一种列车轴承缺陷检测方法及装置与流程

技术领域

本发明涉及列车轴承在线监测技术领域，尤其涉及一种列车轴承缺陷检测方法及装置。

背景技术：

随着铁路运输越来越频繁，列车运行里程不断提升，对列车的安全检测已经越来越重要。列车轴承是列车部件中工作条件最恶劣的部件之一，在列车连续高速长途运行情况下，列车轴承承受的动态载荷大，轴承一旦发生故障就会很快发展，若不及时发现，会导致热轴、燃轴、切轴等事故的发生，直接影响列车安全运行，危及人民生命财产安全。

振动检测技术是目前应用最广泛的轴承状态检测技术。传统的振动检测技术为接触式诊断，需要在列车上安装振动检测装置，用以检测列车轴承振动情况，这种检测方式的设备安装复杂，且故障率高。

针对振动检测技术的不足，国内外研究人员提出单通道声音诊断技术，通过对轴承声音的检测，来确定列车轴承是否存在缺陷，克服了传统振动检测技术安装复杂、故障率高的缺点。但是现有单通道声音诊断技术容易受噪声干扰，信噪比低，难以得到理想的检测效果。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术中的问题和不足，本发明提出一种列车轴承缺陷检测方法及装置，能够提高检测声音信号的信噪比，克服现有单通道声音诊断技术信噪比低的缺陷，检测结果准确可靠。

一种列车轴承缺陷检测方法，应用于列车轴承缺陷检测装置，所述列车轴承缺陷检测装置包括两个声学传感器阵列和至少两个车轮传感器，所述两个声学传感器阵列的阵列方向与列车轨道方向平行且对称分布在列车轨道两侧，每个声学传感器阵列由至少两个麦克风传感器组成；所述至少两个车轮传感器安装在列车轨道上且对称分布在所述声学传感器阵列的垂直平分线两侧；该方法包括：

采集并保存列车经过所述列车轴承缺陷检测装置时，所述两个声学传感器阵列中的每个麦克风传感器接收到的声音信号及所述至少两个车轮传感器的感应信号；

根据所述至少两个车轮传感器的感应信号，计算得到列车轴承通过信号采集区期间不同时刻所在的位置；

根据所述列车轴承通过信号采集区期间不同时刻所在的位置，分别对所述两个声学传感器阵列中的每个麦克风传感器接收到的声音信号进行延时叠加处理，得到与通过信号采集区的列车轴承相对应的两组声音信号。

优选地，所述根据所述至少两个车轮传感器的感应信号，计算得到列车轴承通过信号采集区期间不同时刻所在的位置，包括：

根据所述至少两个车轮传感器的感应信号，计算列车轴承通过信号采集区所用的时间；

根据所述列车轴承通过信号采集区所用的时间及所述信号采集区的长度，计算列车轴承通过信号采集区期间的速度；

根据所述列车轴承通过信号采集区期间的速度，计算列车轴承通过信号采集区期间不同时刻所在的位置。

优选地，所述至少两个麦克风传感器满足相邻麦克风传感器之间的中心间距相等且小于列车轴承振动声波波长的一半。

优选地，所述麦克风传感器的安装高度与列车轴承的高度相同。

一种列车轴承缺陷检测装置，包括：

两个声学传感器阵列，所述两个声学传感器阵列的阵列方向与列车轨道方向平行且对称分布在列车轨道两侧，每个声学传感器阵列由至少两个麦克风传感器组成，用于采集列车经过所述列车轴承缺陷检测装置时的声音信号；

至少两个车轮传感器，所述至少两个车轮传感器安装在列车轨道上且对称分布在所述声学传感器阵列的垂直平分线两侧，用于当列车经过所述列车轴承缺陷检测装置时输出感应信号；

存储解算装置，所述存储解算装置与所述两个声学传感器阵列及所述至少两个车轮传感器连接，用于保存所述两个声学传感器阵列中的每个麦克风传感器接收到的声音信号及所述至少两个车轮传感器的感应信号；根据所述至少两个车轮传感器的感应信号，计算得到列车轴承通过信号采集区期间不同时刻所在的位置；根据所述列车轴承通过信号采集区期间不同时刻所在的位置，分别对所述两个声学传感器阵列中的每个麦克风传感器接收到的声音信号进行延时叠加处理，得到与通过信号采集区的列车轴承相对应的两组声音信号。

