深度國(guó)產(chǎn)化HXD1型機(jī)車走行部故障診斷與監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究

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1、 國(guó)內(nèi)圖書(shū)分類號(hào)： 密級(jí)： 國(guó)際圖書(shū)分類號(hào)： 研 究 生 學(xué) 位 論 文 深度國(guó)產(chǎn)化HXD1型機(jī)車走行部故障診斷與監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究 年 級(jí) 申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別 工程碩士 專 業(yè) 車輛工程 Classified Index:（此處填國(guó)內(nèi)圖書(shū)分類號(hào)） U.D.C

2、:（此處填國(guó)際圖書(shū)分類號(hào)） The research of the depth of domestic HXD1 type locomotive fault diagnosis and monitoring device  學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)西南交通大學(xué)可以將本論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、

3、縮印或掃描等復(fù)印手段保存和匯編本學(xué)位論文。 本學(xué)位論文屬于 1．保密□，在 年解密后適用本授權(quán)書(shū)； 2．不保密□，使用本授權(quán)書(shū)。 （請(qǐng)?jiān)谝陨戏娇騼?nèi)打“√”） 學(xué)位論文作者簽名： 指導(dǎo)老師簽名： 日期： 日期： 第1頁(yè) 碩士學(xué)位論文主要工作（貢獻(xiàn)）聲明 本人在學(xué)位論文中所做的主要工作或貢獻(xiàn)如下： 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是在導(dǎo)師指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究工作所得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他

4、個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果。對(duì)本文的研究做出貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中作了明確說(shuō)明。本人完全了解違反上述聲明所引起的一切法律責(zé)任將由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文作者簽名： 日期：  摘 要 機(jī)車走行部是機(jī)車最重要的組成部分之一，一旦機(jī)車走行部發(fā)生故障，就很可能危及行車安全。因此必須對(duì)其進(jìn)行故障診斷與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。目前的機(jī)械故障診斷方法大都以振動(dòng)理論為基礎(chǔ)，振動(dòng)信號(hào)處理技術(shù)是故障

5、診斷中最有效、最常用的方法。機(jī)車走行部車載監(jiān)測(cè)裝置是根據(jù)機(jī)車走行部故障診斷的需求，以“共振解調(diào)”等故障診斷技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合多學(xué)科的研究，開(kāi)發(fā)的機(jī)車走行部故障診斷系統(tǒng)，是專門(mén)為保證鐵路機(jī)車安全運(yùn)行而研制的在線車載動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警裝置?？蓪?duì)機(jī)車軸箱、電機(jī)、空心軸工作溫度及車輪、軸系、齒輪故障沖擊信息在線監(jiān)測(cè)并自動(dòng)診斷，提醒乘務(wù)員及時(shí)采取措施，確保機(jī)車運(yùn)行安全。本文對(duì)機(jī)械故障的診斷方法、機(jī)車走行部故障診斷與監(jiān)測(cè)技術(shù)作了研究，比較分析了目前使用的機(jī)車走行部車載監(jiān)測(cè)裝置存在的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合深度國(guó)產(chǎn)化HXD1型機(jī)車走行部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出深度國(guó)產(chǎn)化HXD1型機(jī)車走行部故障診斷與監(jiān)測(cè)裝置的使用建議。同時(shí)提出利用機(jī)車頂

6、輪檢測(cè)，對(duì)機(jī)車走行部故障診斷形成的有效補(bǔ)充，通過(guò)不斷的積累經(jīng)驗(yàn)，提高數(shù)據(jù)分析和故障判斷、處理的能力，探索調(diào)整門(mén)限值6A系統(tǒng)故障診斷與監(jiān)測(cè)的門(mén)限值，使裝置更有效地為機(jī)車走行部的安全運(yùn)行和狀態(tài)檢修發(fā)揮作用。 關(guān)鍵詞 機(jī)車；走行部；故障診斷；監(jiān)測(cè)；行車安全  Abstract Locomotive running gear is one of the most important parts of the locomotive. The operation of locomotive is in danger，when Locomotive running gear fails

7、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 processing technology is the most effective and commonly method in fault diagnosis .Vehicle load monitoring device of Locomotiv

8、e 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 railway locomotive，it’s based on the demand of locomotive running gear fault diagnosis and with "the resonance demodulation" fa

9、ult 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 locomotive axlebox, motor and the working hollow axles,and for fault impact information of wheels,shaft, gear which reminds

10、trainman’s 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 monitoring techniques,compare and analysis the advantages and disadvantages of the use of locomotive for vehicle load monit

11、oring 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 type locomotive fault diagnosis and monitoring device.At the same time the device puts forward the Crown wheel detection a

12、nd take effective supplement for fault diagnosis of locomotive , through the continuous accumulation of experience, improves the ability of data analysis , fault judgement and processing , explores the adjustment of threshold value of fault diagnosis and monitoring system of 6A threshold value, make

13、s 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 錄 第1章 緒論…………………………………………………………………………………………………………….. 1.1 問(wèn)題的提出 ……………………………………………………………………………………………….. 1.2 機(jī)車

14、走行部的構(gòu)成………………………………………………………………………………………. 1.3 故障診斷與監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì) ………………………………………………….. 1.4 機(jī)車故障診斷與監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)…………………………………………….. 1.5 本文研究的主要內(nèi)容、目標(biāo)………………………………………………………………………… 第2章 故障的診斷與監(jiān)測(cè)技術(shù)………………………………………………………………………………... 2.1 時(shí)域分析法…………………………………………………………………………………………………….. 2.1.1 故障診斷特征量示性指標(biāo)

15、……………………………………………………………………………. 2.1.2 時(shí)域故障診斷的概率分析法………………………………………………………………………… 2.1.3 時(shí)域同步平均法…………………………………………………………………………………………. 2.2 頻域分析法…………………………………………………………………………………………………….. 2.2.1 響應(yīng)頻譜診斷法…………………………………………………………………………………………. 2.2.2 高階頻譜診斷法…………………………………………………………………………………………. 2.3 時(shí)頻分析法…………

16、…………………………………………………………………………………………… 2.3.1 短時(shí)傅立葉變換……………………………………………………………………………………….... 2.3.2 連續(xù)小波變換…………………………………………………………………………………………….. 2.4 共振解調(diào)技術(shù)…………………………………………………………………………….……………………. 2.4.1 共振解調(diào)技術(shù)原理簡(jiǎn)介………………………………………………………………………………… 2.4.2 共振解調(diào)技術(shù)基本原理………………………………………………………………………………… 第3章 機(jī)車

17、走行部監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)…………………………………………………………………….. 3.1 齒輪的監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)………………………………………......................................... 3.1.1 齒輪失效的基本形式…………………………………………………………………………………….. 3.1.2 齒輪的振動(dòng)信號(hào)特征…………………………………………………………………………………….. 3.1.3 齒輪的振動(dòng)監(jiān)測(cè)及振動(dòng)信號(hào)分析……………………………………………………………………. 3.1.4 齒輪故障的時(shí)域診斷分析………………………………

18、………………………………………………. 3.2 滾動(dòng)軸承的監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)……………………………………................................... 3.2.1 滾動(dòng)軸承故障的基本形式………………………………………………………………………………. 3.2.2 滾動(dòng)軸承的振動(dòng)…………………………………………………………………………………………….. 3.2.3 滾動(dòng)軸承異常振動(dòng)的診斷方法…………………………………………………………………………. 3.2.4 滾動(dòng)軸承故障診斷系統(tǒng)…………………………………………………………………………………… 3.3

19、 輪對(duì)踏面的監(jiān)測(cè)和故障診斷………………………………………………………………………………. 3.3.1 輪對(duì)故障的基本形式……………………………………………………………………………………….. 3.3.2 機(jī)車輪對(duì)故障診斷與在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)……………………………………………………………………. 第4章 機(jī)車走行部車載監(jiān)測(cè)裝置概述………………………………………………………………………….. 4.1 JK00430型機(jī)車走行部車載監(jiān)測(cè)裝置（JK11430 裝置）………............................. 4.1.1 JK00430 裝置簡(jiǎn)介…………………………

20、………………………………………………………………. 4.1.2 JK00430裝置技術(shù)特點(diǎn)…………………………………………………………………………………… 4.2 JK11430 機(jī)車走行部車載監(jiān)測(cè)裝置（JK11430 裝置）……………………………………. 4.2.1 JK11430 裝置簡(jiǎn)介………………………………………………………………………………………….. 4.2.2 JK11430裝置技術(shù)特點(diǎn)…………………………………………………………………………………….. 4.3 YZB-1型機(jī)車熔斷式軸溫報(bào)警裝置（YZB-1裝置）………………................

