深度國產(chǎn)化HXD1型機車走行部故障診斷與監(jiān)測技術(shù)的研究

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1、 國內(nèi)圖書分類號： 密級： 國際圖書分類號： 研 究 生 學(xué) 位 論 文 深度國產(chǎn)化HXD1型機車走行部故障診斷與監(jiān)測技術(shù)的研究 年 級 申請學(xué)位級別 工程碩士 專 業(yè) 車輛工程 Classified Index:（此處填國內(nèi)圖書分類號） U.D.C

2、:（此處填國際圖書分類號） 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 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)校保留并向國家有關(guān)部門或機構(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)庫進行檢索，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； 2．不保密□，使用本授權(quán)書。 （請在以上方框內(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 碩士學(xué)位論文主要工作（貢獻）聲明 本人在學(xué)位論文中所做的主要工作或貢獻如下： 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是在導(dǎo)師指導(dǎo)下獨立進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、個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文的研究做出貢獻的個人和集體，均已在文中作了明確說明。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 機車走行部是機車最重要的組成部分之一，一旦機車走行部發(fā)生故障，就很可能危及行車安全。因此必須對其進行故障診斷與實時監(jiān)測。目前的機械故障診斷方法大都以振動理論為基礎(chǔ)，振動信號處理技術(shù)是故障

5、診斷中最有效、最常用的方法。機車走行部車載監(jiān)測裝置是根據(jù)機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，開發(fā)的機車走行部故障診斷系統(tǒng)，是專門為保證鐵路機車安全運行而研制的在線車載動態(tài)監(jiān)測預(yù)警裝置?？蓪C車軸箱、電機、空心軸工作溫度及車輪、軸系、齒輪故障沖擊信息在線監(jiān)測并自動診斷，提醒乘務(wù)員及時采取措施，確保機車運行安全。本文對機械故障的診斷方法、機車走行部故障診斷與監(jiān)測技術(shù)作了研究，比較分析了目前使用的機車走行部車載監(jiān)測裝置存在的優(yōu)缺點，結(jié)合深度國產(chǎn)化HXD1型機車走行部結(jié)構(gòu)特點，提出深度國產(chǎn)化HXD1型機車走行部故障診斷與監(jiān)測裝置的使用建議。同時提出利用機車頂

6、輪檢測，對機車走行部故障診斷形成的有效補充，通過不斷的積累經(jīng)驗，提高數(shù)據(jù)分析和故障判斷、處理的能力，探索調(diào)整門限值6A系統(tǒng)故障診斷與監(jiān)測的門限值，使裝置更有效地為機車走行部的安全運行和狀態(tài)檢修發(fā)揮作用。 關(guān)鍵詞 機車；走行部；故障診斷；監(jiān)測；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 問題的提出 ……………………………………………………………………………………………….. 1.2 機車

14、走行部的構(gòu)成………………………………………………………………………………………. 1.3 故障診斷與監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢 ………………………………………………….. 1.4 機車故障診斷與監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢…………………………………………….. 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)測技術(shù)………………………………………………………………………………... 2.1 時域分析法…………………………………………………………………………………………………….. 2.1.1 故障診斷特征量示性指標(biāo)

15、……………………………………………………………………………. 2.1.2 時域故障診斷的概率分析法………………………………………………………………………… 2.1.3 時域同步平均法…………………………………………………………………………………………. 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 時頻分析法…………

16、…………………………………………………………………………………………… 2.3.1 短時傅立葉變換……………………………………………………………………………………….... 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)原理簡介………………………………………………………………………………… 2.4.2 共振解調(diào)技術(shù)基本原理………………………………………………………………………………… 第3章 機車

17、走行部監(jiān)測與故障診斷技術(shù)…………………………………………………………………….. 3.1 齒輪的監(jiān)測與故障診斷技術(shù)………………………………………......................................... 3.1.1 齒輪失效的基本形式…………………………………………………………………………………….. 3.1.2 齒輪的振動信號特征…………………………………………………………………………………….. 3.1.3 齒輪的振動監(jiān)測及振動信號分析……………………………………………………………………. 3.1.4 齒輪故障的時域診斷分析………………………………