优选地，所述存储解算装置根据所述至少两个车轮传感器的感应信号，计算得到列车轴承通过信号采集区期间不同时刻所在的位置时，具体用于：

根据所述至少两个车轮传感器的感应信号，计算列车轴承通过信号采集区所用的时间；

根据所述列车轴承通过信号采集区所用的时间及所述信号采集区的长度，计算列车轴承通过信号采集区期间的速度；

根据所述列车轴承通过信号采集区期间的速度，计算列车轴承通过信号采集区期间不同时刻所在的位置。

优选地，所述至少两个麦克风传感器满足相邻麦克风传感器之间的中心间距相等且小于列车轴承振动声波波长的一半。

优选地，所述麦克风传感器的安装高度与列车轴承的高度相同。

优选地，所述存储解算装置包括：解码芯片或工程控制电脑。

本发明提出的列车轴承缺陷检测方法，应用于列车轴承缺陷检测装置，所述列车轴承缺陷检测装置包括两个声学传感器阵列和至少两个车轮传感器，所述两个声学传感器阵列的阵列方向与列车轨道方向平行且对称分布在列车轨道两侧，每个声学传感器阵列由至少两个麦克风传感器组成；所述至少两个车轮传感器安装在列车轨道上且对称分布在所述声学传感器阵列的垂直平分线两侧。利用本发明所述装置对列车轴承缺陷进行检测，首先采集并保存列车经过所述列车轴承缺陷检测装置时，所述两个声学传感器阵列中的每个麦克风传感器接收到的声音信号及所述至少两个车轮传感器的感应信号；然后根据所述至少两个车轮传感器的感应信号，计算得到列车轴承通过信号采集区期间不同时刻所在的位置；最后根据所述列车轴承通过信号采集区期间不同时刻所在的位置，分别对所述两个声学传感器阵列中的每个麦克风传感器接收到的声音信号进行延时叠加处理，得到与通过信号采集区的列车轴承相对应的两组声音信号。由于列车轴承声音信号具有相关性，因此对每个麦克风接收到的声音信号进行延时叠加处理，增强了列车轴承声音信号，抵消了部分噪声信号，提高了检测到的声音信号的信噪比，检测效果更理想。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例公开的一种列车轴承缺陷检测方法的流程示意图；

图2是根据所述至少两个车轮传感器的感应信号，计算得到列车轴承通过信号采集区期间不同时刻所在的位置的流程示意图；

图3是本发明实施例公开的一种列车轴承缺陷检测装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种列车轴承缺陷检测方法，该方法应用于列车轴承缺陷检测装置，所述列车轴承缺陷检测装置包括两个声学传感器阵列和至少两个车轮传感器，所述两个声学传感器阵列的阵列方向与列车轨道方向平行且对称分布在列车轨道两侧，每个声学传感器阵列由至少两个麦克风传感器组成；所述至少两个车轮传感器安装在列车轨道上且对称分布在所述声学传感器阵列的垂直平分线两侧；参见图1，该方法包括：

S101、采集并保存列车经过所述列车轴承缺陷检测装置时，所述两个声学传感器阵列中的每个麦克风传感器接收到的声音信号及所述至少两个车轮传感器的感应信号；

具体的，当列车经过所述列车轴承缺陷检测装置时，所述两个声学传感器阵列中的每一个麦克风传感器都采集接收到的声音信号；当列车轴承经过所述车轮传感器上方时，车轮传感器会产生一个感应信号，表示列车轴承已通过，并记录该感应信号。

S102、根据所述至少两个车轮传感器的感应信号，计算得到列车轴承通过信号采集区期间不同时刻所在的位置；

具体的，所述至少两个车轮传感器之间的区域即为信号采集区。当列车轴承从所述车轮传感器上方经过时，所述车轮传感器的电平会发生变化(由高变低或由低变高)。为了测量精确，实际工程中可以布置多个车轮传感器，同样的，列车轴承每经过一个车轮传感器，所述车轮传感器的输出电平就会发生一次变化。根据车轮传感器输出电平的变化情况，可以计算出列车轴承经过信号采集区的时间，进而计算出列车轴承经过信号采集区的速度和不同时刻的位置。

S103、根据所述列车轴承通过信号采集区期间不同时刻所在的位置，分别对所述两个声学传感器阵列中的每个麦克风传感器接收到的声音信号进行延时叠加处理，得到与通过信号采集区的列车轴承相对应的两组声音信号。

