一种识别轨道交通车轮轮辋裂纹故障的机理诊断方法技术

一种识别轨道交通车轮轮辋裂纹故障的机理诊断方法，通过对车载故障监测装置提取复合传感器的振动、冲击共振解调信号，进行基于轮辋裂纹的开叉信息特征、蛇行所引发的踏面边缘及轴向很窄的轮辋裂纹信号幅度单调递增/递减特征、轮辋裂纹冲击幅度和振动振幅分离及时域评价，实现了常规的、踏面边缘的、轴向很窄的、踏面深层的轮辋裂纹的识别，及其裂纹轴向长度、故障程度的准确测定，和行车过程中的在线故障机理自动诊断、报警，为轨道交通车辆行车的车轮安全增加了新的安全保障监控手段。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于轨道交通安全保障
，具体涉及一种识别轨道交通车轮轮辋裂纹故障的机理诊断方法。
技术介绍
轨道交通的钢制车轮接触轨道的圆周表面称为踏面，踏面向车轮轴中心(轮芯)延伸的到轮辐之间的部分称为轮辋。因为轮辋存在内部缺陷，在运转中出现轮辋裂纹，沿着轴向和周向扩展成为很长和很宽的断裂带，有的断裂带发展到在车轮的侧面露头，有的断裂带发展到在踏面露头，最终导致车轮断裂带朝向踏面的部分整体崩落，引起车轮脱轨和更大的事故。这种轮辋裂纹故障所导致的事故远大于踏面剥离、擦伤等故障所导致的危害，因此需要及时发现、维修或更换车轮。为了识别轮辋裂纹，已经有多种技术手段。其一是静态条件下，对车轮进行X射线探伤，但仅在制造厂具备该手段，用于对出厂的车轮进行监测，而营运部门则不具备这种昂贵而且有危及人身安全的手段。其二是营运部门普遍采用的静态超声波探伤，多数超声波探伤能发现距离踏面10mm以远的裂纹，但不能克服不能发现10mm以内的盲区；还有磁性探伤，则能识别接近露头的裂纹。这些探伤手段因为需要到车辆维修车间停车监测，而且操作较为复杂、烦琐、费时，故不能频繁使用，一般均为每隔几个月探测一次。这就不能及时发现在此时间段中发生的轮辋裂纹。其三是安装在轨道旁边的、监测通过的车轮状态信息的“火车轮对探伤机”“火车轮毂探伤机”等装置，即使不问其发现故障的能力，仅因其昂贵而且只能检测低速通过的车轮，便不能在铁路沿线使用，只能在火车进库线旁使用，而不能防范在行车途中出现险情。其四是在基于广义共振/共振解调原理的走行部故障车载诊断装置中，以踏面故障诊断的形式，将所能引起轮轨冲击的轮辋裂纹故障作为踏面故障的一种予以诊断报警。问题是：虽然距离踏面深度在20mm以内的、发展较久的、位于经常接触轨道的踏面下面的、轴向尺寸较宽的轮辋裂纹能够以踏面故障的方式报警，如图1，但轴向尺寸较窄的、位于车轮外侧的、深度大于20mm的、初生的轮辋裂纹却不能被故障车载诊断装置以踏面故障的方式实现诊断报警，如图2。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种能识别轨道交通车轮轮辋轴向尺寸较窄的、位于车轮外侧的、深度大于20mm的、初生的裂纹之机理诊断方法。车辆在轨道上行驶时，车轮踏面不是以其全部宽度全面接触轨道的，因为轨道的顶部不是平面，而是近似圆弧形的，车轮的踏面也不是圆柱形，而是梯形，它在某一瞬时与轨道的接触面是梯形踏面的某一个圆周，在下一瞬时可能变为另一个圆周，这是因为车辆行驶时存在忽左忽右的“蛇行”运动方式。但大多数时间是车轮梯形踏面的中间一个带状部分经常接触轨道，如果轮辋裂纹沿轴向很窄，则因为蛇行，其对应的踏面有时位于轨道上，有时不在轨道上；当轮辋裂纹位于车轮踏面的外侧，则其对应的踏面经常不位于轨道上，只有在蛇行时可能而偶然落在轨道上。