21、............... 4.3.1 YZB-1裝置簡(jiǎn)介………………………………………………………………………………………………. 4.3.2 YZB-1裝置技術(shù)特點(diǎn)………………………………………………………………………………………… 4.4 機(jī)車車載安全防護(hù)系統(tǒng)（6A系統(tǒng)）…………………………………………………………………….. 4.4.1 6A 系統(tǒng)簡(jiǎn)介…………………………………………………………………………………………………… 4.4.2 走行部故障監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)簡(jiǎn)介……………………………………………………………………………… 4.4.3 6A 系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)……

22、……………………………………………………………………………………… 4.5 機(jī)車走行部車載監(jiān)測(cè)裝置比較與分析……………………………………………………………… 結(jié)論………………………………………………………………………………………………………………………………….. 致謝………………………………………………………………………………………………………………………………….. 參考文獻(xiàn) ……………………………………………………………………………………………………………………….. 第1章 緒論 1.1 問(wèn)題的提出 近幾年來(lái)，中國(guó)鐵路建設(shè)取得了舉世矚目的成就。我國(guó)自主開(kāi)發(fā)的CR

23、H型動(dòng)車組及“和諧”系列大功率交流傳動(dòng)機(jī)車等新型高速、重載客、貨運(yùn)機(jī)車廣泛應(yīng)用，標(biāo)志著鐵路技術(shù)水平躍上了新的臺(tái)階。不斷提高的運(yùn)行速度與牽引質(zhì)量，對(duì)鐵路行車安全技術(shù)提出了更高的要求。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷提高和普遍應(yīng)用，我國(guó)的列車運(yùn)行監(jiān)控和檢測(cè)裝置技術(shù)也在迅速發(fā)展，并逐漸在動(dòng)車組及內(nèi)燃、電力機(jī)車上推廣普及，為保證運(yùn)輸安全發(fā)揮了重要作用。 近年來(lái)隨著機(jī)車交路的不斷延長(zhǎng)，運(yùn)行速度的不斷提高及牽引重量的不斷加大，機(jī)車在運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)的安全事故也時(shí)有發(fā)生，直接和間接損失巨大，影響了運(yùn)用安全和運(yùn)營(yíng)秩序。其中走行部軸箱軸承、電機(jī)軸承等故障；列車在運(yùn)行中發(fā)生折角塞門(mén)非正常關(guān)閉引發(fā)的冒進(jìn)、沖撞事故；機(jī)車高壓絕緣破壞，

24、引起接觸網(wǎng)燒損，造成大面積停電；機(jī)車內(nèi)部電線電纜短路、過(guò)熱及其他原因而引起的機(jī)車火災(zāi)；列車供電故障，造成列車不能正常出庫(kù)、發(fā)車等均嚴(yán)重破壞了鐵路運(yùn)行安全基礎(chǔ)。因此，如何用技術(shù)手段體系化的解決機(jī)車安全的管控問(wèn)題，已經(jīng)成為機(jī)車運(yùn)用部門(mén)的關(guān)注重點(diǎn)。為了解決上述問(wèn)題，我們現(xiàn)有機(jī)車上已安裝有相關(guān)的安全監(jiān)測(cè)設(shè)備。安全監(jiān)測(cè)設(shè)備種類多，范圍廣，涉及機(jī)車走行部、電器、輔助、制動(dòng)等系統(tǒng)。其中機(jī)車走行部是關(guān)系到鐵路運(yùn)輸安全的關(guān)鍵部件，機(jī)車走行部長(zhǎng)時(shí)間處予高速、高負(fù)載運(yùn)動(dòng)中，沖擊振動(dòng)、腐蝕、金屬疲勞等都會(huì)影響到行車安全，更有甚者由于輪對(duì)擦傷、剝離、崩箍等引發(fā)的機(jī)車脫軌及軸承故障會(huì)引發(fā)的機(jī)車熱軸、切軸事故，因此鐵路部門(mén)

25、對(duì)機(jī)車走行部故障的研究非常重視。 機(jī)車走行部車載監(jiān)測(cè)裝置較具代表性的是JK00430型機(jī)車走行部車載監(jiān)測(cè)裝置。目前廣泛運(yùn)用與我國(guó)直流傳動(dòng)內(nèi)燃、電力機(jī)車，此裝置是北京唐智科技發(fā)展有限公司以唐德堯教授發(fā)展的“共振解調(diào)”等設(shè)備故障診斷技術(shù)為基礎(chǔ)，針對(duì)機(jī)車走行部故障診斷的需求，結(jié)合多學(xué)科的研究，開(kāi)發(fā)的機(jī)車走行部故障診斷系統(tǒng)，是專門(mén)為保證鐵路機(jī)車安全運(yùn)行而研制的在線車載動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警裝置?？蓪?duì)機(jī)車軸箱、電機(jī)、空心軸工作溫度及車輪、軸系、齒輪故障沖擊信息在線監(jiān)測(cè)并自動(dòng)診斷，提醒乘務(wù)員及時(shí)采取措施，確保列車運(yùn)行安全。 深度國(guó)產(chǎn)化HXD1型電力機(jī)車是在HXD1型八軸電力機(jī)車的基礎(chǔ)上，機(jī)車整體性能與HXD1型

26、八軸電力機(jī)車25t軸重條件下的性能保持一致，機(jī)械間設(shè)備布置和機(jī)車整體尺寸也基本保持一致的情況下，僅對(duì)機(jī)車的牽引變流系統(tǒng)和微機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行深度國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)品的等同替代工作和機(jī)車性能的技術(shù)提升工作。2013年1月，武漢鐵路局襄陽(yáng)機(jī)務(wù)段配屬30臺(tái)裝用自主研發(fā)牽引變流器和網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的HXD1型電力機(jī)車，這是該型機(jī)車國(guó)產(chǎn)化后的首次大批量運(yùn)用，因此，探索和研究該型機(jī)車的機(jī)車走行部故障診斷與監(jiān)測(cè)技術(shù)，預(yù)防走行部安全是很有必要的。 1.2 機(jī)車走行部的構(gòu)成 機(jī)車走行部一般多采用轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)形式，由于機(jī)車的用途、運(yùn)行條件、制造和檢修能力等因素不同，轉(zhuǎn)向架的類型很多，結(jié)構(gòu)各異。機(jī)車轉(zhuǎn)向架主要由輪對(duì)、驅(qū)動(dòng)裝置、

27、彈簧懸掛裝置、構(gòu)架、牽引裝置和基礎(chǔ)制動(dòng)裝置等組成。機(jī)車走行部結(jié)構(gòu)和作用大致相同，但在部分部件上又有所區(qū)別。 1.構(gòu)架。構(gòu)架由側(cè)梁、中間橫梁、牽引端梁和后端梁等組成。構(gòu)架是轉(zhuǎn)向架的重要組成部分，構(gòu)架把轉(zhuǎn)向架的各個(gè)部件聯(lián)系在一起構(gòu)成一個(gè)整體。車體的重量通過(guò)構(gòu)架兩側(cè)的鋼彈簧或橡膠堆傳遞到構(gòu)架上，再由構(gòu)架傳到輪對(duì)軸箱，然后通過(guò)輪對(duì)作用于鋼軌；而牽引力由牽引電機(jī)、驅(qū)動(dòng)裝置通過(guò)輪軌粘著而產(chǎn)生，制動(dòng)力一般由制動(dòng)裝置通過(guò)輪軌粘著而產(chǎn)生，牽引、制動(dòng)力經(jīng)由輪對(duì)軸箱傳遞到構(gòu)架，再通過(guò)牽引裝置傳遞到車體；各種振動(dòng)載荷主要由輪軌激擾產(chǎn)生，部分振動(dòng)載荷為鉤緩傳遞的列車振動(dòng)研究側(cè)風(fēng)載荷等；上述振動(dòng)載荷沿牽引、制動(dòng)力或重量

