城市軌道交通車輛制動系統(tǒng)控制閥故障診斷方法

原宇博

關(guān)鍵詞：城市軌道交通;車輛制動系統(tǒng);控制閥;故障診斷

0引言

近年來，隨著城鎮(zhèn)化進程的不斷推進，我國城市面積不斷增加，人員出行與物資交流活動逐漸復(fù)雜，形成了環(huán)境空氣污染嚴重、交通擁堵、出行時問長等“城市病”。城市軌道交通形式為全封閉，不易受到外界條件的影響。軌道交通充分利用了地下空間，車廂編組靈活，運能大，通過接觸軌供電，節(jié)約能源，對環(huán)境污染程度較小，是解決“城市病”的有效手段，也是城市公共交通的關(guān)鍵組成部分，可以有效地節(jié)省市民的出行時間，改善市民的生活質(zhì)量，保障城市的健康發(fā)展。

城市軌道交通車輛是實現(xiàn)乘客運輸任務(wù)的直接工具，是軌道交通的效益線與生命線。城市軌道交通迅速發(fā)展的同時，軌道交通車輛安全事故發(fā)生的概率也在不斷攀升，軌道交通車輛制動系統(tǒng)的安全性逐漸受到人們的重視。依據(jù)統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，某地地鐵開通4個月內(nèi)，車輛制動系統(tǒng)發(fā)生故障約40多次，造成了重大的經(jīng)濟損失與人員傷亡。

城市軌道交通車輛制動系統(tǒng)由不同部件與子系統(tǒng)構(gòu)成，部件與子系統(tǒng)之問相互配合，構(gòu)成一個整體。在實現(xiàn)制動服務(wù)過程中，若某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，會導(dǎo)致車輛運行異常，威脅車輛以及乘客的安全。軌道交通具備行駛速度快、乘客數(shù)量波動大、發(fā)車頻率高等特點，這對城市軌道交通車輛制動系統(tǒng)的可靠性提出了更高的要求。而在車輛制動系統(tǒng)中，制動服務(wù)主要由控制閥決定，若控制閥出現(xiàn)故障，則會導(dǎo)致軌道交通車輛無法停止，從而發(fā)生車輛事故。為了避免車輛制動系統(tǒng)存在隱患，保證軌道交通車輛的穩(wěn)定運行，相關(guān)學(xué)者對此進行了研究。孫玉亭提出了電力機車空氣制動系統(tǒng)的控制故障診斷方法，對相關(guān)內(nèi)容做了概述，分析了機車空氣制動系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的故障，并結(jié)合相關(guān)實踐經(jīng)驗，分別從多個角度和方面就電力機車空氣制動系統(tǒng)的故障檢測展開了研究，但是該方法的電力機車空氣制動系統(tǒng)的控制故障診斷效果不佳。

針對上述方法存在的問題，本文在上述方法的基礎(chǔ)上，提出一種新的城市軌道交通車輛制動系統(tǒng)控制閥故障診斷方法，解決了傳統(tǒng)診斷方法存在的問題，為保證城市軌道交通車輛運行的穩(wěn)定和安全奠定了基礎(chǔ)。

1城市軌道交通車輛制動系統(tǒng)控制閥故障診斷方法

1.1故障分類

控制閥是城市軌道交通車輛制動系統(tǒng)的主要執(zhí)行單元儀表，由執(zhí)行機構(gòu)與調(diào)節(jié)機構(gòu)構(gòu)成。其中，執(zhí)行機構(gòu)依據(jù)驅(qū)動動力的不同可以劃分為：電動執(zhí)行機構(gòu)、氣動執(zhí)行機構(gòu)與液動執(zhí)行機構(gòu);調(diào)節(jié)機構(gòu)依據(jù)結(jié)構(gòu)的不同可以劃分為球閥、三通閥、直通雙座閥、角型閥等。在城市軌道交通車輛制動系統(tǒng)中，控制閥需要與定位器結(jié)合使用，定位器可以極大地提升控制閥的控制精準度。

根據(jù)城市軌道交通車輛制動系統(tǒng)實際情況來看，使用頻率較高的控制閥為氣動控制閥，由氣動執(zhí)行機構(gòu)、三通閥、定位器等相關(guān)附件構(gòu)成。氣動控制閥示意圖如圖1所示。

