技术领域本发明属于旋转机械状态监测与故障诊断领域，特别涉及一种机车车辆走行部轴承保持架故障预报警方法。
背景技术：
本发明涉及作为滚动轴承主要零件的轴承保持架，其作用为隔离滚动体并正确引导滚动体在滚道上滚动；对滚动体定向、减少摩擦力。轨道交通机车车辆的走行部轴承，如电机驱动端轴承、轴箱轴承，其轴承保持架如果存在故障，如：变形、裂纹或断裂，则在工作时会导致轴承内部滚动体与内外环或挡边的碰撞、摩擦磨损与发热，滚动体由滚动改变为滚、滑动并产生乱序现象，轴承的正常工况被破坏，轴承润滑状态的劣化，最终结果表现为轴承温度升高、轴承固死，从而影响到走行部的安全。正是因为轴承保持架在轴承运转过程中所起的关键作用，轴承保持架故障所产生的后果与轴承其它类故障相比，往往是“灾难性”的。从目前国内外对机车走行部轴承故障诊断的现状分析，对于轴承的内环、外环、滚动体及保持架的在线故障诊断方法大多使用振动、冲击和/或温度等参数，再结合共振解调、小波分析、时频分析、经验模态分解(EmpiricalModeDecomposition，简称EMD)等方法。这类诊断及报警决策方法对轴承的内环、外环及滚动体故障诊断均有一定的效果，但对于因轴承保持架故障引发的轴承故障诊断却不理想。而从国内外对铁路机车、动车组、地铁与城轨车辆等轨道交通机车车辆走行部轴承保持架的研究内容上分析，仅在设计、制造、材料及工艺上有过相关研究，对保持架的故障诊断与报警决策方法论的研究在国内外均处于空白状态。由于机车车辆走行部轴承保持架的故障特征频率均处于低频段，很容易受到其它信息的干扰，再加上机车车辆走行部轴承承受载荷的复杂性与保持架特有的运动特征，轴承保持架故障诊断的诊断方法及其预报警方法逐渐成为机车车辆走行部安全监测的瓶颈，对于指导机车车辆的修程进步，即由定期维修进步到视情状态维修影响重大。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种机车车辆走行部轴承保持架的故障诊断与预报警方法，通过冲击、振动及温度信息源提取轴承保持架故障特征并使用多参数联合报警决策方法根据故障严重程度输出预报警。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种机车车辆走行部轴承保持架故障预报警方法，包括以下步骤：(1)在机车车辆走行部轴承座上安装复合传感器和机车车体内安装相应检测仪器，所述复合传感器和检测仪器能检测冲击、振动及温度，并在机车车辆运行过程中在线采集冲击数据、振动数据及温度数据；(2)对步骤(1)采集的冲击数据和振动数据进行预处理，生成时域冲击SVi数据与时域振动Vi数据，用于诊断分析；并计算时域冲击特征值SVmax与时域振动特征值VRMS，将时域冲击特征值SVmax与时域振动特征值VRMS同时保存，作为趋势数据之一；对步骤(1)采集的温度数据Ti进行正确性判断，将正确性判断后的温度数据Ti用于计算走行部不同轴相同位置测点的温差值，结合测量温度值与预设的温度预报警门限值进行比较，得到温度预报警标志Tb，将温度预报警标志Tb保存，作为趋势数据之一；(3)将步骤(2)预处理得到的时域冲击SVi数据与时域振动Vi数据分别进行快速傅里叶变换，得到相应的冲击频谱和振动频谱；(4)根据测点监测对象的轴承参数计算轴承保持架的故障特征谱号和外环的故障特征谱号，在步骤(3)得到的冲击频谱中搜索与轴承保持架的故障特征谱号和外环的故障特征谱号相对应的多阶幅值，联合时域冲击特征值SVmax进行识别判断，得到轴承保持架的冲击故障特征标志Ib，将冲击故障特征标志Ib保存，作为趋势数据之一；在步骤(3)得到的振动频谱中搜索与轴承保持架的故障特征谱号相对应的多阶幅值，联合时域振动特征值VRMS进行识别判断，得到轴承保持架的振动故障特征标志Vb，将振动故障特征标志Vb保存，作为趋势数据之一；(5)对温度预报警标志Tb、冲击故障特征标志Ib和振动故障特征标志Vb的序列数据进行趋势分析，根据趋势分析结果给出在线报警，或在机车车辆回段后数据导入分析时，根据分析结果给出地面预警。