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

19、 輪對踏面的監(jiān)測和故障診斷………………………………………………………………………………. 3.3.1 輪對故障的基本形式……………………………………………………………………………………….. 3.3.2 機車輪對故障診斷與在線監(jiān)測系統(tǒng)……………………………………………………………………. 第4章 機車走行部車載監(jiān)測裝置概述………………………………………………………………………….. 4.1 JK00430型機車走行部車載監(jiān)測裝置（JK11430 裝置）………............................. 4.1.1 JK00430 裝置簡介…………………………

20、………………………………………………………………. 4.1.2 JK00430裝置技術(shù)特點…………………………………………………………………………………… 4.2 JK11430 機車走行部車載監(jiān)測裝置（JK11430 裝置）……………………………………. 4.2.1 JK11430 裝置簡介………………………………………………………………………………………….. 4.2.2 JK11430裝置技術(shù)特點…………………………………………………………………………………….. 4.3 YZB-1型機車熔斷式軸溫報警裝置（YZB-1裝置）………………................

21、............... 4.3.1 YZB-1裝置簡介………………………………………………………………………………………………. 4.3.2 YZB-1裝置技術(shù)特點………………………………………………………………………………………… 4.4 機車車載安全防護系統(tǒng)（6A系統(tǒng)）…………………………………………………………………….. 4.4.1 6A 系統(tǒng)簡介…………………………………………………………………………………………………… 4.4.2 走行部故障監(jiān)測子系統(tǒng)簡介……………………………………………………………………………… 4.4.3 6A 系統(tǒng)技術(shù)特點……

22、……………………………………………………………………………………… 4.5 機車走行部車載監(jiān)測裝置比較與分析……………………………………………………………… 結(jié)論………………………………………………………………………………………………………………………………….. 致謝………………………………………………………………………………………………………………………………….. 參考文獻 ……………………………………………………………………………………………………………………….. 第1章 緒論 1.1 問題的提出 近幾年來，中國鐵路建設(shè)取得了舉世矚目的成就。我國自主開發(fā)的CR

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

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

25、對機車走行部故障的研究非常重視。 機車走行部車載監(jiān)測裝置較具代表性的是JK00430型機車走行部車載監(jiān)測裝置。目前廣泛運用與我國直流傳動內(nèi)燃、電力機車，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)，針對機車走行部故障診斷的需求，結(jié)合多學(xué)科的研究，開發(fā)的機車走行部故障診斷系統(tǒng)，是專門為保證鐵路機車安全運行而研制的在線車載動態(tài)監(jiān)測預(yù)警裝置?？蓪C車軸箱、電機、空心軸工作溫度及車輪、軸系、齒輪故障沖擊信息在線監(jiān)測并自動診斷，提醒乘務(wù)員及時采取措施，確保列車運行安全。 深度國產(chǎn)化HXD1型電力機車是在HXD1型八軸電力機車的基礎(chǔ)上，機車整體性能與HXD1型

26、八軸電力機車25t軸重條件下的性能保持一致，機械間設(shè)備布置和機車整體尺寸也基本保持一致的情況下，僅對機車的牽引變流系統(tǒng)和微機控制系統(tǒng)進行深度國產(chǎn)化產(chǎn)品的等同替代工作和機車性能的技術(shù)提升工作。2013年1月，武漢鐵路局襄陽機務(wù)段配屬30臺裝用自主研發(fā)牽引變流器和網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的HXD1型電力機車，這是該型機車國產(chǎn)化后的首次大批量運用，因此，探索和研究該型機車的機車走行部故障診斷與監(jiān)測技術(shù)，預(yù)防走行部安全是很有必要的。 1.2 機車走行部的構(gòu)成 機車走行部一般多采用轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)形式，由于機車的用途、運行條件、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。機車轉(zhuǎn)向架主要由輪對、驅(qū)動裝置、

27、彈簧懸掛裝置、構(gòu)架、牽引裝置和基礎(chǔ)制動裝置等組成。機車走行部結(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)向架的各個部件聯(lián)系在一起構(gòu)成一個整體。車體的重量通過構(gòu)架兩側(cè)的鋼彈簧或橡膠堆傳遞到構(gòu)架上，再由構(gòu)架傳到輪對軸箱，然后通過輪對作用于鋼軌；而牽引力由牽引電機、驅(qū)動裝置通過輪軌粘著而產(chǎn)生，制動力一般由制動裝置通過輪軌粘著而產(chǎn)生，牽引、制動力經(jīng)由輪對軸箱傳遞到構(gòu)架，再通過牽引裝置傳遞到車體；各種振動載荷主要由輪軌激擾產(chǎn)生，部分振動載荷為鉤緩傳遞的列車振動研究側(cè)風(fēng)載荷等；上述振動載荷沿牽引、制動力或重量

