滾動軸承故障軌邊聲學(xué)檢測技術(shù)

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摘要：滾動軸承是走行裝置中的一個關(guān)鍵零部件，在列車運行過程中承受的動態(tài)載荷較大，容易出現(xiàn)軸承故障，對車輛運行產(chǎn)生重大影響。結(jié)合滾動軸承故障及故障檢測機理，介紹動車組滾動軸承軌邊聲學(xué)檢測技術(shù)、檢測系統(tǒng)及在我國的應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：動車組；滾動軸承；軸承故障；檢測機理；聲學(xué)診斷；狀態(tài)監(jiān)控

0引言

我國動車組具有運行速度高、連續(xù)高速運行里程長的特點，滾動軸承承受的動態(tài)載荷較大，容易出現(xiàn)軸承故障。當(dāng)前對動車組和客車車輛滾動軸承的檢測主要依靠車載軸溫報警裝置進行在線監(jiān)控和定期進行人工檢查。車載軸溫報警裝置主要監(jiān)控軸承晚期故障，一旦出現(xiàn)軸溫報警必須立即停車檢查，嚴(yán)重影響行車秩序，造成巨大社會影響[1]。定期人工檢查無法及時監(jiān)測軸承故障，而且受個人主觀因素影響，容易出現(xiàn)故障漏檢、漏判。迫切需要采用先進技術(shù)及設(shè)備開展動車組和客車車輛滾動軸承早期故障檢測和診斷，有效預(yù)防滾動軸承事故的發(fā)生。目前，國內(nèi)外在列車滾動軸承故障軌邊聲學(xué)診斷領(lǐng)域做的比較成熟的有美國TTCI和澳大利亞TrackIQ公司，其研制開發(fā)的滾動軸承故障軌邊聲學(xué)診斷系統(tǒng)在全世界均有70多套應(yīng)用。2003年開始，我國與TrackIQ等國外公司合作，引進了滾動軸承故障軌邊聲學(xué)診斷系統(tǒng)，為適應(yīng)我國的鐵路狀況，逐步實現(xiàn)國產(chǎn)化。試驗過程中對TADS的硬件進行了全面消化吸收，對軟件進行聯(lián)合開發(fā)，對系統(tǒng)的組網(wǎng)方式進行了改進，取得了良好效果[2]。我國動車領(lǐng)域運用的LM滾動軸承故障軌邊聲學(xué)診斷系統(tǒng)（即LM系統(tǒng)），通過引進先進的動車組TADS系統(tǒng)并將其國產(chǎn)化，采用先進的軌邊聲學(xué)指向跟蹤技術(shù)、聲音頻譜分析技術(shù)和計算機智能識別技術(shù)對動車組和客車車輛滾動軸承外、內(nèi)圈滾道和滾動體裂紋、剝離、磨損及腐蝕等故障進行早期診斷及分級報警，適用于各型CRH系列動車組及客車車輛滾動軸承故障的在線動態(tài)檢測。

1滾動軸承故障及檢測機理

1.1滾動軸承故障

客車車輛滾動軸承一般由外圈、內(nèi)圈、滾動體和保持架四部分組成。

（1）內(nèi)圈與軸相配合并與軸一起旋轉(zhuǎn)。

（2）外圈作用是與軸承座相配合，起支撐作用，一般情況下內(nèi)圈隨軸旋轉(zhuǎn)，外圈不動。

（3）滾動體是滾動軸承中的核心元件，借助于保持架均勻分布在內(nèi)圈和外圈之間，其形狀大小和數(shù)量直接影響滾動軸承的使用性能和壽命，它使相對運動表面間的滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，我國動車組滾動軸承的滾動體形狀為圓柱形和圓錐形。滾動軸承內(nèi)外圈上都有凹槽滾道，起著降低接觸應(yīng)力和限制滾動體軸向移動的作用。

（4）保持架使?jié)L動體均勻分布并引導(dǎo)滾動體旋轉(zhuǎn)起潤滑作用，如果沒有保持架，相鄰滾動體將直接接觸，發(fā)熱和磨損都會增大[3]。CRH2型動車組滾動軸承見圖1。由于滾動軸承材料缺陷、加工或裝配不當(dāng)、潤滑不良、水分和異物侵入、腐蝕剝落及過載等原因都可能導(dǎo)致早期損壞。另外，即使在安裝、潤滑和使用維護都正常的情況下，經(jīng)過一段時間的運轉(zhuǎn)，軸承也會出現(xiàn)疲勞剝落和磨損等現(xiàn)象，影響軸承正常工作。概括起來滾動軸承的主要故障形式有：裂損、剝離、麻點、劃傷、凹痕和擦傷等（見圖2）[4]。

