基于VMD-EEMD-KFCM模型在道岔故障診斷中的研究

基于VMD-EEMD-KFCM模型在道岔故障診斷中的研究

摘要：道岔是鐵路交通系統(tǒng)中重要的組成部分，其安全性和可靠性對(duì)保障列車運(yùn)行的平穩(wěn)與高效具有關(guān)鍵作用。因此，及時(shí)準(zhǔn)確地診斷和排除道岔故障對(duì)鐵路系統(tǒng)的安全和運(yùn)行至關(guān)重要。本文基于VMD-EEMD-KFCM模型在道岔故障診斷中進(jìn)行了研究。首先，利用變分模態(tài)分解（VMD）算法對(duì)采集到的道岔振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分解，得到各個(gè)尺度可用的子信號(hào)。然后，應(yīng)用改進(jìn)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EEMD）算法對(duì)每個(gè)尺度的子信號(hào)進(jìn)一步細(xì)分，將原信號(hào)分解為多個(gè)固有模態(tài)函數(shù)（IMFs）。接著，將KFCM模型引入到信號(hào)中，利用聚類分析將每個(gè)IMF分為正常和異常兩個(gè)類別，并確定了故障模式。最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法在道岔故障診斷中的有效性和準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：道岔；故障診斷；VMD；EEMD；KFCM；信號(hào)處理

1.引言

道岔作為鐵路交通系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分，連接了不同的軌道，并提供了列車之間換軌的通道。其安全性和可靠性對(duì)保障列車運(yùn)行的平穩(wěn)與高效具有非常重要的影響。然而，由于長(zhǎng)期使用和環(huán)境變化等原因，道岔可能會(huì)出現(xiàn)各種故障，如伸縮缺陷、接觸不良和橫軌振動(dòng)等，這不僅會(huì)導(dǎo)致列車運(yùn)行的不穩(wěn)定和延誤，還有可能引發(fā)更嚴(yán)重的事故。

為了確保道岔的安全運(yùn)行，需要及時(shí)準(zhǔn)確地診斷和排除道岔的故障。然而，由于道岔關(guān)鍵部件布置復(fù)雜、信號(hào)噪聲干擾和故障模式多樣等因素的影響，傳統(tǒng)的故障診斷方法往往難以滿足實(shí)際需求。因此，研究一種可行、準(zhǔn)確且有效的道岔故障診斷方法具有重要意義。

2.VMD-EEMD-KFCM模型

2.1變分模態(tài)分解（VMD）

變分模態(tài)分解（VMD）是一種信號(hào)分解方法，可以將非線性和非平穩(wěn)信號(hào)分解為具有不同頻率和幅度調(diào)制特性的固有模態(tài)函數(shù)（IMFs）。VMD根據(jù)信號(hào)本身的特點(diǎn)將原始信號(hào)分解為多個(gè)尺度可用的頻帶子信號(hào)，并能夠有效提取信號(hào)的時(shí)頻信息。

2.2改進(jìn)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EEMD）

為了進(jìn)一步細(xì)化VMD分解得到的子信號(hào)，本文采用改進(jìn)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EEMD）算法。EEMD是一種基于數(shù)據(jù)剖面的非參數(shù)方法，專門用于處理非線性和非平穩(wěn)信號(hào)。通過(guò)給原始信號(hào)添加高斯白噪聲并進(jìn)行多次重建，EEMD可以增強(qiáng)信號(hào)的頻率調(diào)制特性和時(shí)域分辨率。

2.3KFCM模型

KFCM模型是一種基于模糊聚類的故障診斷方法。針對(duì)每個(gè)IMF子信號(hào)，通過(guò)KFCM模型進(jìn)行聚類分析，將子信號(hào)分為正常和異常兩個(gè)類別，從而確定故障模式。KFCM模型可以有效處理復(fù)雜的數(shù)據(jù)集，提高診斷準(zhǔn)確率。

3.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證VMD-EEMD-KFCM模型在道岔故障診斷中的有效性和準(zhǔn)確性，本文采集了一組道岔振動(dòng)信號(hào)，并將其分解為多個(gè)IMFs。然后，應(yīng)用KFCM模型進(jìn)行聚類分析，并確定了道岔的故障模式。最后，通過(guò)與傳統(tǒng)故障診斷方法的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了VMD-EEMD-KFCM模型的優(yōu)越性。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，基于VMD-EEMD-KFCM模型的道岔故障診斷方法能夠準(zhǔn)確地識(shí)別出道岔的故障模式，并能夠有效排除信號(hào)中的噪聲干擾。與傳統(tǒng)方法相比，該模型具有更高的準(zhǔn)確率和魯棒性，可以提高道岔故障的診斷效果。

4.結(jié)論

本文通過(guò)研究基于VMD-EEMD-KFCM模型的道岔故障診斷方法，提出了一種新的解決方案。實(shí)驗(yàn)證明，該方法在道岔故障診斷中具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性，可以有效地提高道岔系統(tǒng)的安全性和運(yùn)行效率。未來(lái)的研究可以進(jìn)一步優(yōu)化該模型，并應(yīng)用于實(shí)際的道岔故障診斷系統(tǒng)中。

本文通過(guò)使用VMD-EEMD-KFCM模型進(jìn)行道岔故障診斷的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該模型在識(shí)別道岔故障模式方面的有效性和準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該模型能夠準(zhǔn)確地辨別出道岔的故障模式，并能夠有效地消除信號(hào)中的噪聲干擾。與傳統(tǒng)方法相比，該模型具有更高