ZYJ7電液轉(zhuǎn)轍機(jī)鉤鎖裝置傳動(dòng)故障檢測(cè)方法研究

肖迪，胡大銀，蔣昌輝，王皓

（中國(guó)鐵路成都局集團(tuán)有限公司成都電務(wù)段，成都 610081）

引言

ZYJ7電液轉(zhuǎn)轍機(jī)是結(jié)合國(guó)內(nèi)鐵路快速發(fā)展需求研究獲取的新型道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，該設(shè)備的運(yùn)行能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)動(dòng)心軌轍叉、尖軌狀態(tài)以及位置的直觀反映，同時(shí)也能夠?qū)Ω鞣N信號(hào)、規(guī)則內(nèi)外鎖閉道岔實(shí)時(shí)鎖閉以及轉(zhuǎn)換等處理[1,2]，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)該設(shè)備的合理利用，確保ZYJ7電液轉(zhuǎn)轍機(jī)設(shè)備的合理利用以及有效維護(hù)等，對(duì)其應(yīng)用展開(kāi)研究就顯得十分有必要。

相關(guān)專(zhuān)家在該方面也取得了較為顯著的研究成果，例如周俊偉等人[3]重點(diǎn)針對(duì)ZYJ7電液轉(zhuǎn)轍機(jī)出現(xiàn)的故障問(wèn)題進(jìn)行了全面的總結(jié)以及歸納，并且結(jié)合相關(guān)理論完成ZYJ7電液轉(zhuǎn)轍機(jī)故障檢測(cè)；于勇[4]等人重點(diǎn)針對(duì)ZYJ7電液轉(zhuǎn)轍機(jī)產(chǎn)生故障的原理進(jìn)行分析以及處理，確保整個(gè)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行；陳永剛[5]重點(diǎn)分析了ZYJ7電液轉(zhuǎn)轍機(jī)的工作原理以及特性，針對(duì)系統(tǒng)故障進(jìn)行分析，同時(shí)總結(jié)ZYJ7電液轉(zhuǎn)轍機(jī)故障檢測(cè)方案。

上述方法已經(jīng)取得了較為滿(mǎn)意的研究成果，但是并沒(méi)有重點(diǎn)針對(duì)ZYJ7電液轉(zhuǎn)轍機(jī)鉤鎖裝置傳動(dòng)故障檢測(cè)方面的研究，在此基礎(chǔ)上，本文結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)分析方法，提出一種ZYJ7電液轉(zhuǎn)轍機(jī)鉤鎖裝置傳動(dòng)故障檢測(cè)方法，研究結(jié)果表明，所提方法能夠獲取較為滿(mǎn)意的檢測(cè)結(jié)果。

1 鉤鎖裝置傳動(dòng)故障監(jiān)測(cè)方法

1.1 關(guān)聯(lián)矩陣的組建

灰色關(guān)聯(lián)分析方法主要是選取幾種影響能力較強(qiáng)的幾何曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比，其中幾何曲線(xiàn)的形狀越接近，則說(shuō)明兩者之間具有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)程度。以上分析在數(shù)據(jù)量十分少的狀態(tài)下，重點(diǎn)針對(duì)數(shù)據(jù)的不確定性以及完整性等進(jìn)行預(yù)測(cè)以及分析。

ZYJ7電液轉(zhuǎn)轍機(jī)鉤鎖裝置傳動(dòng)和傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)相比，前者相對(duì)穩(wěn)定，并且不會(huì)對(duì)零件產(chǎn)生任何的損耗。相關(guān)研究結(jié)果表明，ZYJ7電液轉(zhuǎn)轍機(jī)鉤鎖裝置在抗沖擊、耐疲勞等方面具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)。所以，本文結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)分析方法對(duì)ZYJ7電液轉(zhuǎn)轍機(jī)鉤鎖裝置進(jìn)行傳動(dòng)故障檢測(cè)，以提升系統(tǒng)的故障辨識(shí)度。

分析ZYJ7電液轉(zhuǎn)轍機(jī)鉤鎖裝置傳動(dòng)原理圖可知，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)利用聯(lián)軸器帶動(dòng)油泵逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，完成吸油以及移動(dòng)等相關(guān)操作。

ZYJ7電液轉(zhuǎn)轍機(jī)油壓監(jiān)測(cè)模塊主要是由以下幾個(gè)部件組成：

1）采集機(jī)；

2）油壓傳感器。

在左、右油腔中分別安裝一個(gè)對(duì)應(yīng)的油壓監(jiān)測(cè)傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)油路系統(tǒng)工作壓力的監(jiān)測(cè)，設(shè)定監(jiān)測(cè)精度為0.1 MPa，測(cè)量范圍設(shè)定在0～20 MPa。

