一种列车故障在线监测方法及系统与流程

1.本发明涉及列车安全监测技术领域，特别涉及一种用于区分列车机械故障或电气故障的在线监测方法及系统。


背景技术：

2.轨道交通包括铁路、地铁、有轨电车等都是我国的重要基础设施，是交通运输体系的骨干，在交通运输过程中发挥着重要作用任务。而随着越来越多的轨道交通的开通，轨道交通的安全性能也越来越受到人们的重视和关注，为了保证轨道交通的安全，能够对列车行驶时的故障进行在线检测以预防故障发生就变的尤为重要。
3.列车故障主要分为电气故障和机械故障两部分，引起故障的因素往往是多方面的，比如对于有些外在表现为机械性能方面的故障有时可能是因为电气故障引起的，而现在所能做到的往往也只是“头痛医头脚痛医脚”，当轨道交通的机械性能方面出现故障时，只是针对出现故障的机械部件进行维修，然而这种方式并不能起到“治本”的效果。目前所有的轨道列车监测装置尚无法有效区分是因为电气原因还是机械原因导致故障的发生，这就给列车的正确维修和保养造成了很大的困难，很难真正做到对症下药，这样就给列车运行带来安全隐患，因此亟需设计一种可以有效区分列车电气故障和机械故障的在线监测系统及监测方法。