28、的傳遞路徑，在機(jī)車各部分之間耦合傳遞。當(dāng)機(jī)車在不同狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，構(gòu)架除了承受垂直靜載荷外，同時(shí)還要承受附加垂直力、縱向水平力和橫向水平力等。 2.輪對(duì)。輪對(duì)由車軸、車輪及軸箱構(gòu)成。輪對(duì)是機(jī)車走行部分最重要的零件之一，輪對(duì)由一根車軸和兩個(gè)車輪壓裝成一體。在機(jī)車運(yùn)行過(guò)程中，車輪和車軸之間不容許有相對(duì)位移。機(jī)車的全部靜載荷通過(guò)輪對(duì)傳遞到鋼軌；牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)矩也通過(guò)輪對(duì)作用于鋼軌而產(chǎn)生牽引力，當(dāng)機(jī)車沿著軌道運(yùn)行時(shí)，輪對(duì)還剛性地承受來(lái)自鋼軌接頭、道岔及線路不平順等線路激擾引起的全部動(dòng)態(tài)作用力，同時(shí)輪對(duì)本身也將這些作用力剛性地作用到線路。 3.驅(qū)動(dòng)裝置。驅(qū)動(dòng)裝置包括車輪、車軸、牽引電機(jī)和齒輪傳動(dòng)裝置等，其

29、主要作用是：使?fàn)恳姍C(jī)的扭矩轉(zhuǎn)化為輪對(duì)或車輪上的轉(zhuǎn)矩，利用輪軌間的粘著作用產(chǎn)生牽引力，驅(qū)動(dòng)機(jī)車沿鋼軌運(yùn)行。貨運(yùn)機(jī)車驅(qū)動(dòng)裝置一般采用滾動(dòng)抱軸半懸掛方式，一側(cè)通過(guò)抱軸承箱和抱軸承與車軸聯(lián)結(jié)，另一側(cè)采用１個(gè)電機(jī)吊桿懸掛于構(gòu)架上。電機(jī)吊桿上安裝有橡膠彈性元件，可實(shí)現(xiàn)輪對(duì)與構(gòu)架之間相對(duì)位移，隔離輪對(duì)通過(guò)牽引電機(jī)傳遞到構(gòu)架的振動(dòng)和沖擊。 4.齒輪裝置。齒輪裝置由齒輪箱、齒輪箱支撐軸承、小齒輪軸和大齒輪等構(gòu)成。齒輪裝置是傳遞驅(qū)動(dòng)扭矩或制動(dòng)扭矩的關(guān)鍵部件。齒輪裝置的作用是將主電動(dòng)機(jī)的扭轉(zhuǎn)力矩傳遞到車軸，或是將車軸的轉(zhuǎn)矩傳遞給發(fā)電機(jī)。 5.深度國(guó)產(chǎn)化HXD1型電力機(jī)車走行部結(jié)構(gòu)。深度國(guó)產(chǎn)化HXD1型電力機(jī)車

30、是八軸機(jī)車，軸式為2（Bo- Bo），為鐵路干線用機(jī)車。2012年6月，南車株洲電力機(jī)車有限公司完成2臺(tái)車的生產(chǎn)工作，并完成機(jī)車在北京環(huán)形鐵道進(jìn)行的型式試驗(yàn)項(xiàng)點(diǎn)。轉(zhuǎn)向架主要由構(gòu)架、輪對(duì)、驅(qū)動(dòng)單元、一系懸掛和二系懸掛、一系減振器和二系減振器、牽引裝置（轉(zhuǎn)向架和車體的連接）、制動(dòng)裝置和轉(zhuǎn)向架附屬裝置等組成。輪對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，牽引電機(jī)采用抱軸式半懸掛，由輪對(duì)、軸箱、牽引電機(jī)、齒輪箱、抱軸等主要零部件組成。牽引電動(dòng)機(jī)為交流異步電動(dòng)機(jī)，額定功率1225kW。 1.3 故障診斷方法的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì) 故障診斷學(xué)是識(shí)別機(jī)器或機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的科學(xué)，它研究的是機(jī)器或機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的變化在診斷信息中的反映。隨著科學(xué)

31、技術(shù)不斷發(fā)展和工業(yè)化程度的不斷提高，機(jī)械設(shè)備精密程度、復(fù)雜程度及自動(dòng)化程度不斷提高，憑個(gè)人的感觀經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行診斷己經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。故障診斷技術(shù)集數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、電子技術(shù)、通訊技術(shù)、信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、模式識(shí)別、人工智能等多種綜合技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一門(mén)多學(xué)科交叉和融合的新技術(shù)。早在二次世界大戰(zhàn)期間，由于大量軍事裝備缺乏診斷技術(shù)和維修手段，而造成非戰(zhàn)斗性的損壞，使人們意識(shí)到故障診斷與監(jiān)測(cè)技術(shù)的重要性。60年代以來(lái)，由于半導(dǎo)體的發(fā)展，集成電路的出現(xiàn)，電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的更新?lián)Q代，特別是1965 年FFT方法獲得突破性進(jìn)展后出現(xiàn)了數(shù)字信號(hào)處理和分析技術(shù)的新分支，為故障診斷和監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展奠定了重要的技術(shù)基礎(chǔ)

32、。 目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者的對(duì)于故障診斷的一些方法的研究工作主要集中在以下幾個(gè)方面: 1.時(shí)域分析法。時(shí)域分析法是滾動(dòng)軸承故障診斷技術(shù)發(fā)展最早的一種方法，在時(shí)域診斷中，提取信號(hào)特征的主要方法有相關(guān)分析和時(shí)序分析，普遍采用振動(dòng)信號(hào)的基本數(shù)字特征及其概率分布特征進(jìn)行診斷分析，如均值、有效值、峰值和無(wú)量綱因子判別方法等。 2.頻域分析法。頻域分析方法是將時(shí)域波形經(jīng)過(guò)FFT變換轉(zhuǎn)換成頻譜圖，采用振動(dòng)信號(hào)的頻譜特征進(jìn)行診斷分析，如特征頻率、幅值、無(wú)量綱判別因子等，對(duì)故障可以進(jìn)行精密診斷。 3.時(shí)頻分析法。采用普通的頻譜分析無(wú)法同時(shí)進(jìn)行時(shí)頻分析，找出信號(hào)的時(shí)域特征。而時(shí)頻分析法既能夠反映時(shí)域特征又能夠反映

33、頻域特征，可以很好的描述故障特征的全貌，常用的時(shí)頻分析方法有短時(shí)傅立葉變換、小波變換、小波包分析等。 4.智能診斷。計(jì)算機(jī)人工智能與診斷理論相結(jié)合形成了具有信息時(shí)代特色的智能診斷。當(dāng)前故障診斷領(lǐng)域中最常用的兩類人工智能診斷系統(tǒng)是基于知識(shí)的專家系統(tǒng)和基于網(wǎng)絡(luò)的智能診斷系統(tǒng)。基于知識(shí)的專家系統(tǒng)的特點(diǎn)是以知識(shí)工程(知識(shí)庫(kù))為基礎(chǔ)，在串行運(yùn)行的格式中模擬人腦的邏輯思維，實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的診斷推理?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能診斷系統(tǒng)的特點(diǎn)是以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，在大規(guī)模并行運(yùn)算格式中模擬人腦的物理結(jié)構(gòu)。 近幾年來(lái)，通信技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)的飛速發(fā)展為滾動(dòng)軸承故障診斷的發(fā)展提供了強(qiáng)大的支持。從目前

