冲击能激励出多个振动 频率的特点，使用改进的经验模态分解法处理各个不同频率的振动，根据单位时间的冲击 次数相等的原则判断是否存在车轮擦伤信号。利用振动加速度的幅值信息判断车轮踏面擦 伤的深度。
【附图说明】
[0033] 图1为本发明的数据处理原理图；a为采集到的原始振动加速度信号；b，使用改进 的EMD分解提取故障冲击振动加速度波形；c对振动加速度波形进行包络解调；d对解调波 进行FFT分析；
[0034] 图2为本发明实施例中实测得到的加速度波形；
[0035] 图3为应用本发明改进的经验模态分解法得到的分解结果，其中a~g分别对应 imfl~imf7共7个不同频率的冲击振动信号；
【具体实施方式】
[0036] 以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
[0037] 本发明专利的一种【具体实施方式】是，一种高速铁路车轮擦伤监测系统，包括轮对 的轴箱、加速度传感器和数据采集与处理单元，其特征在于：所述的轮对轴箱的顶面上安装 加速度传感器，数据采集与处理单元放置在司机室。
[0038] 本实施例的轮对安装在高速列车转向架上，轮对随高速列车运动。当轮对上的车 轮有擦伤的时候，安装在轴箱上的加速度传感器检测到振动信号，然后送到数据采集与处 理单元进行故障识别和擦伤厚度估计，并记录擦伤识别结果。
[0039] 图1是本监测装置的数据处理原理图，数据处理和信号特征提取的步骤如下：（I) 对测量的振动加速度采用改进的经验模态分解法进行EMD分解，提取各个不同频率对应的 故障冲击共振波。根据冲击振动的特点，冲击愈大，激发的冲击振动频率就愈多，因而不同 频率的故障冲击共振波一般情况下有多个。（2)对每一个频率的故障冲击共振波进行包络 解调，并对其进行FFT分析，提取每个频率的冲击共振波在单位时间内的冲击次数。在分析 的振动加速度信号中，如果有6个以上不同频率的共振波在单位时间内的冲击次数相同， 则可判断轮对存在擦伤故障。（3)通过擦伤深度的标定，用轴箱振动加速度的幅值判断车轮 擦伤的深度。
[0040] 图2是轮轨滚动试验台实测的加速度波形，使用一般的经验模态分解法分解该信 号，由于迭代不收敛，无法得出各个频率对应的振动分量。使用改进的经验模态分解法分解 该信号，迭代收敛且计算时间短，分解结果见图3。图3的imfl~imf7是频率不同的7个 冲击振动信号，对每个单一频率的信号进行包络解调，可以得到该信号单位时间内的冲击 次数，进而进行冲击故障判断。
[0041] 应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换， 而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
【主权项】
1. 一种高速铁路车轮踏面擦伤快速监测装置，其特征在于：包括轮对轴箱、加速度传 感器、数据采集单元、数据处理单元，在所述的轮对轴箱垂向安装加速度传感器，用于获取 轮对轴箱的垂向振动加速度；数据采集单元连续采集轴箱垂向振动加速度数据，并分段存 贮；数据处理单元利用冲击引起多频振动的特点对擦伤故障进行识别和擦伤深度的判断， 具体方法为：数据处理单元逐段读取振动加速度数据，然后使用改进的经验模态分解法对 该振动加速度数据进行快速处理，提取各个不同频率的振动加速度波形，对每一个频率的 振动加速度波形进行包络解调，并对其进行FFT分析，提取每个频率的冲击共振波在单位 时间内的冲击次数；如果有N个以上不同频率的共振波在单位时间内的冲击次数相同，则 判断轮对存在擦伤故障；通过擦伤深度的标定，用轴箱振动加速度的幅值判断车轮擦伤的 深度，N为预设置的阈值，N大于等于6。2. 