位、打印输出等，为使用者分析、观察提供方便。

3.滚动轴承故障诊断系统的数字信号处理方法。数字信号处理可以根据监测的对象及控制要求，采取不同的方法来实现。一般情况下有下述?5?种方法：

①在通用计算机上用软件（Fortran，C语言、C++等）对DSP算法进行模拟实现。 ②在通用计算机上加专用DSP芯片来实现数字信号处理，专用性强。

③用单片机（如MCS-51，96等系列）来实现。这种方法可以用于一些不太复杂的数字信号处理，如数字控制，适合实现简单的DSP算法。

④用通用的可编程DSP芯片来实现。与通用单片机相比，DSP芯片具有更加适合于数字信号处理的软件资源和硬件资源，可用于复杂的数字信号处理算法。

⑤在要求数字信号处理速度极高的特殊场合，用通用的DSP芯片难以实现，因此采用专门的 DSP芯片来实现，如专用于FFT、数字滤波、卷积、相关等算法的DSP芯

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片，这种芯片将相应的算法固化在芯片中，无须进行编程，专用性强。

4.滚动轴承故障诊断系统的硬件组成。轴承故障诊断系统由软件系统和硬件系统组成。硬件系统主要由信号采集模块、控制模块和信号处理模块组成，其结构框图如图?3-33?所示。

图?3-33 滚动轴承故障诊断系统的硬件组成框图

在图3-33?所示的系统中，滚动轴承的振动信号通过加速度传感器进行采集。但由于加速度传感器所测得的信号较弱，必须经过电荷放大器、抗混滤波等系列电路处理后才能进入A/D?转换电路。处理后的振动信号和经单片机采集到的温度数据均送到DSP处理器进行处理分析，作出故障预报和诊断。对已形成的或正在形成的故障进行分析处理，判断出故障产生的部位及原因，并及时采取有效的措施。

单片机负责执行显示和?DSP?子系统的控制功能，包括DSP的命令解释、数据传输控制、数据的输入/输出等控制功能，使DSP可以执行高速、实时的DSP算法。存贮器包括程序储存器和数据储存器，用于储存用户程序（EPROM）和实时数据（RAM）。

5.滚动轴承故障诊断系统的软件构成。系统软件由主程序、串行口中断服务程序、INTO中断服务程序和数据处理程序组成。主程序完成AD574A芯片初始化、8751H的初始化、TMS320C32复位、从?flash?存储器中读取已经存入的振动信号的各种信息。完成初始化过程后，TMS320C32就等待从8751H主处理器发出的各种命令，根据不同命令调用相应的处理子程序，系统软件的主程序框图如图2-34所示。中断服务程序每隔?10?ms?中断一次，并置各种定时到达标志以便主程序判断使用。串行中断服务程序主要完成振动信号的输入/输出等功能。INTO中断服务程序主要用于接收从8751H发出的各种命令，并设置相应的命令标志以便于TMS320C32在主程序中识别并调用相应的子程序。

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图?3-34 系统软件主程序框图

3.3 轮对踏面的监测和故障诊断

轮对是机车走行部重要的部件之一，在运行的机车车辆中，轮对直接受轨道的冲击作用，是工作条件最恶劣的部件，也是机车走行部最容易出故障的部件。 3.3.1 轮对故障的基本形式

1.车轮轮廓尺寸改变。在轮对与钢轨的相互作用下，将使车轮的轮廓产生磨耗，从而改变车轮轮廓尺寸。车轮的轮廓尺寸与车轮内侧距离是列车安全运行的决定性参数。

2.车轮发生裂纹。随着列车速度的提高和运行时间的延长，会加速车轮踏面出现裂纹类缺陷。这些缺陷不仅会因为滚动不均匀而降低乘坐舒适度，而且这种缺陷越严重，安全隐患程度就越高。

3.轮对踏面擦伤。对于轮对部分来说，车轮的踏面擦伤是系统易发故障。踏面擦伤后不仅使乘坐舒适度恶化、噪声影响铁路沿线，而且还加剧了车辆与轨道之间的冲击振动，甚至产生“砸轨”现象，严重时会导致钢轨断裂；轮、轨间冲击加大后，还会破坏轴承，使轴承保持架折断或损伤滚道和滚子，危及行车的安全。车轮踏面擦伤的形成主要与轴重、车速、制动力及轨面干湿状况有关。主要原因有：