34、的研究資料來(lái)看，故障診斷的發(fā)展方向和發(fā)展趨勢(shì)如下: 1.混合故障診斷技術(shù)研究。智能診斷技術(shù)是故障診斷技術(shù)的一個(gè)重要的研究方向。將多種不同的智能技術(shù)結(jié)合起來(lái)的混合診斷系統(tǒng)，是智能故障診斷研究的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。結(jié)合方式主要有基于規(guī)則的專家系統(tǒng)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，實(shí)例推理與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與專家系統(tǒng)的結(jié)合等。 2.多信息量融合，多層次診斷集成。集成知識(shí)庫(kù)中的各種診斷知識(shí)，結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)中的各種故障數(shù)據(jù)，按照不同的故障情況進(jìn)行綜合分析、判斷，定位故障點(diǎn)。主要對(duì)狀態(tài)監(jiān)測(cè)所得到的信息進(jìn)行融合，然后結(jié)合層次診斷模型，按照深淺結(jié)合的推理層次進(jìn)行診斷。它進(jìn)一步把狀態(tài)監(jiān)測(cè)中的信號(hào)監(jiān)測(cè)處理集成到診斷系統(tǒng)

35、中，進(jìn)行在線數(shù)據(jù)處理與在線診斷推理，實(shí)現(xiàn)非實(shí)時(shí)診斷到實(shí)時(shí)診斷的轉(zhuǎn)變，也實(shí)現(xiàn)信息診斷與智能診斷的統(tǒng)一。 3.遠(yuǎn)程協(xié)作診斷。基于因特網(wǎng)的故障遠(yuǎn)程協(xié)作診斷是將診斷技術(shù)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，用若千臺(tái)中心計(jì)算機(jī)作為服務(wù)器，在企業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備上建立狀態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采集設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù);在技術(shù)力量較強(qiáng)的科研院所建立分析診斷中心，為企業(yè)提供遠(yuǎn)程技術(shù)支持和保障?？绲赜蜻h(yuǎn)程協(xié)作診斷的特點(diǎn)是測(cè)試數(shù)據(jù)、分析方法和診斷知識(shí)的網(wǎng)絡(luò)共享，因此必須使傳統(tǒng)診斷技術(shù)的核心部分(即信號(hào)采集、信號(hào)分析和診斷專家系統(tǒng))能夠在網(wǎng)絡(luò)上遠(yuǎn)程運(yùn)行。 4.診斷與控制相結(jié)合。根據(jù)當(dāng)前設(shè)備的健康狀況決定設(shè)備運(yùn)行方式或策略，最終預(yù)知故障，從而防止故障的發(fā)

36、生，是診斷技術(shù)的最高目標(biāo)。它是把診斷系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)一步結(jié)合，達(dá)到集監(jiān)測(cè)、診斷、控制、管理于一身.它由單機(jī)診斷發(fā)展到分布式全系統(tǒng)診斷，信息量大，類型多，相應(yīng)的也就需要多種數(shù)據(jù)處理和診斷推理方法的聯(lián)合。 總之，在今后的研究中應(yīng)進(jìn)一步對(duì)診斷理論與診斷方法加以研究，建立一套完整的故障診斷指導(dǎo)理論和方法體系，將診斷理論和診斷方法能運(yùn)用到實(shí)際的生成中，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)便攜式診斷和監(jiān)測(cè)工具的研究，致力于建立簡(jiǎn)單的故障診斷平臺(tái)，建立更人性化的人機(jī)工作環(huán)境，提高診斷的效率，提高人們的設(shè)備管理意識(shí)，促進(jìn)故障診斷技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。 1.4 機(jī)車故障診斷與監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì) 作為保障機(jī)車運(yùn)行安全的基本措施之一

37、，機(jī)車故障診斷與監(jiān)測(cè)技術(shù)可以對(duì)早期故障做出預(yù)報(bào)，提出對(duì)策或建議，發(fā)揮了極大的作用。上世紀(jì) 80年代以來(lái), 隨著現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)車故障診斷和監(jiān)測(cè)技術(shù)也得到了很大的發(fā)展，各國(guó)鐵路都在積極地開(kāi)展工作，故障診斷和監(jiān)測(cè)技術(shù)在機(jī)車中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。 1.1965年美國(guó)Servo公司推出了第一套安裝在道旁的紅外熱軸探測(cè)系統(tǒng)，將軸承溫度信號(hào)記錄在記錄紙上，由有經(jīng)驗(yàn)的人員來(lái)辨別軸溫情況?，F(xiàn)在軸溫探測(cè)普遍采用了計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可自動(dòng)測(cè)量軸承溫度，自動(dòng)定位和預(yù)報(bào)軸承故障，因此得到了廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，GM公司電力驅(qū)動(dòng)分部（EMD）又開(kāi)發(fā)了基于商業(yè)無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)的機(jī)車遠(yuǎn)程檢測(cè)診

38、斷系統(tǒng)，利用車載檢測(cè)裝置測(cè)量記錄機(jī)車的狀態(tài)信息，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到EMD的機(jī)車管理中心，那里的專家可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并對(duì)機(jī)車狀態(tài)做出判斷， 發(fā)現(xiàn)故障可及時(shí)通知檢修基地做好相應(yīng)準(zhǔn)備。這一系統(tǒng)使機(jī)車的運(yùn)行和狀態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性更強(qiáng)，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除故障，提高了運(yùn)輸安全性，此外可以縮短檢修停時(shí)，提高機(jī)車的可用性和實(shí)際利用率，效益非常顯著。 美國(guó)、加拿大、澳大利亞鐵路以重載運(yùn)輸為主，重點(diǎn)發(fā)展了道旁檢測(cè)診斷技術(shù)，不同企業(yè)及研究機(jī)構(gòu)充分合作，共同研發(fā)了內(nèi)容廣泛的道旁檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，對(duì)運(yùn)輸安全起了積極的保障作用。其中在滾動(dòng)軸承的檢測(cè)和診斷方面做了大量的工作，其成果值得我們借鑒。此外美國(guó)在機(jī)車狀態(tài)檢測(cè)與診斷方面

39、也做了大量的工作，開(kāi)發(fā)了機(jī)車車載檢測(cè)裝置及基于無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)的機(jī)車遠(yuǎn)程檢測(cè)診斷系統(tǒng)，提高了機(jī)車?yán)寐省? 2.德國(guó)鐵路從1975年開(kāi)始研究故障診斷技術(shù)，1980年左右隨著微電子技術(shù)引入機(jī)車，診斷技術(shù)也受到了重視，現(xiàn)在它已經(jīng)成為機(jī)車運(yùn)營(yíng)和維修的重要輔助工具。ICE1高速機(jī)車裝設(shè)了計(jì)算機(jī)輔助故障管理系統(tǒng)，它具有從故障產(chǎn)生到故障排除及統(tǒng)計(jì)分析的全面管理作用，覆蓋了車上的大部分主要部件或系統(tǒng)。其綜合控制裝置包含 100 多個(gè)由計(jì)算機(jī)控制的分系統(tǒng)，控制計(jì)算機(jī)同時(shí)承擔(dān)診斷任務(wù)。分系統(tǒng)的診斷結(jié)果以代碼型式向上傳輸，采用串行通訊方式，在車輛及機(jī)車級(jí)上集中和顯示，節(jié)省了分系統(tǒng)的顯示裝置。診斷任務(wù)包括故障通報(bào)、故障

