1、列车常见故障及诊断列车常见故障及诊断方法概论方法概论目目 录录 第一章 机械故障诊断的基本原理 第二章 故障诊断的信号分析与处理技术 2.1 信号分析与处理中常用的数学变换 2.2 时域分析方法 2.3 频域分析方法 第三章 振动诊断的理论基础 3.1 机械振动的运动学 3.2 单自由度系统的强迫振动 第四章 测振传感器 第五章 典型的故障处理方法（弓网接触）2列车常见故障及诊断方法概论 第一章 列车故障诊断概述 列车故障诊断的作用内容及特点 1、列车故障诊断的作用与意义 2、列车故障诊断的主要研究内容 3、机械设备转台监测检修技术 4、我国铁路机车车辆检修的有关规定 5、我国开展列车故障诊断
2、的特点 列车常见故障及诊断方法3列车常见故障及诊断方法概论 一、列车故障诊断的作用与意义1 主要作用：列车故障诊断是识别列车运行状态的科学，其研究内容包括：（1）列车运行现状的识别诊断（2）对其运行状态的监测（3）对其运行趋势的预测2 主要意义：铁路是我国重要的基础设施，列车良好的运行是确保铁路安全行车的关键。铁路是我国重要的基础设施，列车良好的运行是确保铁路安全行车的关键。而这些，必须依赖列车故障诊断技术。列车常见故障及诊断方法4列车常见故障及诊断方法概论二、列车故障诊断的主要研究内容对列车进行故障诊断技术及故障诊断装置的研究，在我国目前人处于起步阶段。其主要研究内容根据列车总体来分，可分为
3、以下三个方面。I.机械部分故障诊断II.电气部分故障诊断III.空气管路部分故障诊断列车常见故障及诊断方法5列车常见故障及诊断方法概论机械部分故障诊断的主要内容机械部分的主要设备包括车体、转向架、轮对等。（1）车体的故障检测）车体的故障检测列车车体是一个壳体结构。是一个复杂的受力体，应该具有足够的强度和刚度，以保证运行的安全性和平稳性。车体的故障诊断主要是针对车体受力，外形是否出现变形或裂纹等方面进行。列车常见故障及诊断方法6列车常见故障及诊断方法概论（2）转向架的故障检测）转向架的故障检测转向架是列车的走行部分，它对机车车辆动力学性能、牵引性能和安全性能骑着决定性的作用。转向架的主要故障是受
4、力结构上出现裂纹，目前我国铁路机车车辆主要是在停车状态依靠感官检测和超声波检测。列车常见故障及诊断方法7列车常见故障及诊断方法概论（3）轮对的故障检测）轮对的故障检测轮对是列车机械部分中最重要的关键部件之一，是铁路机车机械故障多发的部位，在铁路机车的检修与维护中，轮对的维护保养尤为重要。列车常见故障及诊断方法8列车常见故障及诊断方法概论 电气部分故障诊断的主要内容电力机车上进行故障诊断的主要电气部件包括8类：受电弓(弓网关系）、主变压器、牵引变流器、牵引电机、辅助电机系统、电气控制系统、微机及电子控制系统、控制电源和辅助电源。电力机车故障诊断系统的建立是一个十分巨大复杂的系统工程。列车常见故障
5、及诊断方法9列车常见故障及诊断方法概论 空气管路部分故障诊断列车开车与停车都离不开空气管路系统，对保障铁路运输安全、提高哦列车的运行速度与可靠性，都起着十分重要的作用。空气管路系统可分为风源系统管路、控制系统管路、辅助系统管路、制动机系统管路。列车常见故障及诊断方法10列车常见故障及诊断方法概论机械设备状态监测检修技术1.振动状态监测检修技术2.噪声状态监测检修技术3.温度状态监测检修技术4.无损探伤状态监测检修技术列车常见故障及诊断方法11列车常见故障及诊断方法概论振动状态监测检修技术振动诊断:指对正在运转的机器设备进行检测，测量系统某些选定点上的振幅、频率、相位、振动的时间历程和频谱等参数
6、，对于非工作状态的机器则需要激振。振动信号的分析方法：1、时域分析 2、频域分析列车常见故障及诊断方法12列车常见故障及诊断方法概论噪声状态监测检修技术机械噪声分类：1、机械机构振动性噪声 2、空气动力性噪声噪声的特性参数：声压 声强 声功率 等噪声的测量仪器：1、传声器 2、放大器 3、计权滤波器在进行噪声测量前，首先应明确测量的对象和目的，编制相应的测量计划，选择合适的噪声测量仪器，以保证达到预定的测量要求。列车常见故障及诊断方法13列车常见故障及诊断方法概论温度状态监测检修技术 某些设备运转是否正常会在温度上有明显的反应，根据温度值的变化可以了解机电设备的运转状态，进行状态监测检修。温度
