一種列車軸承聲學在線故障診斷系統及方法技術方案

本發明專利技術提供了一種列車軸承聲學在線故障診斷系統，包括：多個信號采集處理模塊和數據處理及通信基站；所述信號采集處理模塊包括傳聲器陣列和信號采集處理主機；所述傳聲器陣列包括多個傳聲器單元，用于采集列車兩側車輪軸承及附近設備的聲信號；所述傳聲器陣列設置在兩軌道內側、兩個枕木之間；所述傳聲器陣列通過線纜與所述信號采集處理主機相連；所述信號采集處理主機將經過預處理的聲信號傳輸到所述數據處理及通信基站進行綜合處理。本發明專利技術采用軌道內的小型分布式傳聲器陣列代替軌邊的大型傳聲器陣列，提高信號采集的質量，并降低設備維護成本。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及鐵路系統安全監控領域，特別涉及一種列車軸承聲學在線故障診斷系統及方法。
技術介紹
隨著我國鐵路事業的快速發展，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速、高承載負荷、高耐摩擦、耐高溫等重要特性。在列車運行中，機車軸承的工作量非常大，因此對快速準確的軸承故障診斷的迫切性在不斷提高。機車軸承常見的故障包括：外滾道點蝕、電蝕、剝離、有毛刺；保持架銹蝕、松動；滾柱剝離及拉傷；擋邊碎裂。目前，對于車輛軸承檢測及故障診斷技術有很多種，如振動信號檢測、油樣分析檢測、溫度檢測、聲檢測等。在車輛行駛狀態下，針對車輛軸承的狀態檢測與故障診斷，我國已經在全國多個鐵路局建設了火車滾動軸承早期故障軌邊聲學診斷系統(TADS)，如圖1所示，該系統是全路車輛安全防范預警系統(5T系統)的重要組成部分。TADS在鐵路路軌外側設置傳聲器陣列，利用傳聲器陣列對經過的列車進行指向性的聲信號采集，并通過對聲信號的處理，實時檢測經過車輛的滾動軸承的狀態。該系統的缺點在于傳聲器陣列布設在鐵軌旁邊，與被測的軸承距離較遠，利用傳聲器陣列形成的指向性獲取軸承的聲信號比較困難，信號信噪比低，不利于提高故障診斷的可靠性。
技術實現思路
本專利技術的目的在于克服現有火車滾動軸承早期故障軌邊聲學診斷系統存在的上述缺陷，提供了一種列車軸承聲學在線故障診斷系統，該系統的小型分布式傳聲器陣列安裝在兩個鐵軌之間，提高了信號采集的質量，并降低設備維護成本。為了實現上述目的，本專利技術提供了一種列車軸承聲學在線故障診斷系統，包括：多個信號采集處理模塊和數據處理及通信基站；所述信號采集處理模塊包括傳聲器陣列和信號采集處理主機；所述傳聲器陣列包括多個傳聲器單元，用于采集列車兩側車輪軸承及附近設備的聲信號；所述傳聲器陣列設置在兩軌道內側、兩個枕木之
間；所述傳聲器陣列通過線纜與所述信號采集處理主機相連；所述信號采集處理主機將經過預處理的聲信號傳輸到所述數據處理及通信基站進行綜合處理。上述技術方案中，所述信號采集處理模塊的個數為5-10。上述技術方案中，所述傳聲器陣列的孔徑范圍為5cm-140cm。上述技術方案中，所述傳聲器陣列的傳聲器單元的個數為3-64。上述技術方案中，所述傳聲器陣列為一個陣列或兩個子陣列；當所述傳聲器陣列為兩個子陣列時，兩個子陣列對稱設置在靠近兩個軌道內側的位置。上述技術方案中，所述信號采集處理主機包括：信號采集單元、GPS/北斗時鐘同步單元、中心處理單元和通信單元；所述GPS/北斗時鐘同步單元用于產生時鐘脈沖信號，并傳輸給中心處理單元；所述信號采集單元用于采集多個傳聲器單元的聲信號；并傳輸給所述中心處理單元；所述中心處理單元用于對信號采集單元發送的數據進行處理，并將處理后的數據輸出到通信單元；所述通信單元用于將所述中心處理單元輸出的數據以有線或無線方式發送到所述數據處理及通信基站。