基于广义共振/共振解调原理的走行部故障车载诊断装置中，以踏面故障诊断的形式，将所能引起轮轨冲击的轮辋裂纹故障作为踏面故障的一种予以诊断报警的方法是，鉴于包括轮辋裂纹在内的几乎所有的裂纹都是材料局部因为应力集中、承受不了强大的后续应力而拉断的，裂纹面都是粗糙的，从车轮本体因轮辋裂纹而裂开的那部分材料在承受轮轨碾压时变形而与未开裂的本体之间相对滑动、摩擦，使裂面两边的粗糙面不断有微粒失落，将开裂部分顶起而使对应的踏面微微鼓出；踏面的故障产生冲击信息的机理，在于高刚度轮轨材料表面的不平顺在高速滚动时不免发生跳跃：剥离、擦伤踏面缺失材料处碾压轨道时将导致车轮跌落冲击，并降低轮芯的高度；而当车轮的未损伤面滚动到轨道上时，车轮的轮芯受迫升高，在车轮的损伤与正常过渡处接触轨道的瞬间发生突变式的车轮位移，该变化具有很快的并很快变化的速度、加速度，于是出现加加速度，即出现冲击纵波。由于距离踏面很近的轮辋裂纹也能引起对应的车轮踏面与轨道发生如同踏面表面损伤所引起的冲击，因此能被监测踏面损伤的故障诊断方法当作踏面故障予以诊断报警。其具体方法是：利用轨道交通车辆走行部车载故障监测装置的振动、冲击复合传感器检测车轮轴箱的振动和冲击，经过监测装置的振动滤波和冲击/共振解调预处理，进行按照采样频率fc为车轮转速频率fn之C倍频的转速跟踪采样，获得车轮转动G个踏面周期的、分离为振动样本V(i)或/和共振解调样本S(i)，诊断踏面故障的步骤为：01：对样本S(i)作FFT，若存在踏面特征谱号pn的离散性踏面3阶谱线，则确认存在踏面故障；02：对踏面3阶谱线最高者的幅度P1，按照反演公式反演得到初级幅度PC1，按照级差公式计算到踏面故障的级差dB1：反演公式为：PC1＝P1·K/fn级差公式为：dB1＝20·log(2000·PC1/N/D0.6)式中，K为反演工程系数，fn为车轮转速频率[Hz]，N为车轮转速[r/min]，D为车轴轴径[mm]。03：若dB1达到报警值则单次报警；若连续出现单次报警则输出报警。上述方法之所以不能有效地发现沿轴向很窄的和位于踏面边缘的轮辋裂纹的原因在于，因为蛇行，沿轴向很窄的轮辋裂纹对应的踏面时常离开轨道不发生冲击，位于踏面边缘的轮辋裂纹对应的踏面只有偶然接触轨道时才发生冲击，即使最大幅度的冲击波达到了报警幅度，但对其各个冲击波的反演幅度却小于报警幅度，所以漏诊。基于故障机理及故障信息机理的研究，得出的解决方法之一是，认识轮辋裂纹故障冲击之有别于常规的踏面剥离、擦伤故障冲击的特征，并用此基本独占的特征来识别轮辋裂纹。特征之一是，沿轴向很窄的和位于踏面边缘的轮辋裂纹的冲击信号样本中各冲击波的幅度有一个最大值，而其左边的冲击波幅度是递增的，右边的冲击波幅度是递减的。踏面表面的剥离、擦伤故障有标准规定的很小的尺寸范围，例如数毫米，而数毫米的轮辋裂纹一般不影响安全，以致各种探伤或裂纹露头后人工发现的轮辋裂纹故障沿圆周方向的长度却达到数十至数百毫米，如附图3，很窄小的剥离、擦伤故障在运行中通常只能引起一次冲击，而轮辋裂纹故障沿圆周方向因为尺寸大，而在裂纹面的前端和后端经过轨道时均引起一次强烈冲击，表现为对应轮辋裂纹故障的冲击波开叉，具有双峰特征。例如，车轮踏面直径D＝1250mm，车轮每转一周监测C＝400次，则每一次监测对应的轮周长dl＝1250*π/400＝9.81mm，若轮辋裂纹故障沿圆周方向的长度L＝100mm，则在监测信号中存在相距为L/dl＝10个监测点的两个脉冲，而10mm的剥离、擦伤则只出现1个采样点的脉冲。