课题名称高速列车检测与故障诊断分析与应用Word格式文档下载.docx

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5、《动车组构造》西南交通大学出版社

6、《高速动车组概论》西南交通大学出版社

五、设计说明书内容

1、封面

2、目录

3、内容摘要（200-400字左右，中英文）

4、引言

5、正文（设计方案比较与选择，设计方案原理、分析、论证，设计结果的说明及特点）

6、结束语

7、附录（参考文献、图纸、材料清单等）

六、设计进程安排

第1周：

资料准备与借阅，了解课题思路。

第2-3周:

设计要求说明及课题内容辅导。

第4－6周：

进行毕业设计，完成初稿。

第6-7周：

第一次检查，了解设计完成情况。

第7周：

第二次检查设计完成情况，并作好毕业答辩准备。

第8周：

毕业答辩与综合成绩评定。

七、毕业设计答辩及论文要求

1.毕业设计答辩要求

答辩前三天，每个学生应按时将毕业设计说明书或毕业论文、专题报告等必要资料交指导教师审阅，由指导教师写出审阅意见。

学生答辩时，自述部分内容包括课题的任务、目的和意义，所采用的原始资料或参考文献、设计的基本内容和主要方法、成果结论和评价。

答辩小组质询课题的关键问题，质询与课题密切相关的基本理论、知识、设计方法、实验方法、测试方法，鉴别学生独立工作能力、创新能力。

2.毕业设计论文要求

文字要求:

说明书要求打印（除图纸外），不能手写。

文字通顺，语言流畅，排版合理，无错别字，不允许抄袭。

图纸要求:

按工程制图标准制图，图面整洁，布局合理，线条粗细均匀，圆弧连接光滑，尺寸标注规范，文字注释必须使用工程字书写。

曲线图表要求：

所有曲线、图表、线路图、程序框图、示意图等不准用徒手画，必须按国家规定的标准或工程要求绘制

摘要

随着铁路向高速化发展，列车的运行速度达到了前所未有的水平，列车一旦发生故障必定会带来严重的后果，因此列车运行状态实时监测与故障诊断变得更加重要，随之而产生的列车运行状态监测、故障的预防和故障发生后的快速排除等问题也摆在了越来越重要的地位。

列车故障诊断是识别列车运行状态的科学，它研究的是列车运行状态在诊断信息中的反映，其研究内容对列车运行的识别诊断、对其运行过程的检测以及对其运行发展的趋势的预测。

通过正确的故障识别，找出故障的正确位置，把需要修复或跟换的零部件隔离开来，避免事故发生和缩短维修时间。

本文在结构上分为四章，对我国高速列车检测与故障诊断的发展情况，以及高速列车检测与故障诊断的作用及技术进行了阐述，主要对走行部的故障进行了分析，重点对齿轮故障的常见形式及原因、其故障诊断的时域诊断分析和振动信号分析进行了详细介绍，并对齿轮简易诊断中的振平诊断法进行了描述。

关键词：

高速列车检测故障诊断诊断原理

ABSTRACT

Alongwiththedevelopmentoftherailroadtrainoperation,highspeedreachedhitherto-unseenlevels,trainoncefailurewillsurelybringseriousconsequences,thereforethetrainoperationstaterealtimemonitoringandtesting,faultdiagnosisbecomemoreimportant,subsequentlyandproducethetrainoperationconditionmonitoringandfaultpreventionandfaultoccurredafterrapidexcludeareinanincreasinglyimportantposition.

Trainfaultdiagnosisisrecognitiontrainrunningstatescience,itisthetrainoperationstatusindiagnosticinformationofthereflection,itsresearchcontentonthetrainoperationrecognitionofthediagnosis,uponitsoperationprocessinspectionandtheoperationofthetrendofthedevelopmentoftheforecasts.Throughthecorrectfaultrecognition,findfaultinthecorrectposition,theneedtorepairorfollowchangethepartsoftheisolated,avoidingaccidentsandshortenrepairtime.

Thispaperisdividedintofourchaptersinthestructureofourcountry,high-speedtraindetectionandfaultdiagnosisinthedevelopmentsituation,andhigh-speedtrainsdetectionandfaultdiagnosisofthefunctionandtechnologyisdiscussed,mainlytowalklinedepartmenthasanalyzedthebreakdownofgearfault,focusingonthecommonformsandreasons,itsfaultdiagnosisoftime-domaindiagnosisanalysisandvibrationsignalanalysiswereintroduced,andthegearsimplediagnosisofvibrationflatdiagnosismethodisdescribed.