40、定位、采集故障出現(xiàn)的頻率及環(huán)境條件、顯示診斷結(jié)果、存儲(chǔ)履歷、集中查詢、補(bǔ)救程序、接受人工輸入故障、測(cè)試運(yùn)行、顯示過(guò)程值、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等。ICE2有很多與ICE1相似之處，但在轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器、故障輸入、供電裝置等方面做了較大改進(jìn)。ICE3和ICE-T機(jī)車采用了新一代基于機(jī)車通訊網(wǎng)絡(luò) （TCN）檢測(cè)和控制系統(tǒng)。診斷系統(tǒng)的功能是處理所有診斷子系統(tǒng)記錄的所有事件，并將有關(guān)信息顯示給司機(jī)、機(jī)車長(zhǎng)/運(yùn)轉(zhuǎn)車長(zhǎng)和隨車技術(shù)人員，也可以直接通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)交亍? 歐洲鐵路以高速客運(yùn)為主，主要發(fā)展了車載檢測(cè)診斷技術(shù)，機(jī)車上的控制計(jì)算機(jī)同時(shí)具備診斷功能，可對(duì)多種機(jī)車部件或子系統(tǒng)進(jìn)行診斷。其發(fā)展趨勢(shì)是網(wǎng)絡(luò)化，應(yīng)用

41、各種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)將不同位置、不同功能的診斷裝置連接成網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)信息共享和集中管理。 3.日本于20 世紀(jì)60年代修建并開(kāi)通了第一條新干線高速鐵路，率先開(kāi)始了高速化進(jìn)程。為保證安全和降低維修成本，很早就開(kāi)展了機(jī)車、車輛和動(dòng)車組的故障診斷研究，如利用通用儀器進(jìn)行了振動(dòng)和鐵譜分析技術(shù)的應(yīng)用研究，特別是通過(guò)測(cè)量和分析電力機(jī)車上一些旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)加速度O/A 值，對(duì)判斷標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定做了探討。為提高高速機(jī)車運(yùn)行的安全性和舒適性，研究開(kāi)發(fā)了車載檢測(cè)診斷系統(tǒng)，比如在200系新干線高速電動(dòng)車組上裝設(shè)了儀器，可同時(shí)檢測(cè)8個(gè)被測(cè)部位的垂向和橫向振動(dòng)，并根據(jù)有關(guān)舒適性指標(biāo)對(duì)機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷，推測(cè)不良部位，以實(shí)現(xiàn)有效

42、的檢修，數(shù)據(jù)可顯示和打印輸出。700系動(dòng)車組采用了智能化檢測(cè)系統(tǒng)，可對(duì)主要電氣裝置的動(dòng)作和控制狀態(tài)進(jìn)行直接檢測(cè)，并可傳送到操縱臺(tái)的中央檢測(cè)裝置，還可以為維修提供數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)化維修作業(yè)。 日本鐵路也是以高速為主，但與歐洲不同的是除開(kāi)發(fā)車載檢測(cè)裝置外還開(kāi)發(fā)了很多面向機(jī)車檢修方面的儀器和裝備，應(yīng)用在檢修基地。研究、開(kāi)發(fā)工作的有組織進(jìn)行，診斷技術(shù)研究會(huì) (聯(lián)絡(luò)會(huì))起了很大的作用,，診斷方法、種類呈現(xiàn)多樣性，包括振動(dòng)、電氣、油液分析等，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好。 4.俄羅斯 (包括前蘇聯(lián))自20世紀(jì)80年代起，包括全蘇鐵路運(yùn)輸科學(xué)院、高等院校、鐵路局和機(jī)務(wù)段在內(nèi)的許多單位和部門(mén)都投入了力量，在電氣、軸承、柴油機(jī)

43、、輪對(duì)等很多方面開(kāi)展了診斷技術(shù)的研究、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用工作。 俄羅斯鐵路在電氣、軸承、柴油機(jī)、輪對(duì)等很多方面開(kāi)展了診斷工作，采用各種方法與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合開(kāi)發(fā)了多種儀器，并在機(jī)務(wù)段和車輛段進(jìn)行了推廣應(yīng)用，取得了較好的效果。在高速動(dòng)車組上，利用控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行某些部件的診斷，以保證機(jī)車的運(yùn)行安全。 5.我國(guó)鐵路自20世紀(jì)80年代起，積極開(kāi)展了診斷技術(shù)在機(jī)車上的應(yīng)用工作，進(jìn)行了內(nèi)容廣泛的診斷技術(shù)研究、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，技術(shù)上取得了很大進(jìn)展并獲得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。所采用的故障診斷方法主要有溫度探測(cè)、光鐵譜分析、電氣參數(shù)檢測(cè)、動(dòng)態(tài)壓力檢測(cè)及振動(dòng)診斷等，新的理論、方法和技術(shù)的探索與應(yīng)用包括模式識(shí)別、灰色系統(tǒng)、模糊數(shù)

44、學(xué)、專家系統(tǒng)、小波變換、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等。20世紀(jì)90年代初開(kāi)發(fā)的機(jī)車軸承診斷儀，可提取峭度系數(shù)、均方根值等多個(gè)特征參數(shù)，并具有共振解調(diào)分析功能。隨后開(kāi)發(fā)的機(jī)車軸承動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)采用了多參數(shù)灰色關(guān)聯(lián)分析方法，用于中修機(jī)務(wù)段和軸承廠，對(duì)單件軸承的動(dòng)態(tài)品質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)和自動(dòng)判別，保證良好的軸承才能裝車使用。機(jī)車走行部頂輪診斷系統(tǒng)，可用于各機(jī)務(wù)段在機(jī)車不解體條件下，診斷機(jī)車的軸箱軸承、牽引電機(jī)軸承、抱軸承、空心軸軸承及牽引齒輪等的狀態(tài)，保障運(yùn)用機(jī)車走行部的安全。為提高貨車的運(yùn)行安全、減少不必要的拆卸，開(kāi)發(fā)了貨車軸承診斷系統(tǒng)，安裝在車輛段輪對(duì)檢修流水線上，對(duì)未到期的軸承進(jìn)行診斷。該系統(tǒng)經(jīng)多次改進(jìn)已成為機(jī)

45、電一體化裝備，軸承故障可自動(dòng)識(shí)別，取得了比較好的效果。此外還研究了小波變換、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及遺傳算法等在軸承診斷中的應(yīng)用，并進(jìn)行了大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐和技術(shù)推廣，基本解決了機(jī)車旋轉(zhuǎn)機(jī)械部件的故障診斷問(wèn)題，促進(jìn)了故障診斷技術(shù)在機(jī)車上的應(yīng)用和發(fā)展。特別是在機(jī)車軸承診斷方面，不僅做了大量的技術(shù)開(kāi)發(fā)和推廣工作，而且從管理的角度制訂了相關(guān)的規(guī)范，使軸承診斷工作制度化和規(guī)范化。目前全鐵路絕大多數(shù)中修機(jī)務(wù)段都建立了機(jī)車軸承檢測(cè)站，有些機(jī)務(wù)段還對(duì)傳統(tǒng)的檢修管理模式做了相應(yīng)的改革，將診斷與維修分離，前者負(fù)責(zé)機(jī)車入段維修前的測(cè)試診斷，提出修理、更換內(nèi)容，并進(jìn)行維修后的檢驗(yàn)，后者根據(jù)診斷結(jié)果進(jìn)行有針對(duì)性的修理或更換，對(duì)未達(dá)到質(zhì)

46、量要求的部分進(jìn)行返工修復(fù)。這樣，既保證了機(jī)車的檢修質(zhì)量和運(yùn)行安全，又節(jié)約了維修成本，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益十分顯著。 中國(guó)鐵路在鐵譜、電氣性能、振動(dòng)等方面進(jìn)行了廣泛的應(yīng)用研究和開(kāi)發(fā)，研制的儀器、裝備已在全鐵路范圍內(nèi)獲得了應(yīng)用，正在改變著機(jī)車檢修模式。同時(shí)也開(kāi)發(fā)了一些車載檢測(cè)診斷裝置，對(duì)機(jī)車的提速起了安全保障作用。 1.5 本文研究的主要內(nèi)容、目標(biāo) 本文通過(guò)對(duì)故障的振動(dòng)診斷方法、機(jī)車走行部監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)的研究，比較分析目前使用的機(jī)車走行部車載監(jiān)測(cè)裝置，探討各機(jī)車走行部車載監(jiān)測(cè)裝置存在的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合深度國(guó)產(chǎn)化HXD1型機(jī)車走行部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出深度國(guó)產(chǎn)化HXD1型機(jī)車走行部車載監(jiān)測(cè)裝置使用的建議，