根据权利要求1所述的高速铁路车轮踏面擦伤快速监测装置，其特征在于：所述的 车轮踏面擦伤监测装置在轮对的每一个轴箱使用1个加速度传感器测量垂直方向的振动 加速度，所述的加速度传感安装在每个轮对轴箱的顶面。3. 根据权利要求1所述的高速铁路车轮踏面擦伤快速监测装置，其特征在于：所述改 进的经验模态分解法具体方法为： 首先求得给定信号的局部极大值点和局部极小值点，然后通过三次样条插值求得信号 的上下包络线，求出包络均值，原始信号减去包络均值可得到所分解出的一层信号，对此过 程循环执行多次可以得到最终的分解结果如下：（1) 即将原始信号分解为1个MF和1个残差r; 具体步骤如下： (1) 获取原始信号s(t)的局部极大值点与局部极小值点max(t)，min⑴； (2) 使用三次样条差值法求出由局部极大值点形成的上包络线和局部极小值点形成的 下包络线：enax(t)，e_(t); (3) 计算局部均值：（2) (4) 提取基本模式分量：h(t) =s(t)-m(t) (3) h(t)即为所求得的一个IMF分量； 在实际的计算过程中，由于计算值与理论值之间存在误差；求得一个頂F分量往往需 要经过多次的提取，具体方法就是将所求的的h(t)作为待处理信号hp匕的局部均值为 m11: hi-ni!^hn (4) 重复（1)、⑵、（3)、⑷步k次，得到 hi(ki)_mik=hlk (5) 当h1〇i1}的值和hlk的值接近相等时，停止循环，这时求出了第一个IMF分量c1;c:= hik； 将所求的第一个IMF分量^从原始信号中分离出来：s(t)-cl=rl，再将r:作为新的 待处理原始信号，重复以上计算过程，得到第二个MF分量c2，以此类推； ri_C2 - ^ 2 r2_c2=ra rn l_Cn= r m (6) 当包络线均值m(t)足够小时，小于某个设定极限值或者它的局部极值点数（局部极小 值与局部极大值点数之和）不超过两个时，停止EMD分解过程，此时认为剩余信号rn不能 再进行分解，即剩余信号中不含有振动的趋势。4.高速铁路车轮踏面擦伤快速监测方法，其特征在于：在所述的轮对轴箱垂向安装加 速度传感器，用于获取轮对轴箱的垂向振动加速度；数据采集单元连续采集轴箱垂向振动 加速度数据，并分段存贮；数据处理单元利用冲击引起多频振动的特点对擦伤故障进行识 别和擦伤深度的判断，具体方法为：数据处理单元逐段读取振动加速度数据，然后使用改进 的经验模态分解法对该振动加速度数据进行快速处理，提取各个不同频率的振动加速度波 形，对每一个频率的振动加速度波形进行包络解调，并对其进行FFT分析，提取每个频率的 冲击共振波在单位时间内的冲击次数；如果有N个以上不同频率的共振波在单位时间内的 冲击次数相同，则判断轮对存在擦伤故障；通过擦伤深度的标定，用轴箱振动加速度的幅值 判断车轮擦伤的深度；N为预设置的阈值，N大于等于6。
【专利摘要】本发明公开了一种高速铁路车轮踏面擦伤快速监测装置及方法，包括轮对轴箱、加速度传感器、数据采集单元、数据处理单元，在所述的轮对轴箱垂向安装加速度传感器，用于获取轮对轴箱的垂向振动加速度；数据采集单元连续采集轴箱垂向振动加速度数据，并分段存贮；数据处理单元利用冲击引起多频振动的特点对擦伤故障进行识别和擦伤深度的判断；数据处理单元逐段读取振动加速度数据，然后使用改进的经验模态分解法对该振动加速度数据进行快速处理，提取各个不同频率的振动加速度波形，对每一个频率的振动加速度波形进行包络解调，并对其进行FFT分析，提取每个频率的冲击共振波在单位时间内的冲击次数。
【IPC分类】G01B17/00, G01N19/08
【公开号】CN105092467
【申请号】CN201510567599
【发明人】王晗, 龚明, 杨志华, 刘天赋, 蒋济雄
【申请人】南车工业研究院有限公司
【公开日】2015年11月25日
【申请日】2015年9月9日