專利名稱：鐵路車輛走行部在線故障診斷系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種在線故障診斷系統(tǒng)，特別是一種適用于如鐵路車輛結構復雜、工作環(huán)境惡劣、干擾信號復雜場合下的在線故障診斷系統(tǒng)。
背景技術：
隨著工業(yè)生產(chǎn)與科學技術的發(fā)展，機械設備越來越復雜，自動化水平亦相應提高，這些設備一旦發(fā)生故障，不但設備遭受極大破壞而且給人們的生活與生命也造成極大威脅，為了保證設備安全運行，必須做好維修管理工作。為此，過去全世界都采用預防維修的方法，即定期把全部設備解體檢查。經(jīng)過各國的實踐證明，采用定期大修的方法，不但沒有減少故障，相反，由于定期維修破壞了原來已經(jīng)穩(wěn)定的系統(tǒng)，反而增加了故障，同時又消耗了大量的人力與物力。從70年代開始有一些技術先進國家開始采用狀態(tài)維修的方法(視情維修)，即根據(jù)設備實際狀態(tài)決定維修部位與時間，經(jīng)過許多國家不同領域應用表明，采用狀態(tài)維修方法，即減少了故障，又節(jié)省了巨大的人力物力。
過去對故障診斷技術的褒獎是“可產(chǎn)生無形的經(jīng)濟效益和社會效益”。近二十年來，人們越來越意識到機械設備運行的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的重要性，也意識到了故障診斷技術不僅僅是只能產(chǎn)生無形的經(jīng)濟效益和社會效益，而是可取得巨大的直接經(jīng)濟效益。例如鐵路車輛走行部、煤礦井下風機、水泥廠轉窯電機等長時間在惡劣環(huán)境運行的機械齒輪及軸承，如果利用在線狀態(tài)監(jiān)測與診斷技術長期監(jiān)視設備運行狀況，可以做出合理維修決策，從而減少或縮短停車時間，延長設備的使用壽命，避免了傳統(tǒng)定期維修方法所造成大量人力物力的浪費。
據(jù)有關資料統(tǒng)計表明機械設備的故障70％是振動故障，而振動故障中的70％是軸承和齒輪的故障。對于本發(fā)明所研究的鐵路車輛走行部在線故障診斷技術，可用鐵道部安監(jiān)司丁司長在2000年鐵道學會開幕式上的講話加以說明，“……“八五”前三年全路發(fā)生車輛斷軸、熱切事故28件，其中重大事故6件，險性事故22件；“九五”前三年全路發(fā)生車輛斷軸、熱切事故10件，其中重大事故4件，險性事故6件……滾動軸承熱切事故往往在很短的時間內發(fā)生，目前的紅外線軸溫探測裝置由于布點密度、靈敏度等方面的原因，不能完全防止熱切事故的發(fā)生。目前絕大多數(shù)檢測裝置都是根據(jù)發(fā)熱確定軸承工作是否正常，但軸承破損后往往不首先表現(xiàn)在發(fā)熱，首先是滾子振動頻率發(fā)生變化，希望能開發(fā)研制根據(jù)故障軸承頻譜發(fā)生變化的新一代軸承運行狀態(tài)檢測裝置，及時發(fā)現(xiàn)故障，最大限度的防止熱切事故發(fā)生?！笨梢妼嵤┲袊崴賾?zhàn)略對車輛走行部安全的迫切要求。對于機械設備的故障診斷，理論方面在國內外都已經(jīng)比較成熟，我國在理論上跟蹤得比較緊，但由于各方面的原因，在診斷設備及其可靠性等到方面仍有一定差距。特別是在如鐵路車輛結構復雜、工作環(huán)境惡劣、干擾信號繁雜等場合下旋轉機械的在線故障診斷，目前國內還是空白，國際上也只有發(fā)達國家采用。
