滾動軸承故障軌邊聲學檢測技術

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摘要：滾動軸承是走行裝置中的一個關鍵零部件，在列車運行過程中承受的動態載荷較大，容易出現軸承故障，對車輛運行產生重大影響。結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檢測技術、檢測系統及在我國的應用情況。

關鍵詞：動車組；滾動軸承；軸承故障；檢測機理；聲學診斷；狀態監控

0引言

我國動車組具有運行速度高、連續高速運行里程長的特點，滾動軸承承受的動態載荷較大，容易出現軸承故障。當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控和定期進行人工檢查。車載軸溫報警裝置主要監控軸承晚期故障，一旦出現軸溫報警必須立即停車檢查，嚴重影響行車秩序，造成巨大社會影響[1]。定期人工檢查無法及時監測軸承故障，而且受個人主觀因素影響，容易出現故障漏檢、漏判。迫切需要采用先進技術及設備開展動車組和客車車輛滾動軸承早期故障檢測和診斷，有效預防滾動軸承事故的發生。目前，國內外在列車滾動軸承故障軌邊聲學診斷領域做的比較成熟的有美國TTCI和澳大利亞TrackIQ公司，其研制開發的滾動軸承故障軌邊聲學診斷系統在全世界均有70多套應用。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診斷系統，為適應我國的鐵路狀況，逐步實現國產化。試驗過程中對TADS的硬件進行了全面消化吸收，對軟件進行聯合開發，對系統的組網方式進行了改進，取得了良好效果[2]。我國動車領域運用的LM滾動軸承故障軌邊聲學診斷系統（即LM系統），通過引進先進的動車組TADS系統并將其國產化，采用先進的軌邊聲學指向跟蹤技術、聲音頻譜分析技術和計算機智能識別技術對動車組和客車車輛滾動軸承外、內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、內圈、滾動體和保持架四部分組成。

（1）內圈與軸相配合并與軸一起旋轉。

（2）外圈作用是與軸承座相配合，起支撐作用，一般情況下內圈隨軸旋轉，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圈和外圈之間，其形狀大小和數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為滾動摩擦，我國動車組滾動軸承的滾動體形狀為圓柱形和圓錐形。滾動軸承內外圈上都有凹槽滾道，起著降低接觸應力和限制滾動體軸向移動的作用。

（4）保持架使滾動體均勻分布并引導滾動體旋轉起潤滑作用，如果沒有保持架，相鄰滾動體將直接接觸，發熱和磨損都會增大[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、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，經過一段時間的運轉，軸承也會出現疲勞剝落和磨損等現象，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生一個沖擊信號，缺陷在不同元件上接觸點經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、外圈和滾動體接觸面缺陷引起的振動的特征頻率（見表1）。軸承在線軌邊聲學診斷系統主要采用聲音（噪聲）方法。

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

（2）軸承滾動面出現缺陷時，滾動體碾壓到缺陷部位，產生沖擊振動，從而產生異常聲音。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速不同，所發出的異常聲音頻率也不同，計算機可以根據聲學頻率特征識別出發生故障的部位。故障越嚴重，異常聲音的振幅相應越大，即異常聲音的振幅大小反映了故障的嚴重程度[5]。

2軌邊聲學診斷原理軌邊聲學探測

主要是要根據滾動軸承運行機理及軸承尺寸，準確全面采集軸承任何部位發生故障、缺陷時所產生的振動聲音。LM系統是利用聲學傳感器獲取運行中的滾動軸承發生的聲學信號。LM系統檢測原理如下：

（1）利用聲學傳感器陣列，采用現代聲學診斷技術，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）采用聲學傳感器陣列技術和多傳感器信號合成及定位技術保證系統對故障軸承診斷的可靠性和準確性。

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

（4）與車號自動識別系統相結合，實現故障軸承車號和軸位的自動定位。

（5）計算機根據不同軸承故障信號的頻率、能量、幅值和相關的車速、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，實現對滾動軸承早期故障進行預警、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。橫坐標代表報警次數，縱坐標代表聲音強度。當有缺陷時，軸承在運轉過程中就會產生一個沖擊信號（綠色波形），隨著轉動圈數的增加，聲音強度會逐漸降低。列車多次經過時，由波形圖可知，聲音信號有規律的出現，且振動頻次一致。由此可以判斷軸承發生故障。而當無缺陷時，列車報警頻譜圖上不會出現如此有規律的報警信號。

3軌邊聲學診斷關鍵技術

3.1聲學傳感器陣列跟蹤式檢測技術

單獨聲學傳感器的有效區域僅為1.1m左右，若采用單獨聲學傳感器，在這么大的指向區域內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確判斷。為此，LM系統采用單側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內傳感器接收的軸承振動信號是連續的，保證檢測效果。

3.2聲學傳感器冗余設計技術

LM系統單側采用16個聲學傳感器陣列，其中2個為安全冗余設計，出現異常狀況時，剩余聲學傳感器同時工作即可保證滾動軸承聲音信號采集的連續性。聲學傳感器冗余設計極大提高了系統工作的可靠性，有效保證了系統的檢測效果。

3.3動車組和客車車輛自動兼容檢測技術

在充分調研各型動車組和客車車輛滾動軸承的基礎上，準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，并在后期數據處理上做了精確修正，使得LM系統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聲學采集單元集成式設計技術

LM系統聲學傳感器主機柜和副機柜均采用集成化設計，將單側16個聲學傳感器集成在一個機柜內，機柜內創新性的設計了一體成型的拋物線型反射腔（見圖5），聲學傳感器直接朝向拋物線型腔，減小了設備裝調難度，保證了傳感器間的安裝精度，最大限度采集了軸承運轉聲音，保證了數據采集的穩定性。

3.5標準化數據處理技術

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

4軌邊聲學診斷系統組成

LM系統由現場檢測單元、數據處理單元和遠程控制單元組成。現場檢測單元主要實現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；數據處理單元主要實現聲音信號處理、故障模式識別及車號識別等功能；遠程控制單元主要實現數據遠程分析、運行狀態監控等功能，設備日常數據分析及監控等工作在遠程調度室即可正常進行。檢測數據傳輸流程示意見圖7。

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

（2）數據處理單元。數據處理單元包括：不間斷電源箱、保護門控制箱、遠程電源控制箱、信號調理前置機、信號采集處理計算機、集線器、HDSL調制解調器、車號識別設備主機等。數據處理單元在主計算機軟件統一調度下，完成聲音信號采集、故障軸承模式識別、計軸計輛、車號識別、數據上傳、自檢和遠程維護等工作。

（3）遠程控制單元。遠程控制單元獨立于設備檢測控制現場，通過光纖與數據處理單元進行通信連接，主要由控制主機和網絡設備等組成，實現數據的遠程分析、運行狀態監控等功能。

5系統運用

動車組TADS設備已在武漢、南昌和上海鐵路局現場配置應用，運用至今能自動檢測各型動車組軸承故障，運行穩定，檢測情況良好。截至2015年6月，動車組TADS設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例經分解確認存在剝離故障，21例落輪返廠處理（落輪后人工轉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

[1]任尊松，孫守光，李強．高速動車組軸箱彈簧載荷動態特性[J]．機械工程學報，2010，46(10)：109-115．

[2]崔濤．鐵路TADS監控及聯網跟蹤預報系統設計及實現[D]．哈爾濱：哈爾濱工程大學，2009．

[3]廉振紅，王增勝．滾動軸承的組合結構設計應考慮的問題[J]．中國科技信息，2010(20)：152-153．

[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 西南交通大學