7、的测量方式接触式测温非接触式测温热电偶工作原理热电阻传感器原理薄膜热电阻式传感器红外探测器红外成像列车常见故障及诊断方法14列车常见故障及诊断方法概论无损探伤状态监测检修技术利用声光电磁热以及核辐射效应等均可在不破坏被测对象的结构完整性前提下实现对材料内部损伤的探测，称为无损探伤。无损探伤技术渗透法探伤磁粉探伤超声探伤列车常见故障及诊断方法15列车常见故障及诊断方法概论 我国铁路机车车辆检修的有关规定机车车辆失效的规定我国标准GB 3187对故障的定义为“产品丧失规定的功能，对可修复产品通常也称故障。”故障通常分为以下几类：（1）机破 机车车辆破损，根据机车车辆的破损范围可分为四类，报废、大破
8、、中破和小破。（2）临修 机车在机务段两次定检之间发生的临时性修理的故障。（3）碎修 自检自修的不计入临修的故障称之为碎修故障。列车常见故障及诊断方法16列车常见故障及诊断方法概论目前我国开展列车故障诊断的特点我国机车车辆制造维修的低水平，特别是可靠性低，对开展机车车辆故障诊断的迫切性有所提高（1）国内没有关于铁路机车车辆机电设备成功晚上的故障诊断报道。（2）数学模型难以建立。（3）原始资料的积累困难，真实性不高。（4）故障诊断的研究起步晚，工作开展困难列车常见故障及诊断方法17列车常见故障及诊断方法概论课后问题列车故障诊断的主要研究内容机械部分故障诊断电气部分故障诊断空气管路部分故障诊断机械
9、设备状态监测检修技术振动状态监测检修技术噪声状态监测检修技术温度状态监测检修技术无损探伤状态监测检修技术列车常见故障及诊断方法18列车常见故障及诊断方法概论第二章 故障诊断的信号分析与处理技术2.12.1信号分析与处理中数学变换信号分析与处理中数学变换 信号可分为确定性信号与随机信号两大类：信号可分为确定性信号与随机信号两大类：确定性信号确定性信号：能用数学表达式精确描述的信号，可进一步分为周：能用数学表达式精确描述的信号，可进一步分为周 期和非周期性号。期和非周期性号。随机信号随机信号：不能用数学表达式精确描述的信号，可利用数理统计：不能用数学表达式精确描述的信号，可利用数理统计 和离散数字
10、处理的方法进行分析；和离散数字处理的方法进行分析；信号的分类信号分析与处理的方法很多，其基础是数学变换。列车常见故障及诊断方法19列车常见故障及诊断方法概论信号的分类信号的分类机械故障诊断领域中遇到大多数机械信号为确定性信号和随机信号的组合，总体上有一定的随机性，因而往往把所测机械信号说成是随机信号。列车常见故障及诊断方法20列车常见故障及诊断方法概论0.10.20.30.40.5-1-0.500.51幅值 米/秒2时间 秒0.10.20.30.40.5-1-0.500.51幅值 米/秒2时间 秒一些机械信号（空气压缩机信号：1 正常、2弹簧失效）列车常见故障及诊断方法21列车常见故障及诊断方
11、法概论02565127681024-1.5-1-0.500.511.5序列点数幅值 a/mV列车常见故障及诊断方法22列车常见故障及诊断方法概论信号分析与处理技术概念概念 为诊断故障而测得的为诊断故障而测得的信号信号多多是时是时间间的的历程函数历程函数，为了更充分地，为了更充分地利用利用所测信号，有必要从多个侧面来对所测信号，有必要从多个侧面来对它进行它进行加工处理加工处理，这个加工处理的，这个加工处理的过程就是信号的分析与处理过程就是信号的分析与处理列车常见故障及诊断方法23列车常见故障及诊断方法概论2.1.1傅里叶变换 傅里叶变换，即从时域傅里叶变换，即从时域到频域的变换或其逆变换，是频谱
12、到频域的变换或其逆变换，是频谱分析的工具。分析的工具。*1、傅里叶级数、傅里叶级数列车常见故障及诊断方法24列车常见故障及诊断方法概论傅里叶级数的三角函数展开式和复指数展开式)sincos()(0010tnbtnaatxnnndttxTaTT)(12/2/0000tdtntxTaTTn02/2/0cos)(200tdtntxTbTTn02/2/0sin)(200 x tC ennjntn(),(,.)0012列车常见故障及诊断方法25列车常见故障及诊断方法概论02,20,)(00tTATtAtx000002.)5sin513sin31(sin4)(TtttAtx例子列车常见故障及诊断方法26列
