滚动轴承故障轨边声学检测技术

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摘要：滚动轴承是走行装置中的一个关键零部件，在列车运行过程中承受的动态载荷较大，容易出现轴承故障，对车辆运行产生重大影响。结合滚动轴承故障及故障检测机理，介绍动车组滚动轴承轨边声学检测技术、检测系统及在我国的应用情况。

关键词：动车组；滚动轴承；轴承故障；检测机理；声学诊断；状态监控

0引言

我国动车组具有运行速度高、连续高速运行里程长的特点，滚动轴承承受的动态载荷较大，容易出现轴承故障。当前对动车组和客车车辆滚动轴承的检测主要依靠车载轴温报警装置进行在线监控和定期进行人工检查。车载轴温报警装置主要监控轴承晚期故障，一旦出现轴温报警必须立即停车检查，严重影响行车秩序，造成巨大社会影响[1]。定期人工检查无法及时监测轴承故障，而且受个人主观因素影响，容易出现故障漏检、漏判。迫切需要采用先进技术及设备开展动车组和客车车辆滚动轴承早期故障检测和诊断，有效预防滚动轴承事故的发生。目前，国内外在列车滚动轴承故障轨边声学诊断领域做的比较成熟的有美国TTCI和澳大利亚TrackIQ公司，其研制开发的滚动轴承故障轨边声学诊断系统在全世界均有70多套应用。2003年开始，我国与TrackIQ等国外公司合作，引进了滚动轴承故障轨边声学诊断系统，为适应我国的铁路状况，逐步实现国产化。试验过程中对TADS的硬件进行了全面消化吸收，对软件进行联合开发，对系统的组网方式进行了改进，取得了良好效果[2]。我国动车领域运用的LM滚动轴承故障轨边声学诊断系统（即LM系统），通过引进先进的动车组TADS系统并将其国产化，采用先进的轨边声学指向跟踪技术、声音频谱分析技术和计算机智能识别技术对动车组和客车车辆滚动轴承外、内圈滚道和滚动体裂纹、剥离、磨损及腐蚀等故障进行早期诊断及分级报警，适用于各型CRH系列动车组及客车车辆滚动轴承故障的在线动态检测。

1滚动轴承故障及检测机理

1.1滚动轴承故障

客车车辆滚动轴承一般由外圈、内圈、滚动体和保持架四部分组成。

（1）内圈与轴相配合并与轴一起旋转。

（2）外圈作用是与轴承座相配合，起支撑作用，一般情况下内圈随轴旋转，外圈不动。

（3）滚动体是滚动轴承中的核心元件，借助于保持架均匀分布在内圈和外圈之间，其形状大小和数量直接影响滚动轴承的使用性能和寿命，它使相对运动表面间的滑动摩擦变为滚动摩擦，我国动车组滚动轴承的滚动体形状为圆柱形和圆锥形。滚动轴承内外圈上都有凹槽滚道，起着降低接触应力和限制滚动体轴向移动的作用。

（4）保持架使滚动体均匀分布并引导滚动体旋转起润滑作用，如果没有保持架，相邻滚动体将直接接触，发热和磨损都会增大[3]。CRH2型动车组滚动轴承见图1。由于滚动轴承材料缺陷、加工或装配不当、润滑不良、水分和异物侵入、腐蚀剥落及过载等原因都可能导致早期损坏。另外，即使在安装、润滑和使用维护都正常的情况下，经过一段时间的运转，轴承也会出现疲劳剥落和磨损等现象，影响轴承正常工作。概括起来滚动轴承的主要故障形式有：裂损、剥离、麻点、划伤、凹痕和擦伤等（见图2）[4]。

1.2滚动轴承故障检测机理

当滚动体和滚道接触处有局部缺陷时，轴承在运动过程中就会产生一个冲击信号，缺陷在不同元件上接触点经过缺陷的频率也不同，这个频率就成为冲击的间隔频率或特征频率。引起滚动轴承振动和噪声的原因，除了外部激励因素外，还有内、外圈和滚动体接触面缺陷引起的振动的特征频率（见表1）。轴承在线轨边声学诊断系统主要采用声音（噪声）方法。