上述技術方案中，數據處理及通信基站包括：數據接收單元、網關和數據處理工作站；所述數據接收單元用于以有線或無線方式接收多個信號采集處理主機發送的數據；所述數據處理工作站用于將所有數據接收單元輸出的數據進行綜合處理，輸出軸承監測信息；所述綜合處理的具體實現過程為：組合現有的多個小孔徑傳聲器陣列構建等效于大孔徑的傳聲器陣列；根據車輛運動軌跡，依次處理各個傳聲器陣列采集的軸承信號，獲得軸承聲信號，所述軸承聲信號的長度超過單個傳聲器陣列的有效采集時間范圍；在軸承聲信號基礎上進行信號處理，提取反應軸承工作狀態的信號特征量，并利用回歸分析、人工智能技術對軸承狀態進行判斷，獲得軸承監測信息；所述網關用于所述數據處理及通信基站內部的數據傳輸，同時用于將所述數據處理工作站輸出的軸承監測信息上傳給上級系統，實現列車軸承狀態監測歷史數據的存儲、分析。基于上述列車軸承聲學在線故障診斷系統，本專利技術還提供了一種列車軸承聲學在線故障診斷方法，所述方法包括：步驟1)每個傳聲器陣列采集列車兩側車輪軸承及附近設備的聲信號，并將聲信號傳送到對應的信號采集單元；步驟2)每個信號采集單元接收到的聲信號進行模數轉換；步驟3)所述GPS/北斗同步時鐘單元產生GPS或北斗的時鐘脈沖信號；步驟4)每個中心處理單元根據GPS或北斗時鐘脈沖信號，對信號采集單元輸出的數字信號進行分幀，確定其時標；并對數字信號進行預處理；將預處理后的數據傳輸到通信單元；所述預處理包括：信號降噪和波束形成；步驟5)每個通信單元將接收到的數據按照通信協議發送至所述數據處理及通信基站；步驟6)所述數據接收單元接收多個通信單元發送的數據；并將接收到的數據通過網關傳輸到所述數據處理工作站；步驟7)所述數據處理工作站對接收到的數據進行綜合處理，獲得軸承監測信息；步驟8)所述數據處理工作站通過網關將軸承監測信息上傳到上級系統，完成列車軸承狀態監測數據的存儲、分析，實現故障預警、剩余壽命分析。上述技術方案中，所述步驟7)的綜合處理的具體實現過程為：所述綜合處理的具體實現過程為：組合現有的多個小孔徑傳聲器陣列構建等效于大孔徑的傳聲器陣列；根據車輛運動軌跡，依次處理各個傳聲器陣列采集的軸承信號，獲得軸承聲信號，所述軸承聲信號的長度超過單個傳聲器陣列的有效采集時間范圍；在軸承聲信號基礎上進行信號處理，提取反應軸承工作狀態的信號特征量，并利用回歸分析、人工智能技術對軸承狀態進行判斷，獲得軸承監測信息。本專利技術的優點在于：1、本專利技術采用軌道內的小型分布式傳聲器陣列代替軌邊的大型傳聲器陣列，提高信號采集的質量，并降低設備維護成本；2、本專利技術采用基于GPS/北斗的分布式同步信號采集模塊，而且兼容基于無線通信的數據采集方式，有利于減少設備安裝和維護的難度。附圖說明圖1為現有的單個TADS探測站示意圖；圖2為本專利技術的實施例1的列車軸承聲學在線故障診斷系統的組成示意圖；圖3為本專利技術的實施例1的信號采集處理主機的結構組成示意圖；圖4為本專利技術的實施例1的數據處理及通信基站的結構組成示意圖。具體實施方式下面結合附圖和實施例對本專利技術做進一步的詳細說明。實施例1：如圖2所示，一種列車軸承聲學在線故障診斷系統，包括：十個信號采集處理模塊和數據處理及通信基站；所述信號采集處理模塊包括兩個傳聲器陣列和信號采集處理主機；所述傳聲器陣列為四個傳聲器單元組成的正方形陣列；兩個傳聲器陣列對稱設置在兩個枕木之間，靠近兩個軌道內側位置，用于采集列車兩側車輪的軸承及附近設備的聲信號；所述信號采集處理主機位于兩個傳聲器陣列之間，八個傳聲器通過線纜與所述信號采集處理主機相連；所述信號采集處理主機將采集到的傳聲器的聲信號傳輸到所述數據處理及通信基站進行綜合處理。