正是在這種情況下，受醫(yī)療診斷學中的一些基本邏輯思想的啟發(fā)，并將之推廣到工程技術領域，在二十世紀六、七十年代產(chǎn)生并發(fā)展了一門新的綜合性邊緣學科——機械設備故障診斷。隨著信息傳感技術、信號處理技術及現(xiàn)代測試技術等相關科學的發(fā)展，特別是EDA、DSP、計算機等技術的飛速發(fā)展，為設備故障診斷提供了極大的技術支持，從而使鐵路車輛走行部在線故障診斷技術的實現(xiàn)成為可能。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種設計結構合理、抗干擾能力強、抗振能力好且操作方便，故障確診率高，適用于如鐵路車輛結構復雜、工作環(huán)境惡劣、干擾信號復雜等場合下旋轉機械的在線故障診斷裝置及技術。
本發(fā)明的目的是通過如下途徑實現(xiàn)的它的硬件電路包括傳感器、接線盒、電源電路、檢測電路、DSP主板及LED顯示器。電源電路由一片四運放IC1LM324、BG019013、2.5V基準電壓Z1及電阻、電容二極管等組成電源欠壓、過壓保護電路和延時啟動電路；由C01～C03及濾波器FIR、C04～C06、C09～C011、防雷二極管V03～V04等組成抗電磁干擾電路；V01、V02組成防電源錯接電路。傳感器由數(shù)字溫度傳感元件DS18B20、壓電加速度計、電荷放大器等組成。接線盒電路由89C51、24C02及MAX1480等組成。檢測電路由TL034單運放與一個1K的精密電阻組成電流電壓變換電路；由4N02、4N03及電阻電容組成共振及高通濾波電路；解調電路由IC5、二極管及電阻組成的絕對值檢波和4N04及電阻電容組成的低通濾波電路構成。DSP主板由TMS320C31、1032E、IS61C1024、DS1642、ST28SF040、串行ADC、16C552、MAX485、MAX232及單片機等組成。LED顯示器電路由89C2051、發(fā)光二極管、蜂鳴器、LED數(shù)碼管及MAX7219等組成。本發(fā)明提取被測對象的溫度、速度、振動沖擊等進行多參量、多標準的綜合精密診斷，對振動沖擊信號進行共振解調、小波變換、FFT變換等綜合處理，故障診斷采用時域振動能量分析、頻譜分析、獨特的故障診斷判據(jù)特相結合構成的故障診斷專家系統(tǒng)。
本發(fā)明鐵路車輛走行部在線故障診斷技術具有以下特點(1)系統(tǒng)提取被測對象的溫度、速度、振動沖擊等進行多參量、多標準的綜合精密診斷，克服了單一參量、單一標準的局限性；(2)系統(tǒng)對振動沖擊信號進行共振解調、小波變換、FFT變換等綜合處理；在解決鐵路機車走行部結構復雜、工作環(huán)境惡劣、干擾信號繁雜等場合下的齒輪軸承故障診斷方面具有獨特優(yōu)勢；(3)系統(tǒng)采用以DSP為核心的在線診斷主機，能對鐵路機車及其他旋轉機械進行不解體的在線狀態(tài)監(jiān)測和實時故障診斷；(4)系統(tǒng)采用時域振動能量分析和頻譜分析相結合的故障診斷專家系統(tǒng)；(5)系統(tǒng)采用獨特的故障診斷判據(jù)特構成故障診斷專家系統(tǒng)知識庫；(6)系統(tǒng)綜合技術指標為溫度精度±0.5℃，故障確診率97％，誤診率＜3％，漏診率為零；(7)系統(tǒng)采用總線式結構，具有集成度高、抗干擾能力強、穩(wěn)定性好、成本低；(8)系統(tǒng)具有離線數(shù)據(jù)管理功能，可隨時了解被測對象運行的歷史狀態(tài)或進行趨勢分析和離線綜合精密診斷。