进一步，所述步骤(1)中，冲击数据和振动数据的采集采用转速跟踪采样技术，以机车车辆走行部轮对旋转一圈采集200点以上，并且轮对旋转10圈以上为一个样本周期，全体测点温度数据采样时间不小于3秒。进一步，所述步骤(2)中，冲击数据和振动数据的预处理包括对冲击数据和振动数据进行剔除趋势项、消除直流分量和单位换算。进一步，所述步骤(2)中，冲击时域特征值SVmax的计算方法为：SVmax=1NΣi=0N-1SVmaxi---(1);]]>式中：N为数据采集轮对旋转圈数，为轮对转一圈的时域冲击SV最大值。振动时域特征值VRMS的计算方法为：VRMS=(1NΣi=0N-1Vi2)1/2---(2);]]>式中：N为数据采集的数据点数，Vi为时域振动数据。进一步，所述步骤(2)中，温度预报警标志Tb的置位方法是：同位对比偏高门限值为：15℃；温升报警门限值为：脂润滑轴承55K、油润滑轴承80K；超温报警门限值为：脂润滑轴承90℃、油润滑轴承120℃。进一步，所述步骤(4)中，根据测点监测对象的轴承参数计算轴承保持架与外环的故障特征谱号的方法为：轴承保持架碰外环：轴承保持架碰内环：外环故障：式中：D0为轴承节径，d为滚动体的直径，fn为内外环的相对转速频率，Z为滚动体的数量，A为轴承的接触角；进一步，将计算轴承保持架与外环的故障特征谱号的结果结合冲击频谱的数据，判断是否存在故障特征谱线，定性判断方法如下：计算冲击频谱的均值SS；分别计算以fBw、fBn、fw之整倍数在冲击频谱中幅值大于SS的均值，得到SfBw、SfBn、Sfw；分别计算SfBw/SS、SfBn/SS、Sfw/SS的值，所得结果中，SfBw/SS或SfBn/SS的值大于给定门限值，则表明在冲击频谱中存在轴承保持架故障特征谱线；Sfw/SS的值大于给定门限值，则表明在冲击频谱中存在外环故障特征谱线，所述给定门限值的经验值为大于3；将定性判断为存在故障特征谱线的冲击数据进行定量计算，公式如下：AdB=20log2000·SVmaxN·D00.6---(7)]]>式中：N为轮对转速；D0为轴承节径；SVmax为冲击时域特征值；进一步，将定量计算的结果与预设的冲击预报警门限值进行比较，得到冲击故障特征标志Ib的置位如下：地面预警门限值为：44dB，在线报警门限值为：50dB；进一步，所述步骤(4)中，振动故障特征标志Vb的置位方法如下：地面预警门限值为：70g，在线报警门限值为：100g；进一步，所述步骤(5)中，趋势分析与报警结果的输出由以下方法确定：建立m维冲击、振动诊断结果的先进先出的故障编码堆栈方法为：RI(Ib0，Ib1，Ib2，…Ibi，…Ib(m-1))；RV(Vb0，Vb1，Vb2，…Vbi，…Vb(m-1))；式中，Ibi、Vbi的取值分别根据式(8)、(9)确定；对RI、RV的故障编码堆栈进行计数统计，得出RI0、RI1、RI2及RV0、RV1、RV2在堆栈中出现次数的百分比，所述RI0、RI1、RI2及RV0、RV1、RV2的下标与式(8)、(9)中的数值相对应；当温度预报警标志Tb大于0，m大于6，RI1大于0.6或RV1大于0.8时，输出轴承保持架故障在线报警；当m大于60，RI2大于0.8或RV2大于0.8时，输出轴承保持架故障在线报警；当温度预报警标志Tb＝0x10、Tb＝0x11时分别输出轴承温升报警和轴承超温报警；当m大于60，RI0大于0.8，RV0大于0.8时，轴承保持架诊断结论为正常，不进行报警输出；其它情况均作为轴承保持架地面预警输出。