因此，特征是二是，识别具有开叉双峰特征的波形，并且开叉双峰间的监测采样点数在5～40点范围内，则疑似为轮辋裂纹冲击，因为大数据统计发现已被识别而尚未引起事故的裂纹长度在50～300mm。根据上述的机理分析所获特征而设计的一种识别轨道交通车轮轮辋裂纹故障的机理诊断方法，利用轨道交通车辆走行部车载故障监测装置的振动、冲击复合传感器检测车轮轴箱的振动和冲击，经过监测装置的振动滤波和冲击/共振解调预处理，进行按照采样频率fc为车轮转速频率fn之C倍频的转速跟踪采样，获得车轮转动G个踏面周期的、分离为振动样本V(i)或/和共振解调样本S(i)，其特征在于，诊断方法的步骤为：01：对样本S(i)作FFT，若存在踏面特征谱号pn的离散性踏面3阶谱线，则确认存在踏面故障；02：对踏面3阶本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种识别轨道交通车轮轮辋裂纹故障的机理诊断方法，利用轨道交通车辆走行部车载故障监测装置的振动、冲击复合传感器检测车轮轴箱的振动和冲击，经过监测装置的振动滤波和冲击/共振解调预处理，进行按照采样频率fc为车轮转速频率fn之C倍频的转速跟踪采样，获得车轮转动G个踏面周期的、分离为振动样本V(i)或/和共振解调样本S(i)，其特征在于，诊断方法的步骤为：步骤1：对含有G个踏面周期的共振解调样本S(i)进行仅保留各踏面周期tt的踏面各高阶谱N*pt的滤波，得到含有G1＝int(G)个踏面周期的样本S1(i)，式中int()为取整函数；步骤2：对S1(i)样本作极值分析，按照踏面周期搜索S1(i)样本的G1个极大值的代表脉冲序号X(1～G1)，按照X(1～G1)确认存在的冲击簇数CU，及各符合各簇中幅度最大的代表脉冲序号X(1～CU)；步骤3：若CU/G1>＝0.3，则进行轮辋裂纹分析如下：步骤4：识别踏面周期的冲击波形开叉，证实存在轮辋裂纹，否则退出；步骤5：识别踏面周期的冲击波幅度呈现递增/递减或等幅，则确定为边缘或窄轮辋裂纹，否则退出，进入振动分析流程；步骤6：计算最大幅度ZD之级差：dB1＝20·log(2000·ZD/N/D0.6)；若dB1达到报警值则单次报警；若100km行车出现单次报警10次则输出报警，否则，若100km行车出现单次报警3次，则仅提示“轮辋裂纹预警”，结束；否则，继续进行下述振动分析；步骤7：对检测所得的含有G个踏面周期振动加速度样本V(i)，鉴于大数据统计得到的单个轮辋裂纹的长度通常远小于车轮周长的1/10，即轮辋裂纹振动加速度的频谱高达车轮转频fn的10倍以上，而对V(i)进行仅保留各踏面周期tt的踏面各高阶谱N*pt的滤波，得到含有G1＝int(G)个踏面周期的样本V1(i)，式中int()为取整函数；步骤8：对V1(i)样本作极值分析，按照踏面周期搜索V1(i)样本的G1个极大值的代表脉冲序号X(1～G1)，按照X(1～G1)确认存在的冲击簇数CU，及各符合各簇中幅度最大的代表脉冲序号X(1～CU)；步骤9：若CU/G1>＝0.3，则进行轮辋裂纹分析如下：步骤10：识别踏面周期的振动波形开叉，证实存在轮辋裂纹，否则退出；步骤11：识别踏面周期的振动波幅度呈现递增/递减或等幅，则确定为边缘或窄轮辋裂纹，否则退出；步骤12：对样本V1(i)进行重积分，得到轮辋裂纹振幅样本V2(i)，若V2(i)最大振动幅度大于10um，则单次报警；若100km行车出现单次报警10次则输出报警，否则，若100km行车出现单次报警3次，则仅提示“轮辋裂纹预警”，结束。...

