基于動作電流波形樹表達(dá)的道岔轉(zhuǎn)轍機狀態(tài)檢測方法＊)

1、基于動作電流波形樹表達(dá)的道岔轉(zhuǎn)轍機狀態(tài)檢測方法）楊云國王伯軍摘要給出了一種基于波形樹的隨機波形表達(dá)算法，即根據(jù)波形的特征點遞歸求出其波段組成的波峰集合。針對信號微機監(jiān)測設(shè)備測試的道岔動作電流曲線，分析了ZD6型電動轉(zhuǎn)轍機電流曲線的波動特征，通過計算電流曲線的波形表達(dá)識別出道岔轉(zhuǎn)換的各個階段，檢測出波形中蘊涵的故障征兆。最后給出一個故障檢測的示例，并指出該方法的適用范圍。關(guān)鍵詞信號，系統(tǒng)辯識，道岔轉(zhuǎn)轍機，波形樹分類號U284.58；TP391.4State Recognition Method for Point Machines Based onRepresentation of Shift

2、Current Waveforms by Relational TreesYang YunguoWang Bojun(Inst.of Reliability Tech.,Shanghai Tiedao Univ.,Shanghai 200331)Abstract Shift current is an important parameter in testing and monitoring point machines,but it is difficult for an actual method to detect fault.This paper first proposes in d

3、etail an algrithm for representation of random waveforms by relational trees,which can find out recursively the peak set in curve segmentationsmaking up the whole current curve in term of the characteristic points.Here the shift current data sampled by the dedicated equipment for testing and monitor

4、ing therailway signal appliance are used, then the features of shift current waveforms of ZD6 point machinesare analyzed.By computing the representation of shift current wavefoms by relational trees, eachstage in switch shift process is located and recognized,therefore the fault signal is discovered

5、.A diagnosis example is also presented.Finally theapplicable range for this methodis given.Keywordssignal,systems identification, point machines,representation of waveformsby relational trees0引言道岔是電氣集中故障率最高的設(shè)備之一，往往對行車安全和運行秩序產(chǎn)生重大影響。轉(zhuǎn)轍機作為道岔轉(zhuǎn)換裝置，是實現(xiàn)聯(lián)鎖控制的關(guān)鍵設(shè)備，其性能隨零部件結(jié)構(gòu)狀態(tài)的變化而變化。動作電流是考查轉(zhuǎn)轍機電氣特性的重要指標(biāo)，現(xiàn)場常用的測

6、試動作電流方法有：在檢修所用特制的測試臺；用車站電氣集中控制臺上的電流表；轉(zhuǎn)轍機計表時用電流表測試。第1種方法是在道岔離線且負(fù)載恒定時測試的，不能準(zhǔn)確反映轉(zhuǎn)轍機在實際使用的狀況；后2種方法雖是在線測定，但只能測出幾個粗略的數(shù)值，很難從中發(fā)現(xiàn)故障。用監(jiān)測設(shè)備測試動作電流曲線則是在轉(zhuǎn)轍機裝在線路上動作時實時進行的，它真實準(zhǔn)確地反映了轉(zhuǎn)轍機推動道岔轉(zhuǎn)換過程中各部件運動狀態(tài)的變化和負(fù)載的變化。正常情況下道岔轉(zhuǎn)換是一個相對穩(wěn)定的過程，動作電流也是一條有規(guī)律的曲線。通過監(jiān)測設(shè)備的智能診斷軟件分析電流波形和數(shù)值的變化，可判別出轉(zhuǎn)轍機工作是否正常，并記錄其劣化趨勢；或進行故障定位和分離，找出故障部件和位置，從

7、而及時報警以預(yù)防事故，同時給維修工作提供科學(xué)指導(dǎo)1。本文以現(xiàn)場使用最廣的ZD6型電動轉(zhuǎn)轍機為例，在分析其動作電流波形特征的基礎(chǔ)上，給出了一種基于動作電流波形樹表達(dá)的故障特征提取方法，并用于現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的狀態(tài)辨識和故障診斷。1樹表達(dá)與樹的生成算法1.1基本定義定義1波形為平面點的有序集合W=(xi,yi)xixi+1,i=1,2,，N對于任一給定波形W，其yi值都由xi確定，因此可將波形簡記為Wx1,xN，同理將波形Wx1,xN在任一區(qū)間xi,xj的子波形簡記為Wxi,xj。定義2波峰Pi為波形Wx1,xN上的一點Wx1,xN,且滿足：對于任意x，必存在極小正數(shù)，若，則，且(x,y)Wx1,xN