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：1)诊断准确性高，本发明使用冲击、振动及温度三种参数来对轴承保持架的故障及其严重程度进行诊断，与单一参数诊断方法相比准确率大大提高；2)方法易掌握，操作性强，适用范围广泛，尤其适用于旋转机械状态监测与故障诊断，本发明不需要对数据样本进行训练，免除了事先“学习”的过程，能产生“即装即用”的效果；3)提供科学的运行或维修指导意见，将计划修转为状态修，机车车辆的安全性大大提高，节省维修费用，提高运营经济效益，本发明根据诊断得出的轴承保持架故障严重程度，决策是作在线报警，还是地面预警，既能有效防止机车车辆在线运用时重大事故的发生，又能提前给出科学的维修指导决策，避免机车车辆“带病”上线运用而产生严重后果。附图说明图1是本发明一实施例的实施步骤总体流程图；图2是本发明一实施例的数据处理与采集流程简图；图3是本发明一实施例的SVmax趋势数据示意图；图4是本发明一实施例的温度趋势数据Ti示意图；图5是本发明一实施例的冲击频谱谱线识别及故障定量计算结果示意图。具体实施方式实施例以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。如附图1所示：本实施例是机车车辆走行部轴承保持架故障预报警方法，包括以下步骤：(1)在机车车辆走行部轴承座上安装复合传感器和检测仪器，所述复合传感器和检测仪器能检测冲击、振动及温度，并在机车车辆运行过程中在线采集冲击数据、振动数据及温度数据；其中温度、振动、冲击检测分别采用专利《一种改善低频特性的振动冲击复合传感器》(CN201210558707.5)、《一种检测振动冲击的广义共振复合传感器》(CN200810200735.3)以及《一种机械故障冲击的共振解调检测方法》(CN200910056925.7)；冲击数据和振动数据采集采用专利《变速机械故障诊断的转速跟踪采样及谱号固化分析方法》(CN201010169783.8)的转速跟踪采样技术，以机车车辆走行部轮对旋转一圈采集200点以上，并且轮对旋转10圈以上为一个样本周期，样本长度至少为2048，全体测点温度数据采样时间不小于3秒，其数据处理与采集流程简图如图2所示。在具体实施过程中，为准确获得检测对象的原始信息，复合传感器的安装须满足以下条件：A.传感器要安装在承受轴承动态载荷的承载区；B.避免机械故障信号在传递途中的损耗；C.传感器锥面接收角为90°尽可能全部覆盖到轴承的动态载荷承载区；D.有利于准确监测轴承的温度。(2)对步骤(1)采集的冲击数据和振动数据进行预处理，冲击数据和振动数据的预处理包括对冲击数据和振动数据进行剔除趋势项、消除直流分量和单位换算，生成时域冲击SVi数据与时域振动Vi数据，用于诊断分析；并计算时域冲击特征值SVmax与时域振动特征值VRMS，将时域冲击特征值SVmax与时域振动特征值VRMS同时保存，作为趋势数据之一；冲击时域特征值SVmax的计算方法为：SVmax=1NΣi=0N-1SVmaxi---(1);]]>式中：N为数据采集轮对旋转圈数，为轮对转一圈的时域冲击SV最大值。振动时域特征值VRMS的计算方法为：VRMS=(1NΣi=0N-1Vi2)1/2---(2);]]>式中：N为数据采集的数据点数，Vi为时域振动数据；图3为保存的SVmax趋势数据示意图，在进行SVmax与VRMS趋势数据保存过程中，基于数据容量的考虑，采用“梯度差”模式进行数据保存，SVmax以200SV的绝对值差进行保存，VRMS以5g的绝对值差进行保存，即相邻二次采样数据计算所得结果满足上述条件后才进行保存，为避免趋势数据中长期无数据的情况，在不满足上述条件时，采用定时间间隔保存的方式。图4为保存的温度趋势数据Ti示意图，对步骤(1)采集的温度数据Ti进行正确性判断，将正确性判断后的温度数据Ti用于计算走行部不同轴相同位置测点的温差值，结合测量温度值与预设的温度预报警门限值进行比较，得到温度预报警标志Tb，将温度预报警标志Tb保存，作为趋势数据之一；Ti以2℃的绝对值差进行保存，否则采用定时间间隔保存的方式。