滾動(dòng)軸承故障軌邊聲學(xué)檢測(cè)技術(shù)

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摘要：滾動(dòng)軸承是走行裝置中的一個(gè)關(guān)鍵零部件，在列車運(yùn)行過(guò)程中承受的動(dòng)態(tài)載荷較大，容易出現(xiàn)軸承故障，對(duì)車輛運(yùn)行產(chǎn)生重大影響。結(jié)合滾動(dòng)軸承故障及故障檢測(cè)機(jī)理，介紹動(dòng)車組滾動(dòng)軸承軌邊聲學(xué)檢測(cè)技術(shù)、檢測(cè)系統(tǒng)及在我國(guó)的應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：動(dòng)車組；滾動(dòng)軸承；軸承故障；檢測(cè)機(jī)理；聲學(xué)診斷；狀態(tài)監(jiān)控

0引言

我國(guó)動(dòng)車組具有運(yùn)行速度高、連續(xù)高速運(yùn)行里程長(zhǎng)的特點(diǎn)，滾動(dòng)軸承承受的動(dòng)態(tài)載荷較大，容易出現(xiàn)軸承故障。當(dāng)前對(duì)動(dòng)車組和客車車輛滾動(dòng)軸承的檢測(cè)主要依靠車載軸溫報(bào)警裝置進(jìn)行在線監(jiān)控和定期進(jìn)行人工檢查。車載軸溫報(bào)警裝置主要監(jiān)控軸承晚期故障，一旦出現(xiàn)軸溫報(bào)警必須立即停車檢查，嚴(yán)重影響行車秩序，造成巨大社會(huì)影響[1]。定期人工檢查無(wú)法及時(shí)監(jiān)測(cè)軸承故障，而且受個(gè)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(jìn)技術(shù)及設(shè)備開(kāi)展動(dòng)車組和客車車輛滾動(dòng)軸承早期故障檢測(cè)和診斷，有效預(yù)防滾動(dòng)軸承事故的發(fā)生。目前，國(guó)內(nèi)外在列車滾動(dòng)軸承故障軌邊聲學(xué)診斷領(lǐng)域做的比較成熟的有美國(guó)TTCI和澳大利亞TrackIQ公司，其研制開(kāi)發(fā)的滾動(dòng)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(kāi)始，我國(guó)與TrackIQ等國(guó)外公司合作，引進(jìn)了滾動(dòng)軸承故障軌邊聲學(xué)診斷系統(tǒng)，為適應(yīng)我國(guó)的鐵路狀況，逐步實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)TADS的硬件進(jìn)行了全面消化吸收，對(duì)軟件進(jìn)行聯(lián)合開(kāi)發(fā)，對(duì)系統(tǒng)的組網(wǎng)方式進(jìn)行了改進(jìn)，取得了良好效果[2]。我國(guó)動(dòng)車領(lǐng)域運(yùn)用的LM滾動(dòng)軸承故障軌邊聲學(xué)診斷系統(tǒng)（即LM系統(tǒng)），通過(guò)引進(jìn)先進(jìn)的動(dòng)車組TADS系統(tǒng)并將其國(guó)產(chǎn)化，采用先進(jìn)的軌邊聲學(xué)指向跟蹤技術(shù)、聲音頻譜分析技術(shù)和計(jì)算機(jī)智能識(shí)別技術(shù)對(duì)動(dòng)車組和客車車輛滾動(dòng)軸承外、內(nèi)圈滾道和滾動(dòng)體裂紋、剝離、磨損及腐蝕等故障進(jìn)行早期診斷及分級(jí)報(bào)警，適用于各型CRH系列動(dòng)車組及客車車輛滾動(dòng)軸承故障的在線動(dòng)態(tài)檢測(cè)。

1滾動(dòng)軸承故障及檢測(cè)機(jī)理

1.1滾動(dòng)軸承故障

客車車輛滾動(dòng)軸承一般由外圈、內(nèi)圈、滾動(dòng)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(dòng)。

（3）滾動(dòng)體是滾動(dòng)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(dòng)軸承的使用性能和壽命，它使相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面間的滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，我國(guó)動(dòng)車組滾動(dòng)軸承的滾動(dòng)體形狀為圓柱形和圓錐形。滾動(dòng)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(dòng)體軸向移動(dòng)的作用。