13、车常见故障及诊断方法概论2、傅里叶变换、傅里叶变换 tx fXIFTFT列车常见故障及诊断方法27列车常见故障及诊断方法概论例子：矩形窗函数的频谱例子：矩形窗函数的频谱|2()0|2Atw tt2222()()()()2sinsin()()jftjftjfjfjfWfw t ed tAA ed teejffAAcfXfef 列车常见故障及诊断方法28列车常见故障及诊断方法概论29列车常见故障及诊断方法概论傅里叶变换的基本性质傅里叶变换的基本性质1、线性性质、线性性质2、比例伸缩性质、比例伸缩性质3、位移性质、位移性质4、对称性质、对称性质5、函数曲线下的面积、函数曲线下的面积6、乘积与卷积、乘
14、积与卷积7、微分性质和积分性质、微分性质和积分性质列车常见故障及诊断方法30列车常见故障及诊断方法概论2.1.2拉普拉斯（Laplace)变换 除了满足狄利赫利条件外,还要在()区间上满足绝对可积条件的函数才可以作傅傅立叶变换。但绝对可积的条件是比较强的，许多函数即使是很简单的函数(如单位函数、正弦函数、线性函数等)都不满足这个条件。其次可以进行傅立叶变换的函数必须在整个数轴上有意义，但在实际应用中，许多以时间t作自变量的函数往往在 下无意义或者不需要考虑。像这样的函数都不能进行傅立叶变换。由此可见，傅立叶变换的应用范围受到相当大的限制。工程上实测的信号往往不满足此项要求。,列车常见故障及诊断
15、方法31列车常见故障及诊断方法概论拉氏变换的应用：拉氏变换的应用：n 拉氏变换可使求导和求积分的运算简化拉氏变换可使求导和求积分的运算简化为代数运算，可通过拉氏变换把微分方为代数运算，可通过拉氏变换把微分方程化为代数方程来求解。程化为代数方程来求解。n 拉氏变换还常用于求系统的传递函数。拉氏变换还常用于求系统的传递函数。列车常见故障及诊断方法32列车常见故障及诊断方法概论2.1.3 Z变换00)()()()(nnnnznxnxZznxzX 利用利用Z Z变换的性质，可将差分方程转换为代数方程，变换的性质，可将差分方程转换为代数方程，从而使求解过程大为简化。从而使求解过程大为简化。(数字信号）数
16、字信号）2.1.4 希尔伯特变换ttxdtxtx1*)()()()(揭示了可实现系统函数实部与虚部之间的相互信揭示了可实现系统函数实部与虚部之间的相互信赖关系，主要用于信号包络的提取，奇异点信号赖关系，主要用于信号包络的提取，奇异点信号的获取。的获取。列车常见故障及诊断方法33列车常见故障及诊断方法概论问题：傅里叶变换的基本性质问题：傅里叶变换的基本性质答案：1、线性性质、线性性质2、比例伸缩性质、比例伸缩性质3、位移性质、位移性质4、对称性质、对称性质5、函数曲线下的面积、函数曲线下的面积6、乘积与卷积、乘积与卷积7、微分性质和积分性质、微分性质和积分性质列车常见故障及诊断方法34列车常见故
17、障及诊断方法概论1、概率密度函数P（X）定义：信号幅值为X的概率数学表达式：2.2.1统计特征参量分析列车常见故障及诊断方法2.2时域分析方法35列车常见故障及诊断方法概论图示新旧两个齿轮箱的振动信号的概率密度函数，直观地说明新旧两个齿轮箱的振动信号之间有明显的差异列车常见故障及诊断方法36列车常见故障及诊断方法概论2、概率分布函数F（X）定义：幅值信号小于等于某一值X的概率数学表达式：列车常见故障及诊断方法37列车常见故障及诊断方法概论列车常见故障及诊断方法38列车常见故障及诊断方法概论3、无量纲指标列车常见故障及诊断方法39列车常见故障及诊断方法概论无量纲指标的敏性和稳定性的评价由信号的幅
18、值参数比值得到的无量纲指标在实际使用时，敏感性和稳定性常常不能兼顾。列车常见故障及诊断方法40列车常见故障及诊断方法概论列车常见故障及诊断方法41列车常见故障及诊断方法概论1 1、自相关函数：、自相关函数：定义：描述随机信号一个时刻与另一个时刻定义：描述随机信号一个时刻与另一个时刻 的依赖关系，即研究的依赖关系，即研究T T时刻与时刻与T T时时 刻两个随机变量的相关性，记作刻两个随机变量的相关性，记作RX()RX()()(1lim0dttxtxTRTTx自相关函数的应用：判断信号是否含有周期性成分2.2.2相关分析列车常见故障及诊断方法42列车常见故障及诊断方法概论2、互相关函数定义：描述随