8、。定義3波谷Vi為波形Wx1,xN上的一點，且滿足：對于任意x，必存在極小正數(shù)，若，則,且(x,y)Wx1,xN。定義4對于除端點外的任意一波谷(見圖1)，必定存在一左子波形和一右子波形且有：其中1樹的生成算法波形的樹表達(dá)就是將某一待分析波段，根據(jù)其特征點劃分成兩個或多個子波形，對每一個子波形又由其特征點再劃分為子子波形，直到每一個子波形是一個單一的波峰為止。一般取波形上的最小波谷為特征點。圖1、2說明了波形的樹表達(dá)過程。圖1左、右子波形（對波谷Vi而言）圖2波形的樹表達(dá)根據(jù)Ehrich在文獻2的分析，給出一種由波形的離散樣點數(shù)據(jù)尋找其波峰(Pi)、波谷(Vi)及每一波谷的左子波形W、右子波形

9、W的算法。輸入為任一波形的離散采樣數(shù)據(jù)(xi,yi)xixi+1,i=1,2,，N，輸出為波形的樹表達(dá)，下述算法中Wxi,xj表示波形Wx1,xN在區(qū)間xi,xj上的子波形，對應(yīng)于某一樹結(jié)點。樹的生成算法如下：令，且(x,y)Wx1,xN；求波形Wx0,xN+1的波峰集合Px0,xN+1=P1,P2,，Pn；波谷集合Vx0,xN+1=V1,V2,，Vm;令樹根結(jié)點為Wx0,xN+1;調(diào)用數(shù)枝生成子程序CreateSubTree(Wx0,xN+1）;結(jié)束。樹枝生成子程序CreateSubTree(Wxi,xj)如下：將Wxi,xj定為上級結(jié)點；找出波谷集合Vxi,xj中的最小波谷Vk=，即找出這

10、樣一個整數(shù)k，使Vxi,yj,且對所有(x,y)Vxi,xj,有y;找出波谷集合Vk的左、右子波形，即和，其中，若區(qū)間或中只有單個峰，即集合或中只有一個元素，則轉(zhuǎn)，否則轉(zhuǎn)，；將當(dāng)前結(jié)點作為上級結(jié)點的子結(jié)點；將子波形上的峰值作為當(dāng)前結(jié)點的子結(jié)點，記為，返回；將當(dāng)前結(jié)點作為上級結(jié)點的子結(jié)點；調(diào)用樹枝生成子程序樹枝生成子程序CreateSubTree是一個遞歸過程，先從整個波形出發(fā)，由波谷的幅值按從小到大的順序?qū)⒉ㄐ沃鸺墑澐郑钡阶硬ㄐ螢閱畏鍨橹埂?道岔狀態(tài)檢測算法2.1動作電流曲線的波動特征ZD6轉(zhuǎn)轍機采用直流串激可逆電機，在磁路未飽和時，轉(zhuǎn)矩可表示為：(1)在磁路進入飽和狀態(tài)時，轉(zhuǎn)矩可表示為：(

11、2)由于激磁饒組與電樞饒組串聯(lián)，因此激磁電流(If)與電樞電流(Is)相等。啟動電流(I)即If，所以I是力矩(M)的函數(shù)，能反映負(fù)載的變化情況3。在轉(zhuǎn)轍機各部件工作正常的情況下，道岔轉(zhuǎn)換(定位反位或反位定位)分別是一個相對穩(wěn)定的過程，動作電流曲線也呈現(xiàn)有規(guī)律的波形。如果這種有規(guī)律的波動過程發(fā)生較大的變化，就意味著轉(zhuǎn)轍機各部件工作狀態(tài)的變化和零部件故障的產(chǎn)生。圖3是一個單動道岔正常動作的電流曲線，可分為3段，這3段分別對應(yīng)于道岔轉(zhuǎn)換程序的3個主要階段4：圖3道岔動作電流曲線(單動道岔)設(shè)道岔轉(zhuǎn)換時間為T，則T=t3-t0。在解鎖階段，需要克服鎖閉圓弧與齒條塊之間的最大靜摩擦，所以啟動轉(zhuǎn)矩最大，