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

29、主要作用是：使?fàn)恳姍C的扭矩轉(zhuǎn)化為輪對或車輪上的轉(zhuǎn)矩，利用輪軌間的粘著作用產(chǎn)生牽引力，驅(qū)動機車沿鋼軌運行。貨運機車驅(qū)動裝置一般采用滾動抱軸半懸掛方式，一側(cè)通過抱軸承箱和抱軸承與車軸聯(lián)結(jié)，另一側(cè)采用１個電機吊桿懸掛于構(gòu)架上。電機吊桿上安裝有橡膠彈性元件，可實現(xiàn)輪對與構(gòu)架之間相對位移，隔離輪對通過牽引電機傳遞到構(gòu)架的振動和沖擊。 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)動扭矩或制動扭矩的關(guān)鍵部件。齒輪裝置的作用是將主電動機的扭轉(zhuǎn)力矩傳遞到車軸，或是將車軸的轉(zhuǎn)矩傳遞給發(fā)電機。 5.深度國產(chǎn)化HXD1型電力機車走行部結(jié)構(gòu)。深度國產(chǎn)化HXD1型電力機車

30、是八軸機車，軸式為2（Bo- Bo），為鐵路干線用機車。2012年6月，南車株洲電力機車有限公司完成2臺車的生產(chǎn)工作，并完成機車在北京環(huán)形鐵道進行的型式試驗項點。轉(zhuǎn)向架主要由構(gòu)架、輪對、驅(qū)動單元、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）、制動裝置和轉(zhuǎn)向架附屬裝置等組成。輪對驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，牽引電機采用抱軸式半懸掛，由輪對、軸箱、牽引電機、齒輪箱、抱軸等主要零部件組成。牽引電動機為交流異步電動機，額定功率1225kW。 1.3 故障診斷方法的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢 故障診斷學(xué)是識別機器或機組運行狀態(tài)的科學(xué)，它研究的是機器或機組運行狀態(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，機械設(shè)備精密程度、復(fù)雜程度及自動化程度不斷提高，憑個人的感觀經(jīng)驗進行診斷己經(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)、計算機技術(shù)、模式識別、人工智能等多種綜合技術(shù)發(fā)展起來的一門多學(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，使人們意識到故障診斷與監(jiān)測技術(shù)的重要性。60年代以來，由于半導(dǎo)體的發(fā)展，集成電路的出現(xiàn)，電子技術(shù)、計算機技術(shù)的更新?lián)Q代，特別是1965 年FFT方法獲得突破性進展后出現(xiàn)了數(shù)字信號處理和分析技術(shù)的新分支，為故障診斷和監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展奠定了重要的技術(shù)基礎(chǔ)

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

33、頻域特征，可以很好的描述故障特征的全貌，常用的時頻分析方法有短時傅立葉變換、小波變換、小波包分析等。 4.智能診斷。計算機人工智能與診斷理論相結(jié)合形成了具有信息時代特色的智能診斷。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)是基于知識的專家系統(tǒng)和基于網(wǎng)絡(luò)的智能診斷系統(tǒng)?；谥R的專家系統(tǒng)的特點是以知識工程(知識庫)為基礎(chǔ)，在串行運行的格式中模擬人腦的邏輯思維，實現(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)模并行運算格式中模擬人腦的物理結(jié)構(gòu)。 近幾年來，通信技術(shù)、電子技術(shù)、計算機技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)的飛速發(fā)展為滾動軸承故障診斷的發(fā)展提供了強大的支持。從目前

34、的研究資料來看，故障診斷的發(fā)展方向和發(fā)展趨勢如下: 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)的一個重要的研究方向。將多種不同的智能技術(shù)結(jié)合起來的混合診斷系統(tǒng)，是智能故障診斷研究的一個發(fā)展趨勢。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。集成知識庫中的各種診斷知識，結(jié)合數(shù)據(jù)庫中的各種故障數(shù)據(jù)，按照不同的故障情況進行綜合分析、判斷，定位故障點。主要對狀態(tài)監(jiān)測所得到的信息進行融合，然后結(jié)合層次診斷模型，按照深淺結(jié)合的推理層次進行診斷。它進一步把狀態(tài)監(jiān)測中的信號監(jiān)測處理集成到診斷系統(tǒng)