19、机信号x(t)、y(t)之间的相 关性的函数，用 Rxy(）表示：1lim0dttytxTRTTxy列车常见故障及诊断方法43列车常见故障及诊断方法概论3、自相关函数的应用举例 R()0(a)正常状态变速箱噪声信号的自相关函数 R()0(b)异常状态变速箱噪声信号的自相关函数C630型机床主轴箱噪声的自相关函数(a)图是正常状态下噪声的自相关函数，随着的增大R()迅速趋近于横坐标，说明变速箱的噪声是随机噪声；相反，在(b)图中，变速箱噪声的自相关函数R()中含有周期分量，当增大时R()并不向横坐标趋近，这标志着变速箱工作状态处于异常。将变速箱中各根轴的转速与R()的波动频率进行比较，就可以确定
20、出这一缺陷的位置。列车常见故障及诊断方法44列车常见故障及诊断方法概论自相关分析测量转速理想信号干扰信号实测信号自相关系数提取周期性转速成分。自相关分析的主要应用：用来检测混肴在干扰信号中的确定性周期信号成分。45列车常见故障及诊断方法概论4、互相关函数的应用举例 它是在噪声背景下提取有用信息的一个十分有效的手段。它是在噪声背景下提取有用信息的一个十分有效的手段。例如我们对一个线性系统激振，测得的振动信号中常常含有大量的噪例如我们对一个线性系统激振，测得的振动信号中常常含有大量的噪声干扰。根据线性系统的频率保持性，只有和激振频率相同的分量才声干扰。根据线性系统的频率保持性，只有和激振频率相同的
21、分量才有可能是有可能是由激振引起的响应由激振引起的响应，其它分量均视为干扰噪声。，其它分量均视为干扰噪声。列车常见故障及诊断方法46列车常见故障及诊断方法概论 在不同频率的激励作用下，根据输入信号和输出响应之间的互相在不同频率的激励作用下，根据输入信号和输出响应之间的互相关函数可以求出各频率下从激励点到测量点之间的幅值、相位传关函数可以求出各频率下从激励点到测量点之间的幅值、相位传输特性，从而得到相应的输特性，从而得到相应的频率响应函数频率响应函数。用来测量一种随机干扰的用来测量一种随机干扰的平均传递速度平均传递速度：考虑沿某一方向传播的考虑沿某一方向传播的某种干扰，当我们在此方向上相距某种干
22、扰，当我们在此方向上相距L的两个测点测量此干扰时，得的两个测点测量此干扰时，得到两个信号，用这两个信号的互相关函数即可以识别出干扰传播到两个信号，用这两个信号的互相关函数即可以识别出干扰传播的方向和平均传播的时间。的方向和平均传播的时间。列车常见故障及诊断方法47列车常见故障及诊断方法概论求平均传输速度求平均传输速度 激励噪声激励噪声H(T)经过传感器经过传感器X和传感器和传感器Y的时差的时差 ，用测得的用测得的X(T)和和Y(T)两路信号进行互相关分析可两路信号进行互相关分析可得得 ，如果，如果L已知，则激励噪声在通道中的传输已知，则激励噪声在通道中的传输速度速度 ，而，而V V的符号反映了
23、激励信号在通道中的符号反映了激励信号在通道中的传输方向。的传输方向。mV=Lm互相关分析0L传感器 X传感器 y激励噪声y(t)x(t)Vth(t)列车常见故障及诊断方法48列车常见故障及诊断方法概论列车常见故障及诊断方法列车常见故障及诊断方法问题：自相关函数的主要应用是什么？答案：提取信号中的周期性成分49列车常见故障及诊断方法概论2.3.1频域分析方法的优点频域分析方法的优点时域分析时域分析：只能粗略地回答机械设备是否有故障频域分析：频域分析：能回答故障发生部位信息目前频域分析是机械故障诊断中用得最广泛的信号处理方法之一列车常见故障及诊断方法列车常见故障及诊断方法2.3 频域分析方法50列
24、车常见故障及诊断方法概论列车常见故障及诊断方法列车常见故障及诊断方法2.3.2频域分析方法的定义时间（横坐标）频率(横坐标)时域 频域即把以时间为横坐标的时域信号通过傅里叶变换分解为以频率为横坐标的频域信号，从而求得关于原时域信号频率成分的幅值和相位信息的一种分析方法 傅里叶变换51列车常见故障及诊断方法概论列车常见故障及诊断方法列车常见故障及诊断方法2.3.3常见的频域分析方法1、幅度谱分析 直接对采样所得的时域信号进行傅里叶变换，求得关于该时域信号的频率构成信息数学运算式：X（T）：时域信号（振动加速度、速度或位移等一切以T为自变 量的函数）X（F）：信号的幅度谱 dttxfXft2 j-