（4）保持架使?jié)L動(dòng)體均勻分布并引導(dǎo)滾動(dòng)體旋轉(zhuǎn)起潤(rùn)滑作用，如果沒(méi)有保持架，相鄰滾動(dòng)體將直接接觸，發(fā)熱和磨損都會(huì)增大[3]。CRH2型動(dòng)車組滾動(dòng)軸承見(jiàn)圖1。由于滾動(dòng)軸承材料缺陷、加工或裝配不當(dāng)、潤(rùn)滑不良、水分和異物侵入、腐蝕剝落及過(guò)載等原因都可能導(dǎo)致早期損壞。另外，即使在安裝、潤(rùn)滑和使用維護(hù)都正常的情況下，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)，軸承也會(huì)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(lái)滾動(dòng)軸承的主要故障形式有：裂損、剝離、麻點(diǎn)、劃傷、凹痕和擦傷等（見(jiàn)圖2）[4]。

1.2滾動(dòng)軸承故障檢測(cè)機(jī)理

當(dāng)滾動(dòng)體和滾道接觸處有局部缺陷時(shí)，軸承在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)沖擊信號(hào)，缺陷在不同元件上接觸點(diǎn)經(jīng)過(guò)缺陷的頻率也不同，這個(gè)頻率就成為沖擊的間隔頻率或特征頻率。引起滾動(dòng)軸承振動(dòng)和噪聲的原因，除了外部激勵(lì)因素外，還有內(nèi)、外圈和滾動(dòng)體接觸面缺陷引起的振動(dòng)的特征頻率（見(jiàn)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(wú)故障或缺陷時(shí)，軸承在旋轉(zhuǎn)時(shí)表現(xiàn)出來(lái)的振動(dòng)主要由轉(zhuǎn)動(dòng)面的光潔度和波紋度引起的，因此運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)出的聲音應(yīng)該是正常聲音。

（2）軸承滾動(dòng)面出現(xiàn)缺陷時(shí)，滾動(dòng)體碾壓到缺陷部位，產(chǎn)生沖擊振動(dòng)，從而產(chǎn)生異常聲音。振動(dòng)作用時(shí)間短，時(shí)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(jì)算機(jī)可以根據(jù)聲學(xué)頻率特征識(shí)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(cè)

主要是要根據(jù)滾動(dòng)軸承運(yùn)行機(jī)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(shí)所產(chǎn)生的振動(dòng)聲音。LM系統(tǒng)是利用聲學(xué)傳感器獲取運(yùn)行中的滾動(dòng)軸承發(fā)生的聲學(xué)信號(hào)。LM系統(tǒng)檢測(cè)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(duì)高速運(yùn)行列車的車輛滾動(dòng)軸承故障信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(hào)合成及定位技術(shù)保證系統(tǒng)對(duì)故障軸承診斷的可靠性和準(zhǔn)確性。

（3）利用故障軸承信號(hào)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(duì)故障軸承缺陷程度具有極高的預(yù)報(bào)精度。

（4）與車號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)故障軸承車號(hào)和軸位的自動(dòng)定位。

（5）計(jì)算機(jī)根據(jù)不同軸承故障信號(hào)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(shí)現(xiàn)對(duì)滾動(dòng)軸承早期故障進(jìn)行預(yù)警、防范，保證行車安全。列車報(bào)警頻譜圖見(jiàn)圖3，是列車在TADS上經(jīng)過(guò)6次采集檢測(cè)到的軸承有缺陷時(shí)的列車報(bào)警頻譜圖。橫坐標(biāo)代表報(bào)警次數(shù)，縱坐標(biāo)代表聲音強(qiáng)度。當(dāng)有缺陷時(shí)，軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)沖擊信號(hào)（綠色波形），隨著轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)的增加，聲音強(qiáng)度會(huì)逐漸降低。列車多次經(jīng)過(guò)時(shí)，由波形圖可知，聲音信號(hào)有規(guī)律的出現(xiàn)，且振動(dòng)頻次一致。由此可以判斷軸承發(fā)生故障。而當(dāng)無(wú)缺陷時(shí)，列車報(bào)警頻譜圖上不會(huì)出現(xiàn)如此有規(guī)律的報(bào)警信號(hào)。

