本發(fā)明涉及鐵路系統(tǒng)安全監(jiān)控領(lǐng)域，特別涉及一種列車軸承聲學(xué)在線故障診斷系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

隨著我國鐵路事業(yè)的快速發(fā)展，各種列車，尤其是高速列車的安全性日益受到重視。高速列車要求列車輪轂軸承具備高轉(zhuǎn)速、高承載負(fù)荷、高耐摩擦、耐高溫等重要特性。在列車運(yùn)行中，機(jī)車軸承的工作量非常大，因此對(duì)快速準(zhǔn)確的軸承故障診斷的迫切性在不斷提高。

機(jī)車軸承常見的故障包括：外滾道點(diǎn)蝕、電蝕、剝離、有毛刺；保持架銹蝕、松動(dòng)；滾柱剝離及拉傷；擋邊碎裂。目前，對(duì)于車輛軸承檢測及故障診斷技術(shù)有很多種，如振動(dòng)信號(hào)檢測、油樣分析檢測、溫度檢測、聲檢測等。在車輛行駛狀態(tài)下，針對(duì)車輛軸承的狀態(tài)檢測與故障診斷，我國已經(jīng)在全國多個(gè)鐵路局建設(shè)了火車滾動(dòng)軸承早期故障軌邊聲學(xué)診斷系統(tǒng)(TADS)，如圖1所示，該系統(tǒng)是全路車輛安全防范預(yù)警系統(tǒng)(5T系統(tǒng))的重要組成部分。

TADS在鐵路路軌外側(cè)設(shè)置傳聲器陣列，利用傳聲器陣列對(duì)經(jīng)過的列車進(jìn)行指向性的聲信號(hào)采集，并通過對(duì)聲信號(hào)的處理，實(shí)時(shí)檢測經(jīng)過車輛的滾動(dòng)軸承的狀態(tài)。該系統(tǒng)的缺點(diǎn)在于傳聲器陣列布設(shè)在鐵軌旁邊，與被測的軸承距離較遠(yuǎn)，利用傳聲器陣列形成的指向性獲取軸承的聲信號(hào)比較困難，信號(hào)信噪比低，不利于提高故障診斷的可靠性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有火車滾動(dòng)軸承早期故障軌邊聲學(xué)診斷系統(tǒng)存在的上述缺陷，提供了一種列車軸承聲學(xué)在線故障診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)的小型分布式傳聲器陣列安裝在兩個(gè)鐵軌之間，提高了信號(hào)采集的質(zhì)量，并降低設(shè)備維護(hù)成本。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種列車軸承聲學(xué)在線故障診斷系統(tǒng)，包括：多個(gè)信號(hào)采集處理模塊和數(shù)據(jù)處理及通信基站；所述信號(hào)采集處理模塊包括傳聲器陣列和信號(hào)采集處理主機(jī)；所述傳聲器陣列包括多個(gè)傳聲器單元，用于采集列車兩側(cè)車輪軸承及附近設(shè)備的聲信號(hào)；所述傳聲器陣列設(shè)置在兩軌道內(nèi)側(cè)、兩個(gè)枕木之 間；所述傳聲器陣列通過線纜與所述信號(hào)采集處理主機(jī)相連；所述信號(hào)采集處理主機(jī)將經(jīng)過預(yù)處理的聲信號(hào)傳輸?shù)剿鰯?shù)據(jù)處理及通信基站進(jìn)行綜合處理。

上述技術(shù)方案中，所述信號(hào)采集處理模塊的個(gè)數(shù)為5-10。

上述技術(shù)方案中，所述傳聲器陣列的孔徑范圍為5cm-140cm。

上述技術(shù)方案中，所述傳聲器陣列的傳聲器單元的個(gè)數(shù)為3-64。

上述技術(shù)方案中，所述傳聲器陣列為一個(gè)陣列或兩個(gè)子陣列；當(dāng)所述傳聲器陣列為兩個(gè)子陣列時(shí)，兩個(gè)子陣列對(duì)稱設(shè)置在靠近兩個(gè)軌道內(nèi)側(cè)的位置。