47、使機(jī)車走行部車載監(jiān)測(cè)裝置更為準(zhǔn)確可靠，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)車走行部質(zhì)量安全可靠性的分析判斷。  第二章 故障的診斷與監(jiān)測(cè)技術(shù) 2.1時(shí)域分析法 直接對(duì)振動(dòng)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行分析和評(píng)估是故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測(cè)最簡(jiǎn)單和最直接的方法，特別是當(dāng)信號(hào)中含有簡(jiǎn)單諧振信號(hào)、周期信號(hào)或短脈沖信號(hào)時(shí)更為有效。直接觀察時(shí)域波形可以看出周期、諧波、脈沖，利用波形分析可直接識(shí)別共振現(xiàn)象和拍頻現(xiàn)象。當(dāng)然這種分析對(duì)比較典型的信號(hào)或特別明顯的信號(hào)以及較有經(jīng)驗(yàn)的人員才比較適用。此外還可利用各種示性指標(biāo)來(lái)進(jìn)行診斷。 2.1.1故障診斷特征量示性指標(biāo) 作為故障診斷特征量的一些示性指標(biāo)如下： （2-1）

48、式中 ——系統(tǒng)中某特征點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)； T —— 采樣時(shí)間； ——的概率密度函數(shù)。 1.在旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)和故障診斷中，對(duì)于波形復(fù)雜的振動(dòng)信號(hào)，常常采用其峰-峰值（雙振幅），記為，即最大峰值與其相鄰的最低谷值之間的幅值作為振動(dòng)大小的特征量，稱為振動(dòng)的“通頻幅值”。峰-峰值的提取十分方便。 2.利用系統(tǒng)中某些特征點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)的均方根幅值作為故障診斷的判斷依據(jù)是最簡(jiǎn)單、最常用的一種方法。均方根值診斷法多適用于穩(wěn)態(tài)振動(dòng)的情況，當(dāng)機(jī)器振動(dòng)不平穩(wěn)、振動(dòng)響應(yīng)隨時(shí)間變化時(shí)，可用振幅-時(shí)間圖診斷法，該方法在研究系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程(開(kāi)機(jī)和停機(jī))中是有效的，根據(jù)曲線的變化可以判斷系統(tǒng)的狀態(tài)和故障。 3.比值稱

49、為偏態(tài)因數(shù)（簡(jiǎn)稱偏態(tài)），此處為標(biāo)準(zhǔn)偏差。偏態(tài)是概率密度函數(shù)不對(duì)稱性程度的度量。比值或稱為峰態(tài)因數(shù)（簡(jiǎn)稱峰態(tài)），是概率密度分布峭度程度的度量。對(duì)于正態(tài)分布來(lái)說(shuō)，其偏態(tài)等于零，對(duì)于一般的實(shí)際信號(hào)來(lái)說(shuō)，偏態(tài)也接近于零。高階偶次矩對(duì)信號(hào)中的沖擊特性較敏感，而峭度是不夠敏感的低階矩與較敏感的高階矩之間的一個(gè)折中特征量，它可以用于滾動(dòng)軸承的故障診斷。例如，軸承圈出現(xiàn)裂紋，滾動(dòng)元件或滾珠軸承邊緣剝裂等，在時(shí)域波形中都可能引起相當(dāng)大的脈沖，用峭度作為故障診斷特征量是很有效的；但用于滑動(dòng)軸承的故障診斷就不靈敏了。 4.當(dāng)時(shí)間信號(hào)中包含的信息不是來(lái)自一個(gè)零件或部件，而是屬于多個(gè)元件時(shí)，例如，在多級(jí)齒輪的振動(dòng)信號(hào)

50、中往往包含有來(lái)自高速齒輪、低速齒輪以及軸承等部件的信息，在這種情況下，可利用下列的一些無(wú)量綱示性指標(biāo)進(jìn)行故障診斷或趨勢(shì)分析： （2-2） 在選擇上述示性指標(biāo)時(shí)，按其診斷能力由大到小順序排列，大體上為峰態(tài)因數(shù)→裕度因數(shù)→脈沖因數(shù)→峰值因數(shù)→波形因數(shù)。 圖 2-1中示出了一個(gè)軸承外圈在工作了 21 小時(shí)后出現(xiàn)損傷，其峰態(tài)因數(shù)和峰值因數(shù)的變化趨勢(shì)。由圖可見(jiàn)，當(dāng)軸承正常工作時(shí)，兩者都接近于3，當(dāng)出現(xiàn)損傷時(shí)，峰態(tài)因數(shù)的變化趨勢(shì)非常明顯，其值可達(dá) 13，這是因?yàn)樾盘?hào)中脈沖成分比較明顯的緣故。而峰值因數(shù)相比峰態(tài)因數(shù)則變化得不夠明顯。 圖2-1 軸承外

51、圈損傷時(shí)峰態(tài)因數(shù)和峰值因數(shù)的比較 2.1.2 時(shí)域故障診斷的概率分析法 對(duì)于各種狀態(tài)歷經(jīng)的隨機(jī)過(guò)程，可用其時(shí)間歷程的概率分布來(lái)描述。圖 2-2 所示為某一信號(hào)的時(shí)間歷程及其概率密度函數(shù)，可由下列關(guān)系式計(jì)算： （2-3） 式中，是在總的觀測(cè)時(shí)間 T 中信號(hào)位于區(qū)間內(nèi)的所有時(shí)間之和。 圖2-2 信號(hào)及其概率密度函數(shù) 2.1.3 時(shí)域同步平均法 時(shí)域同步平均法是從混有噪聲干擾的信號(hào)中提取周期性分量的有效方法，也稱相干檢波法。 我們知道，一個(gè)隨機(jī)信號(hào)的時(shí)域平均起著濾波的作用，當(dāng)平均次數(shù) N 無(wú)窮大(或相當(dāng)大)時(shí)可得信號(hào)的直流分量，即平均值。

52、當(dāng)隨機(jī)信號(hào)中包含有確定性的周期信號(hào)時(shí)，如果截取信號(hào)的采樣時(shí)間等于周期性信號(hào)的周期 T，將所截得的信號(hào)疊加平均，就能將該周期信號(hào)從隨機(jī)信號(hào)、非周期信號(hào)以及與指定周期 T 不一致的其他周期信號(hào)中分離出來(lái)，而保留指定的周期分量及其高頻諧波分量，提高待研究的周期信號(hào)的信噪比，即使該周期信號(hào)較弱也可以分離出來(lái)，這是頻譜分析法所不及的，這就是時(shí)域同步平均法的基本思路。如果事先不知道周期信號(hào)的周期，可通過(guò)相關(guān)分析來(lái)確定信號(hào)的周期。對(duì)于旋轉(zhuǎn)機(jī)械，截取的周期應(yīng)和機(jī)器運(yùn)行的轉(zhuǎn)動(dòng)周期同步起來(lái)，例如轉(zhuǎn)一圈采一幀(或整轉(zhuǎn)幾圈采一幀)，如此循環(huán)采集若干幀信號(hào)進(jìn)行平均即可。 假設(shè)觀測(cè)得到的信號(hào)為

