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滾動(dòng)軸承故障軌邊聲學(xué)檢測技術(shù)
滾動(dòng)軸承是走行裝置中的一個(gè)關(guān)鍵零部件,在列車(chē)運行過(guò)程中承受的動(dòng)態(tài)載荷較大,容易出現軸承故障,對車(chē)輛運行產(chǎn)生重大影響。下面是小編搜集整理的相關(guān)內容的論文，歡迎大家閱讀參考。
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(chē)運行過(guò)程中承受的動(dòng)態(tài)載荷較大，容易出現軸承故障，對車(chē)輛運行產(chǎn)生重大影響。結合滾動(dòng)軸承故障及故障檢測機理，介紹動(dòng)車(chē)組滾動(dòng)軸承軌邊聲學(xué)檢測技術(shù)、檢測系統及在我國的應用情況。
關(guān)鍵詞：動(dòng)車(chē)組;滾動(dòng)軸承;軸承故障;檢測機理;聲學(xué)診斷;狀態(tài)監控
引言
我國動(dòng)車(chē)組具有運行速度高、連續高速運行里程長(cháng)的特點(diǎn)，滾動(dòng)軸承承受的動(dòng)態(tài)載荷較大，容易出現軸承故障。當前對動(dòng)車(chē)組和客車(chē)車(chē)輛滾動(dòng)軸承的檢測主要依靠車(chē)載軸溫報警裝置進(jìn)行在線(xiàn)監控和定期進(jìn)行人工檢查。車(chē)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(chē)檢查，嚴重影響行車(chē)秩序，造成巨大社會(huì )影響[1]。定期人工檢查無(wú)法及時(shí)監測軸承故障，而且受個(gè)人主觀(guān)因素影響，容易出現故障漏檢、漏判。迫切需要采用先進(jìn)技術(shù)及設備開(kāi)展動(dòng)車(chē)組和客車(chē)車(chē)輛滾動(dòng)軸承早期故障檢測和診斷，有效預防滾動(dòng)軸承事故的發(fā)生。目前，國內外在列車(chē)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)診斷系統在全世界均有70多套應用。2003年開(kāi)始，我國與TrackIQ等國外公司合作，引進(jìn)了滾動(dòng)軸承故障軌邊聲學(xué)診斷系統，為適應我國的鐵路狀況，逐步實(shí)現國產(chǎn)化。試驗過(guò)程中對TADS的硬件進(jìn)行了全面消化吸收，對軟件進(jìn)行聯(lián)合開(kāi)發(fā)，對系統的組網(wǎng)方式進(jìn)行了改進(jìn)，取得了良好效果[2]。我國動(dòng)車(chē)領(lǐng)域運用的LM滾動(dòng)軸承故障軌邊聲學(xué)診斷系統(即LM系統)，通過(guò)引進(jìn)先進(jìn)的動(dòng)車(chē)組TADS系統并將其國產(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)和計算機智能識別技術(shù)對動(dòng)車(chē)組和客車(chē)車(chē)輛滾動(dòng)軸承外、內圈滾道和滾動(dòng)體裂紋、剝離、磨損及腐蝕等故障進(jìn)行早期診斷及分級報警，適用于各型CRH系列動(dòng)車(chē)組及客車(chē)車(chē)輛滾動(dòng)軸承故障的在線(xiàn)動(dòng)態(tài)檢測。
一、滾動(dòng)軸承故障及檢測機理
1.1滾動(dòng)軸承故障
客車(chē)車(chē)輛滾動(dòng)軸承一般由外圈、內圈、滾動(dòng)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(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圈和外圈之間，其形狀大小和數量直接影響滾動(dòng)軸承的使用性能和壽命，它使相對運動(dòng)表面間的滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，我國動(dòng)車(chē)組滾動(dòng)軸承的滾動(dòng)體形狀為圓柱形和圓錐形。滾動(dòng)軸承內外圈上都有凹槽滾道，起著(zhù)降低接觸應力和限制滾動(dòng)體軸向移動(dòng)的作用。
(4)保持架使滾動(dòng)體均勻分布并引導滾動(dòng)體旋轉起潤滑作用，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(chē)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、潤滑不良、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(guò)一段時(shí)間的運轉，軸承也會(huì )出現疲勞剝落和磨損等現象，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)軸承故障檢測機理
當滾動(dòng)體和滾道接觸處有局部缺陷時(shí)，軸承在運動(dòng)過(guò)程中就會(huì )產(chǎn)生一個(gè)沖擊信號，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，除了外部激勵因素外，還有內、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(xiàn)軌邊聲學(xué)診斷系統主要采用聲音(噪聲)方法。
(1)軸承無(wú)故障或缺陷時(shí)，軸承在旋轉時(shí)表現出來(lái)的振動(dòng)主要由轉動(dòng)面的光潔度和波紋度引起的，因此運轉時(shí)發(fā)出的聲音應該是正常聲音。
(2)軸承滾動(dòng)面出現缺陷時(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速不同，所發(fā)出的異常聲音頻率也不同，計算機可以根據聲學(xué)頻率特征識別出發(fā)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]。
二、軌邊聲學(xué)診斷原理軌邊聲學(xué)探測
主要是要根據滾動(dòng)軸承運行機理及軸承尺寸，準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系統是利用聲學(xué)傳感器獲取運行中的滾動(dòng)軸承發(fā)生的聲學(xué)信號。LM系統檢測原理如下：