技术实现要素：

4.为克服上述现有技术中的不足，本发明的目的在于开发一种能够精确区分列车故障类型是机械原因还是电气原因的在线监测方法及系统。
5.一种列车故障在线监测方法，其包括如下步骤：步骤1：在列车牵引逆变器电压输入端和输出端分别安装电压输入检测传感器和电压输出检测传感器，采集牵引逆变器输入电压信号和牵引逆变器输出电压信号，在列车牵引逆变器母线上安装电流传感器采集牵引供电系统的电流信号；步骤2：在列车牵引电机轴承座上安装电机轴承振动传感器和温度传感器，分别采集电机轴承振动信号和温度信号；步骤3：在列车轮对齿轮箱上设置速度传感器和齿轮箱振动检测传感器，通过速度传感器采集动力输出齿轮转速信号，通过齿轮箱振动检测传感器采集齿轮箱振动信号；步骤4：将输入电压信号、输出电压信号、电流信号、电机轴承振动信号、温度信号、动力输出齿轮转速信号、齿轮箱振动信号通过傅里叶
变换转换为时域信号并对应在同一时间轴上；步骤5：将步骤4中转换的时域信号的正弦分量进行耦合，当出现异常正弦分量时，根据异常正弦分量所对应的采集信号类型判断列车故障类型。
6.优选的，步骤4中各信号进行傅里叶变换的方法为：用代表、、、、、、其中的一组信号，则其傅里叶变化采用下式给出：令是一个固定的正实数，n是一个固定的正整数，当时，利用fft算法可计算，在一个固定的时间间隔t，t足够小，使得每一个t的间隔内，x(t)变化很小，则式中积分可近似为：变化很小，则式中积分可近似为：
ꢀꢀ
(1)在n足够大的情况下，对于所有的整数，幅值很小，则式(1)变为：
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(2)当 时，式(2)变为：
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(3)其中x[k]代表传感器信号x[n]=x(nt)的n点dft，最后令，则上式变为：
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k =0、1、2、3
……
n-1
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)首先用fft算出x[k], 然后求出k=0、1、2
……
n-1时的。
[0007]
本专利还公开了一种列车故障在线监测系统，其包括：输入电压传感器，所述输入电压传感器设置在列车牵引逆变器电压输入端，所述输入电压传感器用于采集牵引逆变器的输入电压信号；输出电压传感器，所述输出电压传感器设置在列车牵引逆变器电压输出端，所述输出电压传感器用于采集牵引逆变器的输出电压信号；电流传感器，所述电流传感器设置在列车牵引逆变器供电母线上，所述电流传感器用于采集牵引供电系统的电流信号；电机轴承振动监测传感器，所述电机轴承振动监测传感器用于采集电机
轴承振动信号；温度传感器，所述温度传感器用于采集电机轴承的温度信号；速度传感器，所述速度传感器设置在列车的轮对齿轮箱内，用于采集动力输出齿轮转速信号；齿轮箱振动监测传感器，所述齿轮箱振动监测传感器安装在轮对齿轮箱内，所述齿轮箱振动监测传感器用于监测齿轮箱振动信号；数据转换模块，所述数据转换模块用于将输入电压信号、输出电压信号、电流信号、电机轴承振动信号、温度信号、动力输出齿轮转速信号、齿轮箱振动信号通过傅里叶变换转换为时域信号并对应在同一时间轴上；故障分析判断模块，所述故障分析判断模块用于将数据转换模块输出的时域信号的正弦分量进行耦合，当出现异常的正弦分量时，根据异常正弦分量所对应的采集信号判断列车故障类型。
[0008]
优选的，所述速度传感器为非接触式霍尔速度传感器，所述速度传感器安装在所述轮对齿轮箱的动力输出齿轮一侧。
[0009]
优选的，所述电机轴承振动监测传感器与所述温度传感器为复合传感器，所述复合传感器安装在牵引电机轴承座上靠近轴承外圈的位置。
[0010]
上述技术方案具有如下有益效果：该列车故障在线监测方法及系统通过在列车主电路系统的牵引逆变器上安装电流传感器和电压传感器，对列车主电路进行在线监测，同时在列车牵引系统的牵引电机轴承座上安装振动传感器和温度传感器、在轮对齿轮箱上安装振动传感器和速度传感器对列车机械驱动系统进行在线监测，并通过数据转换将上述信号对应在同一时间坐标上，通过对列车主电路系统和列车机械驱动系统的主要参数进行在线监测和耦合，通过异常信号可以精确定位故障原因，快速判断出是电气故障还是机械故障，为列车的维修和保养提供依据。
附图说明
[0011]
图1为本发明实施例的系统结构框图。
[0012]
图2为本发明实施例的流程图。
具体实施方式
[0013]
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
[0014]
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知技术方案以避免喧宾夺主而使得本发明的各方面变得模糊。
[0015]
如图1所示， 本专利公开了一种列车故障在线监测系统，其主要包括作为监测单元的输入电压传感器11、输出电压传感器12、电流传感器13、电机轴承振动监测传感器14、温度传感器15、齿轮箱振动监测传感器16、速度传感器17，以及数据转换模块2及故障分析判断模块3。
[0016]