25、）（52列车常见故障及诊断方法概论2、功率谱分析 在频域中对信号能量或功率分布情况的描述，包括自功率谱和互功率谱。自功率谱与幅度谱提供的信息量相同，相同条件下，自功率谱比幅度谱更为清晰 自功率谱计算方法：A、幅度谱计算 B、相关函数的傅里叶变换 53列车常见故障及诊断方法概论A、幅度谱计算自功率谱密度函数：帕斯维尔定理推知，信号的幅度谱与自功率谱之间的对应关系如下其离散化采样的计算公式 （N为采样长度）TfXfS2）（2N|X|1fNfSN54列车常见故障及诊断方法概论B、用相关函数计算功率谱：设有时间历程信号X（T）和Y（T），它们的自相关函数和互相关函数分别为 ，由维纳辛钦定理可得 xR
26、yR xyR dRfSf2-xx dRfSf2-yy dRfSf2-xyxy55列车常见故障及诊断方法概论列车常见故障及诊断方法56列车常见故障及诊断方法概论 2.3.4 应用 下面来举几个例子说明频域分析法在实际故障诊断中的应用 例1 利用频谱诊断法检验轴承质量。图 3 滚动轴承的振动频谱列车常见故障及诊断方法57列车常见故障及诊断方法概论 如上图3所示，是滚动轴承在加载运转时的振动信号的功率谱。试验是在专用的轴承试验台上进行的，用来代替常规的人工验收精密滚动轴承。可以看到，试验台接收和处理的频道信号频带相当宽，从低频一直到80kHz的高频，这样，滚动轴承在正常运行下各个滚动元件、套圈、保持
27、器所激发的高频共振信号可以全部接收和处理。从0到5.1kHz之间有三个清晰地谱峰。在12kHz、24-30kHz处，以及68-72kHz处均有附加的谱峰。由此可见，在功率谱图上，信息时十分丰富的，需要选择可靠和灵敏的频带作为诊断频带，并且和滚动轴承在运动中的缺陷联系起来。58列车常见故障及诊断方法概论 采用这种方法验收精密滚动轴承，试验的结果与熟练技师人工验收的效果不相上下，有些轴承缺陷，人工验收不能发现，验收台却可以及时发现并提出警告。由于严格了验收规范，就减少了大修中更换轴承的次数，以及运行中发生事故的可能性。59列车常见故障及诊断方法概论列车常见故障及诊断方法列车常见故障及诊断方法例 2
28、 利用功率谱诊断法对发动机气缸活塞间隙进行诊断。图 4 拖拉机发动机在不同的活塞套间隙下的噪声的测定60列车常见故障及诊断方法概论 图 4所示是拖拉机发动机的噪声功率谱，发动机转速为1300r/min,处于满载运行的情况。图中曲线相当于活塞与缸套间隙为h=0.5，0.3，0.2mm的情况。在0.71-0.79kHz频带内，虽然总的趋势与其他谱峰相同，但间隙变化的影响很小；在9kHz的谱峰处，其功率与活塞、套缸间的间隙无关；而在1.6与3.2kHz的谱峰出，功率受间隙的影响最大。因此，对这两个频率处的功率值进行检测，即可诊断出活塞间隙的大小。61列车常见故障及诊断方法概论列车常见故障及诊断方法列
29、车常见故障及诊断方法问题：什么是频域分析方法答案：把以时间为横坐标的时域信号通过傅里叶变换分解为以频率为横坐标的频域信号，从而求得关于原时域信号频率成分的幅值和相位信息的一种分析方法62列车常见故障及诊断方法概论系统第三章 振动诊断的理论基础 3.1.1机械振动及其分类 机械振动是一种特殊的运动形式。由于受外界条件的影响，机械系统将会围绕其平衡位置作往复运动，此即机械振动。在研究振动问题时，一般吧外界对系统的作用叫做激励或输入，把系统在激励作用下产生动态叫做响应或输出。输入输出激励响应3.1机械振动的运动学63列车常见故障及诊断方法概论机械振动的分类 机械振动有不同的分类方法。按系统的输入不同
30、可分为自由振动、受迫振动和自激振动；按系统的输出特性可分为简谐振动、非谐周期振动、瞬态振动、准周期振动和随机振动;按振动位移的特征可分为扭转振动和直线振动。64列车常见故障及诊断方法概论机械振动的分类 按系统的自由度数目可分为单自由度系统的振动、多自由度系统的振动和弹性体振动；按描述系统的微分方程可分为线性振动和非线性振动65列车常见故障及诊断方法概论3.2.2机械振动按其输出的分类描述 简谐周期振动 振动量的时间历程为单一正弦或余弦函数的振动 简谐振动时间可用正弦（或余弦）函数表示 X(T)=ASIN(2 F0T+)式中 X(T)振动量（位移，速度，加速度）A振动量的幅值；F0振动的频率；初