1.2滾動軸承故障檢測機理

當(dāng)滾動體和滾道接觸處有局部缺陷時，軸承在運動過程中就會產(chǎn)生一個沖擊信號，缺陷在不同元件上接觸點經(jīng)過缺陷的頻率也不同，這個頻率就成為沖擊的間隔頻率或特征頻率。引起滾動軸承振動和噪聲的原因，除了外部激勵因素外，還有內(nèi)、外圈和滾動體接觸面缺陷引起的振動的特征頻率（見表1）。軸承在線軌邊聲學(xué)診斷系統(tǒng)主要采用聲音（噪聲）方法。

（1）軸承無故障或缺陷時，軸承在旋轉(zhuǎn)時表現(xiàn)出來的振動主要由轉(zhuǎn)動面的光潔度和波紋度引起的，因此運轉(zhuǎn)時發(fā)出的聲音應(yīng)該是正常聲音。

（2）軸承滾動面出現(xiàn)缺陷時，滾動體碾壓到缺陷部位，產(chǎn)生沖擊振動，從而產(chǎn)生異常聲音。振動作用時間短，時域能量不大，但頻率豐富且具有周期性。

（3）軸承不同部位由于轉(zhuǎn)速不同，所發(fā)出的異常聲音頻率也不同，計算機可以根據(jù)聲學(xué)頻率特征識別出發(fā)生故障的部位。故障越嚴(yán)重，異常聲音的振幅相應(yīng)越大，即異常聲音的振幅大小反映了故障的嚴(yán)重程度[5]。

2軌邊聲學(xué)診斷原理軌邊聲學(xué)探測

主要是要根據(jù)滾動軸承運行機理及軸承尺寸，準(zhǔn)確全面采集軸承任何部位發(fā)生故障、缺陷時所產(chǎn)生的振動聲音。LM系統(tǒng)是利用聲學(xué)傳感器獲取運行中的滾動軸承發(fā)生的聲學(xué)信號。LM系統(tǒng)檢測原理如下：

（1）利用聲學(xué)傳感器陣列，采用現(xiàn)代聲學(xué)診斷技術(shù)，對高速運行列車的車輛滾動軸承故障信號進行實時拾取、濾波、采集、處理。

（2）采用聲學(xué)傳感器陣列技術(shù)和多傳感器信號合成及定位技術(shù)保證系統(tǒng)對故障軸承診斷的可靠性和準(zhǔn)確性。

（3）利用故障軸承信號拾取技術(shù)、系統(tǒng)降噪技術(shù)及頻譜分析和小波形分析技術(shù)，使得系統(tǒng)對故障軸承缺陷程度具有極高的預(yù)報精度。

（4）與車號自動識別系統(tǒng)相結(jié)合，實現(xiàn)故障軸承車號和軸位的自動定位。

（5）計算機根據(jù)不同軸承故障信號的頻率、能量、幅值和相關(guān)的車速、載荷等因素，判別出各種不同軸承故障類型和故障缺陷程度，實現(xiàn)對滾動軸承早期故障進行預(yù)警、防范，保證行車安全。列車報警頻譜圖見圖3，是列車在TADS上經(jīng)過6次采集檢測到的軸承有缺陷時的列車報警頻譜圖。橫坐標(biāo)代表報警次數(shù)，縱坐標(biāo)代表聲音強度。當(dāng)有缺陷時，軸承在運轉(zhuǎn)過程中就會產(chǎn)生一個沖擊信號（綠色波形），隨著轉(zhuǎn)動圈數(shù)的增加，聲音強度會逐漸降低。列車多次經(jīng)過時，由波形圖可知，聲音信號有規(guī)律的出現(xiàn)，且振動頻次一致。由此可以判斷軸承發(fā)生故障。而當(dāng)無缺陷時，列車報警頻譜圖上不會出現(xiàn)如此有規(guī)律的報警信號。

3軌邊聲學(xué)診斷關(guān)鍵技術(shù)

3.1聲學(xué)傳感器陣列跟蹤式檢測技術(shù)

單獨聲學(xué)傳感器的有效區(qū)域僅為1.1m左右，若采用單獨聲學(xué)傳感器，在這么大的指向區(qū)域內(nèi)保持接收信號靈敏度的一致性是不可能的，難以對軸承故障進行準(zhǔn)確判斷。為此，LM系統(tǒng)采用單側(cè)16個傳感器陣列（見圖4），采用跟蹤式檢測方式，保證某一軸承在探測區(qū)內(nèi)傳感器接收的軸承振動信號是連續(xù)的，保證檢測效果。

3.2聲學(xué)傳感器冗余設(shè)計技術(shù)