将输入电压传感器11设置在列车牵引逆变器电压输入端，输入电压传感器用于采集牵引逆变器输入电压信号；将输出电压传感器12设置在列车牵引逆变器电压输出端，输出电压传感器12用于采集牵引逆变器输输出电压信号；将电流传感器13设置在列车牵引逆变器的母线上，电流传感器13用于采集牵引逆变器的电流信号。现有的列车的主电路系统采用牵引逆变器和异步牵引电动机构成的交流电传动系统，每个牵引逆变器为同一动车上的4台牵引电机供电。列车主电路系统通过受电弓从接触网取流，牵引逆变器将dc1500v直流变换成频率、电压均可调的三相交流电，向异步牵引电动机供电，因此牵引逆变器是列车主电路的核心部件。牵引逆变器的主电路采用两电平电压型直-交逆变电路，当车辆处于牵引工况时，直流供电电压经过高速断路器、线路接触器、电抗器等高压电器进入逆变器，经逆变器的逆变，输出三相变频变压（vvvf）的交流电，为牵引电动机供电，通过设置上述输入电压传感器11、输出电压传感器12、电流传感器13就可监测到整个列车供电电路可能出现的故障。
[0017]
列车的牵引系统的机械部分主要包括牵引电机和轮对齿轮箱，在牵引电机轴承座上靠近轴承外圈的位置电机轴承振动监测传感器14和温度传感器15，电机轴承振动监测传感器用于监测电机轴承振动信号，温度传感器用于监测电机轴承的温度，作为一种优选实施方式，电机轴承振动监测传感器14和温度传感器15可采用复合传感器的方式，这样更方便传感器的安装，传感器采用德国hansford传感器。
[0018]
列车的齿轮箱多为单级圆柱斜齿轮传动，主要由牵引齿轮、箱体、支承系统、润滑系统、动力输出齿轮、密封系统及附件等组成，动力输出齿轮与列车轮对的支撑轴同轴固定连接。牵引电机的转矩、转速经联轴节后，传递给齿轮箱的中间齿轮，再传递给动力输出齿轮驱动轮对前进。将速度传感器17安装在齿轮箱的动力输出齿轮正上方，速度传感器17采用非接触式霍尔速度传感器，速度传感器17可采集轮对齿轮箱内动力输出齿轮转速信号。将齿轮箱振动监测传感器16安装在齿轮箱箱体外侧推力轴承端盖处，对齿轮箱的高速运行进行实时监测，齿轮箱振动监测传感器16用于采集齿轮箱振动信号。通过输出齿轮转速信号还可以计算列车的行驶速度和其运转轨迹，这样可以根据齿轮箱振动信号对列车轮对的形貌缺陷进行综合判断。
[0019]
上述输入电压传感器11、输出电压传感器12、电流传感器13、电机轴承振动监测传感器14、温度传感器15、齿轮箱振动监测传感器16、速度传感器17均与数据转换模块2连接，数据转换模块2用于将输入电压信号、输出电压信号、电流信号、电机轴承
振动信号为、温度信号为、动力输出齿轮转速信号、齿轮箱箱体振动信号进行傅里叶变换，将上述信号转换为时域信号并对应在同一时间轴上。
[0020]
故障分析判断模块3与数据转换模块2连接，故障分析判断模块3用于将数据转换模块2输出的时域信号的正弦分量进行耦合，当出现异常的正弦分量时，根据异常正弦分量所对应的采集信号判断列车故障类型。
[0021]
如图2所示，上述列车故障在线监测系统的监测方法具体步骤如下：首选通过设置在列车电气部分和机械部分的各个传感器分别采集输入电压信号、输出电压信号、电流信号、电机轴承振动信号为、温度信号为、动力输出齿轮转速信号、齿轮箱箱体振动信号，然后将采集的上述信号输送到数据转换模块2中进行傅里叶变换，将上述信号转换为时域信号并对应到同一时间轴内。
[0022]
作为一种具体实施方式，上述信号的傅里叶变换可采用如下方式进行：步骤4中各信号进行傅里叶变换的方法为：用代表、、、、、、其中的一组信号，则其傅里叶变化采用下式给出：令是一个固定的正实数，n是一个固定的正整数，当时，利用fft算法可计算，在一个固定的时间间隔t，t足够小，使得每一个t的间隔内，x(t)变化很小，则式中积分可近似为：变化很小，则式中积分可近似为：
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(1)在n足够大的情况下，对于所有的整数，幅值很小，则式(1)变为：
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(2)当 时，式(2)变为：
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)其中x[k]代表传感器信号x[n]=x(nt)的n点dft，最后令，则上式变为：
ꢀꢀ
k =0、1、2、3
……
n-1
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)首先用fft算出x[k], 然后求出k=0,1,2
…
,n-1时的。
[0023]
上述各个采集信号完成傅里叶变换后，将变换后的时域信号中的正弦分量进行耦合，当出现异常的正弦分量时，根据异常正弦分量所对应的采集信号判断故障所对应的类型，如监测过程中只有机械部分采集的信号正弦分量出现异常，则基本可以判断故障是因此机械原因引起的，根据异常信号所对应的传感器位置，对列车机械部分进行相应的检测，就可判断出具体的机械故障。但如果监测过程中电气部分和机械部分采集的信号同时出现异常，则往往可以认为有可能是电气故障引起的机械故障，因此需要先对列车的电气部分进行检测，如确定为电气故障引起的异常，则无需再对机械部分进行检测。因此采用该系统可快速判断出故障发生的位置是机械故障还是电气故障，可大幅提高故障排除的速度。
[0024]
该列车故障在线监测方法及系统通过在列车主电路系统的牵引逆变器上安装电流传感器和电压传感器，对列车主电路进行在线监测，在列车驱动系统的异步牵引电机上安装振动传感器和温度传感器、在齿轮箱上安装振动传感器和速度传感器，对列车机械驱动系统进行在线监测，并通过数据处理转换在同一时间坐标上，通过对列车主电路系统和列车机械驱动系统的主要参数进行在线监测和耦合，可以精确定位故障原因，快速判断出是电气故障还是机械故障，为列车的维修和保养提供依据。
[0025]
采用该系统还可以用于构建机电一体化的数字孪生列车，为列车全生命周期内的关键部件提供使用预测，将列车由定时修升级为状态修，从而可以有效降低列车的运营成本。
[0026]
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。