① 列车启动或加速时，闸瓦没有缓解，造成车轮在轨道上滑行。

② 列车制动时制动力不均或过大，闸瓦抱死车轮，使之在轨面上滑行，形成一块或数块擦伤。例如，机车制动机、给气阀作用不良，使制动管压力过高而导致制动力过大；制动机出现故障使列车在紧急制动时，制动快慢不一，制动力不均匀；制动缸活塞行程调整不及时，致使制动力强弱不一；不同车型车辆挂接时，各车辆制动率不同，制动率过高的易发生踏面擦伤。

③ 同一轮对车轮直径相差过大。

④ 严寒季节轨面上有雨雪、霜冻、油污等，使轮轨黏着系数降低，制动力大于黏着力。

3.3.2 机车轮对故障诊断与在线监测系统

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由于轮对状态的好坏直接影响列车的行车安全和整个机车车辆系统的技术状态的稳定性，因此需要对机车轮对进行故障诊断与监测。这种检测和故障诊断系统可分为两种类型：一种是地面检测与测量系统，一种是车载故障诊断与在线监测系统。前者是在机车回到检修段后，利用地面检测设备对机车轮对的参数和状态进行全面的检测和测量；后者是在机车的转向架上安装传感器，在线实时检测轮对的状态，并进行故障诊断。在此，我们只探讨后一种车载故障诊断与在线监测系统。

1.监测方法。根据分析可知，机车转向架构架、车体的加速度信号中含有大量的有关踏面擦伤的特征信息，因此可以以机车转向架构架、车体的加速度信号为监测对象。通过对其信号的分析与处理，来提取与踏面擦伤有关的特征信息。

2.加速度传感器的测点布置。机车转向架与车体部分相比，构架的受力比较复杂，在不同的位置对测点进行布置，其测取系统信息的效果是不同的。研究表明，从一位轴头处采集到的垂向加速度信号对与本轴箱配合的轮对、一系悬挂、轴承等部件更为敏感。因此，可把加速度传感器的测点选择在一位轴头处，以获取转向架构架的垂向加速度信号。

3.信号采样频率的选择。对于机车走行部实时在线监测系统来说，信号采样的频率选择得好坏，关系到系统监测的准确与否。当踏面擦伤部分与轮轨接触的时间里，如果采样频率选取过小，采样间隔过大，就有可能漏掉构架加速度在受到擦伤时的冲击响应信号，从而造成诊断的失误。因此，信号采样的频率的选择除了要满足采样定理外，还要保证每次轮对踏面擦伤部分和轮轨接触时至少进行一次采样。

为了便于分析，在这里引入采样点行程、圈采样频率的概念。圈采样频率就是车辆系统每运行一个轮周长的距离时采集系统进行采样的点数，其单位是点/圈。采样点行程就是采集系统每进行一次采样，车辆系统所运行的距离，用?S?表示，其计算公式如下：

S?1?vfs （3-1）

式中，S?为采样点行程，单位为?mm?/?点；v?为列车的运行时速，单位为?km?/?h；fs为采样频率，单位为?Hz。

由此可知，假如采样点行程为?65.104?17?mm?/?点时，若轮对踏面擦伤部分小于这段长度，在踏面擦伤部分与轮轨接触的时间内，就有可能没有进行构架垂向加速度采集。因此要减小采样点行程，提高采样的频率。然而，若采样频率太高，会混进不必要的高频成分，同时也会增加采集处理系统的内存负荷，增加实时处理的难度。因此，应在尽可能捕捉到踏面擦伤故障信号的前提下，选择尽量低的采样频率。