下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明圖1為本發(fā)明硬件結構方框圖；圖2為本發(fā)明電源電路及抗電磁干擾電路；圖3為本發(fā)明電流電壓變換電路；圖4為本發(fā)明共振電路；圖5為本發(fā)明高通濾波器電路；圖6為本發(fā)明絕對值檢波電路；圖7為本發(fā)明低通濾波器電路；圖8為本發(fā)明傳感器、接線盒原理方框圖；圖9為本發(fā)明DSP主板原理方框圖；圖10為本發(fā)明LED顯示器原理方框圖；圖11為本發(fā)明主程序軟件方框圖；圖12為本發(fā)明信號處理軟件方框圖；圖13為本發(fā)明專家系統(tǒng)軟件方框圖。
具體實施例方式
鐵路車輛走行部在線故障診斷裝置如圖1所示(用于DF4B型鐵路機車的實際連接)，裝置包括硬件和軟件兩部分組成，硬件和軟件均采用功能模塊化結構設計。硬件主要包括電源電路、傳感器、接線盒、檢測電路、DSP主板及LED顯示器六大部分。圖2的電源電路及抗電磁干擾電路主要是控制DC-DC變換膜塊在正常范圍內(72～144V，機車使用)能正常工作，其核心部分為一片四運放LM324，將基準電壓2.5V引入LM224的6、10、13腳，通過調整R05、R07使5腳的電壓為DC72V時等于2.5V，這樣一來輸入電壓低于DC72V時，DC-DC變換膜塊REM端將變?yōu)楦唠娖?，從而使膜塊禁止輸出；同樣的道理，通過調整R04、R06使9腳的電壓在輸入電壓高于DC144V時，DC-DC變換膜塊REM端將變?yōu)楦唠娖剑瑥亩鼓K禁止輸出；而延時電路是通過R08、C016來實現(xiàn)的；防高頻低頻電磁干擾主要由C01～C03及濾波器FIR、C04～C06、C09～C011、防雷二極管V03～V04組成濾波抗干擾電路，可有效抑制復雜的外界電磁信號對裝置產(chǎn)生的電磁騷擾，并防止裝置本身對外界的電磁干擾；V01、V02組成防電源錯接電路避免因使用不當對裝置造成損害。圖3是由TL034運放與一個1K(0.1％)的精密電阻組成，電路用+/-8V供電，用于將傳感器輸出的振動沖擊電流信號轉換為電壓信號；對于振動沖擊的能量為1g，傳感器的靈敏度0.01ma/g，那么運放的輸出為10mv/g，依此類推，運放的輸出與振動沖擊的能量一一對應。裝置采用硬件共振解調技術提取淹沒在強烈背景噪聲中的振動沖擊脈沖信號，有效抑制常規(guī)振動、干擾信號對測量的影響；硬件共振解調電路由圖4的共振電路、圖5的高通濾波器電路、圖6的絕對值檢波電路及圖7的低通濾波器電路等組成；圖4的共振電路和圖5的高通濾波器電路由4N02、4N03及電阻電容組成，電路中的電容器應當用聚苯乙烯或聚丙烯介質的精密電容器，具有好的長期穩(wěn)定度和低的溫度系數(shù)，電阻為0.1％的精密電阻。圖6的絕對值檢波電路和圖7的低通濾波器電路由4N04、IC5、二極管及電阻電容組成，用于對共振器輸出的信號進行解調(即檢波、濾波)，取出其包羅線(即去除常規(guī)振動及干擾信號并放大了的振動沖擊脈沖信號)。圖8為本發(fā)明的傳感器、接線盒原理方框圖，傳感器由數(shù)字溫度傳感元件DS18B20、壓電加速度計、電荷放大器等組成，接線盒電路由89C51、24C02及MAX1480等組成；溫度信號由單片機89C51直接采樣，通過RS485總線送DSP主板；振動沖擊的通道由DSP主板經(jīng)RS485總線、接線盒單片機89C51控制，振動沖擊信號經(jīng)匹配放大并轉換為電流信號后送檢測板，經(jīng)檢測板共振解調后，送DSP主板的ADC采樣；在電路設計，功率余量考慮時，不允許引起壓電片共振，將DS18B20安裝在傳感器的溫度最敏感點，且DS18B20的感溫點與傳感器外殼之間的應選導熱性能良好的密封材料，不能留空可灌入傳熱性能差的密封膠，以減少溫度慣性，接線盒是本著減少線路干擾的原則設計，每個接線盒對應六個組合傳感器，溫度信號由六個DS18B20輸出單片機直接采樣，每個通道的最新采樣結果以替換方式暫時存儲于內存對應單元，等待主機讀取。