(1)利用聲學(xué)傳感器陣列，采用現代聲學(xué)診斷技術(shù)，對高速運行列車(chē)的車(chē)輛滾動(dòng)軸承故障信號進(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)和多傳感器信號合成及定位技術(shù)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(shù)、系統降噪技術(shù)及頻譜分析和小波形分析技術(shù)，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(chē)號自動(dòng)識別系統相結合，實(shí)現故障軸承車(chē)號和軸位的自動(dòng)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(guān)的車(chē)速、載荷等因素，判別出各種不同軸承故障類(lèi)型和故障缺陷程度，實(shí)現對滾動(dòng)軸承早期故障進(jìn)行預警、防范，保證行車(chē)安全。列車(chē)報警頻譜圖見(jiàn)圖3，是列車(chē)在TADS上經(jīng)過(guò)6次采集檢測到的軸承有缺陷時(shí)的列車(chē)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(shí)，軸承在運轉過(guò)程中就會(huì )產(chǎn)生一個(gè)沖擊信號(綠色波形)，隨著(zhù)轉動(dòng)圈數的增加，聲音強度會(huì )逐漸降低。列車(chē)多次經(jīng)過(guò)時(shí)，由波形圖可知，聲音信號有規律的出現，且振動(dòng)頻次一致。由此可以判斷軸承發(fā)生故障。而當無(wú)缺陷時(shí)，列車(chē)報警頻譜圖上不會(huì )出現如此有規律的報警信號。
三、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(jìn)行準確判斷。為此，LM系統采用單側16個(gè)傳感器陣列(見(jiàn)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(dòng)信號是連續的，保證檢測效果。
3.2聲學(xué)傳感器冗余設計技術(shù)
LM系統單側采用16個(gè)聲學(xué)傳感器陣列，其中2個(gè)為安全冗余設計，出現異常狀況時(shí)，剩余聲學(xué)傳感器同時(shí)工作即可保證滾動(dòng)軸承聲音信號采集的連續性。聲學(xué)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(dòng)車(chē)組和客車(chē)車(chē)輛自動(dòng)兼容檢測技術(shù)
在充分調研各型動(dòng)車(chē)組和客車(chē)車(chē)輛滾動(dòng)軸承的基礎上，準確計算和模擬出各型動(dòng)車(chē)組和客車(chē)車(chē)輛軸承不同部位故障頻率，建立了各型動(dòng)車(chē)組和客車(chē)車(chē)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(mǎn)足自動(dòng)兼容檢測各型動(dòng)車(chē)組和客車(chē)車(chē)輛滾動(dòng)軸承的需求，并在實(shí)際運用中得到驗證。
3.4聲學(xué)采集單元集成式設計技術(shù)
LM系統聲學(xué)傳感器主機柜和副機柜均采用集成化設計，將單側16個(gè)聲學(xué)傳感器集成在一個(gè)機柜內，機柜內創(chuàng )新性的設計了一體成型的拋物線(xiàn)型反射腔(見(jiàn)圖5)，聲學(xué)傳感器直接朝向拋物線(xiàn)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(shù)
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(shù)(見(jiàn)圖6)，將軸承元件故障頻率轉變成無(wú)量綱形式呈現，最終結果與車(chē)速等無(wú)關(guān)，只與軸承本身參數有關(guān)，缺陷判別比較直觀(guān)，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。
四、軌邊聲學(xué)診斷系統組成
LM系統由現場(chǎng)檢測單元、數據處理單元和遠程控制單元組成�，F場(chǎng)檢測單元主要實(shí)現滾動(dòng)軸承聲音信號的采集、車(chē)號信息采集、測速及計軸計輛等功能;數據處理單元主要實(shí)現聲音信號處理、故障模式識別及車(chē)號識別等功能;遠程控制單元主要實(shí)現數據遠程分析、運行狀態(tài)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(jìn)行。檢測數據傳輸流程示意見(jiàn)圖7。
(1)現場(chǎng)檢測單元�，F場(chǎng)檢測單元安裝在軌道兩側，主要部件包括：開(kāi)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(chē)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(mén)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(xiàn)器、HDSL調制解調器、車(chē)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(chē)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(chǎng)，通過(guò)光纖與數據處理單元進(jìn)行通信連接，主要由控制主機和網(wǎng)絡(luò )設備等組成，實(shí)現數據的遠程分析、運行狀態(tài)監控等功能。
五、系統運用
動(dòng)車(chē)組TADS設備已在武漢、南昌和上海鐵路局現場(chǎng)配置應用，運用至今能自動(dòng)檢測各型動(dòng)車(chē)組軸承故障，運行穩定，檢測情況良好。截至2015年6月，動(dòng)車(chē)組TADS設備共檢測動(dòng)車(chē)組列車(chē)80000余列次，報警動(dòng)車(chē)組軸承故障40例，其中19例經(jīng)分解確認存在剝離故障，21例落輪返廠(chǎng)處理(落輪后人工轉動(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(chē)事故。
參考文獻
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[2]崔濤.鐵路TADS監控及聯(lián)網(wǎng)跟蹤預報系統設計及實(shí)現[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2009.
[3]廉振紅，王增勝.滾動(dòng)軸承的組合結構設計應考慮的問(wèn)題[J].中國科技信息，2010(20)：152-153.
[4]翟建.滾動(dòng)軸承的故障分析與檢查維護[J].科技傳播，2010(9)：107-108.
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