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文檔簡介
1、隨著機械裝備的規(guī)模日趨龐大,性能日趨優(yōu)越、功能日趨繁多、結(jié)構(gòu)和運行環(huán)境日趨復雜,機械裝備故障所帶來的后果也日趨嚴重。發(fā)展針對性的機械裝備故障診斷技術(shù)以保障機械裝備長期安全平穩(wěn)運行具有非常重大的意義。高速鐵路運輸作為中國國民經(jīng)濟的命脈產(chǎn)業(yè),保障高速列車安全、平穩(wěn)、不間斷運行是高速鐵路運行面臨的一大難題。在諸多種類的列車故障中,列車輪動軸承故障是列車故障的主要類型。是以,發(fā)展列車輪對軸承故障診斷技術(shù)意義極為重大。同時,鑒于道旁聲學診斷系統(tǒng)具
2、有非接觸測量、早期故障預警以及低成本等優(yōu)勢,發(fā)展列車軸承道旁聲學診斷系統(tǒng)符合中國的基本國情。然而,道旁聲學診斷系統(tǒng)接收的信號成分相對復雜,其不僅受到高強度的環(huán)境背景噪聲的干擾,同時該接收信號中還存在嚴重的多普勒畸變以及多聲源混疊現(xiàn)象,這些因素致使基于道旁聲學信號的列車軸承狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷困難重重。另一方面,鑒于中國漫長的高速鐵路,為了實現(xiàn)對高速鐵路的監(jiān)測的全面覆蓋,需要進一步降低道旁聲學診斷系統(tǒng)的成本。針對上述問題,本文以圓形麥克風陣
3、列為道旁信號接收手段,通過采用短時麥克風陣列技術(shù),得到信噪比相對較高的分離和校正的無畸變的道旁聲學信號,并以此為基礎(chǔ)實現(xiàn)高可靠性的列車軸承狀態(tài)評估,最終嘗試研制快速、準確、低成本的列車軸承道旁聲學診斷系統(tǒng)。
本文首先詳細的介紹了列車軸承道旁陣列聲學信號的獲取過程,同時對該信號獲取過程中涉及到的軸承的類型及相關(guān)故障特征信息、實驗平臺的詳細信息以及通過實驗平臺獲取的靜態(tài)聲學信號和動態(tài)的道旁聲學信號等信息進行了詳細闡述,通過觀察接收
4、的道旁聲學信號的時頻分布,證明了道旁陣列的接收信號中存在嚴重的多普勒畸變和聲源混疊現(xiàn)象。接收聲源的混疊畸變特性加劇了準確故障診斷的難度。此外,本文中對基于單麥克風以及麥克風線陣的混疊畸變的聲學信號的分離校正的局限性進行了簡單的探討,指出了發(fā)展基于圓形麥克風陣列的道旁混疊畸變聲學信號分離校正技術(shù)的必要性。
隨后,針對道旁陣列接收信號中存在的混疊畸變,本文基于道旁聲學診斷的基本模型提出了短時斜投影的空間指向性濾波方法用于圓形陣列接
5、收的混疊畸變聲學信號的分離和校正。該方法首先根據(jù)空間運動目標聲源的斜投影矩陣構(gòu)造相應的運動目標聲源中心位置的指向性濾波器,通過該濾波器獲取不同的運動目標聲源的時間中心,隨后基于該時間中心以及運動目標聲源的運動速度信息,構(gòu)造短時斜投影空間指向性濾波器實現(xiàn)對空間混疊畸變聲學信號的分離和校正。模擬仿真和實驗驗證均表明了該方法能夠較為徹底地分離和校正混疊畸變聲源。同時由于該方法充分利用了運動目標聲源的空間位置信息,方法的適用性更為廣泛。
6、 緊接著,針對道旁圓形陣列接收信號中的多普勒畸變,本文基于上述建立的基本模型提出了短時稀疏奇異值分解方法用于校正圓形陣列接收信號中的多普勒畸變。該方法首先通過構(gòu)造完備的空間導向矩陣將導向矩陣的稀疏性轉(zhuǎn)換為原始聲源信號的稀疏性,隨后利用短時稀疏奇異值分解方法計算出運動目標聲源的空間位置隨時間的變換規(guī)律,并結(jié)合基本模型的基本參數(shù),得到運動目標聲源的發(fā)射時刻與麥克風陣列接收時刻的關(guān)系用于插值擬合重采樣,最終將插值重采樣的信號在時域重排獲得無
7、畸變的校正信號。模擬仿真和實驗驗證的結(jié)果均表明了該方法能夠有效校正道旁獲取的畸變聲學信號。此外,由于采用了圓形麥克風陣列使得方法能夠?qū)崿F(xiàn)二維空間的定位,為分辨同軸聲源提供了可能。另一方面,相對于其他的陣列多普勒畸變校正方法,該方法對無需準確的估計聲源的數(shù)量,且具有更強的環(huán)境適應性以及更大實際運用潛力。
最終,考慮到中國鐵路運輸?shù)幕緡?,為了進一步降低道旁聲學診斷系統(tǒng)的成本的同時提升系統(tǒng)的診斷速度,本文提出了一種道旁多普勒畸變
8、信號的在線校正方法的并嵌入實現(xiàn)于自主設(shè)計的嵌入式系統(tǒng)中。該嵌入式系統(tǒng)首先通過簡化的圓形麥克風陣列技術(shù)或必要的傳感器獲得監(jiān)測目標聲源的運動參數(shù)并輸入嵌入式系統(tǒng)中,隨后通過在嵌入式系統(tǒng)中在線實現(xiàn)簡化的非等間隔采樣實現(xiàn)對麥克風接收的多普勒畸變信號的在線校正,并在此基礎(chǔ)上結(jié)合在線包絡方法獲取校正信號的包絡以供進一步的故障診斷。仿真和實驗驗證均驗證了方法的有效性,同時該方法的成功實現(xiàn)于嵌入式系統(tǒng)、也進一步說明了該方法的優(yōu)越性能。通過探討多普勒畸變
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