4.踏面擦伤的特征信息提取。一般情况下，当实际轨道由于建造的误差、使用时的变形使得轨道实际的位置与设计上的位置有一些差别，这种实际位置与设计位置之间的差值，称为轨道不平顺。这些轨道的不平顺一般为随机的不平顺。当车辆沿着不平顺的轨道上运行时，正常时的车辆在轨道随机不平顺的激扰下，车辆的各个部件产生随机响应。根据数理统计的知识可知，在自然科学和技术上的出现的随机现象都具有高斯分布特征。也就是说，车辆的各个部件所产生的随机响应均服从正态分布，其平稳正态分布的概率密度函数如下所示：

f(x)?12??e ? (x??)22?2 (???x??) （3-2）

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式中，?，?为常数，分别为f(x)的均方值及方差。

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高斯分布的重要意义在于，由均方值及方差两个参数可以确定整个概率分布。 轮对踏面擦伤后，会在踏面局部范围内引起曲率半径变化。运行时，踏面带有损伤的轮对会对钢轨产生周期性的冲击，这种冲击还会反作用到轮对和列车车辆上，加剧车辆的振动。此时，机车转向架除了正常的振动响应外，还会附加有踏面擦伤所带来的具有重复性的冲击响应。这时，构架的垂向加速度信号与非踏面擦伤时相比，表现出具有周期性的冲击响应。

图?3-35?所示为踏面擦伤状态下，某一车辆系统输出的构架垂向加速度信号示意图。该图为列车在轮对踏面擦伤后以?18.3?km?/?h?的时速运行时，以?512?Hz?采样频率采样得到的构架垂向加速度信号。图中信号的采集位置为转向架一位轴头，与此轴箱配合的轮对有擦伤，在该图中，加速度信号的单位是?g，时间单位为?ms。

从图?3-35?中可以看出，构架的垂向加速度信号表现出来的冲击响应幅度较大，并呈现周期性的特点。

图?3-35 踏面擦伤后转向架垂向加速度信号 3-36 踏面擦伤时构架垂向加速度的峭度分析

车辆系统在平直轨道上正常运行时，表现出来的加速度响应信号的分布接近于正态分布，当轮对踏面擦伤后，由于轮、轨间的周期性冲击力，构架除了正常的振动响应外，还附加有踏面擦伤所带来的周期性冲击响应。列车运行时，这种冲击响应一方面使构架加速度信号的平均功率增大，在时域分析中表现为信号的方差明显增大，另一方面使构架加速度响应信号的分布远离了正态分布。对于加速度信号分布的变化，我们可以利用峭度来表征。在信号的统计特征中，峭度是无量纲的量，表示的是信号幅值分布相对于正态分布的分布情况。当踏面正常时，构架垂向加速度信号表现的峭度一般较小，当踏面受到擦伤损害时，构架垂向加速度信号表现出的峭度值会大得多。

图3-36是对于图3-35?的加速度数据进行顺序分段，每段长度为?292?个资料（即速度为?18.3?km?/?h，采样频率为?512?Hz?时的圈采样频率），然后对每段资料计算其相应峭度所得到的图标结果。从图标结果中我们可以看出，构架垂向加速度的峭度值因踏面擦伤变得比踏面正常时大得多。

5.在线监测系统的总体结构。机车轮对踏面故障实时在线监测系统需要对多路模拟信号进行检测，必须在一定的响应时间内对其进行采集，实时采集的同时，还要实现波形的实时显示、资料的实时存储。为此，整个监测系统采用上下位机的系统模式。以PC机为上位机，负责进行数据处理与频谱分析；下位机以单片机为CPU的数据采集器，负责数据采集，并带有一定容量的?RAM，当数据采集转换完成后，单片机将资料存储进?RAM，当?RAM?写满时，由单片机通知上位机取走资料。

机车轮对踏面故障实时在线监测系统具有信号采集、资料预处理、信号分析、故障诊断等功能。系统的总体结构如图3-37?所示。

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图?3-37 机车轮对踏面故障在线监测系统的总体组成方案

该系统的工作过程是：加速度传感器完成加速度信号的获得，它将被测量的加速度信号转换成相应的电压信号，来自加速度传感器的信号通常是含有干扰噪声的微弱信号，因此加速度传感器后面需配有信号调理电路，信号调理电路的作用：一是放大，将信号放大到与数据采集模块中?A?/?D?转换器相适配；二是预滤波，在?A?/?D?转换前，为了保证被采样前的模拟信号中没有高于fs/2的频率成分，必须让信号在被A?/?D转换前先通过一个抗混滤波器，滤掉信号中高于fs/2的频率成分，通常要求抗混滤波器的通带波动要小于?0.25?dB、阻带衰减要大于?50?dB、截止频率为fs/2，经放大、滤波等预处理的信号，通过数据采集与处理模块进行?A?/?D转换，变为幅值离散化的数字量，并经?CAN?总线传送到上位机，上位机对接收到的资料完成信号的时域分析、频域分析、各种特征抽取等工作。