氣動控制閥工作原理為：以壓縮空氣為動力，定位器以車輛制動系統(tǒng)提供的信號作為控制信號，以此來控制閥位變化。計算閥位反饋信號與控制信號的差值，依據(jù)差值計算結(jié)果改變輸入電流，從而改變力矩馬達偏移，形成背壓信號，完成電流與氣壓信號的轉(zhuǎn)換，進而驅(qū)動繼動閥，實現(xiàn)了城市軌道交通車輛的制動。

通過現(xiàn)有文獻研究發(fā)現(xiàn)，控制閥故障主要依據(jù)構(gòu)成部分分類，分別為閥體故障、執(zhí)行機構(gòu)故障與附件故障，具體情況如下。

（1）閥體

閥體故障主要分為3類，分別為內(nèi)漏、外漏和堵塞，故障原因如表1所示。

（2）執(zhí)行機構(gòu)

執(zhí)行機構(gòu)故障主要分為2類，分別為閥桿受損和氣室漏氣，故障原因如表2所示。

（3）附件

附件指的是定位器與減壓閥，具體故障原因如表3所示。

上述故障是控制閥使用過程中發(fā)生概率較高的故障，通過對其分類、統(tǒng)計，為控制閥故障診斷與定位提供依據(jù)，也方便控制閥的管理與維修工作。1.2信號采集與處理

此研究采用8通道動態(tài)數(shù)據(jù)采集卡、6個振動加速度傳感器與2個聲壓傳感器對城市軌道交通車輛制動系統(tǒng)中的控制閥信號進行采集。

由于車輛制動系統(tǒng)工作環(huán)境較為復(fù)雜，采集得到的控制閥信號含有大量的噪聲，會極大地降低控制閥故障診斷的精準度，為此，利用EMD算法降低控制閥信號中的噪聲含量，具體控制閥信號降噪步驟如下所示。

（1）設(shè)定采集的控制閥信號為Y（t），提取控制閥信號Y（t）的局部極大值點與極小值點，利用三次樣條函數(shù)曲線將局部極大值點擬合出控制閥信號的上包絡(luò)線，同樣利用三次樣條函數(shù)曲線將局部極小值點擬合出控制閥信號的下包絡(luò)線，上、下包絡(luò)線表征著控制閥信號的全部特征信息。

（2）計算步驟1得到的上、下包絡(luò)線均值，記為h，設(shè)定IMF分量信號為：

當x1滿足EMD算法條件時，判定x1為控制閥信號的IMF分量信號。

（3）若IMF分量信號x1不滿足EMD算法條件，將x1作為控制閥信號重復(fù)步驟1，將新IMF分量信號x1均值記為h2，則有：

再次判定x2是否滿足EMD算法條件，若滿足，判定x2為控制閥信號的IMF分量信號;若不滿足，再次進行步驟1循環(huán)，直至得到目標IMF分量信號，記為x，令x+1=m1，則m1就是第1個從控制閥信號中分解出來的IMF分量信號。

（4）將上述步驟得到的第1個IMF分量信號分離出來，表達式為：

將得到的C（t）當作控制閥信號，重復(fù)進行步驟1～3，得到第2個IMF分量信號m2。重復(fù)循環(huán)N次，直到C（t）成為一個單調(diào)函數(shù)，得到了N個屬于控制閥信號Y（t）的IMF分量信號。

（5）上述步驟得到的C（f）即為經(jīng)過EMD算法的殘余信號，而IMF分量信號m（t）反映了控制閥信號的不同特征信息，為控制閥故障診斷提供便利。

1.3信號相關(guān)系數(shù)計算

控制閥信號較多，若一一進行診斷，時問過長，過程較為復(fù)雜，為此，計算不同控制閥信號之問的相關(guān)系數(shù)，確定控制閥信號之問的關(guān)聯(lián)程度，若關(guān)聯(lián)程度高，則合并控制閥信號;若關(guān)聯(lián)程度低，則保留兩個控制閥信號，以此來簡化控制閥故障診斷過程。

若r（p）<0.1，控制閥信號之間相關(guān)程度達到最好狀態(tài)，對應(yīng)的延遲步長為1。選擇r（p）<0.1的控制閥信號作為控制閥特征信號，為下述控制閥故障診斷提供數(shù)據(jù)支撐。

1.4故障診斷

以上述得到的控制閥特征信號為基礎(chǔ)，制定控制閥故障診斷程序，具體步驟如下所示。

（1）此研究選取采樣點數(shù)10240點的控制閥信號為對象;

