一種磁浮列車異常振動監測和診斷方法

龍子凡 司 恩 羅華軍 高 鋒

（中車株洲電力機車有限公司,湖南 株洲 412001）

1 概述

磁浮列車是一種新型軌道交通系統,它具有快捷、平穩、安靜、舒適的特點[1-2]。為了提高載客量,磁浮列車采用了大量的輕量化設計,導致磁浮列車的結構相對薄弱,容易受到外界激勵而產生振動,不僅影響乘坐舒適和懸浮穩定,而且易造成結構疲勞破壞。對磁浮列車異常振動進行在線監測和故障診斷是解決上述問題的有效途徑,合適的信號處理方法能夠提高監測和診斷效率。目前,振動信號的處理方法很多,大致可分為兩類:一類是傳統方法,典型的有時域分析法、傅里葉變換和相關分系等。另一類是現代方法,典型的有短時傅里葉變換、Wigner-Ville 分布、譜分析、小波分析、Hilbert-Huang 變換等[3]。傳統方法是基于信號為穩態和線性的假設,一般情況下,傳統方法基本能滿足工程分析需求,但是對于非高斯、非平穩振動信號,現代方法更準確[4]。磁浮車輛激振源眾多,并且由于車速變化,車輛振動觀測信號具有時變特征,增大了信號分析的復雜性。為了解決磁浮列車多激振源和振動信號非平穩的信號處理問題,基于相關分析、短時傅里葉變換,提出了一種時頻相關系數的多傳感器信號處理方法。該方法計算快捷,能夠有效識別多傳感器信號中的故障源信號。

2 時頻相關系數

2.1 基本原理

傅里葉變換是傅里葉級數的推廣,它將信號按照時序分成若干個段,然后對每一段數據進行傅里葉變換的方式,具備了對信號進行局部頻域分析的能力,能夠描述信號的時頻特征[5]。其數學表示如下：

式中s(t)為分析信號,γ (t)為分析窗函數。短時傅里葉變換得到的譜圖是三維時頻譜圖,不便于描述、提取信號特征。使用短時傅里葉變換分析信號時,通常需要對計算結果進行進一步處理。

時頻相關系數振動信號分析方法以短時傅里葉變換和相關分析為基礎,適用于多傳感器、非平穩信號處理,提高信號處理效率。設非激振源振動信號x(t),激振源振動信號為y(t),其短時傅里葉變換如下：

當監測到客室內部發生異常振動時,首先計算監測點振動信號功率譜X(f),確定功率譜X(f)中最大波峰對應的頻率fa,得到故障頻率。再計算短時傅里葉變換時頻譜,令 X(t,f) =X(t,fa)對時頻譜切片,獲得故障頻率振幅隨時間的變化關系。最后由X(t,fa)與Y(t,f)計算信號x(t)和y(t)頻率相關系數譜：

式中-

在處理多激振源、多傳感器異常振動時,通過上述方法計算不同傳感器信號之間的相關系數譜,可確定異常振動來源和頻率。頻率相關系數 ρxy(f)最大值在(0,1)之間,當頻率相關系數最大值 ρxy(fb)大于0.6 時,則認為X(t,fa)與Y(t,fb)有強相關性,信號x(t)異常振動與y(t)有關,故障頻率為fb；當頻率相關系數最大值ρxy(fb)小于0.3時,則認為X(t,fa) 與Y(t,fb)有弱相關性,信號X(t)異常振動與Y(t)無關。

2.2 估計方法

采樣得到的振動信號為離散點,其時頻相關系估計方法如下：

2.2.1 設異常振動處測試點振動信號為｛x (n),n=1,2......N｝,計算功率譜X(f),確定最大波峰對應的頻率fa。

2.2.2 將分X(n)段,每段信號采樣點的數量為 L = S× f?,得到K 段時序信號,將每段時序信號按照時序進行行排列,構建的時序信號矩陣A1為：

2.2.3 對時序信號矩陣A1的每一行進行傅里葉變換,構成一個時間-頻率-振幅矩陣A2：

在矩陣A2中提取f=fa列,得到特征頻率時序幅值向量：

2.2.4 設激振源信號為 ｛y(n),n = 1,2… …N｝,按照步驟1 與步驟2,計算激振源時間-頻率-振幅矩陣B2:

通過時頻相關系數譜,可快速判斷車輛異常振動與激振源的關系。

3 驗證與結果

3.1 試驗裝置

磁浮列車試驗測試裝置如圖1,傳感器布置在在磁浮列車客室內同一斷面上或同一斷面附近。

圖1 中,空調、空氣壓縮機和電磁鐵是激振源,客室頂板和客室地板是非激振源。振動傳感器為三相加速度傳感器,信號采集器采樣頻率1024Hz。磁浮列車在試驗線上來回行駛,信號采集器同步采集客室內部測點和激振源測點的垂向振動信號,計算機實時監測客室地板與客室頂板的振動狀況。

圖1 試驗裝置

3.2 結果分析

在列車往返行駛試驗中,客室頂板出現了異響狀況,由客室頂板振動傳感器獲取的振動信號頻譜如圖2。

圖2 中,最大波峰振幅為0.0061g,波峰頻率為20Hz,故客室頂板異響的特征頻率為20Hz。分別計算客室頂板特征頻率與空調、空氣壓縮機、左電磁鐵、右電磁鐵等激振源的時頻相關系數,相關系數譜如圖3 至圖6。

圖2 客室頂板振動信號頻譜

圖3 客室頂板與空調時頻相關系數譜

圖4 客室頂板與空氣壓縮機時頻相關系數譜

圖5 客室頂板與左側電磁鐵時頻相關系數譜

圖6 客室頂板與左側電磁鐵時頻相關系數譜

圖中,客室頂板與空調時頻最大相關系數為0.9421,頻率為20Hz,具有強相關性；客室頂板與空氣壓縮機、電磁鐵時頻相關系數均小于0.3,相關性較弱。

根據分析結果,對車輛空調進行調試發現,當車輛空調風扇轉速達到1200 轉/分鐘,即為20Hz 時,客室頂板產生異響,證明相關系數譜分析得到的結論是正確的。

4 結論

4.1 研究了磁浮列車振動信號特征及內涵。磁浮列車振動信號具有多個激振源,且振動信號具有時變特性。

4.2 基于相關分析與短時傅里葉變換,提出了一種多傳感器時頻相關系數信號處理方法,用作多激振源、多傳感器、非平穩振動信號識別。

4.3 進行了試驗驗證,結果表明,新的方法能夠有效的識別車內異常振動來源和頻率,幫助檢修人員快速排查車輛故障。