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第四章 机车走行部车载监测装置的现状

4.1 JK00430型机车走行部车载监测装置

JK00430型机车走行部车载监测装置（以下简称 JK00430 装置），现使用于部分直流传动内燃、电力机车。 4.1.1 JK00430 装置简介

JK00430型机车走行部车载监测装置是专门为保证铁路机车安全运行而研制的在线车载动态监测预警装置。本装置在深度和广度上都对传统轴温报警器的监测范围进行了拓展，不但能够对轴承的温度进行监测，而且能够利用共振解调技术对走行部轴承、齿轮等关键部件的工作面和轮对踏面进行全面监测诊断，并对故障早期预警和精确定位。JK00430装置组成如图4-1所示。每台机车装有装置一套，每套装置由车上和车下2个部分构成。车上主要包括监控主机、重联线、电源线等，车下部分主要包括复合传感器、接线盒、连接线等。复合传感器主要安装于机车轴箱轴承、抱轴承、电机轴承处，用于检测轴承温度信息、振动和故障冲击信息。

图?4-1 JK00430装置组成示意图

4.1.2 JK00430装置技术特点

1.对机车轮对轴承温度进行动态监测和实时报警（保留原轴温报警器的功能）； 2.对机车轮对轴承早期故障进行动态监测、诊断和预警（新增加的功能）；

3.对机车轮对踏面擦伤剥离等缺损故障进行动态监测、诊断和预警（新增加的功能）；

4.能够在轴承出现可危及行车安全的故障前数百公里进行报告、提高了预警能力，对于机车安全具有重要意义；

5.通过在主机的数据转储器下载行车过程中的监测诊断报警结论数据和轴承温度数据；由地面诊断管理软件实现对于机车故障历史数据的管理，实现地面预警和动态管理。

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4.2 JK11430 机车走行部车载监测装置

JK11430 机车走行部车载监测装置（以下简称 JK11430 装置），现使用于部分HXD1C型交流传动电力机车。 4.2.1 JK11430 装置简介

JK11430 机车走行部车载监测装置，是 JK00430 机车走行部车载监测装置的升级换代产品，是为了保证铁路机车与车辆（包括和谐号系列机车、动车组、高铁车辆等）安全运行而研制的在线车载动态监测与故障诊断的预警装置。JK11430装置组成如图4-2所示。JK11430 装置采用了与JK00430 装置相同的装车模式，即车下采用每一个数据前置处理器负责一条轴所有测点（4-6个测点）采集的方式，车上通过副机或者TAX 箱方式送司机室进行显示，显示报警及各测点的重要信息，并提供声光报警。

图?4-2 JK11430装置组成示意图

4.2.2 JK11430装置技术特点

1.多任务并行处理机制，实现对不同测点位置模拟信号与数字信号的多路输入和多路输出的任意路由技术，极大缩短各测点的轮询时间，增强了处理突发事件的能力，为新的诊断方法论的建立和实施奠定了硬软件基础；

2.在原有诊断算法基础上，融入新的诊断方法论与算法，进一步提升了诊断准确性；

3.密闭式机箱，无风扇设计，系统功耗低，免维护，提高了系统的可靠性、可维护性；

4.物理上分区存放程序和数据，增强了系统的稳定性，提高了系统的健壮性； 5.与之配套的维护器通过网络接口下载数据，提高了下载的速度和可靠性；同时便于对车载装置进行在线维护；

6.复合传感器尺寸(直径和高度)减小，对安装空间的要求也随之减小，便于现场的安装及维护；

7.在复合传感器、前置处理器和主机等各部件中增加了硬件和软件的抗干扰措施，提高了系统整体的抗干扰能力。

4.3 YZB-1型机车熔断式轴温报警装置

YZB-1型机车熔断式轴温报警装置（以下简称YZB-1装置），现使用于HXD3C型交流传动电力机车。

4.3.1 YZB-1装置简介

YZB-1装置是成都运达轨道交通设备有限公司专门为和谐型机车研制的轴温监视装置,组成如图4-3所示。YZB-1装置由110V 正端、过流保险丝、继电器线圈、同一转