如圖3所示，所述信號采集處理主機包括：信號采集單元、GPS/北斗時鐘同步單元、中心處理單元和通信單元；所述GPS/北斗時鐘同步單元用于產生時鐘脈沖信號，并傳輸給中心處理單元；所述信號采集單元用于采集八個傳聲器單元的聲信號；并傳輸給所述中心處理單元；所述中心處理單元用于對信號采集單元發送的數據進行處理，并將處理后的數據輸出到通信單元；所述通信單元用于將所述中心處理單元輸出的數據以有線的方式發送到所述數據處理及通信基站。如圖4所示，數據處理及通信基站包括：數據接收單元、網關和數據處理工作站；所述數據本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種列車軸承聲學在線故障診斷系統，包括：多個信號采集處理模塊和數據處理及通信基站；所述信號采集處理模塊包括傳聲器陣列和信號采集處理主機；所述傳聲器陣列包括多個傳聲器單元，用于采集列車兩側車輪軸承及附近設備的聲信號；所述傳聲器陣列設置在兩軌道內側、兩個枕木之間；所述傳聲器陣列通過線纜與所述信號采集處理主機相連；所述信號采集處理主機將經過預處理的聲信號傳輸到所述數據處理及通信基站進行綜合處理。

【技術特征摘要】
2015.02.10 CN 20151007062831.一種列車軸承聲學在線故障診斷系統，包括：多個信號采集處理模塊和數據處理及通信基站；所述信號采集處理模塊包括傳聲器陣列和信號采集處理主機；所述傳聲器陣列包括多個傳聲器單元，用于采集列車兩側車輪軸承及附近設備的聲信號；所述傳聲器陣列設置在兩軌道內側、兩個枕木之間；所述傳聲器陣列通過線纜與所述信號采集處理主機相連；所述信號采集處理主機將經過預處理的聲信號傳輸到所述數據處理及通信基站進行綜合處理。2.根據權利要求1所述的列車軸承聲學在線故障診斷系統，其特征在于，所述信號采集處理模塊的個數為5-10。3.根據權利要求1所述的列車軸承聲學在線故障診斷系統，其特征在于，所述傳聲器陣列的孔徑范圍為5cm-140cm。4.根據權利要求1所述的列車軸承聲學在線故障診斷系統，其特征在于，所述傳聲器陣列的傳聲器單元的個數為3-64。5.根據權利要求4所述的列車軸承聲學在線故障診斷系統，其特征在于，所述傳聲器陣列為一個陣列或兩個子陣列；當所述傳聲器陣列為兩個子陣列時，兩個子陣列對稱設置在靠近兩個軌道內側的位置。6.根據權利要求1所述的列車軸承聲學在線故障診斷系統，其特征在于，所述信號采集處理主機包括：信號采集單元、GPS/北斗時鐘同步單元、中心處理單元和通信單元；所述GPS/北斗時鐘同步單元用于產生時鐘脈沖信號，并傳輸給中心處理單元；所述信號采集單元用于采集多個傳聲器單元的聲信號；并傳輸給所述中心處理單元；所述中心處理單元用于對信號采集單元發送的數據進行處理，并將處理后的數據輸出到通信單元；所述通信單元用于將所述中心處理單元輸出的數據以有線或無線方式發送到所述數據處理及通信基站。7.根據權利要求1所述的列車軸承聲學在線故障診斷系統，其特征在于，數據處理及通信基站包括：數據接收單元、網關和數據處理工作站；所述數據接收單元用于以有線或無線方式接收多個信號采集處理主機發送的數據；所述數據處理工作站用于將所有數據接收單元輸出的數據進行綜合處理，輸出軸承監測信息；所述綜合處理的具體實現過程為：組合現有的多...

【專利技術屬性】
技術研發人員：鮑明，管魯陽，李曉東，胡小青，
申請(專利權)人：中國科學院聲學研究所，
類型：發明
國別省市：北京;11