Keywords:

High-speedtraindetectionDiagnosisDiagnosticprinciple

第1章高速列车检测与故障诊断的发展情况

1.1高速列车检测发展状况

故障检测与隔离合称为故障诊断，是指为故障识别、故障定位和确定故障原因所进行的工作。

对于机车车辆，特别是高速列车，需要经常进行定期诊断，而对与高速动车组，可以说离开快速而有效的检测诊断，动车组就无法顺利、有效地完成所承担的运输任务。

由于高速动车组发生故障会带来严重的后果，因此必须在事故发生以前，利用先进的装备较早发现和预防事故发生。

动车组检测与故障诊断系统对于高速动车组的安全起着重要的作用。

铁路是我国重要的基础设施，随着我国电气化铁路的迅速发展，铁路行车安全性和可靠性日益成为重要的课题，而电力机车作为铁路运输的载体，其运行的良好性对确保铁路安全行车有着重要至关重要的作用。

在我国，每年因机车运行故障而造成的经济损失是巨大的，同时，我国每年为保持机车车辆等设备正常运行所花费的维护费用在铁路运输经费中也占了很大的比重。

因此，提高列车故障诊断水平，使机车故障诊断和维修工作更加高效而科学对铁路安全行车有着非常重要的意义。

虽然经过我国科研工作者几十年的辛勤努力，我国机车车辆诊断技术取得了较大的进步，但是与实际中的故障检测需求相比仍有较大差距，目前我国机车车辆制造维修水平整体较低，特别是可靠性低，严重影响当前的铁路提速和“货车重载、客车高速”战略的实施。