上述技術(shù)方案中，所述信號(hào)采集處理主機(jī)包括：信號(hào)采集單元、GPS/北斗時(shí)鐘同步單元、中心處理單元和通信單元；

所述GPS/北斗時(shí)鐘同步單元用于產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖信號(hào)，并傳輸給中心處理單元；

所述信號(hào)采集單元用于采集多個(gè)傳聲器單元的聲信號(hào)；并傳輸給所述中心處理單元；

所述中心處理單元用于對(duì)信號(hào)采集單元發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將處理后的數(shù)據(jù)輸出到通信單元；

所述通信單元用于將所述中心處理單元輸出的數(shù)據(jù)以有線或無線方式發(fā)送到所述數(shù)據(jù)處理及通信基站。

上述技術(shù)方案中，數(shù)據(jù)處理及通信基站包括：數(shù)據(jù)接收單元、網(wǎng)關(guān)和數(shù)據(jù)處理工作站；

所述數(shù)據(jù)接收單元用于以有線或無線方式接收多個(gè)信號(hào)采集處理主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)；

所述數(shù)據(jù)處理工作站用于將所有數(shù)據(jù)接收單元輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，輸出軸承監(jiān)測信息；所述綜合處理的具體實(shí)現(xiàn)過程為：組合現(xiàn)有的多個(gè)小孔徑傳聲器陣列構(gòu)建等效于大孔徑的傳聲器陣列；根據(jù)車輛運(yùn)動(dòng)軌跡，依次處理各個(gè)傳聲器陣列采集的軸承信號(hào)，獲得軸承聲信號(hào)，所述軸承聲信號(hào)的長度超過單個(gè)傳聲器陣列的有效采集時(shí)間范圍；在軸承聲信號(hào)基礎(chǔ)上進(jìn)行信號(hào)處理，提取反應(yīng)軸承工作狀態(tài)的信號(hào)特征量，并利用回歸分析、人工智能技術(shù)對(duì)軸承狀態(tài)進(jìn)行判斷，獲得軸承監(jiān)測信息；

所述網(wǎng)關(guān)用于所述數(shù)據(jù)處理及通信基站內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)用于將所述數(shù)據(jù)處理工作站輸出的軸承監(jiān)測信息上傳給上級(jí)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)列車軸承狀態(tài)監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析。

基于上述列車軸承聲學(xué)在線故障診斷系統(tǒng)，本發(fā)明還提供了一種列車軸承聲學(xué)在線故障診斷方法，所述方法包括：

步驟1)每個(gè)傳聲器陣列采集列車兩側(cè)車輪軸承及附近設(shè)備的聲信號(hào)，并將聲信號(hào)傳送到對(duì)應(yīng)的信號(hào)采集單元；

步驟2)每個(gè)信號(hào)采集單元接收到的聲信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；

步驟3)所述GPS/北斗同步時(shí)鐘單元產(chǎn)生GPS或北斗的時(shí)鐘脈沖信號(hào)；

步驟4)每個(gè)中心處理單元根據(jù)GPS或北斗時(shí)鐘脈沖信號(hào)，對(duì)信號(hào)采集單元輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分幀，確定其時(shí)標(biāo)；并對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理；將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵ㄐ艈卧?/p>

所述預(yù)處理包括：信號(hào)降噪和波束形成；

步驟5)每個(gè)通信單元將接收到的數(shù)據(jù)按照通信協(xié)議發(fā)送至所述數(shù)據(jù)處理及通信基站；

步驟6)所述數(shù)據(jù)接收單元接收多個(gè)通信單元發(fā)送的數(shù)據(jù)；并將接收到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)剿鰯?shù)據(jù)處理工作站；