LM系統(tǒng)單側(cè)采用16個聲學(xué)傳感器陣列，其中2個為安全冗余設(shè)計，出現(xiàn)異常狀況時，剩余聲學(xué)傳感器同時工作即可保證滾動軸承聲音信號采集的連續(xù)性。聲學(xué)傳感器冗余設(shè)計極大提高了系統(tǒng)工作的可靠性，有效保證了系統(tǒng)的檢測效果。

3.3動車組和客車車輛自動兼容檢測技術(shù)

在充分調(diào)研各型動車組和客車車輛滾動軸承的基礎(chǔ)上，準(zhǔn)確計算和模擬出各型動車組和客車車輛軸承不同部位故障頻率，建立了各型動車組和客車車輛軸承故障模型，并在后期數(shù)據(jù)處理上做了精確修正，使得LM系統(tǒng)完全滿足自動兼容檢測各型動車組和客車車輛滾動軸承的需求，并在實際運用中得到驗證。

3.4聲學(xué)采集單元集成式設(shè)計技術(shù)

LM系統(tǒng)聲學(xué)傳感器主機柜和副機柜均采用集成化設(shè)計，將單側(cè)16個聲學(xué)傳感器集成在一個機柜內(nèi)，機柜內(nèi)創(chuàng)新性的設(shè)計了一體成型的拋物線型反射腔（見圖5），聲學(xué)傳感器直接朝向拋物線型腔，減小了設(shè)備裝調(diào)難度，保證了傳感器間的安裝精度，最大限度采集了軸承運轉(zhuǎn)聲音，保證了數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性。

3.5標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)處理技術(shù)

LM系統(tǒng)在疑似故障報警頻譜圖上采用了標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)處理技術(shù)（見圖6），將軸承元件故障頻率轉(zhuǎn)變成無量綱形式呈現(xiàn)，最終結(jié)果與車速等無關(guān)，只與軸承本身參數(shù)有關(guān)，缺陷判別比較直觀，大大減輕了數(shù)據(jù)分析人員的工作量，有效減少了漏判和誤判。

4軌邊聲學(xué)診斷系統(tǒng)組成

LM系統(tǒng)由現(xiàn)場檢測單元、數(shù)據(jù)處理單元和遠(yuǎn)程控制單元組成?，F(xiàn)場檢測單元主要實現(xiàn)滾動軸承聲音信號的采集、車號信息采集、測速及計軸計輛等功能；數(shù)據(jù)處理單元主要實現(xiàn)聲音信號處理、故障模式識別及車號識別等功能；遠(yuǎn)程控制單元主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程分析、運行狀態(tài)監(jiān)控等功能，設(shè)備日常數(shù)據(jù)分析及監(jiān)控等工作在遠(yuǎn)程調(diào)度室即可正常進行。檢測數(shù)據(jù)傳輸流程示意見圖7。

（1）現(xiàn)場檢測單元?，F(xiàn)場檢測單元安裝在軌道兩側(cè)，主要部件包括：開機傳感器、聲學(xué)采集單元、測速傳感器、輔助測速傳感器和圖像車號識別裝置。

（2）數(shù)據(jù)處理單元。數(shù)據(jù)處理單元包括：不間斷電源箱、保護門控制箱、遠(yuǎn)程電源控制箱、信號調(diào)理前置機、信號采集處理計算機、集線器、HDSL調(diào)制解調(diào)器、車號識別設(shè)備主機等。數(shù)據(jù)處理單元在主計算機軟件統(tǒng)一調(diào)度下，完成聲音信號采集、故障軸承模式識別、計軸計輛、車號識別、數(shù)據(jù)上傳、自檢和遠(yuǎn)程維護等工作。

（3）遠(yuǎn)程控制單元。遠(yuǎn)程控制單元獨立于設(shè)備檢測控制現(xiàn)場，通過光纖與數(shù)據(jù)處理單元進行通信連接，主要由控制主機和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等組成，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程分析、運行狀態(tài)監(jiān)控等功能。

5系統(tǒng)運用

動車組TADS設(shè)備已在武漢、南昌和上海鐵路局現(xiàn)場配置應(yīng)用，運用至今能自動檢測各型動車組軸承故障，運行穩(wěn)定，檢測情況良好。截至2015年6月，動車組TADS設(shè)備共檢測動車組列車80000余列次，報警動車組軸承故障40例，其中19例經(jīng)分解確認(rèn)存在剝離故障，21例落輪返廠處理（落輪后人工轉(zhuǎn)動軸承能聽到明顯異音），有效防止了因軸承故障引起的行車事故。

參考文獻

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[4]翟建．滾動軸承的故障分析與檢查維護[J]．科技傳播，2010(9)：107-108．

作者:厲浩 張渝 彭朝勇 單位:上海鐵路局車輛處 西南交通大學(xué) 西南交通大學(xué)