目前，无论是管理部门还是技术部门，都对开展机车车辆故障诊断的迫切性有所提高。

1.2故障诊断的诊断系统

故障诊断是通过正确的故障识别（检查和检测），找出故障的正确位置，把需要修复或跟换的零部件隔离开来，从而、大大缩短了维修过程，减少了维修停时。

（1）诊断方式

高速动车组应用的诊断方式有3种：

人工诊断、自动测试设备（ATE）诊断和机内测试设备（BITE）的诊断。

近年来，高速列车故障诊断方式把重点放在机内测试设备（BITE）的诊断上，也就是说，尽量完善高速动车组的车载检测诊断系统，使之运行时发现了传输故障信息。

自动测试设备（ATE）诊断一般在列车库停和动车段检修时使用，例如车轮的超声波探伤、车轮磨损及外形的检测等。

（2）地面诊断系统

地面故障诊断系统住往和维修信息系统合并为一个系统，它实质上是一个完善的大型计算机系统。

它的功能有：

1）通过与列车的信息传输与交换．直接得知列车的运行状态，并通过自身的软件系统对信息进行处析，对故障进行实时诊断．给司机以警示和指令；

2）也可以通过数据转储设备．将列车运行中记录下来的数据转储人地面系统，可进一步处理和分析从而做出高速动车组设计、制造、运用和维修方面的重要决策；

3）地面故障诊断系统还包括外部诊断项目，主要有：

轮对故障诊断、轴温红外线监测和润滑油的光谱和铁谱诊断等：

车载故障诊断系统

4）列车进入动车段和维修基地期间，所有的检测数据都须输入该系统，由计算机系统做出诊断，以便对高速动车组进行经济、有效的维修。

（3）车载检测诊断系统

1）列车诊断中心

列车诊断中心是整个列车的主诊断装置，用于全列车技术状态的分析和诊断。

它通过列出总线获取各节车辆的工作状态和故障情况，然后进行处理分析，做出判断。

诊断结果必须记录和向乘务员显示。

在故障情况下还应向乘务员提示有关的处理对策。

列车诊断中心必须配备有显示终端，并具有人机对话功能。

乘务员可以与中心在终端“对话”。

列车诊断中心还应具备无线通信功能，以便与地面调度中心通话和交换信息。

列车诊断中心一般设在动力车上，如果前后动力车均设有列车诊断中心，则应以前导动力车为主，成为整个列车的控制中心，后面的动力车诊断系统则成为车辆诊断装置。

2）车辆诊断装置

车辆诊断装置包括动力车和拖车的诊断装置，它们是车载诊断系统的一个子站。

每个车辆诊断装置通过车辆总线搜集本节车辆的数据和各个部件的诊断结果并进行分析、记录。

第2章高速列车检测与故障诊断的作用及技术

2.1动车组诊断系统的作用

1.提高动车组运行的可靠性和安全性

现代动车组是一种技术先进、机构复杂的技术装备，采用大量的现代电子原件和装备，进行着复杂的信息处理，因此要求这些装备具有较高的可靠性。

这种可靠性的一方面通过电子装备的可靠性来保证；

另一方面则由检测与故障诊断系统来提供。

检测与故障诊断系统可以迅速地识别和提示运行中发生的故障，采取措施及时地排除故障，从而保证动车组可靠性运行，并提高了列车运营的安全性。

2．为动车组维修提供重要的依据

现代动车组的检测与故障诊断系统不但能够在运行中向乘务员提供列车的运行状况，故障级别，提车排除故障措施的建议，而且还能在运行中将这些情况及时地向维修基地以前（例如提前1h）做好维修计划，准备好需要更换的配件。

从而大大缩短了维修停时，提高了动车组的可用性。

3．可检测、显示、记录、存储和分析数据

故障诊断系统在动车组运行中检测出故障，并将故障状况、故障等级以及应该采取的措施建议显示在显示屏上，帮助司机处理故障；

同时，还就运行中发生的故障情况记录下来，其中包括故障时间、位置，故障发生时有关参数的当前值及其变化情况，并存储下来，供地面系统进一步分析。

4．为动车组的改进和发展提供依据

故障诊断系统所积累的大量数据，不但成为维修的重要的依据，而且通过对这些数据的综合分析，还能对动车组的综合性能和各主要零部件的可靠性进行评估，为动车组的改进和发展提供重要的依据。

2.2高速列车的故障诊断方式

高速列车故障诊断方式大致可以分为三种类型：

人工诊断，应用自动检测设备进行诊断，应用机内测试系统进行诊断。

1.人工诊断

对于某些产品的故障识别、故障定位及故障原因的查找，人们已经积累了很多的经验，利用专业人员的这些丰富经验，再根据人工检查、人工测试设备的检测来对故障进行诊断。

在过去电子技术还不发达产品设计不发达、产品设计未考虑测试性的年代，这种人工诊断方法是对产品进行故障诊断的主要手段。

尽管随着科学技术的发展，在诊断技术领域内涌现了大量的自动测试设备和机内测试诊断系统，但至今这种人工诊断方法仍然被采用，即使在世界上最先进的机车车辆维修段也是如此。

这是由于这种人工诊断方法，对于一些可达性好、故障检测高或有经验积累的零部件，通过严格的规程制定，能够使诊断工作达到简单可靠、满足所规定的时间要求，而又具有最好的经济性。

2．应用自动测试设备的诊断

自动测试设备ATE的定义是：

“自动进行功能和（或）参数测试、评价性能下降程度或隔离故障的设备”（GJB3385—1998）。

这种设备不是被测装置的组成部分，通常由计算机空着评定功能来完成诊断决策，尽量减少认为介入。

在机车车辆领域内，采用这种设备进行的诊断常常被称为外部自动诊断。

将被测装置送到ATE处，即机车车辆开到ATE处进行诊断，又称为地面诊断，相应的ATE称为地面诊断设备或固定诊断设备。

将ATE带到被测装备处，即ATE携带上车进行检测诊断的，称为随车诊断，相应的ATE称为随车诊断设备。

3．应用机内测试设备的诊断

机内测试设备BITE的定义是：

“完成机内测试功能的设备”（GJB3385—1998）。

机内测试BIT的定义是：

“系统或设备内部提供的检测和隔离故障的自动测试能力”（GJB3385—1998），它为故障诊断或隔离提供了一种机载的、自动检测能力，包括周期、连续地监控被测装备的运行状况、维修前的观测和诊断等。

现代机车车辆，特别是高速动车组，其复杂性不言而喻，要求BITE具有常规检测设备和技术所不能做到的检测和隔离故障的能力，而且其本身应具有很高的可靠性和可信赖性。

一个设计精良的BITE系统能够在高速列车运行中指出和隔离列车不见所发生的故障，通过信息传输系统提前通知维修段，以便做好维修计划，在列车库停时间内完成相应的维修作业，从而节省为完成这些维修工作所需要的计划停时。