53、 （2-4） 式中 ——欲提取的周期信號(hào)，其周期為 T，頻率為 f＝1 / T，角頻率； ——噪聲信號(hào)。 可以證明，時(shí)域信號(hào)的平均相當(dāng)于在頻域上設(shè)置一個(gè)頻域窗函數(shù)。經(jīng) N 次平均后，輸出噪聲能量降為輸入噪聲能量的 1/ N，從而所得到的輸出信號(hào)為 （2-5） 圖 2-3 示出了某一信號(hào)經(jīng)不同平均次數(shù)后的時(shí)域波形。 圖2-3 用時(shí)域平均法提取周期信號(hào) 2.2頻域分析法 通過(guò)振動(dòng)信號(hào)的頻譜分析揭示振動(dòng)過(guò)程的頻率結(jié)構(gòu)

54、，是進(jìn)行故障診斷的重要途徑，特別是隨著快速傅里葉變換（FFT）算法的出現(xiàn)和近代頻譜分析儀的推出，頻域分析法已被廣泛采用。 2.2.1 響應(yīng)頻譜診斷法 利用頻譜分析進(jìn)行故障診斷越來(lái)越得到廣泛的應(yīng)用。最初是靠熟練技師進(jìn)行人工的定性分析，以后研制了各種便攜式的頻譜分析儀，目前頻譜分析已進(jìn)入微機(jī)化和智能化階段。 不同的機(jī)械設(shè)備和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，在不同的工況下其響應(yīng)頻譜的幅值和形狀是不同的，只要積累大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料，并做一定的分析對(duì)比實(shí)驗(yàn)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析后就可利用頻譜進(jìn)行振動(dòng)診斷。在很多機(jī)械中已給定了進(jìn)行診斷維護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)頻譜圖。如圖 2-4所示，圖中曲線 1 是在一定條件下機(jī)器在某給定點(diǎn)上響應(yīng)的頻譜維護(hù)極限

55、，即機(jī)器振動(dòng)頻譜值超過(guò)曲線 l 就應(yīng)停機(jī)維修；曲線 2 和曲線 3 分別表示機(jī)器運(yùn)行在良好狀態(tài)和正常狀態(tài)下的頻譜包絡(luò)線。維護(hù)極限和良好狀態(tài)曲線形成一定寬度的譜標(biāo)，它是根據(jù)機(jī)器振動(dòng)的基本統(tǒng)計(jì)特征，并考慮一定的許用極限形成的，把觀測(cè)到的頻譜和這一譜標(biāo)進(jìn)行有規(guī)則地比較就會(huì)判斷系統(tǒng)的故障。對(duì)于轉(zhuǎn)速變化很大的信號(hào)，常采用寬帶譜標(biāo)；對(duì)于轉(zhuǎn)速只有較小浮動(dòng)的信號(hào)，常采用窄帶譜標(biāo)。為了補(bǔ)償轉(zhuǎn)速的變化，可用等百分比帶寬分析代替等帶寬分析來(lái)獲得頻譜圖。 圖 2-4 某機(jī)器的典型頻譜圖 在進(jìn)行故障診斷時(shí)，既可以用傅里葉頻譜及其包絡(luò)線，又可以用功率譜密度函數(shù)；既可以用二維頻譜圖，又可以用三維瀑布圖。 2.2.

56、2 高階頻譜診斷法 功率譜分析是線性系統(tǒng)最基本的分析工具之一，也是故障診斷最有效的方法之一。但自功率譜分析卻丟失了相位信息，抗噪聲干擾的能力不強(qiáng)，在故障發(fā)生初期信號(hào)變化不大且信號(hào)中混有高斯噪聲時(shí)，利用功率譜分析就難以得到令人滿意的結(jié)果，而利用三階頻譜或高階頻譜進(jìn)行故障診斷現(xiàn)已引起人們的重視。 1.三階頻譜的定義和計(jì)算 對(duì)于平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程，其三階自相關(guān)函數(shù)為 （2-6） 三階自相關(guān)函數(shù)與三階頻譜是一種二重傅里葉變換對(duì)，還可以類似地定義三階互相關(guān)函數(shù)和三階互譜。 隨機(jī)信號(hào)的三階頻譜等于該信號(hào)的一維傅里葉變換的三次乘積的數(shù)學(xué)期望，即

57、 （2-7） 同理，系統(tǒng)的輸入與輸出之間的三階互譜也有類似的公式。信號(hào)的一維傅里葉變換可利用快速算法 FFT 完成，顯然，也應(yīng)滿足 Shannon 采樣定理，即。 2.三階頻譜的特點(diǎn)及應(yīng)用 （1）對(duì)于零均值平穩(wěn)的高斯過(guò)程，其三階矩恒等于零，三階頻譜也恒等于零，據(jù)此可檢驗(yàn)一個(gè)隨機(jī)過(guò)程是否為高斯過(guò)程。 （2）三階頻譜表示三個(gè)譜元之間的相關(guān)性。對(duì)于線性系統(tǒng)，若系統(tǒng)的輸入為高斯平穩(wěn)過(guò)程，系統(tǒng)的輸出也為高斯平穩(wěn)過(guò)程，三階頻譜恒等于零；當(dāng)系統(tǒng)為非線性系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)的輸出為非高斯平穩(wěn)過(guò)程，在某些頻率處會(huì)表現(xiàn)出較強(qiáng)的相關(guān)性，在坐標(biāo)下的三維圖形上出現(xiàn)較高的譜峰，這些譜峰

58、顯露出非線性系統(tǒng)本身的頻域特性，因此，三階頻譜分析為非線性輸出信號(hào)的頻譜分析及識(shí)別非線性系統(tǒng)提供了一個(gè)比較有效的方法。圖2-5 為柴油機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)與發(fā)生故障時(shí)，在氣缸蓋上檢測(cè)的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)的三階頻譜。由圖可見(jiàn)，兩個(gè)頻譜圖已清楚地表明了正常工作狀態(tài)與故障狀態(tài)的顯著差異，不等于零的三階頻譜保留了相位信息。 圖 2-5 柴油機(jī)的三階頻譜圖 （3）三階頻譜對(duì)高斯噪聲不敏感。設(shè)和分別表示非高斯隨機(jī)輸入和輸出，則輸出的三階頻譜能有效地抑制高斯噪聲，這是三階頻譜用于故障診斷的有利因素。 （4）三階頻譜對(duì)故障的敏感程度大。通過(guò)頻響函數(shù)的三階頻譜作為故障診斷的特征量是一種可行的方法。 2.3 時(shí)頻

59、分析法 時(shí)頻分析即時(shí)頻聯(lián)合域分析的簡(jiǎn)稱，作為分析時(shí)變非平穩(wěn)信號(hào)的有力工具，成為現(xiàn)代信號(hào)處理研究的一個(gè)熱點(diǎn)，它作為一種新興的信號(hào)處理方法，近年來(lái)受到越來(lái)越多的重視。時(shí)頻分析方法提供了時(shí)間域與頻率域的聯(lián)合分布信息，清楚地描述了信號(hào)頻率隨時(shí)間變化的關(guān)系。 時(shí)頻分析的基本思想是：設(shè)計(jì)時(shí)間和頻率的聯(lián)合函數(shù)，用它同時(shí)描述信號(hào)在不同時(shí)間和頻率的能量密度或強(qiáng)度。時(shí)間和頻率的這種聯(lián)合函數(shù)簡(jiǎn)稱為時(shí)頻分布。利用時(shí)頻分布來(lái)分析信號(hào)，能給出各個(gè)時(shí)刻的瞬時(shí)頻率及其幅值，并且能夠進(jìn)行時(shí)頻濾波和時(shí)變信號(hào)研究。 圖 2-6 時(shí)頻分析 時(shí)頻分析的主要方法有短時(shí)傅立葉變換和連續(xù)小波變換。 2.3.1 短時(shí)傅立葉變

