深度国产化HXD1型机车走行部故障诊断与监测技术的研究

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1、 国内图书分类号： 密级： 国际图书分类号： 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 申请学位级别 工程硕士 专 业 车辆工程 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 学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子

2、版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1保密，在 年解密后适用本授权书；2不保密，使用本授权书。（请在以上方框内打“”）学位论文作者签名： 指导老师签名：日期： 日期：第1页 硕士学位论文主要工作（贡献）声明本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下：本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。本

3、人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：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

4、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AbstractLocomotive running gear is one

5、 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 pro

6、cessing 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 rai

7、lway locomotive，its based on the demand of locomotive running gear fault diagnosis and with the resonance demodulation fault 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 loc

8、omotive axlebox, motor and the working hollow axles,and for fault impact information of wheels,shaft, gear which reminds trainmans 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 mon

9、itoring 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 ty

10、pe 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 proc

11、essing , 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目 录第1章

12、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

13、.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.4.1 JK00430型机车走行部车载监测装置（JK11430 装置）.4.1.1 JK00430 装

14、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 .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

15、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

16、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

17、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

18、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

19、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，

20、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

21、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-

22、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

23、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

24、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

25、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

26、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

27、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

28、、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障做出预报，提出对策或建议，发挥了极大的作用。上世纪

29、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，

30、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

31、。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

32、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

33、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

34、，并可传送到操纵台的中央检测装置，还可以为维修提供数据，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

35、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，

36、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

37、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

38、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。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

39、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： （2-1）式中 系统中某特征点的振动响应；T 采样时间；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，即最大峰值与其相邻的最低谷值之间的幅值作为

40、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.比值称为偏态因数（简称偏态），此处为标准偏差。偏态是概率密度函数不对称性程度的度量。比值或称为峰态因数（简称峰态），是概率密度分布峭度程度的度量。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

41、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： （2-2）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

42、 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，可由下列关系式计算： （2-3）式中，是在总的观测时间 T 中信号位于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

43、.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

44、，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 （2-4）式中 欲提取的周期信号，其周期为 T，频率为 f1 / T，角频率；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为 （2-5）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

45、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

46、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

47、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，其三阶自相关函数为 （2-6）三阶自相关函数与三阶频谱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 （2-7）同理，系统的输入与输出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，也应满足 S

48、hannon 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

49、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。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。设和分别表示非高斯随机输入和输出，则输出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，

50、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

51、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，那就可以得到信号频谱随时间变化的规律了。其表达式为： （2-8）其中，为一窗口函数，它一般是一光滑的低通函数，只在的附近有值，在其余处迅速衰减掉。这样，我们便得到函数在时刻附近的频率信息（即：频率为的信号成分的相对含量）。随着时间的变化，所确定的窗函数在时间轴上移动，对逐渐进行分析。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，

52、即当窗口函数确定后，矩形窗口的形状就确定了，、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

53、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： （2-9）其中：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，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，则连续小波变换存在着逆变换。容许条件：逆变换

54、公式为： （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，要求随a的减小而迅速减小，所以这就要求的前n阶原点距为0，且n值越高越好。即：，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，则f(t)的小波变换为； （3）伸缩共变性:若f(t)的小波变换为，则f(ct)的小波变换为；（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

55、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

56、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