温度预报警标志Tb的置位方法是：同位对比偏高门限值为：15℃；温升报警门限值为：脂润滑轴承55K、油润滑轴承80K；超温报警门限值为：脂润滑轴承90℃、油润滑轴承120℃。(3)将步骤(2)预处理得到的时域冲击SVi数据与时域振动Vi数据分别进行快速傅里叶变换，得到相应的冲击频谱和振动频谱；(4)根据测点监测对象的轴承参数计算轴承保持架的故障特征谱号和外环的故障特征谱号，在步骤(3)得到的冲击频谱中搜索与轴承保持架的故障特征谱号和外环的故障特征谱号相对应的多阶幅值，联合时域冲击特征值SVmax进行识别判断，得到轴承保持架的冲击故障特征标志Ib，将冲击故障特征标志Ib保存，作为趋势数据之一；在步骤(3)得到的振动频谱中搜索与轴承保持架的故障特征谱号相对应的多阶幅值，联合时域振动特征值VRMS进行识别判断，得到轴承保持架的振动故障特征标志Vb，将振动故障特征标志Vb保存，作为趋势数据之一；根据测点监测对象的轴承参数计算轴承保持架与外环的故障特征谱号的方法为：轴承保持架碰外环：轴承保持架碰内环：外环故障：式中：D0为轴承节径，d为滚动体的直径，fn为内外环的相对转速频率，Z为滚动体的数量，A为轴承的接触角；将计算轴承保持架与外环的故障特征谱号的结果结合冲击频谱的数据，判断是否存在故障特征谱线，定性判断方法如下：计算冲击频谱的均值SS；分别计算以fBw、fBn、fw之整倍数在冲击频谱中幅值大于SS的均值，得到SfBw、SfBn、Sfw；分别计算SfBw/SS、SfBn/SS、Sfw/SS的值，所得结果中，SfBw/SS或SfBn/SS的值大于给定门限值，则表明在冲击频谱中存在轴承保持架故障特征谱线；Sfw/SS的值大于给定门限值，则表明在冲击频谱中存在外环故障特征谱线，所述给定门限值的经验值为大于3；将定性判断为存在故障特征谱线的冲击数据进行定量计算，公式如下：AdB=20log2000·SVmaxN·D00.6---(7)]]>式中：N为轮对转速；D0为轴承节径；SVmax为冲击时域特征值；将定量计算的结果与预设的冲击预报警门限值进行比较，得到冲击故障特征标志Ib的置位如下：地面预警门限值为：44dB，在线报警门限值为：50dB；振动故障特征标志Vb的置位方法如下：地面预警门限值为：70g，在线报警门限值为：100g；(5)对温度预报警标志Tb、冲击故障特征标志Ib和振动故障特征标志Vb的序列数据进行趋势分析，根据趋势分析结果给出在线报警，或在机车车辆回段后数据导入分析时，根据分析结果给出地面预警。趋势分析与报警结果的输出由以下方法确定：建立m维冲击、振动诊断结果的先进先出的故障编码堆栈方法为：RI(Ib0，Ib1，Ib2，…Ibi，…Ib(m-1))；RV(Vb0，Vb1，Vb2，…Vbi，…Vb(m-1))；式中，Ibi、Vbi的取值分别根据式(8)、(9)确定；对RI、RV的故障编码堆栈进行计数统计，得出RI0、RI1、RI2及RV0、RV1、RV2在堆栈中出现次数的百分比，所述RI0、RI1、RI2及RV0、RV1、RV2的下标与式(8)、(9)中的数值相对应；当温度预报警标志Tb大于0，m大于6，RI1大于0.6或RV1大于0.8时，输出轴承保持架故障在线报警；当m大于60，RI2大于0.8或RV2大于0.8时，输出轴承保持架故障在线报警；当温度预报警标志Tb＝0x10、Tb＝0x11时分别输出轴承温升报警和轴承超温报警；当m大于60，RI0大于0.8，RV0大于0.8时，轴承保持架诊断结论为正常，不进行预报警输出；其它情况均作为轴承保持架地面预警输出。图5为根据上述方法对采集的冲击数据进行傅利叶变换后的保持架故障特征谱线识别及故障定量的示意图。从图中可看出，存在明显的与保持架碰内环故障特征谱号相符合的特征谱线，经计算得到了44dB的故障冲击幅值，故在诊断结论中提示了“预警”。