步驟7)所述數(shù)據(jù)處理工作站對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，獲得軸承監(jiān)測信息；

步驟8)所述數(shù)據(jù)處理工作站通過網(wǎng)關(guān)將軸承監(jiān)測信息上傳到上級(jí)系統(tǒng)，完成列車軸承狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析，實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警、剩余壽命分析。

上述技術(shù)方案中，所述步驟7)的綜合處理的具體實(shí)現(xiàn)過程為：

所述綜合處理的具體實(shí)現(xiàn)過程為：組合現(xiàn)有的多個(gè)小孔徑傳聲器陣列構(gòu)建等效于大孔徑的傳聲器陣列；根據(jù)車輛運(yùn)動(dòng)軌跡，依次處理各個(gè)傳聲器陣列采集的軸承信號(hào)，獲得軸承聲信號(hào)，所述軸承聲信號(hào)的長度超過單個(gè)傳聲器陣列的有效采集時(shí)間范圍；在軸承聲信號(hào)基礎(chǔ)上進(jìn)行信號(hào)處理，提取反應(yīng)軸承工作狀態(tài)的信號(hào)特征量，并利用回歸分析、人工智能技術(shù)對(duì)軸承狀態(tài)進(jìn)行判斷，獲得軸承監(jiān)測信息。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

1、本發(fā)明采用軌道內(nèi)的小型分布式傳聲器陣列代替軌邊的大型傳聲器陣列，提高信號(hào)采集的質(zhì)量，并降低設(shè)備維護(hù)成本；

2、本發(fā)明采用基于GPS/北斗的分布式同步信號(hào)采集模塊，而且兼容基于無線通信的數(shù)據(jù)采集方式，有利于減少設(shè)備安裝和維護(hù)的難度。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有的單個(gè)TADS探測站示意圖；

圖2為本發(fā)明的實(shí)施例1的列車軸承聲學(xué)在線故障診斷系統(tǒng)的組成示意圖；

圖3為本發(fā)明的實(shí)施例1的信號(hào)采集處理主機(jī)的結(jié)構(gòu)組成示意圖；

圖4為本發(fā)明的實(shí)施例1的數(shù)據(jù)處理及通信基站的結(jié)構(gòu)組成示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

實(shí)施例1：

如圖2所示，一種列車軸承聲學(xué)在線故障診斷系統(tǒng)，包括：十個(gè)信號(hào)采集處理模塊和數(shù)據(jù)處理及通信基站；所述信號(hào)采集處理模塊包括兩個(gè)傳聲器陣列和信號(hào)采集處理主機(jī)；所述傳聲器陣列為四個(gè)傳聲器單元組成的正方形陣列；兩個(gè)傳聲器陣列對(duì)稱設(shè)置在兩個(gè)枕木之間，靠近兩個(gè)軌道內(nèi)側(cè)位置，用于采集列車兩側(cè)車輪的軸承及附近設(shè)備的聲信號(hào)；所述信號(hào)采集處理主機(jī)位于兩個(gè)傳聲器陣列之間，八個(gè)傳聲器通過線纜與所述信號(hào)采集處理主機(jī)相連；所述信號(hào)采集處理主機(jī)將采集到的傳聲器的聲信號(hào)傳輸?shù)剿鰯?shù)據(jù)處理及通信基站進(jìn)行綜合處理。

如圖3所示，所述信號(hào)采集處理主機(jī)包括：信號(hào)采集單元、GPS/北斗時(shí)鐘同步單元、中心處理單元和通信單元；

所述GPS/北斗時(shí)鐘同步單元用于產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖信號(hào)，并傳輸給中心處理單元；

所述信號(hào)采集單元用于采集八個(gè)傳聲器單元的聲信號(hào)；并傳輸給所述中心處理單元；

所述中心處理單元用于對(duì)信號(hào)采集單元發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將處理后的數(shù)據(jù)輸出到通信單元；