DSP主板如圖9，硬件由TMS320C31、1032E、IS61C1024、DS1642、ST28SF040、串行ADC、16C552、MAX485、MAX232及單片機等組成；這是整個裝置的核心部分，它不但要完成故障信號從采樣到診斷結果輸出的全過程，而且還負責系統(tǒng)其他功能的管理與協(xié)調；因此這一部分的設計是否合理，性能是否可靠，直接影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性；該電路本著降低功耗、提高可靠性及穩(wěn)定性、增 抗干擾能力的原則設計；電路中的單片機負責顯示鍵盤管理、參數(shù)及時鐘修改與存儲等工作；它通過16C552與DSP總線連接；DSP運行程序通過單片EEPROM加載，運行存為單片SBSRAM，轉存數(shù)據(jù)通過USB接口到優(yōu)盤上或通過RS232接口到轉儲器，診斷結果均由總線經(jīng)16C552、MAX1480實現(xiàn)輸出，采樣數(shù)據(jù)經(jīng)RS485、模擬信號線等獲得。LED顯示器電路由89C2051、發(fā)光二極管、蜂鳴器、LED數(shù)碼管及MAX7219等組成，完成對DSP主板輸出的采樣結果及診斷結果的顯示。
本發(fā)明的軟件分為地面離線處理部分和在線實時處理部分，兩部分軟件處理方法及過程完全一致；圖11是本發(fā)明的在線處理主程序軟件方框圖，主要包括軸溫逐點測量、軸溫快速掃描測量、振動SV值測量、溫度振動綜合精密診斷、地面頂輪精密診斷、數(shù)據(jù)轉儲、參數(shù)修改等七大可相互切換的功能模塊；圖12是本發(fā)明的信號處理軟件方框圖，采用抗混濾波、小波變換、FFT變換等多種信號分析處理方法集成，裝置采用車速頻率跟蹤采樣，即被測部件每轉10.24圈采樣一次，以保證能采到各種故障信息的可靠采集；為解決采樣信號混疊和高低頻在頻譜上的分辨率不一的問題，對采樣的離散數(shù)字信號進行如圖12所示的處理；圖13是本發(fā)明的專家系統(tǒng)軟件方框圖，故障診斷采用了時域振動能量分析和頻譜分析相結合、正向推理與逆向推理相結合的故障診斷專家系統(tǒng)，克服了單一參量、單一標準的局限性，實現(xiàn)了多參量、多標準的綜合精密診斷；溫度知識模塊主要有如下功能①判斷測量部件的旋轉方向，②建立或選擇當前測點的溫度數(shù)學模型，③計算當前測點的實際溫度，④記錄并保存當前測點的實際溫度，⑤作出當前測點的溫度趨勢分析，⑥計算當前測點的溫度上升率；轉頻知識模塊主要有如下功能①判斷速度的波動是否大于±10％，大于則重新采樣，②計算可能經(jīng)過的鋼軌接縫個數(shù)，③剔出鋼軌接縫信息，④計算各頻段的速度變化率，⑤計算各類故障的特征頻率，⑥確定各頻段的分段頻點；波形知識模塊主要有如下功能①最大值識別，②最小值識別，③方差(或標準差)識別，④偏態(tài)指標(或峭度指標)識別，⑤無綱量指標(脈沖指標和裕度指標)識別，⑥計算初級dB值，⑦判斷初級dB值是否超過門限值；頻譜知識模塊是故障精密診斷的一個重要部分，對FFT變換后的幅值譜進行判，主要有如下判據(jù)①搜索特征譜線及離散性判據(jù)，②譜線幅值能