35、中，進行在線數(shù)據(jù)處理與在線診斷推理，實現(xiàn)非實時診斷到實時診斷的轉(zhuǎn)變，也實現(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)與計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，用若千臺中心計算機作為服務(wù)器，在企業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備上建立狀態(tài)監(jiān)測點，采集設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù);在技術(shù)力量較強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)作診斷的特點是測試數(shù)據(jù)、分析方法和診斷知識的網(wǎng)絡(luò)共享，因此必須使傳統(tǒng)診斷技術(shù)的核心部分(即信號采集、信號分析和診斷專家系統(tǒng))能夠在網(wǎng)絡(luò)上遠(yuǎn)程運行。 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)進一步結(jié)合，達(dá)到集監(jiān)測、診斷、控制、管理于一身.它由單機診斷發(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)進一步對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用到實際的生成中，同時加強對便攜式診斷和監(jiān)測工具的研究，致力于建立簡單的故障診斷平臺，建立更人性化的人機工作環(huán)境，提高診斷的效率，提高人們的設(shè)備管理意識，促進故障診斷技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。 1.4 機車故障診斷與監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢 作為保障機車運行安全的基本措施之一

37、，機車故障診斷與監(jiān)測技術(shù)可以對早期故障做出預(yù)報，提出對策或建議，發(fā)揮了極大的作用。上世紀(jì) 80年代以來, 隨著現(xiàn)代測試技術(shù)、計算機技術(shù)和信號處理技術(shù)的迅速發(fā)展，機車故障診斷和監(jiān)測技術(shù)也得到了很大的發(fā)展，各國鐵路都在積極地開展工作，故障診斷和監(jiān)測技術(shù)在機車中的應(yīng)用越來越廣泛。 1.1965年美國Servo公司推出了第一套安裝在道旁的紅外熱軸探測系統(tǒng)，將軸承溫度信號記錄在記錄紙上，由有經(jīng)驗的人員來辨別軸溫情況。現(xiàn)在軸溫探測普遍采用了計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可自動測量軸承溫度，自動定位和預(yù)報軸承故障，因此得到了廣泛的應(yīng)用。近年來，GM公司電力驅(qū)動分部（EMD）又開發(fā)了基于商業(yè)無線通訊網(wǎng)絡(luò)的機車遠(yuǎn)程檢測診

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

39、也做了大量的工作，開發(fā)了機車車載檢測裝置及基于無線通訊網(wǎng)絡(luò)的機車遠(yuǎn)程檢測診斷系統(tǒng)，提高了機車?yán)寐省? 2.德國鐵路從1975年開始研究故障診斷技術(shù)，1980年左右隨著微電子技術(shù)引入機車，診斷技術(shù)也受到了重視，現(xiàn)在它已經(jīng)成為機車運營和維修的重要輔助工具。ICE1高速機車裝設(shè)了計算機輔助故障管理系統(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 多個由計算機控制的分系統(tǒng)，控制計算機同時承擔(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，在車輛及機車級上集中和顯示，節(jié)省了分系統(tǒng)的顯示裝置。診斷任務(wù)包括故障通報、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、存儲履歷、集中查詢、補救程序、接受人工輸入故障、測試運行、顯示過程值、統(tǒng)計數(shù)據(jù)等。ICE2有很多與ICE1相似之處，但在轉(zhuǎn)換器、存儲器、故障輸入、供電裝置等方面做了較大改進。ICE3和ICE-T機車采用了新一代基于機車通訊網(wǎng)絡(luò) （TCN）檢測和控制系統(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、機車長/運轉(zhuǎn)車長和隨車技術(shù)人員，也可以直接通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)交亍? 歐洲鐵路以高速客運為主，主要發(fā)展了車載檢測診斷技術(shù)，機車上的控制計算機同時具備診斷功能，可對多種機車部件或子系統(tǒng)進行診斷。其發(fā)展趨勢是網(wǎng)絡(luò)化，應(yīng)用

