1引言
保障车辆的安全运营、旅客的生命安全和机电设备的正常运转是地铁运营的三大目标，也是发挥其正常运输功能的前提条件。同时地铁能够快速运转大量乘客的优势，可以降低道路拥堵的成本，为经济的快速发展奠定基础。伴随着地铁的蓬勃发展，列车的在途安全已成了地铁发展的核心问题之一，车辆、线路、通信、信号和牵引供电系统故障时有发生，严重影响了地铁运营安全。如果一旦因为故障导致事故发生，造成了财产损失甚至人员伤亡，则一定会产生恶劣的社会影响。因此，在列车运营过程中监控包括轴承在内的各种设备状态，及时挖掘隐患和发现各类故障，预防事故发生，已经成为当今地铁研究的重要方向。随着地铁的快速发展，以故障修与定时检修为主的现行维修模式越来越不经济，地铁车辆维修模式已经在逐步向基于安全监控和寿命管理的智能化“状态修”模式发展。状态修是预知状态维修模式的发展，它指列车在载客运行过程中，在几乎不拆卸监控对象的情况下，以自动化设备自动采集监控对象的状态数据，通过状态数据提取分析监控对象的状态参数，判定被监控对象是否存在故障以及故障发生的具体位置，并预测对象的未来状态，根据在途监测和故障诊断所预知的设备状态基础上，确定被监控对象维修工作的内容和时间，制定相应的维修方案。基于在途故障诊断的状态维修方式是解决突发性故障的最好方式，是地铁运营安全的迫切需求，其理论意义、工程应用前景都是非常显著的。
.............
2常用的轴承故障诊断方法概述
2.1轴承故障的类型及成因
滚动轴承故障类型有很多种，包括磨损、腐烛、疲劳剥落、塑性变形、断裂、胶合、保持架损坏等，可以分为两类：分布式和集中式，分布式故障主要来源于制造误差或者安装不当。集中式故障主要包括轴承元件表面有裂纹、凹点、剥落等缺陷。滚动轴承的故障诊断主要针对集中式故障，这种故障几乎都表现为轴承元件表面的缺陷，这种故障的振动信号中存在着冲击脉冲，信号中的高频成分会明显增多，导致信号的幅值、方差、峭度等时域参数和频域的能量分布发生变化。下面详细介绍轴承的几种典型故障及其成因。
2.2轴承故障监测技术
轴承运行状态监测与故障诊断技术发展了半个多世纪，诊断方式随着科学技术和理论研究的发展而不断进步。滚动轴承如果发生故障，在运转过程中会产生噪音和振动，温度升高、元件接触表面材料剥落等现象，根据故障监测方式和分析信号性质的不同，将滚动轴承的监测和诊断技术分为以下几种：温度监测技术、声学监测技术、油膜电阻监测技术和振动监测技术。温度监测技术是通过红外线温度检测系统采集和分析轴承运转过程中的温度来诊断轴承是否发生故障。声学监测技术是通过釆集和分析轴承元件故障接触面弹性冲击产生的声发射信号来诊断轴承是否发生故障，油膜电阻监测技术是通过测量分析轴承滚动体与内外圈之间油膜的电阻值来诊断轴承是否发生故障。振动监测技术是通过采集和分析处理轴承运转过程中的振动信号，提取表征轴承故障的特征参数，诊断轴承是否发生故障。
3基于动力学模型的轴承故障诊断方法.........37
3.1滚动轴承缺陷的非线性动力学机理分析............37
3.2滚动轴承的非线性动力学模型...............41
3.3动力学仿真试验结果分析...........48
4基于自适应傅里叶分解的轴承故障诊断............63
4.1自适应傅里叶分解方法对轴承故障信息提取的意义.........63
4.2AFD算法.........65
5基于时频域特征参数融合的轴承故障在途诊断方法.........85
5.1基于时域特征参数的轴承故障诊断..........85
5.2基于频域特征参数的轴承故障诊断........96
5.3基于时频域参数融合的轴承故障诊断...................101
6地铁列车轴承故障在途诊断系统
6.1轴承信号采集装置
轴承振动信号的采集装置主要是传感器。在地铁列车轴箱的不同监测部位安装了两种不同类型的传感器，传感器将滚动轴承的振动信号转化为电信号，其内置调理电路将传感器输出的电压或电流信号进行必要的放大、滤波和运算得到需要且满足转换芯片要求的信号。采集的每个轴的轴承数据统一汇集到接线盒处，由接线盒传输到数据采集器。列车每轴有个接线盒，接线盒的主要功能是管理本轴各测点的传感器，将接收的模拟信号以总线方式传输到数据采集器。
6.2数据传输装置
轴承信号的传输装置是列车数据通信总线，它通过车载有线网络实现将轴承数据从传感器采集传输到车载主机处理，并通过车地无线网络将轴承故障诊断结果传输给地面数据管理中心和运维中心，在无线传输带宽一定的条件下实现最大的传输速率，同时通过自动衔接最佳无线信道保证获取列车所处位置和重要信息的传输。轴承的时频域特征参数计算装置为数据采集器，数据采集器如图6.6所示，安装于车厢电器柜内，由四大模块组成：数据存储模块、数据处理模块、数据冗余备份模块、数据发送模块。其中数据存储模块将源数据进行存储，保障源数据在将要进行的数据处理的读取速度；数据处理模块负责计算数据时频域特征参数，提取表征轴承状态的时频域特征参数，即偏度、梢度和8个频带的能量值；数据冗余备份模块将处理完的特征数据进行存储，以发送到车载主机.