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(cè)技術(shù)

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

3.2聲學(xué)傳感器冗余設(shè)計(jì)技術(shù)

LM系統(tǒng)單側(cè)采用16個(gè)聲學(xué)傳感器陣列，其中2個(gè)為安全冗余設(shè)計(jì)，出現(xiàn)異常狀況時(shí)，剩余聲學(xué)傳感器同時(shí)工作即可保證滾動(dòng)軸承聲音信號(hào)采集的連續(xù)性。聲學(xué)傳感器冗余設(shè)計(jì)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(cè)效果。

3.3動(dòng)車組和客車車輛自動(dòng)兼容檢測(cè)技術(shù)

在充分調(diào)研各型動(dòng)車組和客車車輛滾動(dòng)軸承的基礎(chǔ)上，準(zhǔn)確計(jì)算和模擬出各型動(dòng)車組和客車車輛軸承不同部位故障頻率，建立了各型動(dòng)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(dòng)兼容檢測(cè)各型動(dòng)車組和客車車輛滾動(dòng)軸承的需求，并在實(shí)際運(yùn)用中得到驗(yàn)證。

3.4聲學(xué)采集單元集成式設(shè)計(jì)技術(shù)

LM系統(tǒng)聲學(xué)傳感器主機(jī)柜和副機(jī)柜均采用集成化設(shè)計(jì)，將單側(cè)16個(gè)聲學(xué)傳感器集成在一個(gè)機(jī)柜內(nèi)，機(jī)柜內(nèi)創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)了一體成型的拋物線型反射腔（見(jiàn)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(yùn)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(bào)警頻譜圖上采用了標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)處理技術(shù)（見(jiàn)圖6），將軸承元件故障頻率轉(zhuǎn)變成無(wú)量綱形式呈現(xiàn)，最終結(jié)果與車速等無(wú)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(chǎng)檢測(cè)單元、數(shù)據(jù)處理單元和遠(yuǎn)程控制單元組成?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)單元主要實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)軸承聲音信號(hào)的采集、車號(hào)信息采集、測(cè)速及計(jì)軸計(jì)輛等功能；數(shù)據(jù)處理單元主要實(shí)現(xiàn)聲音信號(hào)處理、故障模式識(shí)別及車號(hào)識(shí)別等功能；遠(yuǎn)程控制單元主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程分析、運(yùn)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(jìn)行。檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸流程示意見(jiàn)圖7。

（1）現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)單元。現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)單元安裝在軌道兩側(cè)，主要部件包括：開(kāi)機(jī)傳感器、聲學(xué)采集單元、測(cè)速傳感器、輔助測(cè)速傳感器和圖像車號(hào)識(shí)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(hù)門(mén)控制箱、遠(yuǎn)程電源控制箱、信號(hào)調(diào)理前置機(jī)、信號(hào)采集處理計(jì)算機(jī)、集線器、HDSL調(diào)制解調(diào)器、車號(hào)識(shí)別設(shè)備主機(jī)等。數(shù)據(jù)處理單元在主計(jì)算機(jī)軟件統(tǒng)一調(diào)度下，完成聲音信號(hào)采集、故障軸承模式識(shí)別、計(jì)軸計(jì)輛、車號(hào)識(shí)別、數(shù)據(jù)上傳、自檢和遠(yuǎn)程維護(hù)等工作。

（3）遠(yuǎn)程控制單元。遠(yuǎn)程控制單元獨(dú)立于設(shè)備檢測(cè)控制現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)光纖與數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)行通信連接，主要由控制主機(jī)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等組成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程分析、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控等功能。

5系統(tǒng)運(yùn)用

動(dòng)車組TADS設(shè)備已在武漢、南昌和上海鐵路局現(xiàn)場(chǎng)配置應(yīng)用，運(yùn)用至今能自動(dòng)檢測(cè)各型動(dòng)車組軸承故障，運(yùn)行穩(wěn)定，檢測(cè)情況良好。截至2015年6月，動(dòng)車組TADS設(shè)備共檢測(cè)動(dòng)車組列車80000余列次，報(bào)警動(dòng)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(dòng)軸承能聽(tīng)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(xiàn)

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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)