60、換 短時(shí)傅立葉變換由于其算法簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)容易，所以在很長(zhǎng)一段時(shí)間里成為非平穩(wěn)信號(hào)分析標(biāo)準(zhǔn)和有力的工具，它己經(jīng)在故障診斷的信號(hào)分析和處理中得到了廣泛的應(yīng)用。 短時(shí)傅立葉變換的基本思想是用一個(gè)時(shí)間寬度足夠窄的固定的窗函數(shù)乘時(shí)間信號(hào)，使取出的信號(hào)可以被看成平穩(wěn)的，然后對(duì)取出的這一段信號(hào)分成許多小的時(shí)間隔，用傅立葉變換分析每一個(gè)時(shí)間間隔，以便確定該時(shí)間間隔存在的頻率，便可以反映出該時(shí)間寬度中的頻譜變化規(guī)律。如果讓這個(gè)固定的窗函數(shù)沿著時(shí)間軸移動(dòng)，那就可以得到信號(hào)頻譜隨時(shí)間變化的規(guī)律了。其表達(dá)式為： （2-8） 其中，為一窗口函數(shù)，它一般是一光滑

61、的低通函數(shù)，只在τ的附近有值，在其余處迅速衰減掉。這樣，我們便得到函數(shù)在時(shí)刻τ附近的頻率信息（即：頻率為ω的信號(hào)成分的相對(duì)含量）。隨著時(shí)間τ的變化，所確定的窗函數(shù)在時(shí)間軸上移動(dòng)，對(duì)逐漸進(jìn)行分析。 由此可見(jiàn)，短時(shí)傅立葉變換雖然在一定程度上克服了標(biāo)準(zhǔn)傅立葉變換不具有局部分析能力的缺陷，但它也存在著自身不可克服的缺陷，即當(dāng)窗口函數(shù)確定后，矩形窗口的形狀就確定了，τ、ω只能改變窗口在相平面上的位置，而不能改變窗口的形狀。 因此，短時(shí)傅立葉變換用來(lái)分析平穩(wěn)信號(hào)猶可，但對(duì)非平穩(wěn)信號(hào)，在信號(hào)波形變化劇烈的時(shí)刻，主頻是高頻，要求有較高的時(shí)間分辨率（即δ要?。?，而波形變化比較平緩的時(shí)刻，主頻是低頻，則要求有

62、較高的頻率分辨率（即ε要?。?。而短時(shí)傅立葉變換不能兼顧兩者。 2.3.2 連續(xù)小波變換 短時(shí)傅里葉變換在分析非平穩(wěn)性信號(hào)時(shí)表現(xiàn)出嚴(yán)重的不足。然而實(shí)際中的信號(hào)均包含大量的非平穩(wěn)成分。例如偏移、趨勢(shì)、突變等，它們往往反映了信號(hào)的重要特征。因此需要尋求一種同時(shí)具有時(shí)間分辨率和頻域分辨率的分析方法。小波變換繼承了短時(shí)傅里葉變換的思想，它的窗口大小不變，但窗口形狀可以改變，是一種時(shí)間窗和頻率窗都可改變的時(shí)頻分析方法。即在低頻部分具有較高的頻率分辨率和較低的時(shí)間分辨率，在高頻部分具有較高的時(shí)間分辨率和較低的頻率分辨率。因此在時(shí)頻域都具有很強(qiáng)的表征信號(hào)局部特征的能力。小波變換由于其良好的時(shí)頻特性，已廣

63、泛地應(yīng)用于齒輪、軸承等的故障診斷與監(jiān)測(cè)中。 將任意L2（R）空間中的函數(shù)f(t)在小波基下展開(kāi)，稱這種展開(kāi)為函數(shù)f(t)的連續(xù)小波變換（CWT）。其表達(dá)式為： （2-9） 其中： 從定義可以看出：小波變換和傅立葉變換一樣，也是一種變換，為小波變換系數(shù)。也可見(jiàn)其與傅立葉變換的區(qū)別，若小波滿足容許條件，則連續(xù)小波變換存在著逆變換。容許條件： 逆變換公式為： （2-10） 逆變換存在，必須滿足“容許條件”。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)基本小波的要求往往不局限于滿足容許條件，對(duì)還要施加所謂“正則性條件

64、”，使在頻域上表現(xiàn)出較好的局域性能。為了在頻域上有較好的局域性，要求隨a的減小而迅速減小，所以這就要求的前n階原點(diǎn)距為0，且n值越高越好。即：， 連續(xù)小波變換的性質(zhì)： （1）線性性: 一個(gè)多分量信號(hào)的連續(xù)小波變換等于各個(gè)分量的小波變換之和； （2）平移不變性:若f(t)的小波變換為，則f(t)的小波變換為； （3）伸縮共變性:若f(t)的小波變換為，則f(ct)的小波變換為； （4）自相似性:對(duì)應(yīng)不同尺度參數(shù)a和不同的平移參數(shù)b的連續(xù)小波變換之間是自相似的； （5）冗余性: 連續(xù)小波變換中存在信息表述的冗余。 連續(xù)小波變換的步驟： （1）選擇小波函數(shù)及其尺度a值； （2）從

65、信號(hào)的起始位置開(kāi)始，將小波函數(shù)和信號(hào)進(jìn)行比較，即計(jì)算小波系數(shù)； （3）沿時(shí)間軸移動(dòng)小波函數(shù)，即改變參數(shù)b，在新的位置計(jì)算小波系數(shù)，直至信號(hào)的終點(diǎn)； （4）改變尺度a值，重復(fù)（2）、（3）步。 連續(xù)小波變換是一種新的變換分析方法，它繼承和發(fā)展了短時(shí)傅立葉變換局部化的思想，同時(shí)又克服了窗口大小不隨頻率變化等缺點(diǎn)，能夠提供一個(gè)隨頻率改變的“時(shí)間-頻率”窗口，是進(jìn)行信號(hào)時(shí)頻分析和處理的理想工具。它的主要特點(diǎn)是通過(guò)變換能夠充分突出問(wèn)題某些方面的特征，因此，小波變換在許多領(lǐng)域都得到了成功的應(yīng)用，特別是小波變換的離散數(shù)字算法已被廣泛用于許多問(wèn)題的變換研究中。從此，小波變換越來(lái)越引起人們的重視，其應(yīng)用領(lǐng)

66、域來(lái)越來(lái)越廣泛。 2.4 共振解調(diào)技術(shù) 2.4.1 共振解調(diào)技術(shù)原理簡(jiǎn)介 共振解調(diào)技術(shù)是從振動(dòng)監(jiān)測(cè)——分析技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新技術(shù)，傳統(tǒng)的振動(dòng)分析技術(shù)途徑是直接分析機(jī)器振動(dòng)沖擊信號(hào)尋找故障，因而進(jìn)展艱難。因?yàn)楣收闲盘?hào)總是被強(qiáng)大的“轉(zhuǎn)子不平衡振動(dòng)的多階頻譜”、“齒輪嚙合振動(dòng)的頻譜”等常規(guī)振動(dòng)信號(hào)掩蓋而不能成功。共振解調(diào)技術(shù)不是直接分析振動(dòng)信號(hào)的頻譜，而是設(shè)置一個(gè)諧振頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)振動(dòng)頻率的“共振器”，去吸收和重新分配振動(dòng)沖擊信號(hào)的能量；常規(guī)的、不危害機(jī)器安全的振動(dòng)是柔和的，不含有“共振器”頻帶所能吸收的能量，共振器沒(méi)有與之相關(guān)的輸出；而故障沖擊不論多么小，也含有比低頻振動(dòng)豐富得多的高頻能量，其沖擊能夠激發(fā)共振器發(fā)生共振。通過(guò)解調(diào)即可復(fù)現(xiàn)原始的、清晰的故障信號(hào)，準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)故障處所和部件。 2.4.2 共振解調(diào)技術(shù)基本原理 常規(guī)振動(dòng)分析技術(shù)和若干新發(fā)展起來(lái)的分析技術(shù)都不能有效地識(shí)別軸承、齒輪、踏面的初期故障，更不能在車載條件下有效地運(yùn)用。其原因何在？共振解調(diào)技術(shù)是怎樣工作的？ 圖2-6 振動(dòng)信號(hào)直接分析與共振解調(diào)分析的對(duì)比 如圖2-6中A所示，即使是工作條件良好的地