基于EMD的城市軌道交通走行部軸承故障監(jiān)測系統(tǒng)

萬 恒，蘇燕辰，李忠元，吳 琛

(1.西南交通大學機械工程學院，四川成都 610031；2.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島 266111)

0 引言

近年來，隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，逐步形成了以1 h通勤圈為基本空間范圍的多個都市圈，城際列車成為都市圈通勤的首選。而交通首要的問題就是需要保證其安全，列車的軸承故障是引發(fā)列車事故的主要因素之一。

軸承故障診斷主要是通過安裝在軸端的加速度傳感器對采集的振動信號進行時頻分析，如峰值法、峭度、傅里葉變換、小波分析等方法[1]；由于列車走行部的滾動軸承發(fā)生故障時信號是非平穩(wěn)的，其振動信號各頻帶的能量發(fā)生相應變化，可利用各頻帶能量分布作為該狀態(tài)下軸承故障特征向量[2]；傳統(tǒng)的采用傅里葉變換通常應用于穩(wěn)定信號而對于處理振動信號，其存在著一定的局限性，自適應的經(jīng)驗模式分解(EMD)和希爾伯特包絡譜分析(Hilbert)相結合的分析方法[3]，能夠對列車運行過程中的振動信號進行故障特征提取。本文采用ARM3354為核心的處理器，選用復合傳感器，其內(nèi)置振動以及溫度信號，通過對信號的處理設計出相關的算法，以ARM3354為主控芯片設計的城際列車的實時監(jiān)測系統(tǒng)[4]，實驗結果與計算結果能夠匹配。

1 系統(tǒng)的總體方案設計

ARM微處理器具有數(shù)據(jù)處理能力強和功耗低的特點，被廣泛應用于各種場景，根據(jù)本方案的設計需求，選用ARM3354作為系統(tǒng)的主控芯片，同時選用Cortex-M4內(nèi)核STM32F407作為的子系統(tǒng)的控制芯片。數(shù)據(jù)采集模塊采用STM32F407，并對原始信號做預處理，使用ARM3354對預處理的數(shù)據(jù)進行算法分析，得到的數(shù)據(jù)通過內(nèi)部網(wǎng)絡發(fā)送給通信板卡，通過TRDP總線上傳到TCMS，以實現(xiàn)系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行實時采集、分析、上傳，可以通過上位機軟件對系統(tǒng)進行參數(shù)配置，并且還可以使用地面系統(tǒng)對采集的原始數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)對比、故障診斷、故障分析等，并將原始數(shù)據(jù)，經(jīng)算法處理后的診斷數(shù)據(jù)以及報警數(shù)據(jù)存儲到硬盤中，以實現(xiàn)一個完整的城市軌道交通走行部在線監(jiān)測系統(tǒng)。圖1為系統(tǒng)的總體框圖。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 信號調理和采集電路

高速列車運行速度快，因此分析的數(shù)據(jù)需求量以及數(shù)據(jù)的精度要求高。如圖2所示，系統(tǒng)將傳感器傳入的電信號通過差分運算放大器傳入AD7606數(shù)據(jù)采集模塊。采用OPA2188AID芯片作為系統(tǒng)的運算放大器，OPA2188AID可在單電源±2 V或者雙電源±18 V使用。 AD7606是一個16 位 ADC，所有通道都具有 200 KSPS的采樣率，同時具有8通道同步采樣的特性，滿足系統(tǒng)需求。

(a)信號濾波電路

(b)信號放大電路圖2 信號濾波與放大電路

2.2 硬盤存儲

系統(tǒng)每天運行在線時間長，存儲數(shù)據(jù)量大，因此采用SATA硬盤作為存儲介質，相比傳統(tǒng)的IDE(ATA)和SCSI硬盤，SATA硬盤具有高速度、高容量、價格低、操作方便的優(yōu)點。使用ARM3354記錄板的USB1_DM和USB1_DP 2個引腳與TUSB9261芯片的USB_DN和USB_DP引腳相連。是一款具有自適應器的USB轉SATA接口的橋接芯片，可以使接收獲得更大的抖動容差。

3 監(jiān)測系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)采用AD7606作為數(shù)據(jù)采集模塊，該芯片不僅具有高性能、低功耗以及抗干擾的優(yōu)點，并且具有靈活的并行/串行接口，可以滿足本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸要求。如圖3所示，設定系統(tǒng)采樣頻率，通過定時器中斷觸發(fā)完成ADC采樣，當數(shù)據(jù)采樣達到1個周期的采樣數(shù)，通過SPI總線將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給處理板，處理板對原始信號進行經(jīng)驗模態(tài)分解，對每一層的IMF分量進行分析，選取最優(yōu)的本征模態(tài)函數(shù)，然后進行Hilbert變換，對變換后的信號進行取模包絡，通過FFT確定軸承的故障頻率以及幅值，最終通過幅值計算信號的特征值，若超過閾值，則將報警信息通過TRDP協(xié)議傳輸?shù)絋CMS上，對應得到報警標志位置1報警[5]，圖3所示為軟件算法流程圖。

圖3 軟件算法流程圖

4 軸承故障診斷原理

本設計采用的經(jīng)驗模態(tài)(EMD)分解，與小波分析不同，EMD是一種自適應的信號處理方法。小波分析法處理信號之前，需要選定小波基，其在信號分析處理過程中不能更改，因此即使選定的小波基對于全局數(shù)據(jù)來說是最優(yōu)的，但是相對于局部而言，則不一定。EMD分析一段未知的信號之前，不需要提前對信號進行分析，能夠自適應的將原始信號分成多層的本征模態(tài)函數(shù)(IMF)和殘余信號。

