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冯赤忠:火车转向架故障诊断系统(1) ·1·
火车转向架故障诊断系统(1)

(工程技术学院自动化科学系自动化专业冯赤忠)
(学号:2001112016)

内容摘要:火车转向架故障常见的是以下三种:锁钉脱落、弹簧断裂、横梁裂纹。本次设
计的基于 Labview 的转向架故障诊断系统采用三种单因素模式识别和综合决策的方法能够在故
障发生早期成功地将其检测出来。本文详细探讨了频谱、功率倒频谱和自谱三种单因素模式识别
的原理及其具体程序设计,进而探讨了模糊综合决策的数学原理及其在综合决策中的应用。该诊
断系统综合频谱、功率谱、自谱三种信号分析方法的优点,提高了故障诊断的准确率。
关键词:转向架;故障诊断;频谱;功率倒频谱;自谱
教师点评:自 1997 年至今铁道已经实施了 5 次大提速,旅客列车速度提高到 160km/h,同
时普遍开行 5,000t 重载货物列车,并保持运输高密度,这在国际上尚无先例。因此,创建提速列
车安全监测系统是其安全保障的关键技术。本论文研究转向架故障诊断技术具有工程应用价值。
转向架特征频率是敲击声音识别的敏感参数,本论文应用频谱、功率倒频谱和自谱三种单因素模
式识别,并应用进一步模糊综合评判理论对其进行了综合识别,所建立的系统界面友好。实验表
明,识别系统对不同对象的敲击声音能够有效识别。(点评教师:关惠玲,教授)

一、引言
目前,火车是主要的交通、运输工具之一,随着我国铁路货运量和客运量的迅速增长和铁
道火车的提速,除需要加快生产通用货车和客车外,还必须保证行车安全,转向架是列车的关键
部件之一,对其进行监测和故障诊断对保障铁路安全运行具有重要意义。现在比较常用的检测火
车转向架故障方法是让铁路工人拿锤子分别在转向架的各个地方敲击,依据听到声音的不同来判
断出转向架是否有故障。这种方法虽然简单方便,但主要依据主观经验进行判断,因此容易造成
误判,给火车运行带来隐患。本课题从敲击转向架发出的声音信号和传播的理论分析入手,提取
有效声音信息,设计出一个综合诊断方法,经试验表明,此方法能够对火车转向架的某些故障诊
断进行有效识别。

二、诊断系统的组成及其工作原理
系统的主要由声卡采集、信号分析、模式识别等部分组成,结构如图 1 所示:
模式识别
信号分析
声音信号声卡采集计算机故障输出

图 1 诊断系统的组成部分
本文主要论述模式识别部分,模式识别是将各种故障的声音信号和正常的声音信号建成一
个模式库,把被测的声音信号和标准库作比较,与之最为接近的情况就是该被测信号的故障情况。
1、模式识别的最近邻法
模式识别的方法里面较常用的一种方法就是最近邻法,首先讨论最近邻法的原理。
假定有 C 个类别ω 1, ω 2, ........., ω c 的模式识识别问题,每类有标明类别的样本 Ni 个,
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我们可以规定ωi 类的判别函数为
= − k =
gi( x) min x xi ,k 1,2,.........Ni (1)
k ωω
其中 xi 的角标 i 表示ι类, k 表示ι类 Ni 个样本中的第 k 个。按照式(1)