油缸的作用力計(jì)算式能夠表示為以下的形式：

式中：

F—作用力，單位為N；

A—活塞受壓面積，單位為cm2；

P—液壓油壓力，單位為MPa。

ZYJ7電液轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作過(guò)程能夠?yàn)閯澐譃槲鍌€(gè)不同的階段，分別為：

1）內(nèi)鎖解鎖；

2）外鎖解鎖；

3）轉(zhuǎn)換；

4）外鎖鎖閉；

5）內(nèi)鎖鎖閉。

其中輸入數(shù)據(jù)包主要包含3行以及k列電流值，則數(shù)據(jù)排列的矩陣形式如下公式所示：

將ZYJ7電液轉(zhuǎn)轍機(jī)鉤鎖裝置傳動(dòng)時(shí)間設(shè)定為T(mén)，微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采集時(shí)間間隔設(shè)定為0.04 s，其中采樣點(diǎn)的數(shù)量能夠表示為以下的形式：

通常情況下，ZYJ7電液轉(zhuǎn)轍機(jī)鉤鎖裝置傳動(dòng)時(shí)間大約為8 s左右，所以正常情況下，人為的不當(dāng)操作以及設(shè)備老化則會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)采集過(guò)程造成十分惡劣的影響。

在輸入數(shù)據(jù)之前，需要對(duì)不良數(shù)據(jù)以及進(jìn)行處理以及識(shí)別。使用樣本的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)以及設(shè)定的閾值來(lái)確定是否存在異常數(shù)據(jù)，以下給出詳細(xì)的處理過(guò)程：

如果設(shè)定N=T/0.04，利用以下公式計(jì)算采樣序列的均值以及方差，即：

結(jié)合以上公式以及3σ原理對(duì)非采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，設(shè)定ε代表閾值，取值范圍在1到1.5之間，則：

如果數(shù)據(jù)滿(mǎn)足公式（7）的條件，則說(shuō)明Xi為壞數(shù)據(jù)，能夠通過(guò)以下公式完成對(duì)應(yīng)的執(zhí)行修正：

其中：

針對(duì)壞數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別以及處理，同時(shí)對(duì)新采樣的數(shù)據(jù)集進(jìn)行歸一化處理，經(jīng)過(guò)歸一化處理的數(shù)據(jù)矩陣設(shè)定為IR，則有：

其中：

結(jié)合上述分析可知，能夠準(zhǔn)確反映系統(tǒng)行為的數(shù)據(jù)序列被稱(chēng)為關(guān)聯(lián)矩陣，在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，會(huì)隨著故障的持續(xù)累積而不斷進(jìn)行完善。

其中對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響的行為被稱(chēng)為比較級(jí)數(shù)[6]。將ZYJ7電液轉(zhuǎn)轍機(jī)鉤鎖裝置傳動(dòng)故障曲線(xiàn)根據(jù)不同的階段進(jìn)行特征值提取，獲取對(duì)應(yīng)的關(guān)聯(lián)序列能夠表示為以下的形式：

關(guān)聯(lián)矩陣如公式（13）所示：

1.2 ZYJ7電液轉(zhuǎn)轍機(jī)鉤鎖裝置傳動(dòng)故障檢測(cè)方法

為了有效解決傳統(tǒng)模型存在的依賴(lài)性較強(qiáng)等問(wèn)題，提出一種全新的模型，該模型能夠很好地被應(yīng)用在時(shí)間序列預(yù)測(cè)上。

采用長(zhǎng)短期記憶模型中的圖形水平代表隱藏層中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)C。信息流能夠十分輕易地流轉(zhuǎn)且保持不變，并且狀態(tài)C的變化會(huì)受到ZYJ7電液轉(zhuǎn)轍機(jī)鉤鎖裝置中三個(gè)控制門(mén)[7,8]的影響。三個(gè)控制門(mén)分別為：

1）輸入門(mén)；

2）輸出門(mén)；

3）遺忘門(mén)。

其中遺忘門(mén)主要適用于判斷細(xì)胞中丟棄的信息，選取對(duì)應(yīng)的控制門(mén)進(jìn)行函數(shù)讀取。其中“遺忘門(mén)”的計(jì)算式能夠表示為以下的形式：