【技术特征摘要】
1.一种识别轨道交通车轮轮辋裂纹故障的机理诊断方法，利用轨道交通车辆走行部车载故障监测装置的振动、冲击复合传感器检测车轮轴箱的振动和冲击，经过监测装置的振动滤波和冲击/共振解调预处理，进行按照采样频率fc为车轮转速频率fn之C倍频的转速跟踪采样，获得车轮转动G个踏面周期的、分离为振动样本V(i)或/和共振解调样本S(i)，其特征在于，诊断方法的步骤为：步骤1：对含有G个踏面周期的共振解调样本S(i)进行仅保留各踏面周期tt的踏面各高阶谱N*pt的滤波，得到含有G1＝int(G)个踏面周期的样本S1(i)，式中int()为取整函数；步骤2：对S1(i)样本作极值分析，按照踏面周期搜索S1(i)样本的G1个极大值的代表脉冲序号X(1～G1)，按照X(1～G1)确认存在的冲击簇数CU，及各符合各簇中幅度最大的代表脉冲序号X(1～CU)；步骤3：若CU/G1>＝0.3，则进行轮辋裂纹分析如下：步骤4：识别踏面周期的冲击波形开叉，证实存在轮辋裂纹，否则退出；步骤5：识别踏面周期的冲击波幅度呈现递增/递减或等幅，则确定为边缘或窄轮辋裂纹，否则退出，进入振动分析流程；步骤6：计算最大幅度ZD之级差：dB1＝20·log(2000·ZD/N/D0.6)；若dB1达到报警值则单次报警；若100km行车出现单次报警10次则输出报警，否则，若100km行车出现单次报警3次，则仅提示“轮辋裂纹预警”，结束；否则，继续进行下述振动分析；步骤7：对检测所得的含有G个踏面周期振动加速度样本V(i)，鉴于大数据统计得到的单个轮辋裂纹的长度通常远小于车轮周长的1/10，即轮辋裂纹振动加速度的频谱高达车轮转频fn的10倍以上，而对V(i)进行仅保留各踏面周期tt的踏面各高阶谱N*pt的滤波，得到含有G1＝int(G)个踏面周期的样本V1(i)，式中int()为取整函数；步骤8：对V1(i)样本作极值分析，按照踏面周期搜索V1(i)样本的G1个极大值的代表脉冲序号X(1～G1)，按照X(1～G1)确认存在的冲击簇数CU，及各符合各簇中幅度最大的代表脉冲序号X(1～CU)；步骤9：若CU/G1>＝0.3，则进行轮辋裂纹分析如下：步骤10：识别踏面周期的振动波形开叉，证实存在轮辋裂纹，否则退出；步骤11：识别踏面周期的振动波幅度呈现递增/递减或等幅，则确定为边缘或窄轮辋裂纹，否则退出；步骤12：对样本V1(i)进行重积分，得到轮辋裂纹振幅样本V2(i)，若V2(i)最大振动幅度大于10u...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐德尧，李修文，
申请(专利权)人：唐智科技湖南发展有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南;43