41、各種現(xiàn)場總線技術(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年代修建并開通了第一條新干線高速鐵路，率先開始了高速化進程。為保證安全和降低維修成本，很早就開展了機車、車輛和動車組的故障診斷研究，如利用通用儀器進行了振動和鐵譜分析技術(shù)的應(yīng)用研究，特別是通過測量和分析電力機車上一些旋轉(zhuǎn)機械的振動加速度O/A 值，對判斷標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定做了探討。為提高高速機車運行的安全性和舒適性，研究開發(fā)了車載檢測診斷系統(tǒng)，比如在200系新干線高速電動車組上裝設(shè)了儀器，可同時檢測8個被測部位的垂向和橫向振動，并根據(jù)有關(guān)舒適性指標(biāo)對機車運行狀態(tài)進行判斷，推測不良部位，以實現(xiàn)有效

42、的檢修，數(shù)據(jù)可顯示和打印輸出。700系動車組采用了智能化檢測系統(tǒng)，可對主要電氣裝置的動作和控制狀態(tài)進行直接檢測，并可傳送到操縱臺的中央檢測裝置，還可以為維修提供數(shù)據(jù)，簡化維修作業(yè)。 日本鐵路也是以高速為主，但與歐洲不同的是除開發(fā)車載檢測裝置外還開發(fā)了很多面向機車檢修方面的儀器和裝備，應(yīng)用在檢修基地。研究、開發(fā)工作的有組織進行，診斷技術(shù)研究會 (聯(lián)絡(luò)會)起了很大的作用,，診斷方法、種類呈現(xiàn)多樣性，包括振動、電氣、油液分析等，現(xiàn)場應(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，包括全蘇鐵路運輸科學(xué)院、高等院校、鐵路局和機務(wù)段在內(nèi)的許多單位和部門都投入了力量，在電氣、軸承、柴油機

43、、輪對等很多方面開展了診斷技術(shù)的研究、開發(fā)和應(yīng)用工作。 俄羅斯鐵路在電氣、軸承、柴油機、輪對等很多方面開展了診斷工作，采用各種方法與計算機技術(shù)結(jié)合開發(fā)了多種儀器，并在機務(wù)段和車輛段進行了推廣應(yīng)用，取得了較好的效果。在高速動車組上，利用控制計算機進行某些部件的診斷，以保證機車的運行安全。 5.我國鐵路自20世紀(jì)80年代起，積極開展了診斷技術(shù)在機車上的應(yīng)用工作，進行了內(nèi)容廣泛的診斷技術(shù)研究、開發(fā)和應(yīng)用，技術(shù)上取得了很大進展并獲得了明顯的經(jīng)濟效益。所采用的故障診斷方法主要有溫度探測、光鐵譜分析、電氣參數(shù)檢測、動態(tài)壓力檢測及振動診斷等，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年代初開發(fā)的機車軸承診斷儀，可提取峭度系數(shù)、均方根值等多個特征參數(shù)，并具有共振解調(diào)分析功能。隨后開發(fā)的機車軸承動態(tài)檢測系統(tǒng)采用了多參數(shù)灰色關(guān)聯(lián)分析方法，用于中修機務(wù)段和軸承廠，對單件軸承的動態(tài)品質(zhì)進行檢測和自動判別，保證良好的軸承才能裝車使用。機車走行部頂輪診斷系統(tǒng)，可用于各機務(wù)段在機車不解體條件下，診斷機車的軸箱軸承、牽引電機軸承、抱軸承、空心軸軸承及牽引齒輪等的狀態(tài)，保障運用機車走行部的安全。為提高貨車的運行安全、減少不必要的拆卸，開發(fā)了貨車軸承診斷系統(tǒng)，安裝在車輛段輪對檢修流水線上，對未到期的軸承進行診斷。該系統(tǒng)經(jīng)多次改進已成為機

45、電一體化裝備，軸承故障可自動識別，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，并進行了大量的現(xiàn)場實踐和技術(shù)推廣，基本解決了機車旋轉(zhuǎn)機械部件的故障診斷問題，促進了故障診斷技術(shù)在機車上的應(yīng)用和發(fā)展。特別是在機車軸承診斷方面，不僅做了大量的技術(shù)開發(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)中修機務(wù)段都建立了機車軸承檢測站，有些機務(wù)段還對傳統(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)機車入段維修前的測試診斷，提出修理、更換內(nèi)容，并進行維修后的檢驗，后者根據(jù)診斷結(jié)果進行有針對性的修理或更換，對未達(dá)到質(zhì)

