一种基于时间与空间连续的车轮踏面与轨道故障检测方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于时间与空间连续的车轮踏面与轨道故障检测方法，该方法包括如下步骤：(1)在待检测轨道路段的轨道轨腰处铺设用于空间和时间均连续的振动信号检测和传输的振动检测传感器；(2)列车行驶在待检测轨道路段时按设定采样频率采集步骤(1)中振动检测传感器检测的振动信号并保存；(3)将保存的振动信号按照总的采集时间平均分成N段；(4)分别对每段振动信号进行故障诊断，获取每段振动信号中的故障信号并记录故障信号对应的时间；(5)根据每段振动信号中的故障信号分布情况判断车轮踏面或轨道故障情况。与现有技术相比，本发明具有检测精度高、布设方便、可行性高等优点。
【专利说明】
一种基于时间与空间连续的车轮踏面与轨道故障检测方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种车轮踏面与轨道故障检测方法，尤其是涉及一种基于时间与空间 连续的车轮踏面与轨道故障检测方法。
【背景技术】
[0002] 列车运行过程中，轨道线路与列车的轮对踏面都有可能出现擦伤或异物，造成擦 伤的主要原因是由于列车运行的制动或空转打滑而使车轮踏面与轨道间发生摩擦。轮对或 轨道擦伤的部位或存在的异物在列车行驶时产生冲击，可能引起列车轨道系统的耦合振 动，危及行车安全。
[0003] 目前对于轨道线路与轮对踏面的故障检测主要还是分开检测，而没有一种能够对 轮对踏面与线路的故障进行统一检测的系统和方法。分开检测不仅耗费了更多的人力物 力，而且检测的效率较为低下。
[0004] 常见的踏面故障检测方法是使用加速度传感器。但点状分布的加速度传感器在长 距离检测时就会使安装过程过于繁琐。
[0005] 现有检测方法是轨道线路与车轮分开检测。检测轨道线路主要依靠轨道探伤车与 人工检修。检测车轮分为地面检测与车载检测两类。地面检测多应用加速度传感器，其成本 较高，点状铺设的特点可能导致漏检;车载检测多应用测力轮对与轴箱加速度测量两种方 法，其布线较为复杂。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于时间与空 间连续的车轮踏面与轨道故障检测方法。
[0007] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0008] -种基于时间与空间连续的车轮踏面与轨道故障检测方法，该方法包括如下步 骤：
[0009] (1)在待检测轨道路段的轨道轨腰处铺设用于空间和时间均连续的振动信号检测 和传输的振动检测传感器；
[0010] (2)列车行驶在待检测轨道路段时按设定采样频率采集步骤（1)中振动检测传感 器检测的振动信号并保存；
[0011] (3)将保存的振动信号按照总的采集时间平均分成N段；
[0012] (4)分别对每段振动信号进行故障诊断，获取每段振动信号中的故障信号并记录 故障信号对应的时间；
[0013] (5)根据每段振动信号中的故障信号分布情况判断车轮踏面或轨道故障情况。
[0014] 所述的振动检测传感器包括感应式光纤。
[0015] 所述的步骤(4)中对每段振动信号进行故障诊断具体为：
[0016] (401)获取相应的振动信号x( i)，i = 1，2~FS ? To，其中Fs为采样频率，To为该段振 动信号对应的总时长；
[0017] (402)对振动信号进行差分得到差分信号X1d(j)，j = l，2."(Fs.T『l);
[0018] (403)求取差分信号绝对值的均方根值RMS0:
[0020] (404)将差分信号按照设定时间At分为No段：
，其中[_」表示向下取 整；
[0021] (405)分别求取No段差分信号中各差分信号的绝对值的均方根值RMS(k)，其中k = 1，2."N〇;
[0022] (406)对于k=l，2".N〇,依次判定RMS(k)〈RMSO/n〇是否成立，其中no为设定数值，若 是则对应的RMS(k)为无效信号，令对应的RMS(k)=0,否则RMS(k)为有效信号，保留对应的 数值；
[0023] (407)对于k = l，2，"N〇,求取所有非零RMS(k)的平均值Mrmsi;