所述通信單元用于將所述中心處理單元輸出的數(shù)據(jù)以有線的方式發(fā)送到所述數(shù)據(jù)處理及通信基站。

如圖4所示，數(shù)據(jù)處理及通信基站包括：數(shù)據(jù)接收單元、網(wǎng)關(guān)和數(shù)據(jù)處理工作站；

所述數(shù)據(jù)接收單元用于以有線的方式接收十個(gè)信號(hào)采集處理主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)；

所述數(shù)據(jù)處理工作站用于將所有數(shù)據(jù)接收單元輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，并輸出軸承監(jiān)測信息；所述綜合處理的具體實(shí)現(xiàn)過程為：組合現(xiàn)有的多個(gè)小孔徑傳聲器陣列構(gòu)建等效于大孔徑的傳聲器陣列，以針對(duì)特定位置軸承指向性地獲取聲信號(hào)，排除來自其他方向的噪聲干擾；根據(jù)車輛運(yùn)動(dòng)軌跡，依次處理各個(gè)傳聲器陣列采集的軸承信號(hào)，獲得軸承聲信號(hào)，所述軸承聲信號(hào)的長度超過單個(gè)傳聲器陣列的有效采集時(shí)間范圍；在軸承聲信號(hào)基礎(chǔ)上進(jìn)行信號(hào)處理，提取反應(yīng)軸承工作狀態(tài)的信號(hào)特征量，并利用回歸分析、人工智能技術(shù)對(duì)軸承狀態(tài)進(jìn)行判斷，獲得軸承監(jiān)測信息；

所述網(wǎng)關(guān)用于所述數(shù)據(jù)處理及通信基站內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)用于將所述數(shù)據(jù)處理工作站輸出的軸承監(jiān)測信息上傳給上級(jí)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)列車軸承狀態(tài)監(jiān)測歷史數(shù)據(jù) 的存儲(chǔ)、分析。

實(shí)施例2：

一種列車軸承聲學(xué)在線故障診斷系統(tǒng)，包括：五個(gè)信號(hào)采集處理模塊和數(shù)據(jù)處理及通信基站；所述信號(hào)采集處理模塊包括一個(gè)傳聲器陣列和信號(hào)采集處理主機(jī)；所述傳聲器陣列為3個(gè)傳聲器單元構(gòu)成的等距線陣；位于兩軌道內(nèi)側(cè)、兩個(gè)枕木之間，用于采集火車兩側(cè)車輪的軸承聲信號(hào)；所述傳聲器陣列通過線纜與所述信號(hào)采集處理主機(jī)相連；所述信號(hào)采集處理主機(jī)將經(jīng)過預(yù)處理的聲信號(hào)傳輸?shù)剿鰯?shù)據(jù)處理及通信基站進(jìn)行綜合處理。

如圖3所示，所述信號(hào)采集處理主機(jī)包括：信號(hào)采集單元、GPS/北斗時(shí)鐘同步單元、中心處理單元和通信單元；

所述GPS/北斗時(shí)鐘同步單元用于產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖信號(hào)，并傳輸給中心處理單元；

所述信號(hào)采集單元用于采集3個(gè)傳聲器單元的聲信號(hào)；并傳輸給所述中心處理單元；

所述中心處理單元用于對(duì)信號(hào)采集單元發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將處理后的數(shù)據(jù)輸出到通信單元；

所述通信單元用于將所述中心處理單元輸出的數(shù)據(jù)以無線的方式發(fā)送到所述數(shù)據(jù)處理及通信基站。

如圖4所示，數(shù)據(jù)處理及通信基站包括：數(shù)據(jù)接收單元、網(wǎng)關(guān)和數(shù)據(jù)處理工作站；

所述數(shù)據(jù)接收單元用于以無線的方式接收多個(gè)信號(hào)采集處理主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)；