........
7结论
故障诊断作为人们所重视的研究课题在各个领域已经开展了大量的研究并获得了丰硕的成果，但是轴承故障诊断在我国地铁领域尤其是地铁领域的应用才刚刚起步，因此本文研究内容能够为地铁列车轴承在途故障诊断，为地铁的维修机制转换做出一定的贡献，。本文主要完成了以下主要工作：
1. 提出了一种基于AFD的轴承故障诊断的新方法
2. 基于轴承元件的受力分析建立了滚动轴承的非线性动力学模型
研究了轴承的缺陷生长机理，根据轴承的结构提出轴承的物理模型，以轴承的物理模型为基础分析轴承所受的内力和外力，并应用质量弹簧阻尼系统建立了地铁列车轴承的非线性动力学无故障模型。用四阶龙格库塔法解轴承的非线性动力学方程，得到仿真的振动位移和加速度。在轴承无故障模型的元件中植入故障，并用力表示缺陷接触，建立轴承的非线性动力学故障模型；用基于AFD的轴承故障诊断方法分析验证了故障模型的有效性。
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参考文献（略）
保障车辆的安全运营、旅客的生命安全和机电设备的正常运转是地铁运营的三大目标，也是发挥其正常运输功能的前提条件。同时地铁能够快速运转大量乘客的优势，可以降低道路拥堵的成本，为经济的快速发展奠定基础。伴随着地铁的蓬勃发展，列车的在途安全已成了地铁发展的核心问题之一，车辆、线路、通信、信号和牵引供电系统故障时有发生，严重影响了地铁运营安全。如果一旦因为故障导致事故发生，造成了财产损失甚至人员伤亡，则一定会产生恶劣的社会影响。因此，在列车运营过程中监控包括轴承在内的各种设备状态，及时挖掘隐患和发现各类故障，预防事故发生，已经成为当今地铁研究的重要方向。随着地铁的快速发展，以故障修与定时检修为主的现行维修模式越来越不经济，地铁车辆维修模式已经在逐步向基于安全监控和寿命管理的智能化“状态修”模式发展。状态修是预知状态维修模式的发展，它指列车在载客运行过程中，在几乎不拆卸监控对象的情况下，以自动化设备自动采集监控对象的状态数据，通过状态数据提取分析监控对象的状态参数，判定被监控对象是否存在故障以及故障发生的具体位置，并预测对象的未来状态，根据在途监测和故障诊断所预知的设备状态基础上，确定被监控对象维修工作的内容和时间，制定相应的维修方案。基于在途故障诊断的状态维修方式是解决突发性故障的最好方式，是地铁运营安全的迫切需求，其理论意义、工程应用前景都是非常显著的。
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2常用的轴承故障诊断方法概述
2.1轴承故障的类型及成因
滚动轴承故障类型有很多种，包括磨损、腐烛、疲劳剥落、塑性变形、断裂、胶合、保持架损坏等，可以分为两类：分布式和集中式，分布式故障主要来源于制造误差或者安装不当。集中式故障主要包括轴承元件表面有裂纹、凹点、剥落等缺陷。滚动轴承的故障诊断主要针对集中式故障，这种故障几乎都表现为轴承元件表面的缺陷，这种故障的振动信号中存在着冲击脉冲，信号中的高频成分会明显增多，导致信号的幅值、方差、峭度等时域参数和频域的能量分布发生变化。下面详细介绍轴承的几种典型故障及其成因。
2.2轴承故障监测技术
轴承运行状态监测与故障诊断技术发展了半个多世纪，诊断方式随着科学技术和理论研究的发展而不断进步。滚动轴承如果发生故障，在运转过程中会产生噪音和振动，温度升高、元件接触表面材料剥落等现象，根据故障监测方式和分析信号性质的不同，将滚动轴承的监测和诊断技术分为以下几种：温度监测技术、声学监测技术、油膜电阻监测技术和振动监测技术。温度监测技术是通过红外线温度检测系统采集和分析轴承运转过程中的温度来诊断轴承是否发生故障。声学监测技术是通过釆集和分析轴承元件故障接触面弹性冲击产生的声发射信号来诊断轴承是否发生故障，油膜电阻监测技术是通过测量分析轴承滚动体与内外圈之间油膜的电阻值来诊断轴承是否发生故障。振动监测技术是通过采集和分析处理轴承运转过程中的振动信号，提取表征轴承故障的特征参数，诊断轴承是否发生故障。