[0024] (408)对于k=l，2."N〇,分别判断RMS(k)>m ? Mrmsi是否成立，其中m为设定数值， 若是，则判定为故障信号，同时进行故障信号计数并记录该故障信号对应的时间，否则不做 任何操作；
[0025] (409)统计所有故障信号的个数。
[0026]所述的步骤(5)具体为：
[0027] (501)获取步骤(4)中各段振动信号中故障信号的个数和对应的故障信号对应的 时间，并对各段振动信号进行故障判定，分别确定各段振动信号所对应的各段线路上是否 存在故障；
[0028] (502)若各段线路均无故障，则车轮踏面和各段线路的轨道均无故障；
[0029] 若各段振动信号对应的线路中部分线路存在故障，则相应振动信号对应的线路的 轨道存在故障；
[0030] 若各段振动信号对应的线路中均存在故障，则车轮踏面或整个线路的轨道存在故 障，进而通过人工排查进行确定。
[0031] 步骤(501)中对各段振动信号进行故障判定通过下述方式实现:获取待判定段振 动信号中故障信号的个数Ni，判断NKm是否成立，若是则待判定段振动信号对应的线路上 不存在故障，否则存在故障，其中n 2为待判定段振动信号对应的线路上的轨道接缝数与列 车轮对数的乘积。
[0032] 与现有技术相比，本发明具有如下优点：
[0033] (1)本发明采用在轨道上可以连续铺设的振动检测传感器，实现振动信号在空间 位置和时间上均连续的检测，对振动检测传感器检测的信号进行处理分析，提取有效故障 信息，实现故障的诊断以及故障来源的判断，改变了传到轨道与车轮踏面分开检测的方式， 本发明的检测方法中的振动检测传感器的布设方便，提高了可行性；
[0034] (2)本发明采用两段时间上连续的振动信号，分别对两段振动信号进行差分、提取 有效信号，进而判定故障信号，最后通过两段振动信号中故障信号的分布情况进行轨道和 车轮踏面故障的判断，能够提高判断准确性，为轨道交通车辆的安全运行提供保证；
[0035] (3)本发明的故障检测方法简单、易于实现。
【附图说明】
[0036] 图1为本发明故障检测方法的总体流程图；
[0037] 图2为本发明求取差分信号并得到所有差分信号绝对值的均方根值的具体流程 图；
[0038] 图3为本发明对差分信号进行分段并提取有效信号的具体流程图；
[0039] 图4为本发明通过RMS(k)判定待判定段振动信号对应的线路是否存在故障的具体 流程图。
【具体实施方式】
[0040] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0041 ] 实施例
[0042] 如图1所示，一种基于时间与空间连续的车轮踏面与轨道故障检测方法，该方法包 括如下步骤：
[0043] 步骤1:在待检测轨道路段的轨道轨腰处铺设用于空间和时间均连续的振动信号 检测和传输的振动检测传感器，该实施例中振动检测传感器采用感应式光纤，该发明中振 动检测传感器不局限于感应式光纤，凡是能够连续铺设的且能连续检测振动信号的振动检 测传感器均可作为本发明的振动检测传感器来使用；
[0044] 步骤2:列车行驶在待检测轨道路段时按设定采样频率采集步骤1中振动检测传感 器检测的振动信号并保存；
[0045] 步骤3:将保存的振动信号按照总的采集时间平均分成N段，N可以根据实际情况而 定，本实施例中N取2;
[0046] 步骤4:分别对各段振动信号进行故障诊断，获取每段振动信号中的故障信号并记 录故障信号对应的时间；
[0047] 步骤5:根据各段振动信号中的故障信号分布情况判断车轮踏面或轨道故障情况。
[0048] 所述的步骤4中对每段振动信号进行故障诊断具体为：
[0049] (401)获取相应的振动信号奴1)，1 = 1，2~？^1'〇，其中？3为采样频率，1'()为该段振 动信号对应的总时长；
[0050] (402)对振动信号进行差分得到差分信号X1d(j)，j = l，2"_(Fs*T〇-l);
[0051 ] (403)求取差分信号绝对值的均方根值RMS0:
[0053] (404)将差分信号按照设定时间At分为No段，其中L」表示向下取 整；