12、動作電流在此處出現(xiàn)峰值；然后鎖閉圓弧在削尖齒上滑動，負(fù)載變小，動作電流也迅速減小。鎖閉圓弧從齒條塊的削尖齒上退出，解鎖完成。所以：T132.9/(324T)(3)在轉(zhuǎn)換階段，齒條塊推動尖軌和表示桿作水平移動。由于尖軌與滑床板間磨擦的變化，所以動作電流有時會逐漸增大。當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時：T2291/(324T)(4)在鎖閉階段，鎖閉圓弧又在削尖齒上滑動，動作電流開始變??；當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束、電機電源被切斷后，電流急劇減小，最后變?yōu)?。由減速器結(jié)構(gòu)可知，轉(zhuǎn)轍機的第一級減速比為i1=103/27,第二級減速比為i2=41/1，則電機的額定轉(zhuǎn)速為：(5)(6)式中：Ia為道岔轉(zhuǎn)換階段電流變化的平均值，Ii為道岔動作

13、電流實時測量值。2.2狀態(tài)檢測算法動作電流曲線的特征可用6元組K=(T,T1,T2,I1，max,I2，min,I2，max)表達(dá)。其中：T為轉(zhuǎn)換時間；T1為解鎖時間；T2為推動時間；I1，max為解鎖階段電流最大值；I2，min為轉(zhuǎn)換階段電流最小值；I2，max為轉(zhuǎn)換階段電流最大值。道岔經(jīng)整治后正常工作時測定的電流變化曲線稱為動作電流的參考曲線。根據(jù)參考曲線的6個參數(shù)值(分別記為T,T1，T2,I1,max,I2,min,I2,max)和有關(guān)特征條件可診斷其它動作電流曲線。由于道岔轉(zhuǎn)向定位與轉(zhuǎn)向反位時電流變化不同，因此參考曲線必須分別測定。為使參考曲線具有普適性，可測出多個參考曲線，然后求參

14、數(shù)的平均值作為診斷用標(biāo)準(zhǔn)值。狀態(tài)識別算法的步驟是：對采集的動作電流原始數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，如畸點的剔除、數(shù)據(jù)的平滑等；調(diào)用過程CreateSubTree求出曲線波形的各個結(jié)點(包括葉子結(jié)點和非葉子結(jié)點)；將各個波峰按序號值從小到大的順序排序；樹根結(jié)點的右段寬度即為道岔的轉(zhuǎn)換時間(T)；用式(3)、(4)依次求出T1、T2；根據(jù)T、T1和T2搜索出道岔轉(zhuǎn)換各階段所包含的波峰結(jié)點；根據(jù)表1的狀態(tài)判定條件，依次檢查各階段上波峰結(jié)點的電流值，得出狀態(tài)識別結(jié)果。23實例分析圖4、5是TJWX型信號微機監(jiān)測系統(tǒng)測試的某站ZD6三線制運營道岔的兩條動作(定位到反位)電流曲線。其參考曲線(定位到反位)的參數(shù)見表2

15、，狀態(tài)檢測結(jié)果如表3所示。表1狀態(tài)判定依據(jù)波形分段解鎖階段轉(zhuǎn)換階段鎖閉階段正常分段條件曲線單調(diào)下降分岔波形高度I1,max/2所有波峰結(jié)點高度I1，maxI2,minII2,max曲線單調(diào)下降分岔波形高度I2，max正常波形條件()()圖4道岔動作電流曲線1圖5道岔動作電流曲線2表2道岔參考曲線參數(shù)參數(shù)T/sT1/sT2/sI1,max/AI2,minAI2,maxA取值3.60.373.234.61.02.0表3狀態(tài)診斷結(jié)果曲線波形故障征兆診斷結(jié)果原因(概率)1解鎖階段出現(xiàn)分岔，高度I1,max/2解鎖不暢動作齒條的鎖閉圓弧與動作桿上的削尖齒之間吻合不好(70%)2鎖閉階段出現(xiàn)分岔，高度I1,max/2鎖閉不暢尖軌與基本軌反彈力太大(80%)3結(jié)束語由于道岔安裝在室外，受環(huán)境諸多因素影響，動作電流呈非平穩(wěn)時變特征。完全用平穩(wěn)隨機過程理論和信號處理方法分析，過多的統(tǒng)計平均掩蓋了時變規(guī)律，難以取得預(yù)期的識別效果。基于波形樹表達(dá)的算法根據(jù)連續(xù)波段的特征點對波形進行遞歸劃分，通過動態(tài)調(diào)整分段數(shù)和分段點使總