4.1 經(jīng)驗模態(tài)變換(EMD)

EMD算法可以根據(jù)信號本身的不同尺度和趨勢逐級對其進行分解，從而得到一系列具有不同特征尺度的IMF[6],而每一層的IMF對于原始信號的相關度都不同。EMD算法步驟如圖4所示[7-8]。

圖4 EMD算法步驟

圖4中IMF需要滿足2種條件：極值點數(shù)目與零點個數(shù)差值小于等于1；任意數(shù)據(jù)段，局部上包絡線e+(t)和下包絡線e-(t)相對于時間軸局部對稱。

其中m(t)為均值包絡線，r(t)為中間信號，cn(t)為第n個滿足IMF 2個條件的信號。最終的單調函數(shù)或者常量為殘余量，記為Res。

EMD分解的信號滿足：

(1)

式中：x(t)為原始信號；cn(t)為1到n階IMF分量；Res為殘余分量。

4.2 希爾伯特變換(Hilbert)

EMD分解后的ci(t)信號，計算ci(t)的相關系數(shù)并存在數(shù)組A中，計算出相關系數(shù)的最大值R以及在數(shù)組中的位置C，對其經(jīng)過Hilbert變換得到：

(2)

解析信號：

zi(t)=ci(t)+jH[ci(t)]=ai(t)ejφi(t)

(3)

ai(t)為幅值函數(shù)，其表達式為

(4)

φi(t)表示瞬時相位，表達式為

(5)

ωi(t)表示瞬時頻率，表達式為

(6)

根據(jù)解析表達式可知，振動信號經(jīng)過Hilbert變換得幅值包絡，根據(jù)式(4)可以得到原始振動信號的包絡圖。

5 故障診斷驗證

本文實驗室驗證數(shù)據(jù)采用6205-2RS SKF深溝球軸承，通過在軸承支座上方的加速度傳感器采集振動數(shù)據(jù)，其中振動頻率為12 kHz，電機轉速為1 797 r/min，故障直徑為0.178 mm，壓力角α=0，其軸承參數(shù)如表1所示，將數(shù)據(jù)導入到監(jiān)測系統(tǒng)的采集板，模擬數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集模塊通過SPI總線將軸承數(shù)據(jù)傳輸?shù)教幚戆暹M行數(shù)據(jù)處理。

表1 軸承參數(shù)表

根據(jù)對應的參數(shù)可求得軸承的故障頻率[9]。軸承內(nèi)圈的故障頻率為

(7)

軸承外圈的故障頻率為

(8)

式中：N為軸承滾動體的個數(shù)；d為滾動體直徑；D為節(jié)徑；fr為軸的轉頻。

分別取軸承內(nèi)圈和外圈在1 s時間的信號，如圖5所示，分別為軸承內(nèi)圈和外圈原始信號時域和頻域圖；從頻域圖可以看出內(nèi)外圈的故障信號不能被準確找到，故障信號被大量的噪聲淹沒。

使用EMD將原始信號分解，分別得到6個IMF，其波形如圖6、圖7所示。在EMD分解后，求出每一層IMF與原始信號的自相關系數(shù)，其相關系數(shù)如表2、表3所示。

(a)內(nèi)圈原始數(shù)據(jù)時域圖

(b)內(nèi)圈原始數(shù)據(jù)頻域圖

(c)外圈原始數(shù)據(jù)時域圖

(d)外圈原始數(shù)據(jù)頻域圖

圖6 軸承內(nèi)圈EMD分解信號

表2 內(nèi)圈IMF自相關系數(shù)

表3 外圈IMF自相關系數(shù)

由表2、表3可知，IMF1的自相關系數(shù)分別為0.94和0.92，因此選取IMF1作為信號的有效分量，經(jīng)Hilbert變換得到有效信號的包絡，最后通過FFT變換后找出軸承的故障頻率,如圖8所示。

分別計算出內(nèi)圈的故障頻率為162.2 Hz，外圈的故障頻率為107 Hz。由圖8 (a)可以看出，經(jīng)EMD分

圖7 軸承外圈EMD分解信號

(a)軸承內(nèi)圈包絡頻域圖

(b)軸承外圈包絡頻域圖圖8 軸承故障包絡頻域圖

解以及Hilbert變換求出的故障頻率為162、323、485 Hz；由圖8(b)可以看出內(nèi)環(huán)故障頻率為108、215、323 Hz。由此可以看出系統(tǒng)可以準確找出軸承的故障頻率以及其倍頻。

系統(tǒng)的評價指標為

(9)

式中TZ為幅值。

根據(jù)閾值大小，將報警值等級分為預警，一級和二級報警，通過通信板實時將報警數(shù)據(jù)發(fā)送給TCMS。

6 結束語

系統(tǒng)以ARM為主控芯片，通過EMD和Hilbert變換，對復雜的軸承振動信號通過自適應的故障提取方法，在實驗的基礎上，準確找到軸承的故障頻率，并能夠實時地通過通信板發(fā)送給TCMS，以實現(xiàn)對列車運行過程中走行部軸承狀態(tài)的實時監(jiān)測，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，使用簡便，為城市軌道列車的安全運行提供了保障。