46、量要求的部分進行返工修復(fù)。這樣，既保證了機車的檢修質(zhì)量和運行安全，又節(jié)約了維修成本，經(jīng)濟和社會效益十分顯著。 中國鐵路在鐵譜、電氣性能、振動等方面進行了廣泛的應(yīng)用研究和開發(fā)，研制的儀器、裝備已在全鐵路范圍內(nèi)獲得了應(yīng)用，正在改變著機車檢修模式。同時也開發(fā)了一些車載檢測診斷裝置，對機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) 本文通過對故障的振動診斷方法、機車走行部監(jiān)測與故障診斷技術(shù)的研究，比較分析目前使用的機車走行部車載監(jiān)測裝置，探討各機車走行部車載監(jiān)測裝置存在的優(yōu)缺點，結(jié)合深度國產(chǎn)化HXD1型機車走行部結(jié)構(gòu)特點，提出深度國產(chǎn)化HXD1型機車走行部車載監(jiān)測裝置使用的建議，

47、使機車走行部車載監(jiān)測裝置更為準(zhǔn)確可靠，實現(xiàn)對機車走行部質(zhì)量安全可靠性的分析判斷。  第二章 故障的診斷與監(jiān)測技術(shù) 2.1時域分析法 直接對振動時域信號進行分析和評估是故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測最簡單和最直接的方法，特別是當(dāng)信號中含有簡單諧振信號、周期信號或短脈沖信號時更為有效。直接觀察時域波形可以看出周期、諧波、脈沖，利用波形分析可直接識別共振現(xiàn)象和拍頻現(xiàn)象。當(dāng)然這種分析對比較典型的信號或特別明顯的信號以及較有經(jīng)驗的人員才比較適用。此外還可利用各種示性指標(biāo)來進行診斷。 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)中某特征點的振動響應(yīng)； T —— 采樣時間； ——的概率密度函數(shù)。 1.在旋轉(zhuǎn)機械振動監(jiān)測和故障診斷中，對于波形復(fù)雜的振動信號，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大小的特征量，稱為振動的“通頻幅值”。峰-峰值的提取十分方便。 2.利用系統(tǒng)中某些特征點振動響應(yīng)的均方根幅值作為故障診斷的判斷依據(jù)是最簡單、最常用的一種方法。均方根值診斷法多適用于穩(wěn)態(tài)振動的情況，當(dāng)機器振動不平穩(wěn)、振動響應(yīng)隨時間變化時，可用振幅-時間圖診斷法，該方法在研究系統(tǒng)的過渡過程(開機和停機)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)不對稱性程度的度量。比值或稱為峰態(tài)因數(shù)（簡稱峰態(tài)），是概率密度分布峭度程度的度量。對于正態(tài)分布來說，其偏態(tài)等于零，對于一般的實際信號來說，偏態(tài)也接近于零。高階偶次矩對信號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折中特征量，它可以用于滾動軸承的故障診斷。例如，軸承圈出現(xiàn)裂紋，滾動元件或滾珠軸承邊緣剝裂等，在時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；但用于滑動軸承的故障診斷就不靈敏了。 4.當(dāng)時間信號中包含的信息不是來自一個零件或部件，而是屬于多個元件時，例如，在多級齒輪的振動信號

50、中往往包含有來自高速齒輪、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量綱示性指標(biāo)進行故障診斷或趨勢分析： （2-2） 在選擇上述示性指標(biāo)時，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中示出了一個軸承外圈在工作了 21 小時后出現(xiàn)損傷，其峰態(tài)因數(shù)和峰值因數(shù)的變化趨勢。由圖可見，當(dāng)軸承正常工作時，兩者都接近于3，當(dāng)出現(xiàn)損傷時，峰態(tài)因數(shù)的變化趨勢非常明顯，其值可達(dá) 13，這是因為信號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、圈損傷時峰態(tài)因數(shù)和峰值因數(shù)的比較 2.1.2 時域故障診斷的概率分析法 對于各種狀態(tài)歷經(jīng)的隨機過程，可用其時間歷程的概率分布來描述。圖 2-2 所示為某一信號的時間歷程及其概率密度函數(shù)，可由下列關(guān)系式計算： （2-3） 式中，是在總的觀測時間 T 中信號位于區(qū)間內(nèi)的所有時間之和。 圖2-2 信號及其概率密度函數(shù) 2.1.3 時域同步平均法 時域同步平均法是從混有噪聲干擾的信號中提取周期性分量的有效方法，也稱相干檢波法。 我們知道，一個隨機信號的時域平均起著濾波的作用，當(dāng)平均次數(shù) N 無窮大(或相當(dāng)大)時可得信號的直流分量，即平均值。