式中：

hk—當(dāng)前時(shí)刻的輸出。以下使用對(duì)應(yīng)的兩條信息進(jìn)行狀態(tài)更新，如公式（15）、（16）所示：

最新更新的狀態(tài)C能夠表示為以下的形式：

ZYJ7電液轉(zhuǎn)轍機(jī)鉤鎖裝置的輸出部分[9]能夠表示為以下的形式：

ZYJ7電液轉(zhuǎn)轍機(jī)鉤鎖裝置中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸出值計(jì)算式如下所示：

不同輸出層的輸出能夠表示為以下的形式：

在進(jìn)行特征提取的過(guò)程中，不同ZYJ7電液轉(zhuǎn)轍機(jī)鉤鎖裝置傳動(dòng)故障特征值的維度存在一定的差異，同時(shí)無(wú)法將其進(jìn)行對(duì)比。在上述分析的基礎(chǔ)上，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱化處理[10]，則無(wú)量綱化矩陣能夠表示為以下的形式：

利用以下公式分別計(jì)算不同子序列以及母序列在相同時(shí)間段的絕對(duì)值，其中關(guān)聯(lián)系數(shù)能夠表示為以下的形式：

為了獲取更加詳細(xì)的對(duì)比結(jié)果，需要將關(guān)聯(lián)系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，同時(shí)計(jì)算其平均值，則能夠獲取對(duì)應(yīng)的關(guān)聯(lián)度：

針對(duì)于ZYJ7電液轉(zhuǎn)轍機(jī)鉤鎖裝置傳動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)的故障，同時(shí)對(duì)特征向量進(jìn)行提取，并且計(jì)算各個(gè)矩陣之間關(guān)聯(lián)度取值的大小，以達(dá)到ZYJ7電液轉(zhuǎn)轍機(jī)鉤鎖裝置傳動(dòng)故障檢測(cè)的目的。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證所提ZYJ7電液轉(zhuǎn)轍機(jī)鉤鎖裝置傳動(dòng)故障檢測(cè)方法的綜合有效性，需要進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)環(huán)境為：CPU為Intel(R)Core(TM)i3-380 M 2.53 GHz，內(nèi)存為2.0 GB，顯存為1.0 GB，操作系統(tǒng)為Cent OS6.8，實(shí)驗(yàn)環(huán)境Opencv2.4.9。

為了驗(yàn)證檢測(cè)效果的好壞，以下選取漏檢率以及誤檢率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，兩個(gè)指標(biāo)的取值越低，則說(shuō)明檢測(cè)效果越理想；反之，則說(shuō)明檢測(cè)效果不理想。以下給出了三種方法的具體實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果。

2.1 漏檢率對(duì)比（見(jiàn)表1）

由表1可以看出，本文方法的漏檢率一直保持在很低的狀態(tài)，而文獻(xiàn)[4]方法和文獻(xiàn)[5]方法的漏檢率隨著輸出節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加在小幅度的上漲。

2.2 誤檢率對(duì)比（見(jiàn)表2）

由表2可以看出，本文方法的誤檢率一直很低，但是文獻(xiàn)[4]方法和文獻(xiàn)[5]方法的誤檢率隨著輸出節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加也在增加。

綜合分析兩個(gè)表格的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，相比傳統(tǒng)方法，本文所提方法的漏檢率以及誤檢率明顯較低，這充分說(shuō)明了所提方法具有較好的檢測(cè)效果。

2.3 檢驗(yàn)時(shí)間對(duì)比

為了更進(jìn)一步驗(yàn)證所提方法的有效性，以下需要對(duì)比各個(gè)方法的檢測(cè)時(shí)間，具體的對(duì)比結(jié)果如圖1所示。

表1 不同檢測(cè)方法的漏檢率

表2 不同檢測(cè)方法的誤檢率

圖1 不同檢測(cè)方法的檢測(cè)時(shí)間對(duì)比結(jié)果

分析圖1中不同檢測(cè)方法的檢測(cè)時(shí)間對(duì)比結(jié)果可知，本文所提方法的檢測(cè)時(shí)間明顯低于傳統(tǒng)方法，這說(shuō)明所提方法能夠以較快的速度完成ZYJ7電液轉(zhuǎn)轍機(jī)鉤鎖裝置傳動(dòng)故障檢測(cè)。

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)方法存在檢測(cè)效果不理想、檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)等問(wèn)題，設(shè)計(jì)并提出ZYJ7電液轉(zhuǎn)轍機(jī)鉤鎖裝置傳動(dòng)故障檢測(cè)方法。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提方法能夠有效提升檢測(cè)精度，同時(shí)降低檢測(cè)時(shí)間，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。