31、相位；T振动的周期；66列车常见故障及诊断方法概论 非简谐周期振动 振动量为时间的周期函数，而又不是简谐振动的振动，即简谐振动之外的振动。简谐振动可用以下函数表示 X(T)=X(TNT),N=1,2,3,67列车常见故障及诊断方法概论列车常见故障及诊断方法列车常见故障及诊断方法 随机振动 是一种非确定性振动，不能用精确的数学关系式加以描述，只能根据随机过程的理论用数理统计的方法对其进行分析处理。68列车常见故障及诊断方法概论列车常见故障及诊断方法列车常见故障及诊断方法 瞬态振动 振动量为时间的非周期函数，且通常只在一定时间段内发生的振动；瞬态振动区别于周期和准周期振动的一个重要特征在于：其频谱
32、不再是离散线谱，而为连续谱。69列车常见故障及诊断方法概论3.2 单自由度系统的自由振动 所谓自由振动，就是指系统在初始干扰的作用后，仅靠弹性恢复力来维持的振动形式。其中，系统中不存在阻尼的叫做无阻尼自由振动，而有阻尼的叫做有阻尼的自由振动。下面分别讨论：70列车常见故障及诊断方法概论 3.2.1直线振动单自由度系统的无阻尼自由振动的力学模型如图所示，用弹簧质量来描述。其中,l0为弹簧的原长,st为弹簧在重物作用下的静伸长量，此时系统处于平衡状态，平衡位置处x的取值为0，即独立坐标的坐标原点。由静平衡条件可得 Kst=mg71列车常见故障及诊断方法概论 当系统受到外界的某种初始干扰时，系统的静
33、平衡条件受到破坏，弹性力不在与重力平衡而产生弹性恢复力，在这个弹性力的恢复力的作用下，系统将围绕其静平衡位置作往复运动，亦即自由振动，取X轴向下为正，由牛顿第二定律可得 M=-K(ST+X)+MG=-KX M+KX=0上式即为单自由度无阻尼自由直线振动微分方程72列车常见故障及诊断方法概论 当忽略运动的阻尼，振动过程中机械能守恒，实际上，阻力的存在是不可避免的，因此，系统的振幅将逐渐衰减直到最后停止振动，这就是有阻尼的自由振动。在线性化的假设条件下，可认为阻尼力的大小与物体的运动速度成正比，即为线性阻尼。73列车常见故障及诊断方法概论 如图所示：与无阻尼振动一样，取质量块m的上下运动轨迹为广义
34、坐标方向，并取向下为正，广义坐标原点取在静平衡位置，由牛顿第二定律可得 m=mg-c-K（x+st）=0将mg=K st代入，并整理可得 m+c+Kx=0此即为单自由度系统有阻尼自由振动的微分方程74列车常见故障及诊断方法概论 令：mc2nmKn2=可将上式化为下列标准型式m+c+Kx=0由微分方程解的理论，设其解为 x=est代入得特征方程为 s2+2ns+n2=075列车常见故障及诊断方法概论 其特征根为：76列车常见故障及诊断方法概论77列车常见故障及诊断方法概论问题 什么叫做自由振动？所谓自由振动，就是指系统在初始干扰的作用后，仅靠弹性恢复力来维持的振动形式。其中，系统中不存在阻尼的叫
35、做无阻尼自由振动，而有阻尼的叫做有阻尼的自由振动。78列车常见故障及诊断方法概论第四章 传感器1、定义：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。2、特点：微型化、智能化、多功能化、网络化、数字化列车常见故障及诊断方法79列车常见故障及诊断方法概论传感器3、主要作用 从外界获取信息。在研究自然现象和规律以及生产活动中单靠自身的感觉器官，远远不够。为了适应这种情况，就需要传感器。几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。因此可以说，传感器是人类五官的延长，可称之为电五官。列车常见故障及诊断方法80列车常见故障及诊断方法概论传感器4、主要组成：传感器一般由敏感元件、转
36、换元件、变换电路和辅助电源四部分组成，如图所示列车常见故障及诊断方法81列车常见故障及诊断方法概论传感器 敏感元件直接感受被测量，并输出与被测量有确定关系的物理量信号；转换元件将敏感元件输出的物理量信号转换为电信号;变换电路负责对转换元件输出的电信号进行放大调制；转换元件和变换电路还需要辅助电源供电。列车常见故障及诊断方法82列车常见故障及诊断方法概论传感器5、主要功能 常将传感器的功能与人类5大感觉器官相比拟：视光敏传感器 听声敏传感器 嗅气敏传感器 味化学传感器 触压敏、温敏、流体传感器列车常见故障及诊断方法83列车常见故障及诊断方法概论传感器6、主要分类 按用途 压力敏传感器、位移传感器