[0054] (405)分别求取No段差分信号中各差分信号的绝对值的均方根值RMS(k)，其中k = 1，2."No;
[0055] (406)对于k=l，2."N〇,依次判定RMS(k)〈RMSO/n〇是否成立，其中no为设定数值，若 是则对应的RMS(k)为无效信号，令对应的RMS(k)=0,否则RMS(k)为有效信号，保留对应的 数值；
[0056] (407)对于k = l，2"_N〇,求取所有非零RMS(k)的平均值Mrmsi;
[0057] (408)对于k=l，2."N〇,分别判断RMS(k)>m ? Mrmsi是否成立，其中m为设定数值， 根据实际情况进行设定，若是，则判定为故障信号，同时进行故障信号计数并记录该故障信 号对应的时间，否则不做任何操作；
[0058] (409)统计所有故障信号的个数。
[0059]上述步骤(401)~（403)主要是对振动信号的放大得到差分信号并得到所有差分 信号绝对值的均方根值，具体可采用图2中的流程图来实现：
[0060]首先执行步骤la:获取相应的振动信号x(i)，i = l，2~FS ? To,执行步骤lb;
[0061] 步骤lb:赋值j = l，执行步骤lc;
[0062]步骤lc:根据下式计算差分信号Xld(j)，执行步骤Id;
[0064] 步骤Id:赋值j = j+1，执行步骤le;
[0065] 步骤le:判断j<Fs ? To-l是否成立，若是返回步骤lc，否则执行步骤If;
[0066]步骤If:求取差分信号绝对值的均方根值RMS0。
[0067]步骤(404)将差分信号按照设定时间A t分为No段 ，其中U表示向 下取整，每段时间At内包含Fs* At个差分信号；
[0068]接下来，上述步骤(405)~(407)主要是对差分信号进行分段并提取有效信号的过 程，具体可通过图3所示的流程图来实现：
[0069] 步骤2a:赋值k = l，执行步骤2b;
[0070] 步骤2b:根据下式计算RMS(k):
[0072]执行步骤2c;
[0073] 步骤2c:赋值k = k+l，执行步骤2d;
[0074] 步骤2d:判_
是否成立，若是返回步骤2b，否则执行步骤2e;
[0075] 步骤2e :重新赋值k= 1，同时赋值M = 0，M用于对非零RMS(k)进行计数，执行步骤 2f；
[0076] 步骤2f:判定RMS(k)〈RMSO/n〇是否成立，no为设定数值，若是则执行步骤2g，否则执 行步骤2h;
[0077] 步骤2g:赋值RMS(k) =0,执行步骤2i ;
[0078] 步骤2h:赋值M=M+1，执行步骤2i ;
[0079] 步骤2i :赋值k = k+l，执行步骤2j ;
[0080] 步骤2j:判断
是否成立，若是，返回步骤2f，否则执行步骤2k;
[0081 ] 步骤2k:根据下式求取所有RMS(k)的平均值Mrmsi :
[0083] 上述步骤5具体为：
[0084] (501)获取步骤4中各段振动信号中故障信号的个数和对应的故障信号对应的时 间，并对各段振动信号进行故障判定，分别确定各段振动信号所对应的各段线路上是否存 在故障；
[0085] (502)若各段线路均无故障，则车轮踏面和各段线路的轨道均无故障；
[0086] 若各段振动信号对应的线路中部分线路存在故障，则相应振动信号对应的线路的 轨道存在故障；
[0087] 若各段振动信号对应的线路中均存在故障，则车轮踏面或整个线路的轨道存在故 障，进而通过人工排查进行确定，在人工排查时首先通过对列车进行检查，若车轮踏面没有 故障，则确定整个线路的轨道上存在故障，进一步对轨道进行检查维修。
[0088] 步骤(501)中对各段振动信号进行故障判定通过下述方式实现:获取待判定段振 动信号中故障信号的个数Ni，判断NKm是否成立，若是则待判定段振动信号对应的线路上 不存在故障，否则存在故障，其中n 2为待判定段振动信号对应的线路上的轨道接缝数与列 车轮对数的乘积。
[0089] 如图4所示为通过RMS(k)判定待判定段振动信号对应的线路是否存在故障的具体 流程图：
[0090]执行步骤3a:赋值Ni = 0，k=l，q=l，其中Ni用来记录待判定段振动信号中故障信 号的个数见，执行步骤3b;