（2）將采集的控制閥信號通過EMD算法進行降噪處理，得到控制閥信號相應(yīng)的IMF分量信號;

（3）對上述步驟得到的IMF分量信號進行重構(gòu)，將得到的重構(gòu)信號進行奇異值分解;

（4）通過相關(guān)系數(shù)計算值確定奇異值分解的延遲步長，搭建相應(yīng)的Hankel矩陣，確定降階次數(shù);

（5）依據(jù)上一步得到的歸一化相關(guān)系數(shù)對IMF分量信號進行篩選，將篩選得到的IMF分量信號與控制閥故障類型進行匹配，若匹配完成，輸出控制閥故障類型;若匹配失敗，無輸出，表明控制閥無故障發(fā)生。

通過上述過程實現(xiàn)了城市軌道交通車輛制動系統(tǒng)控制閥故障的診斷，為車輛以及乘客安全提供更加有效的保障。

2實驗結(jié)果與分析

2.1實驗設(shè)計

為了驗證提出方法的應(yīng)用性能，設(shè)計仿真實驗。選取Bosh Rexroth公司生產(chǎn)的控制閥作為實驗對象。在WindowsXP平臺上采用LIBSVM工具箱進行仿真實驗。LIBSVM工具箱是由Lin Chin-Jen開發(fā)的，具備簡單易行的優(yōu)勢，可以用來解決分類、回歸、估計等多種問題。

為了保障實驗的可控性，在實驗條件下，模擬了10種控制閥故障模式，具體如表4所示。

2.2實驗指標選取

為了客觀反映城市軌道交通車輛制動系統(tǒng)控制閥故障診斷方法的應(yīng)用性能，選取特定的實驗指標，通過實驗指標的大小判定提出方法應(yīng)用性能的好壞。

通過現(xiàn)有文獻研究發(fā)現(xiàn)，提出方法的應(yīng)用性能由控制閥信號中的噪聲占比與控制閥故障診斷系數(shù)決定，上述兩個實驗指標計算公式為：

2.3控制閥信號噪聲占比分析

通過研究發(fā)現(xiàn)，只有控制閥信號噪聲占比小于31.22%，才能得到比較精確的故障診斷結(jié)果。為了保障實驗結(jié)果的準確性，分別在調(diào)定壓力3MPa與5MPa下進行仿真實驗，得到控制閥信號噪聲占比實驗結(jié)果如表5～6所示。

由表可知，隨著調(diào)定壓力的增加，控制閥信號噪聲占比升高。在調(diào)定壓力3MPa下，控制閥信號噪聲占比范圍為10.23%～15.68%;在調(diào)定壓力5MPa下，控制閥信號噪聲占比范圍為25.10%～29.91%，通過對比發(fā)現(xiàn)，實驗結(jié)果均低于最高限值31.22%。

2.4控制閥故障診斷系數(shù)分析

通過仿真實驗得到控制閥故障診斷系數(shù)數(shù)據(jù)如圖2所示。常規(guī)情況下，控制閥故障診斷系數(shù)最低限值為0.36，由圖可知，通過仿真實驗得到控制閥故障診斷系數(shù)范圍為0.36-0.94，全部高于規(guī)定的最低限值。

上述實驗結(jié)果顯示：提出方法控制閥信號噪聲占比均低于最高限值31.22%，控制閥故障診斷系數(shù)范圍均高于最低限值0.36，充分說明提出的方法具備較好的應(yīng)用性能。

3結(jié)束語

為了更好地解決傳統(tǒng)城市軌道交通車輛制動系統(tǒng)控制閥故障診斷方法中存在的控制閥故障診斷效果不佳的問題，本文提出一種新的城市軌道交通車輛制動系統(tǒng)控制閥故障診斷方法。此研究以現(xiàn)有控制閥故障類型為基礎(chǔ)，對城市軌道交通車輛制動系統(tǒng)中的控制閥信號進行采集，利用EMD算法對控制閥信號中的噪聲進行處理，并計算不同控制閥信號之問的相關(guān)系數(shù)，確定控制閥信號之間的關(guān)聯(lián)程度，根據(jù)得到的控制閥特征信號，制定控制閥故障診斷步驟。實驗結(jié)果充分表明，本文方法的控制閥信號噪聲占比比最高限值低，且控制閥故障診斷系數(shù)范圍比最低限值高，具備良好的應(yīng)用性能，可以為車輛以及乘客的安全提供更加有效的保障。