37、、速度传感器、加速度传感器等。按原理 振动传感器、湿敏传感器、磁敏传感器、气敏传感器等。按输出信号列车常见故障及诊断方法84列车常见故障及诊断方法概论传感器 模拟传感器：将被测量的非电学量转换成模拟电信号。数字传感器：将被测量的非电学量转换成数字输出信号。开关传感器：当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。还可以按制造工艺、传感器构成、作用形式等分类。列车常见故障及诊断方法85列车常见故障及诊断方法概论传感器7、主要特性 传感器静态 是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。可用一个不含时间变量的代数方程，把与其对应的输出量作
38、纵坐标而画出的特性曲线来描述(2.1)2210nnxaxaxaay a0无输入时的输出，即零位输出；a1传感器的线性灵敏度；a2,a3,an非线性项的待定常数。列车常见故障及诊断方法86列车常见故障及诊断方法概论传感器 传感器动态 是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。传感器系统的方程为(线性时不变系统)：)13.2(dddddddddddd0111101111xbtxbtxbtxbyatyatyatyammmmmmnnnnnn 式中，an,an-1,a0和bm,bm-1,b0均为与系统结构参数
39、有关的常数列车常见故障及诊断方法87列车常见故障及诊断方法概论传感器8、传感器在轨道车辆上的应用（1）列车测速 轮轴脉冲转速传感器 基本工作原理：利用车轮的周长作为“尺子”测量列车走行距离，根据所测距离测算列车运行速度，其基本公式为：V=DN/3.6 式中，=3.14，D为车轮直径，N为车轮转速。从上式可知，测量列车速度就是检测列车车轮转速和列车轮径列车常见故障及诊断方法88列车常见故障及诊断方法概论传感器（2）列车定位 在高速列车运行过程中，能否准确及时地获得列车位置信息是列车安全有效运行的保障。相对传感器 根据预先确定的或先前测量的距离、位置等信息所安装的一种设备。在工作时必须首先确定其相
40、对于大地的绝对位置和取向。地面传感器 俗称信标。当机车通过时，使列车对距离信息进行更新，得到新的初始位置，从而克服了相对传感器的误差缺陷。列车常见故障及诊断方法89列车常见故障及诊断方法概论压电式加速度传感器9、工作原理 基于压电晶体的压电效应。某些晶体在一定方向上受力变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷；列车常见故障及诊断方法90列车常见故障及诊断方法概论压电式加速度传感器 当外力去除后，又重新恢复到不带电状态，这种现象称为“压电效应”，具有“压电效应”的晶体称为压电晶体。常用的压电晶体有石英、压电陶瓷等。列车常见故障及诊断方法91列车常见故障及诊断方法概论压
41、电式加速度传感器 S是弹簧，M是质量块 B是基座，P是压电元件 R是夹持环 图A是中央安装压缩型，压电元件质量块弹簧系统装在圆形中心支柱上，支柱与基座连接。列车常见故障及诊断方法92列车常见故障及诊断方法概论压电式加速度传感器 图B为环形剪切型，结构简单，能做成极小型、高共振频率的加速度计，环形质量块粘到装在中心支柱上的环形压电元件上。由于粘结剂会随温度增高而变软，因此最高工作温度受到限制。图C为三角剪切形，压电元件由夹持环将其夹牢在三角形中心柱上。加速度计感受轴向振动时，压电元件承 受切应力。这种结构对底座变形和温度变化有极好的隔离作用，有较高的共振频率和良好的线性。列车常见故障及诊断方法9
42、3列车常见故障及诊断方法概论压电式加速度传感器10、固定方法 采用钢螺栓固定，使共振频率达到出厂共振频率。螺栓不得全部拧入基座螺孔，以免引起基座 变形，影响加速度计的输出。需要绝缘时可用绝缘螺栓和云母垫片来 固定加速度计,但垫圈应尽量簿。用一层簿蜡把加速度计粘在试件平整表面上，也可用于低温（40以下）的场合列车常见故障及诊断方法94列车常见故障及诊断方法概论压电式加速度传感器 手持探针测振方法,在多点测试时使用特别方便，但测量误差较大，重复性差，使用上限频率一般不高于 1000HZ。用专用永久磁铁固定加速度计，使用方便，多在低频测量中使用。此法也可使加速度计与试件绝缘。用硬性粘接螺栓或粘接剂的