在高速列车和动车组中，都设置了完善的、微机控制的故障诊断系统（BITE），并且这种BITE正逐渐向人工智能化发展，因此，高速动车组的主要零部件工作状况的连续监测和故障诊断，基本上都由内部的微机控制诊断系统来完成的。

例如德国ICE高速动车组就有一个完善的内部诊断系统。

2.3列车故障诊断技术

1．振动诊断技术

振动诊断是对正在运行的机械装备或给静止状态的系统以人工激励，测其振动相应，对得到的各种数据进行分析处理，然后将结果与事先制订的标准进行对比，从而判断出是否存在损坏或裂纹。

在机车车辆中，常常应用振动诊断技术来检测和隔离电机、泵、柴油机、涡轮机、压气机、轴系、齿轮箱、滚动轴承等，由于疲劳、磨损、不平衡、不对中、松脱、老化等引起的故障。

振动诊断技术应该包括：

振动信号的采集，振动信号的分析处理，故障的识别，故障预报。

振动诊断的方法是要测量被测装备上的振动量，然后应用振动分析技术来分析其振动特性多的变化。

振动信号的分析方法主要有：

（1）幅值分析法

幅值分析法是分析振动信号的特征参数，这些参数有均值、均方根值、最大值、最小值和绝对平均值等。

这些参数虽然对故障诊断有一定的作用，但它们会随工况（负载和速度）的变化而变化，从而存在着对故障不够敏感，难于区分的缺点。

因此，人们又引入了无量纲幅域参数，诸如波形、峰值、脉冲、裕度和峭度系数等。

这些系数对故障有足够的灵敏度，而且对信号幅值、频率的变化不敏感，因而在实际中得到广泛的应用。

（2）频域分析法

频域分析的基础是频谱分析，即分析动态信号的幅值、相位、功率和能量随频率的变化关系。

频谱分析主要包括功率谱密度函数分析、细化谱分析、冲击响应谱分析、最大熵谱分析和全息谱分析等。

由于信号频率结构对故障的发生、发展的敏感度，因此频域分析在振动信号处理中得到了最广泛的应用。

（3）相关分析法

相关分析主要是应用相关系数和相关函数来进行分析，即利用相关函数来研究两个信号之间的相关性和依赖性。

不同的信号具有不同的相关函数。

相关函数分为自相关函数和互相关函数。

自相关函数不包含信号的相位信息，只存在着单一的量值关系。

自相关函数是随机振动分析中的一个重要参量。

互相关函数则包含着相位信息，他的大小直接反应所研究的两个信号之间的相关性，因而有很多的应用。

（4）时序分析法

时序分析是对按照时间序列排列的观测数据进行统计学处理与分析，是数据统计处理和系统分析相结合的一种数学方法。

它一方面可以对系统进行动态分析，另一方面还可以对系统的未来状况和趋势进行预报和控制。

机械故障诊断的时序分析法就是在装备运行过程中，首先选定恰当的诊断参数，然后建立一个时序模型，通过对时序模型的相应判断来诊断装备状态的变化。

这种方法在很多情况下能可靠地诊断出装备的异常状况。

（5）特征分析法

特征分析主要是根据运转的装备在转速变化和某一稳定转速时，各重要部位振动量值的大小来进行特征的描述。

一般选用的自变量不同，特征分析有如下几种方法：

功率谱分析、阶比谱分析、跟踪谱分析、坎贝尔图谱分析、转速谱阵分析、时间谱阵分析等。

特征分析的目的在于把众多的特征分量（频率）从复杂的信息中识别出来，研究和分析它们的变化特征，从而判别装备运行状态是否正常。

现代，振动诊断技术发展很快，在装备的故障诊断中得到十分广泛的应用。

由于其方便、可靠，常常应用于装备故障的预报。

振动量有三种，分别为位移（振幅）、速度和加速度。

因此在振动诊断时，首先要确定测量哪一个振动量，采用什么测量装置，然后才能确定采用什么分析技术来分析处理输出信号。

一般来说，位移传感器在低频时比较灵敏；

速度传感器在中频地带比较灵敏；

加速度传感器在高频区域比较灵敏。

振动信号的强度与传感器的安装方向和安装紧度程度关系很大。

2．声诊断技术

从广义上来说，声音也是振动的一种方式。

声诊断技术是利用声学的原理进行故障诊断的技术。

主要有：

声和噪声诊断、声发射诊断和超声波诊断。

（1）声和噪声诊断法

声和噪声诊断是根据装备在运行中发出的声和噪声来判断其是否发生故障的技术，当装备的零部件发生磨损、变形、裂纹等物理变化时，其声音信号的特性就会发生变化，装备发出的声音通过送话器和传声器把声音送到放大器放大后直接读数或进行信号处理，也可以记录、存储后再进行处理，可以对信号进行频谱和倒频谱、频率和倒频率分析，从而判断装备是否发生故障。