具体的，当列车轴承处于信号采集区的某一位置时，所述声学传感器阵列中的每一个麦克风传感器都能接收到声音信号，它包含列车轴承声音信号和噪声。每一个麦克风传感器接收到的列车轴承声音信号具有很高的相关性，而接收到的噪声是随机的。根据列车轴承位置与所述声学传感器阵列中每个麦克风传感器的位置关系，可以计算出当列车轴承处于信号采集区的某一位置时，列车轴承发出的声音信号到达所述声学传感器阵列中的各个麦克风传感器的时间差，根据该时间差对所述声学传感器中的每个麦克风传感器接收到的声音信号进行延时叠加，由于列车轴承声音信号具有相关性而噪声具有随机性，因此列车轴承声音信号会叠加增强，而噪声会相互抵消而减弱，从而提高了所述声学传感器阵列采集的声音信号的信噪比。

需要说明的是，为了保证所述声学传感器阵列灵敏接收声音信号，所述至少两个麦克风传感器均采用全指向型麦克风传感器，可以灵敏接收各个方向的声音信号。同时，根据列车轴承声音信号的频率范围，我们选择频率响应范围为50Hz～15KHz的全指向型麦克风传感器，以排除所需频率范围外的无用声音信号。所述声学传感器阵列是所述列车轴承缺陷检测装置的关键部件，为了保护所述声学传感器阵列，避免受到风、雨、雷电等自然现象的侵蚀或人为的破坏，在工程实际中，通常将所述声学传感器阵列安装在位于列车轨道两侧的声学机柜内。所述车轮传感器通常采用轨卡式安装方法安装在列车轨道上，其安装位置一般是距离所述声学传感器阵列的垂直平分线两侧各3米范围内，其安装位置根据工程现场情况可以进行调整。为了测量精确可以根据需求安装多个车轮传感器，但必须保证精确安排每个车轮传感器到所述声学传感器阵列的垂直平分线的距离，以满足后期对列车轴承位置的计算需求。

本发明提出的列车轴承缺陷检测方法，应用于列车轴承缺陷检测装置，该装置包括两个声学传感器阵列和至少两个车轮传感器，所述两个声学传感器阵列的阵列方向与列车轨道方向平行且对称分布在列车轨道两侧，每个声学传感器阵列由至少两个麦克风传感器组成；所述至少两个车轮传感器安装在列车轨道上且对称分布在所述声学传感器阵列的垂直平分线两侧。利用本发明所述装置对列车轴承缺陷进行检测，首先，采集并保存列车经过所述列车轴承缺陷检测装置时，所述两个声学传感器阵列中的每个麦克风传感器接收到的声音信号及所述至少两个车轮传感器的感应信号；然后，根据所述至少两个车轮传感器的感应信号，计算得到列车轴承通过信号采集区期间不同时刻所在的位置；最后，根据所述列车轴承通过信号采集区期间不同时刻所在的位置，分别对所述两个声学传感器阵列中的每个麦克风传感器接收到的声音信号进行延时叠加处理，得到与通过信号采集区的列车轴承相对应的两组声音信号。由于列车轴承声音信号具有相关性，因此对每个麦克风接收到的声音信号进行延时叠加处理，增强了列车轴承声音信号，抵消了部分噪声信号，提高了检测到的声音信号的信噪比，检测效果更理想。

可选的，在本发明的另一个实施例中，根据所述至少两个车轮传感器的感应信号，计算得到列车轴承通过信号采集区期间不同时刻所在的位置，参见图2，包括：

S201、根据所述至少两个车轮传感器的感应信号，计算列车轴承通过信号采集区所用的时间；

具体的，当列车轴承经过所述车轮传感器的上方时，所述车轮传感器的输出电平会发生变化(由低变高或由高变低)。因此，如果车轮传感器的输出电平发生变化，即说明此时列车轴承经过了所述车轮传感器的上方，显而易见的，车轮通过第一个车轮传感器和最后一个车轮传感器的时间差，即为列车轴承通过信号采集区所用的时间。同样的，当有多个车轮传感器时，采用同样的方法确定列车轴承通过信号采集区所用的时间。