3基于动力学模型的轴承故障诊断方法.........37
3.1滚动轴承缺陷的非线性动力学机理分析............37
3.2滚动轴承的非线性动力学模型...............41
3.3动力学仿真试验结果分析...........48
4基于自适应傅里叶分解的轴承故障诊断............63
4.1自适应傅里叶分解方法对轴承故障信息提取的意义.........63
4.2AFD算法.........65
5基于时频域特征参数融合的轴承故障在途诊断方法.........85
5.1基于时域特征参数的轴承故障诊断..........85
5.2基于频域特征参数的轴承故障诊断........96
5.3基于时频域参数融合的轴承故障诊断...................101
6地铁列车轴承故障在途诊断系统
6.1轴承信号采集装置
轴承振动信号的采集装置主要是传感器。在地铁列车轴箱的不同监测部位安装了两种不同类型的传感器，传感器将滚动轴承的振动信号转化为电信号，其内置调理电路将传感器输出的电压或电流信号进行必要的放大、滤波和运算得到需要且满足转换芯片要求的信号。采集的每个轴的轴承数据统一汇集到接线盒处，由接线盒传输到数据采集器。列车每轴有个接线盒，接线盒的主要功能是管理本轴各测点的传感器，将接收的模拟信号以总线方式传输到数据采集器。
6.2数据传输装置
轴承信号的传输装置是列车数据通信总线，它通过车载有线网络实现将轴承数据从传感器采集传输到车载主机处理，并通过车地无线网络将轴承故障诊断结果传输给地面数据管理中心和运维中心，在无线传输带宽一定的条件下实现最大的传输速率，同时通过自动衔接最佳无线信道保证获取列车所处位置和重要信息的传输。轴承的时频域特征参数计算装置为数据采集器，数据采集器如图6.6所示，安装于车厢电器柜内，由四大模块组成：数据存储模块、数据处理模块、数据冗余备份模块、数据发送模块。其中数据存储模块将源数据进行存储，保障源数据在将要进行的数据处理的读取速度；数据处理模块负责计算数据时频域特征参数，提取表征轴承状态的时频域特征参数，即偏度、梢度和8个频带的能量值；数据冗余备份模块将处理完的特征数据进行存储，以发送到车载主机.
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7结论
故障诊断作为人们所重视的研究课题在各个领域已经开展了大量的研究并获得了丰硕的成果，但是轴承故障诊断在我国地铁领域尤其是地铁领域的应用才刚刚起步，因此本文研究内容能够为地铁列车轴承在途故障诊断，为地铁的维修机制转换做出一定的贡献，。本文主要完成了以下主要工作：
1. 提出了一种基于AFD的轴承故障诊断的新方法
2. 基于轴承元件的受力分析建立了滚动轴承的非线性动力学模型
研究了轴承的缺陷生长机理，根据轴承的结构提出轴承的物理模型，以轴承的物理模型为基础分析轴承所受的内力和外力，并应用质量弹簧阻尼系统建立了地铁列车轴承的非线性动力学无故障模型。用四阶龙格库塔法解轴承的非线性动力学方程，得到仿真的振动位移和加速度。在轴承无故障模型的元件中植入故障，并用力表示缺陷接触，建立轴承的非线性动力学故障模型；用基于AFD的轴承故障诊断方法分析验证了故障模型的有效性。
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参考文献（略）
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