声和噪声诊断的方法主要有：

主观评估法、近场测量法、表面振速测量法、频谱分析法和声强法等。

（2）超声波诊断法

超声波是频率高于20kHz的声波，它不引起人的听觉反映，它是超声频率的机械振动在弹性介质中的一种传播过程。

超声波的产生可以采用机械、热、电动力、磁致伸缩和压电的方法，它的波长很短，近似于直线传播。

高频超声波能形成很窄的波束，从而具有定向性。

超声波诊断主要用于零件的探伤和侧厚。

在探头中由电振荡产生的超声波入射到零件后，若遇到缺陷就会反射、散射和衰减，再经过探头接受后变成电信号，进行放大显示后，通过分析来确定缺陷的部位、大小和性质，并由相应的标准和规范判定缺陷的危害程度。

超声波诊断方法主要有：

共振法、穿透法、夜浸法等。

（3）声发射诊断法

装备零部件的材料和结构在内外力的作用下会产生变形或裂纹，此时装备会以弹性波的形式释放出应变能，这种现象称之为声发射，也称为应力波发射。

各种材料声发射的频率范围很宽，从次声频、声频到超声频，但大多数的金属（如钢、铁等）的声发射频带都在超声范围内。

声发射诊断是采用声发射探头将声发射源发射的弹性波转变成电信号，然后进行放大和处理，从而得到一些声发射的特征参数，根据这些参数即可推测材料内部声发射源的特征和状态，如果采用多通道系统，还可以确定声发射源，即缺陷的具体部位。

声发射诊断具有很高的灵敏性，能够检测到微米数量级的显微裂纹变化。

如果采用多通道探头，则可以在一次试验中大面积地诊断出缺陷的分布以及危害性，这是常规无损检测方法所难以做到的。

声发射诊断方法主要用于诊断零部件因塑性变形、疲劳、应力和磨损而产生的裂纹及其发展。

由上述可以得知，声和噪声诊断法及声发射诊断法具有对被测物可达性要求低，可以遥控检测，测量系统设置迅速的特点；

超声波诊断法具有定向性好，测量精度较好的优点。

但它们又都具有测量会受到无关噪声干扰，分析结果比较困难的缺点。

现代，声诊断技术在机车车辆中得到了广泛的应用和发展，例如轮对的超声波探伤已经成为机车车辆维修中必不可少的诊断程序。

3．红外线诊断技术

红外线是太阳光谱中红光外的不可见光，其波长范围相当宽，为0．75～1000um。

红外线诊断技术实质上是红外线测温技术。

由于装备发生故障绝大部分都直接或间接与温度的变化有关．因此红外线测温技术可以被用来故障诊断。

目前，红外线测温仪器很多，有测定温度的，有只对温度场成像的，也有既可成像又可实时显示温度值的。

根据用途可将红外线诊断技术分为：

红外线测温技术和红外线成像计术。

（1）红外线测温技术

由红外线辐射的基本定律可知，被测物体表面的辐射系数为常数时，它的辐射功率与其绝对温度的4次方成正比。

因此物体表面温度的检测就变成对其辐射能量的检测，通过红外线辐射能量的测量．再经过黑体标定，就能够确定被测物体的温度。

红外线测温与传统的接触测温不同，它是非接触测温，而且测温速度快，测温范围宽，灵敏度高，对被测温度场无干扰，可动态测温和远距离测温。

（2）红外线成像技术

红外线成像技术是将被测物体的红外线辐射转换为可见图像，从而使人们的视觉范围扩展到红外线谱段。

红外线成像技术分为两类：

光机扫描热成像技术（红外线热像仪）和热释电摄像管热成像技术（红外线热电视）。

前者将红外线辐射经光学系统聚集到探测器上，并将辐射通量按照时间顺序排列，探测器将红外外线辐射变成电脉冲信号，通过视频信号处理送到显示器显示出热像；

后者是将红外线辐射送入热释电摄像