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向架所有传感器（串联）、110V电源地构成电气回路。两个转向架的布线、安装都完全相同。该装置当各个轴承监测点温度正常时，传感器内部的易熔合金处于导通状态。一旦某个监测点的温度达到易熔合金的动作阀值，易熔合金将熔断从而导致电气回路断开。处理单元监测到电气回路断开时，将对应转向架轴温异常的信息由通讯接口发给TCMS，在微机显示屏上进行显示。故障信息的记录和转储也由微机显示屏负责。

图?4-3 YZB-1装置组成示意图 图4-4 YZB-1装置传感器连接方式

4.3.3 YZB-1装置技术特点

1.采用易熔合金作为温度感知件，能够可靠地监测轴箱轴承、牵引电机传动端轴承、牵引电机非传动端轴承等部位的异常温度；

2.同一转向架的12个传感器采用串联方式，见图4-4所示，任何一个断开都会导致电气回路开路，因此处理单元只能定性的监测电气回路的通断，而不能定位是由哪个/哪几个传感器造成的开路。

3.传感器由于为了增加可靠性，采用了灌封工艺将易熔合金固化在其探头中。易熔合金的熔断是一次性的、不能恢复，当易熔合金发生熔断后就需要更换新的传感器。 4.4 机车车载安全防护系统

机车车载安全防护系统（以下简称6A系统），2013年在和谐型交流传动机车上开始推广装用。

4.4.1 6A系统简介

6A系统由中央处理平台和6个子系统构成，见图4-5所示。见中央处理平台对各子系统进行数据集中、数据管理，并通过数据库进行综合分析。6个子系统包括机车空气制动安全监测子系统、机车防火监控子系统、机车高压绝缘监测子系统、机车走行部故障监测子系统、机车自动视频监控及记录子系统等。各子系统遵照统一的6A 系统通信协议与中央处理平台通信。所有监控子系统均由中央处理平台进行管理，数据统一存储、显示和下载。中央处理平台的处理单元、存储单元采用双机冗余设计。外部设备通过接口卡，将不同的总线类型转换为以太网接入本系统。

各子系统遵照统一的6A系统通信协议与中央处理平台通信。处理板卡通过以太网和CAN 总线接收6A监测子系统的数据和报警，存储板卡通过USB总线与处理单元连接，存储系统的监控数据，交换板卡提供多路以太网数据交换能力，CAN 隔离板卡用于主机箱外部的CAN总线接入，与内部的CAN总线隔离，板卡将外部CAN总线上的数据转发至内部CAN总线；高压绝缘监测部件的CAN总线通过该板卡接入主机。

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（1）6A 系统车上组成图 （2）6A 系统组成图

（3）6A系统总体框图 （4）中央处理平台结构图

图?4-5 6A 系统构成图

4.4.2 走行部故障监测子系统简介

走行部监测子系统由系统一和系统二构成，见图4-6所示。

（1）走行部监测子系统一构成图 （2）走行部监测子系统二构成图

走行部故障监测子系统一由走行部监测板卡1（AT1）、数据前置处理器、传感器等部分组成。走行部故障监测子系统一通过传感器采集轴承温度、振动冲击数据；齿轮、踏面振动冲击数据；机车车轴转速数据，数据前置处理器对采集数据进行预处理后，传输至走行部监测板卡1，走行部监测板卡1 对数据进行诊断分析，并将诊断结果和过程数据通过6A 系统主机内部总线传送至6A 系统的中央处理单元（CPP）。走行部故障监测子系统一报警分为三个等级：“冲击诊断标准”预警（初期故障）、“冲击诊断标准”Ⅰ级报警（较大故障）、“冲击诊断标准”Ⅱ级报警（严重故障）。根据报警等级不同，需司乘人员按要求判断，采取不同的处置办法。

走行部故障监测子系统二由走行部监测板卡2、接线盒、传感器、连接线缆等部分

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