52、當(dāng)隨機信號中包含有確定性的周期信號時，如果截取信號的采樣時間等于周期性信號的周期 T，將所截得的信號疊加平均，就能將該周期信號從隨機信號、非周期信號以及與指定周期 T 不一致的其他周期信號中分離出來，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的信噪比，即使該周期信號較弱也可以分離出來，這是頻譜分析法所不及的，這就是時域同步平均法的基本思路。如果事先不知道周期信號的周期，可通過相關(guān)分析來確定信號的周期。對于旋轉(zhuǎn)機械，截取的周期應(yīng)和機器運行的轉(zhuǎn)動周期同步起來，例如轉(zhuǎn)一圈采一幀(或整轉(zhuǎn)幾圈采一幀)，如此循環(huán)采集若干幀信號進行平均即可。 假設(shè)觀測得到的信號為

53、 （2-4） 式中 ——欲提取的周期信號，其周期為 T，頻率為 f＝1 / T，角頻率； ——噪聲信號。 可以證明，時域信號的平均相當(dāng)于在頻域上設(shè)置一個頻域窗函數(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為 （2-5） 圖 2-3 示出了某一信號經(jīng)不同平均次數(shù)后的時域波形。 圖2-3 用時域平均法提取周期信號 2.2頻域分析法 通過振動信號的頻譜分析揭示振動過程的頻率結(jié)構(gòu)

54、，是進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 利用頻譜分析進行故障診斷越來越得到廣泛的應(yīng)用。最初是靠熟練技師進行人工的定性分析，以后研制了各種便攜式的頻譜分析儀，目前頻譜分析已進入微機化和智能化階段。 不同的機械設(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)場實測資料，并做一定的分析對比實驗，經(jīng)統(tǒng)計分析后就可利用頻譜進行振動診斷。在很多機械中已給定了進行診斷維護的標(biāo)準(zhǔn)頻譜圖。如圖 2-4所示，圖中曲線 1 是在一定條件下機器在某給定點上響應(yīng)的頻譜維護極限

55、，即機器振動頻譜值超過曲線 l 就應(yīng)停機維修；曲線 2 和曲線 3 分別表示機器運行在良好狀態(tài)和正常狀態(tài)下的頻譜包絡(luò)線。維護極限和良好狀態(tài)曲線形成一定寬度的譜標(biāo)，它是根據(jù)機器振動的基本統(tǒng)計特征，并考慮一定的許用極限形成的，把觀測到的頻譜和這一譜標(biāo)進行有規(guī)則地比較就會判斷系統(tǒng)的故障。對于轉(zhuǎn)速變化很大的信號，常采用寬帶譜標(biāo)；對于轉(zhuǎn)速只有較小浮動的信號，常采用窄帶譜標(biāo)。為了補償轉(zhuǎn)速的變化，可用等百分比帶寬分析代替等帶寬分析來獲得頻譜圖。 圖 2-4 某機器的典型頻譜圖 在進行故障診斷時，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，在故障發(fā)生初期信號變化不大且信號中混有高斯噪聲時，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算 對于平穩(wěn)隨機過程，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，還可以類似地定義三階互相關(guān)函數(shù)和三階互譜。 隨機信號的三階頻譜等于該信號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。 2.三階頻譜的特點及應(yīng)用 （1）對于零均值平穩(wěn)的高斯過程，其三階矩恒等于零，三階頻譜也恒等于零，據(jù)此可檢驗一個隨機過程是否為高斯過程。 （2）三階頻譜表示三個譜元之間的相關(guān)性。對于線性系統(tǒng)，若系統(tǒng)的輸入為高斯平穩(wěn)過程，系統(tǒng)的輸出也為高斯平穩(wěn)過程，三階頻譜恒等于零；當(dāng)系統(tǒng)為非線性系統(tǒng)時，系統(tǒng)的輸出為非高斯平穩(wěn)過程，在某些頻率處會表現(xiàn)出較強的相關(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的頻譜分析及識別非線性系統(tǒng)提供了一個比較有效的方法。圖2-5 為柴油機正常運轉(zhuǎn)與發(fā)生故障時，在氣缸蓋上檢測的振動響應(yīng)信號的三階頻譜。由圖可見，兩個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 柴油機的三階頻譜圖 （3）三階頻譜對高斯噪聲不敏感。設(shè)和分別表示非高斯隨機輸入和輸出，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）三階頻譜對故障的敏感程度大。通過頻響函數(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 時頻