所述數(shù)據(jù)處理工作站用于將所有數(shù)據(jù)接收單元輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，并輸出軸承監(jiān)測信息；所述綜合處理的具體實(shí)現(xiàn)過程為：組合現(xiàn)有的多個(gè)小孔徑傳聲器陣列構(gòu)建等效于大孔徑的傳聲器陣列，以針對(duì)特定位置軸承指向性地獲取聲信號(hào)，排除來自其他方向的噪聲干擾；根據(jù)車輛運(yùn)動(dòng)軌跡，依次處理各個(gè)傳聲器陣列采集的軸承信號(hào)，獲得軸承聲信號(hào)，所述軸承聲信號(hào)的長度超過單個(gè)傳聲器陣列的有效采集時(shí)間范圍；在軸承聲信號(hào)基礎(chǔ)上進(jìn)行信號(hào)處理，提取反應(yīng)軸承工作狀態(tài)的信號(hào)特征量，并利用回歸分析、人工智能技術(shù)對(duì)軸承狀態(tài)進(jìn)行判斷，獲得軸承監(jiān)測信息；

所述網(wǎng)關(guān)用于所述數(shù)據(jù)處理及通信基站內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)用于將所述數(shù)據(jù)處理工作站輸出的軸承監(jiān)測信息上傳給上級(jí)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)列車軸承狀態(tài)監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析。

基于上述列車軸承聲學(xué)在線故障診斷系統(tǒng)，本發(fā)明還提供了一種列車軸承聲學(xué) 在線故障診斷方法，所述方法包括：

步驟1)每個(gè)傳聲器陣列采集列車兩側(cè)車輪軸承及附近設(shè)備的聲信號(hào)，并將聲信號(hào)傳送到對(duì)應(yīng)的信號(hào)采集單元；

步驟2)每個(gè)信號(hào)采集單元接收到的聲信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；

步驟3)所述GPS/北斗同步時(shí)鐘單元產(chǎn)生GPS或北斗的時(shí)鐘脈沖信號(hào)；

步驟4)每個(gè)中心處理單元根據(jù)GPS或北斗時(shí)鐘脈沖信號(hào)，對(duì)信號(hào)采集單元輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分幀，確定其時(shí)標(biāo)；并對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理；將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵ㄐ艈卧?/p>

所述預(yù)處理包括：信號(hào)降噪和波束形成；

步驟5)每個(gè)通信單元將接收到的數(shù)據(jù)按照通信協(xié)議發(fā)送至所述數(shù)據(jù)處理及通信基站；

步驟6)所述數(shù)據(jù)接收單元接收多個(gè)通信單元發(fā)送的數(shù)據(jù)；并將接收到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)剿鰯?shù)據(jù)處理工作站；

步驟7)所述數(shù)據(jù)處理工作站對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，獲得軸承監(jiān)測信息；

所述綜合處理的具體實(shí)現(xiàn)過程為：組合現(xiàn)有的多個(gè)小孔徑傳聲器陣列構(gòu)建等效于大孔徑的傳聲器陣列，以針對(duì)特定位置軸承指向性地獲取聲信號(hào)，排除來自其他方向的噪聲干擾；根據(jù)車輛運(yùn)動(dòng)軌跡，依次處理各個(gè)傳聲器陣列采集的軸承信號(hào)，獲得軸承聲信號(hào)，所述軸承聲信號(hào)的長度超過單個(gè)傳聲器陣列的有效采集時(shí)間范圍；在軸承聲信號(hào)基礎(chǔ)上進(jìn)行信號(hào)處理，提取反應(yīng)軸承工作狀態(tài)的信號(hào)特征量，并利用回歸分析、人工智能技術(shù)對(duì)軸承狀態(tài)進(jìn)行判斷，獲得軸承監(jiān)測信息。

步驟8)所述數(shù)據(jù)處理工作站通過網(wǎng)關(guān)將軸承監(jiān)測信息上傳到上級(jí)系統(tǒng)，完成列車軸承狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析，實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警、剩余壽命分析。