[OO91]步骤3b:判断RMS(k)>m ? Mrmsi是否成立，其中m为设定数值，根据实际情况进行 设定，若是则执行步骤3c，否则执行步骤3d;
[0092] 步骤3c:赋值见=见+1，T0V (q) = k* A t，q = q+1，其中T0V (q)用来存储第q个故障信 号对应的时间，继续执行步骤3d;
[0093] 步骤3d:令k = k+l，执行步骤3e;
[0094] 步骤3e:判断判断
是否成立，若是，返回步骤3b，否则执行步骤3f;
[0095]步骤3f:判断NKn2是否成立，若是则执行步骤3g，否则执行步骤3h;
[0096] 步骤3g:待判定段振动信号对应的线路不存在故障，结束；
[0097] 步骤3h:待判定段振动信号对应的线路存在故障，并输出各故障信号对应的时间 值，结束。
【主权项】
1. 一种基于时间与空间连续的车轮踏面与轨道故障检测方法，其特征在于，该方法包 括如下步骤： (1) 在待检测轨道路段的轨道轨腰处铺设用于空间和时间均连续的振动信号检测和传 输的振动检测传感器； (2) 列车行驶在待检测轨道路段时按设定采样频率采集步骤（1)中振动检测传感器检 测的振动信号并保存； (3) 将保存的振动信号按照总的采集时间平均分成N段； (4) 分别对每段振动信号进行故障诊断，获取每段振动信号中的故障信号并记录故障 信号对应的时间； (5) 根据每段振动信号中的故障信号分布情况判断车轮踏面或轨道故障情况。2. 根据权利要求1所述的一种基于时间与空间连续的车轮踏面与轨道故障检测方法， 其特征在于，所述的振动检测传感器包括感应式光纤。3. 根据权利要求1所述的一种基于时间与空间连续的车轮踏面与轨道故障检测方法， 其特征在于，所述的步骤(4)中对每段振动信号进行故障诊断具体为： (401)获取相应的振动信号奴1)，1 = 1，2-？^1'〇，其中？3为采样频率，1'()为该段振动信 号对应的总时长； ^(^对振动信号进行差分得到差分信号咖⑶一二^…沾·！^); (403) 求取差分信号绝对值的均方根值RMSO:(404) 将差分信号按照设定时间At分为No段，，其中L」表示向下取整； (405) 分别求取No段差分信号中各差分信号的绝对值的均方根值RMS (k)，其中k=l，2··· No； (406) 对于k=l，2."N〇,依次判定RMS(k)〈RMSO/n〇是否成立，其中no为设定数值，若是则 对应的RMS (k)为无效信号，令对应的RMS (k) = 0，否则RMS (k)为有效信号，保留对应的数值； (407) 对于k=l，2，"N〇,求取所有非零RMS(k)的平均值Mrmsi; (408) 对于k=l，2…No,分别判断RMS(k)>m · Mrmsi是否成立，其中ηι为设定数值，若 是，则判定为故障信号，同时进行故障信号计数并记录该故障信号对应的时间，否则不做任 何操作； (409) 统计所有故障信号的个数。4. 根据权利要求1所述的一种基于时间与空间连续的车轮踏面与轨道故障检测方法， 其特征在于，所述的步骤(5)具体为： (501) 获取步骤(4)中各段振动信号中故障信号的个数和对应的故障信号对应的时间， 并对各段振动信号进行故障判定，分别确定各段振动信号所对应的各段线路上是否存在故 障； (502) 若各段线路均无故障，则车轮踏面和各段线路的轨道均无故障； 若各段振动信号对应的线路中部分线路存在故障，则相应振动信号对应的线路的轨道 存在故障； 若各段振动信号对应的线路中均存在故障，则车轮踏面或整个线路的轨道存在故障， 进而通过人工排查进行确定。5.根据权利要求4所述的一种基于时间与空间连续的车轮踏面与轨道故障检测方法， 其特征在于，步骤(501)中对各段振动信号进行故障判定通过下述方式实现:获取待判定段 振动信号中故障信号的个数他，判断NKm是否成立，若是则待判定段振动信号对应的线路 上不存在故障，否则存在故障，其中11 2为待判定段振动信号对应的线路上的轨道接缝数与 列车轮对数的乘积。
【文档编号】G01N29/04GK105929025SQ201610398343
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年6月7日
【发明人】张济民, 周和超, 汪乐涵, 陈昊然, 张帆舟
【申请人】同济大学