43、固定方法也长使用。列车常见故障及诊断方法95列车常见故障及诊断方法概论压电式加速度传感器11、简述压电式加速度传感器的工作原理。列车常见故障及诊断方法96列车常见故障及诊断方法概论5.1.2受电弓的构造及工作原理1.受电弓的功能：电力牵引机车从接触网取得电能的电气设备，安装在电力机车车顶上。2.构造：受电弓分为单臂和双臂受电弓两种，均由滑板、上框架、下臂杆、底架、升弓弹簧、传动气缸、支持绝缘子等部件组成。近年来多采用单臂受电弓。列车常见故障及诊断方法98列车常见故障及诊断方法概论5.1.3受电弓故障 受电弓无法升起或者自动降弓其故障原因是软件保护或者是碳滑板有裂纹导致空气泄漏风管漏风。列车常见
44、故障及诊断方法99列车常见故障及诊断方法概论1.受电弓升不起来 （1）检查电源柜内自动开关602QA闭合是否良好。（2）闭合电钥匙570QS，确认287YV吸合，门联锁杆伸出，应急时可将287YV顶死。（3）闭合受电弓按键，确认1YV吸合，（升弓压力表有无压力），如1YV不吸合，可事先顶死1YV，用电钥匙控制升降弓（注：287YV和1YV不能同时顶死，断电钥匙后将无法降弓）。列车常见故障及诊断方法100列车常见故障及诊断方法概论2.受电弓降不到位（1）检查静态压力值，并重新调整静态接触压力，并恢复到规定值。（2）检查扇形板靠弹簧侧的调整螺母是否过高。（3）调整拉杆绝缘子拉杆长度，使之增长，以便
45、增加降弓弹簧的降弓力矩。（4）检查推杆长度是否超过规定值(1580MM)。（5）检查传动风缸和受电弓之间在车顶盖上的安装距离是否发生变化。（6）检查传动风缸内的降弓弹簧刚度是否变值。列车常见故障及诊断方法101列车常见故障及诊断方法概论 3.故障原因及解决方法 导致主断路器不能正常闭合的原因有网压超出正常范围、过分相后闭合、牵引变压器故障（降弓，断开车顶隔离开关，升另一个牵引单元的受电弓，合主断，继续运行）、牵引变流器故障（切除故障牵引变流器，合主断，继续运行，主断仍不能闭合或HMI显示牵引变压器故障，则按上述故障原因处理）、网络通讯不良、主断自身故障、高压接触器故障等几种情况。主断锁闭，原因
46、大多是软件保护 解决方法：对连接锁闭的牵引设备所在的牵引单元进行复位，如果主断不能解锁，对牵引单元的主断进行复位，主断无法闭合期间，要检查主风管压力，当主风管压力低于7BAR时，每次升弓时间不能超过10分钟，否则会出发软件保护而锁闭。列车常见故障及诊断方法102列车常见故障及诊断方法概论 4.故障的影响。通常，网压超出正常范围、网络通讯不良导致主断无法闭合，通过对动车组的大、小复位操作可以恢复，若通过复位，故障仍然存在，可以切除单车牵引，正常闭合主断，动车组以减少50%的牵引功率运行。主断无法闭合，意味着动车组没有了电源，将造成行车中非正常停车及空调等供电辅助设备无法使用等一系列后果，尤其是在
47、繁忙的正线运营时，会导致线路阻塞从而造成列车大面积晚点。因此，一旦主断无法闭合，迅速判断故障原因，及时进行处理就显得尤为重要。列车常见故障及诊断方法103列车常见故障及诊断方法概论2.牵引丢失（1）接地故障监控起作用（25EF），其原因是牵引变流器中间电压超出正常值范围时，检测保护起作用，有时主断会断开；（2）牵引电机风扇故障，其原因是：在TCU发出牵引电机冷却风扇启动指令和高低速指令后，如果在10S后仍未收到电机风扇高速或低速运转反馈信号，TCU封锁牵引并发出24D6故障报告；（3）MVB通讯故障（6144），其原因是：在CRH3C型动车组中，每个牵引单元中CCU作为MVB的主设备，控制着所
48、有的MVB设备，当CCU与某个MVB的通讯中断持续超过60S时，就会在HMI报警与某个设备的通讯故障。此外，还有轴承过热或冷却循环过热、电机温度传感器误报警、IGBT控制模块监测起作用、冷却系统故障、软件故障等原因。104列车常见故障及诊断方法概论题外话：故障代码举例：380BL列车常见故障及诊断方法105列车常见故障及诊断方法概论列车常见故障及诊断方法106列车常见故障及诊断方法概论列车常见故障及诊断方法107列车常见故障及诊断方法概论问题 受电弓动力形式是什么？列车常见故障及诊断方法108列车常见故障及诊断方法概论 答案：空气压力列车常见故障及诊断方法109列车常见故障及诊断方法概论参考文献 李国华,张永忠.机械故障诊断.北京:化学工业出版社,1999 王江萍.机械设备故障诊断技术及应用.西安:西北工业大学出版社,2001 褚福磊.机械故障诊断中的现代信号处理方法.北京:科学出版社,2009列车常见故障及诊断方法110列车常见故障及诊断方法概论