量判據(jù)，③譜線清晰度判據(jù)，④多類故障共存判據(jù)，⑤故障互調判據(jù)，⑥高階譜干擾判據(jù)，⑦譜線半差判據(jù)；相位知識模塊主要有如下功能①確定基頻信號相對于轉軸上某一確定標記的相位差，②計算故障振動信號相位差，③補償因濾波、小波變換等造成的相位滯后，④計算故障振動信號與旋轉標記的相位角，⑤振動方向判斷；振動穩(wěn)定性知識模塊主要有如下功能①計算故障類的1、2、3、4階幅值平均值G，②計算所有譜線的階幅值平均值F，③計算K＝G/F，④記錄并保存當前測點的K值，⑤若K值小于某一門限值，則認為不存在故障或故障較輕(可以不考慮)；K值大于該門限值，則對K值作趨勢分析。
權利要求
1.一種鐵路車輛走行部在線故障診斷系統(tǒng)，它包括診斷裝置硬件和診斷軟件兩大部分；診斷裝置包括傳感器、接線盒、電源電路、檢測電路、DSP主板及LED顯示器；其特征在于由一片四運放IC1、BG01、2.5V基準電壓Z1及電阻、電容二極管組成的電源欠壓、過壓保護電路和延時啟動電路，C01～C03及濾波器FIR、C04～C06、C09～C011、防雷二極管V03～V04組成的抗電磁干擾電路，V01、V02組成的防電源錯接電路；由數(shù)字溫度傳感元件DS18B20、壓電加速度計、電荷放大器組成的多參量組合傳感器；由89C51、24C02及MAX1480組成的接線盒電路；由TL034單運放與一個1K的精密電阻組成的電流電壓變換電路，4N02、4N03及電阻電容組成共振及高通濾波電路；由IC5、二極管及電阻組成的絕對值檢波和4N04及電阻電容組成的低通濾波電路組成的解調電路；由TMS320C31、1032E、IS61C1024、DS1642、ST28SF040、串行ADC、16C552、MAX485、MAX232及單片機組成DSP主板；由89C2051、發(fā)光二極管、蜂鳴器、LED數(shù)碼管及MAX7219組成的LED顯示器電路。
2.根據(jù)權利要求1所述的鐵路車輛走行部在線故障診斷裝置，它的診斷軟件包括車載實時處理軟件和地面分析診斷軟件；其軟件特征在于采用抗混濾波、小波變換、FFT變換等多種信號分析處理方法的集成，故障診斷采用時域振動能量分析、頻譜分析、獨特的故障診斷判據(jù)特相結合構成的故障診斷專家系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鐵路車輛走行部在線故障診斷系統(tǒng)，包括診斷裝置硬件和診斷軟件兩大部分。它解決了如鐵路車輛、化工和礦山等惡劣環(huán)境下旋轉機械的在線狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的技術問題。本發(fā)明硬件包括電源電路、傳感器、接線盒、檢測電路、DSP主板及LED顯示器六大部分，軟件包括軸溫逐點測量、軸溫快速掃描測量、振動SV值測量、溫度振動綜合精密診斷、地面頂輪精密診斷、數(shù)據(jù)轉儲、參數(shù)修改七大可相互切換的功能模塊。本發(fā)明采用總線式結構，具有離線數(shù)據(jù)管理功能，集成度高，抗干擾能力強，穩(wěn)定性好，成本低?？蓮V泛地適用于鐵路車輛及其他旋轉機械不解體的在線狀態(tài)監(jiān)測和實時故障診斷，具有重大的經(jīng)濟效益與社會效益。
文檔編號G01M17/08GK1430050SQ0113165
公開日2003年7月16日 申請日期2001年12月30日 優(yōu)先權日2001年12月30日
發(fā)明者黃采倫, 尹國華, 賀旭軍 申請人:黃采倫