S202、根据所述列车轴承通过信号采集区所用的时间及所述信号采集区的长度，计算列车轴承通过信号采集区期间的速度；

具体的，当所述列车轴承缺陷检测装置只包括两个车轮传感器时，所述信号采集区的长度即两个车轮传感器之间的距离，所述两个车轮传感器之间的距离与所述列车轴承通过信号采集区所用的时间的比值，即为列车轴承通过信号采集区期间的速度。当所述列车轴承缺陷检测装置包括多个车轮传感器时，所述信号采集区的长度为距离所述声学传感器阵列的垂直平分线最远的两个车轮传感器之间的距离。对于每两个相邻的车轮传感器之间的区域，我们取这两个相邻的车轮传感器之间的距离与所述列车轴承通过这两个相邻的车轮传感器之间的区域所用的时间的比值，作为列车轴承通过这两个相邻的车轮传感器之间的区域期间的速度。

S203、根据所述列车轴承通过信号采集区期间的速度，计算列车轴承通过信号采集区期间不同时刻所在的位置。

具体的，车轮传感器输出电平第一次发生变化的时刻，表示列车轴承进入信号采集区的时刻，用列车轴承通过信号采集区期间的某一时刻减去列车轴承进入信号采集区的时刻，即为列车轴承在信号采集区中行进的时长，该时长与列车轴承通过信号采集区期间的速度的乘积，即为列车轴承进入信号采集区行进的距离，结合车轮传感器的位置及所述列车轴承进入信号采集区行进的距离，即可确定此时列车轴承在信号采集区内的位置。

可选的，在本发明的另一个实施例中，所述至少两个麦克风传感器满足相邻麦克风传感器之间的中心间距相等且小于列车轴承振动声波波长的一半。

具体的，根据采样定理可知，当采样信号的采样间隔大于被采样信号周期的一半时，采样得到的信号在频域会发生混叠而失真，因此要求采样间隔要小于被采样信号周期的一半。将该理论应用到空间，声学传感器阵列是在空间域对列车轴承声音信号进行采样，当所述麦克风传感器的间距大于列车轴承振动声波波长的一半时，也会发生混叠，即产生栅瓣。为了避免栅瓣，工程中设置相邻麦克风传感器之间的中心间距相等且小于列车轴承振动声波波长的一半。

可选的，在本发明的另一个实施例中，所述麦克风传感器的安装高度与列车轴承的高度相同。

具体的，设置所述麦克风传感器的安装高度与列车轴承的高度相同，一方面可以使麦克风传感器快速接收列车轴承声音信号，尽量避免列车轴承声音信号被噪声干扰；另一方面，可以降低计算列车轴承与麦克风传感器之间距离的计算复杂度。

本发明的另一实施例还公开了一种列车轴承缺陷检测装置，参见图3，该装置包括：

两个声学传感器阵列101，所述两个声学传感器阵列的阵列方向与列车轨道方向平行且对称分布在列车轨道两侧，每个声学传感器阵列由至少两个麦克风传感器104组成，用于采集列车经过所述列车轴承缺陷检测装置时的声音信号；

需要说明的是，为了保证所述声学传感器阵列101灵敏接收声音信号，所述至少两个麦克风传感器104均采用全指向型麦克风传感器，可以灵敏接收各个方向的声音信号。同时，根据列车轴承声音信号的频率范围，我们选择频率响应范围为50Hz～15KHz的全指向型麦克风传感器104，以排除所需频率范围外的无用声音信号。所述声学传感器阵列101是所述列车轴承缺陷检测装置的关键部件，为了保护所述声学传感器阵列101，避免受到风、雨、雷电等自然现象的侵蚀或人为的破坏，在工程实际中，通常将所述声学传感器阵列101安装在位于列车轨道两侧的声学机柜105内。

至少两个车轮传感器102，所述至少两个车轮传感器102安装在列车轨道上且对称分布在所述声学传感器阵列101的垂直平分线两侧，用于当列车经过所述列车轴承缺陷检测装置时输出感应信号；

需要说明的是，所述车轮传感器102通常采用轨卡式安装方法安装在列车轨道上，其安装位置一般是距离所述声学传感器阵列101的垂直平分线两侧各3米范围内，其安装位置根据工程现场情况可以进行调整。为了测量精确可以根据需求安装多个声学传感器阵列102，但必须保证精确安排每个车轮传感器102到所述声学传感器阵列101的垂直平分线的距离，以满足后期对列车轴承位置的计算需求。