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

60、換 短時傅立葉變換由于其算法簡單，實現(xiàn)容易，所以在很長一段時間里成為非平穩(wěn)信號分析標(biāo)準(zhǔn)和有力的工具，它己經(jīng)在故障診斷的信號分析和處理中得到了廣泛的應(yīng)用。 短時傅立葉變換的基本思想是用一個時間寬度足夠窄的固定的窗函數(shù)乘時間信號，使取出的信號可以被看成平穩(wěn)的，然后對取出的這一段信號分成許多小的時間隔，用傅立葉變換分析每一個時間間隔，以便確定該時間間隔存在的頻率，便可以反映出該時間寬度中的頻譜變化規(guī)律。如果讓這個固定的窗函數(shù)沿著時間軸移動，那就可以得到信號頻譜隨時間變化的規(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)在時刻τ附近的頻率信息（即：頻率為ω的信號成分的相對含量）。隨著時間τ的變化，所確定的窗函數(shù)在時間軸上移動，對逐漸進行分析。 由此可見，短時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，短時傅立葉變換用來分析平穩(wěn)信號猶可，但對非平穩(wěn)信號，在信號波形變化劇烈的時刻，主頻是高頻，要求有較高的時間分辨率（即δ要?。ㄐ巫兓容^平緩的時刻，主頻是低頻，則要求有

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

63、泛地應(yīng)用于齒輪、軸承等的故障診斷與監(jiān)測中。 將任意L2（R）空間中的函數(shù)f(t)在小波基下展開，稱這種展開為函數(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”。在實際應(yīng)用中，對基本小波的要求往往不局限于滿足容許條件，對還要施加所謂“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: 一個多分量信號的連續(xù)小波變換等于各個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、信號的起始位置開始，將小波函數(shù)和信號進行比較，即計算小波系數(shù)； （3）沿時間軸移動小波函數(shù)，即改變參數(shù)b，在新的位置計算小波系數(shù)，直至信號的終點； （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)展了短時傅立葉變換局部化的思想，同時又克服了窗口大小不隨頻率變化等缺點，能夠提供一個隨頻率改變的“時間-頻率”窗口，是進行信號時頻分析和處理的理想工具。它的主要特點是通過變換能夠充分突出問題某些方面的特征，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題的變換研究中。從此，小波變換越來越引起人們的重視，其應(yīng)用領(lǐng)

66、域來越來越廣泛。 2.4 共振解調(diào)技術(shù) 2.4.1 共振解調(diào)技術(shù)原理簡介 共振解調(diào)技術(shù)是從振動監(jiān)測——分析技術(shù)發(fā)展起來的一門新技術(shù)，傳統(tǒng)的振動分析技術(shù)途徑是直接分析機器振動沖擊信號尋找故障，因而進展艱難。因為故障信號總是被強大的“轉(zhuǎn)子不平衡振動的多階頻譜”、“齒輪嚙合振動的頻譜”等常規(guī)振動信號掩蓋而不能成功。共振解調(diào)技術(shù)不是直接分析振動信號的頻譜，而是設(shè)置一個諧振頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)振動頻率的“共振器”，去吸收和重新分配振動沖擊信號的能量；常規(guī)的、不危害機器安全的振動是柔和的，不含有“共振器”頻帶所能吸收的能量，共振器沒有與之相關(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。通過解調(diào)即可復(fù)現(xiàn)原始的、清晰的故障信號，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)振動分析技術(shù)和若干新發(fā)展起來的分析技術(shù)都不能有效地識別軸承、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 振動信號直接分析與共振解調(diào)分析的對比 如圖2-6中A所示，即使是工作條件良好的地