存储解算装置103，所述存储解算装置103与所述两个声学传感器阵列101及所述至少两个车轮传感器102连接，用于保存所述两个声学传感器阵列101中的每个麦克风传感器104接收到的声音信号及所述至少两个车轮传感器102的感应信号；根据所述至少两个车轮传感器102的感应信号，计算得到列车轴承通过信号采集区期间不同时刻所在的位置；根据所述列车轴承通过信号采集区期间不同时刻所在的位置，分别对所述两个声学传感器阵列101中的每个麦克风传感器104接收到的声音信号进行延时叠加处理，得到与通过信号采集区的列车轴承相对应的两组声音信号。

具体的，本实施例中各个部分的具体工作内容请参见对应的方法实施例内容，此处不再赘述。

本发明提出的列车轴承缺陷检测装置，包括两个声学传感器阵列101、至少两个车轮传感器102和存储解算装置103，所述两个声学传感器阵列101的阵列方向与列车轨道方向平行且对称分布在列车轨道两侧，每个声学传感器阵列101由至少两个麦克风传感器104组成，用于采集列车经过所述列车轴承缺陷检测装置时的声音信号；所述至少两个车轮传感器102安装在列车轨道上且对称分布在所述声学传感器阵列101的垂直平分线两侧，用于当列车经过所述列车轴承缺陷检测装置时输出感应信号；存储解算装置103与所述两个声学传感器阵列101及所述至少两个车轮传感器102连接，用于保存所述两个声学传感器阵列101中的每个麦克风传感器104接收到的声音信号及所述至少两个车轮传感器102的感应信号；根据所述至少两个车轮传感器102的感应信号，计算得到列车轴承通过信号采集区期间不同时刻所在的位置；根据所述列车轴承通过信号采集区期间不同时刻所在的位置，分别对所述两个声学传感器阵列101中的每个麦克风传感器104接收到的声音信号进行延时叠加处理，得到与通过信号采集区的列车轴承相对应的两组声音信号。由于列车轴承声音信号具有相关性，因此对每个麦克风传感器104接收到的声音信号进行延时叠加处理，增强了列车轴承声音信号，抵消了部分噪声信号，提高了检测到的声音信号的信噪比，检测效果更理想。

可选的，在本发明的另一个实施例中，所述存储解算装置103根据所述至少两个车轮传感器102的感应信号，计算得到列车轴承通过信号采集区期间不同时刻所在的位置时，具体用于：

根据所述至少两个车轮传感器的感应信号，计算列车轴承通过信号采集区所用的时间；

根据所述列车轴承通过信号采集区所用的时间及所述信号采集区的长度，计算列车轴承通过信号采集区期间的速度；

根据所述列车轴承通过信号采集区期间的速度，计算列车轴承通过信号采集区期间不同时刻所在的位置。

具体的，本实施例中存储解算装置103的具体工作内容请参见对应的方法实施例内容，此处不再赘述。

可选的，在本发明的另一个实施例中，所述至少两个麦克风传感器104满足相邻麦克风传感器104之间的中心间距相等且小于列车轴承振动声波波长的一半。

具体的，根据采样定理可知，当采样信号的采样间隔大于被采样信号周期的一半时，采样得到的信号在频域会发生混叠而失真，因此要求采样间隔要小于被采样信号周期的一半。将该理论应用到空间，声学传感器阵列是在空间域对列车轴承声音信号进行采样，当所述麦克风传感器的间距大于列车轴承振动声波波长的一半时，也会发生混叠，即产生栅瓣。为了避免栅瓣，工程中设置相邻麦克风传感器之间的中心间距相等且小于列车轴承振动声波波长的一半。

可选的，在本发明的另一个实施例中，所述麦克风传感器101的安装高度与列车轴承的高度相同。

具体的，设置所述麦克风传感器的安装高度与列车轴承的高度相同，一方面可以使麦克风传感器快速接收列车轴承声音信号，尽量避免列车轴承声音信号被噪声干扰；另一方面，可以降低计算列车轴承与麦克风传感器之间距离的计算复杂度。

可选的，在本发明的另一个实施例中，所述存储解算装置103包括：解码芯片或工程控制电脑。

需要说明的是，只要是能完成存储解算装置103的功能的装置，都可以被采用，例如能够完成存储解算装置103功能的解码芯片、工程控制电脑、微型计算机、单片机等。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。