（1）轴承无故障或缺陷时，轴承在旋转时表现出来的振动主要由转动面的光洁度和波纹度引起的，因此运转时发出的声音应该是正常声音。

（2）轴承滚动面出现缺陷时，滚动体碾压到缺陷部位，产生冲击振动，从而产生异常声音。振动作用时间短，时域能量不大，但频率丰富且具有周期性。

（3）轴承不同部位由于转速不同，所发出的异常声音频率也不同，计算机可以根据声学频率特征识别出发生故障的部位。故障越严重，异常声音的振幅相应越大，即异常声音的振幅大小反映了故障的严重程度[5]。

2轨边声学诊断原理轨边声学探测

主要是要根据滚动轴承运行机理及轴承尺寸，准确全面采集轴承任何部位发生故障、缺陷时所产生的振动声音。LM系统是利用声学传感器获取运行中的滚动轴承发生的声学信号。LM系统检测原理如下：

（1）利用声学传感器阵列，采用现代声学诊断技术，对高速运行列车的车辆滚动轴承故障信号进行实时拾取、滤波、采集、处理。

（2）采用声学传感器阵列技术和多传感器信号合成及定位技术保证系统对故障轴承诊断的可靠性和准确性。

（3）利用故障轴承信号拾取技术、系统降噪技术及频谱分析和小波形分析技术，使得系统对故障轴承缺陷程度具有极高的预报精度。

（4）与车号自动识别系统相结合，实现故障轴承车号和轴位的自动定位。

（5）计算机根据不同轴承故障信号的频率、能量、幅值和相关的车速、载荷等因素，判别出各种不同轴承故障类型和故障缺陷程度，实现对滚动轴承早期故障进行预警、防范，保证行车安全。列车报警频谱图见图3，是列车在TADS上经过6次采集检测到的轴承有缺陷时的列车报警频谱图。横坐标代表报警次数，纵坐标代表声音强度。当有缺陷时，轴承在运转过程中就会产生一个冲击信号（绿色波形），随着转动圈数的增加，声音强度会逐渐降低。列车多次经过时，由波形图可知，声音信号有规律的出现，且振动频次一致。由此可以判断轴承发生故障。而当无缺陷时，列车报警频谱图上不会出现如此有规律的报警信号。

3轨边声学诊断关键技术

3.1声学传感器阵列跟踪式检测技术

单独声学传感器的有效区域仅为1.1m左右，若采用单独声学传感器，在这么大的指向区域内保持接收信号灵敏度的一致性是不可能的，难以对轴承故障进行准确判断。为此，LM系统采用单侧16个传感器阵列（见图4），采用跟踪式检测方式，保证某一轴承在探测区内传感器接收的轴承振动信号是连续的，保证检测效果。

3.2声学传感器冗余设计技术

LM系统单侧采用16个声学传感器阵列，其中2个为安全冗余设计，出现异常状况时，剩余声学传感器同时工作即可保证滚动轴承声音信号采集的连续性。声学传感器冗余设计极大提高了系统工作的可靠性，有效保证了系统的检测效果。

3.3动车组和客车车辆自动兼容检测技术

在充分调研各型动车组和客车车辆滚动轴承的基础上，准确计算和模拟出各型动车组和客车车辆轴承不同部位故障频率，建立了各型动车组和客车车辆轴承故障模型，并在后期数据处理上做了精确修正，使得LM系统完全满足自动兼容检测各型动车组和客车车辆滚动轴承的需求，并在实际运用中得到验证。

3.4声学采集单元集成式设计技术

LM系统声学传感器主机柜和副机柜均采用集成化设计，将单侧16个声学传感器集成在一个机柜内，机柜内创新性的设计了一体成型的抛物线型反射腔（见图5），声学传感器直接朝向抛物线型腔，减小了设备装调难度，保证了传感器间的安装精度，最大限度采集了轴承运转声音，保证了数据采集的稳定性。

3.5标准化数据处理技术

LM系统在疑似故障报警频谱图上采用了标准化数据处理技术（见图6），将轴承元件故障频率转变成无量纲形式呈现，最终结果与车速等无关，只与轴承本身参数有关，缺陷判别比较直观，大大减轻了数据分析人员的工作量，有效减少了漏判和误判。

4轨边声学诊断系统组成

LM系统由现场检测单元、数据处理单元和远程控制单元组成。现场检测单元主要实现滚动轴承声音信号的采集、车号信息采集、测速及计轴计辆等功能；数据处理单元主要实现声音信号处理、故障模式识别及车号识别等功能；远程控制单元主要实现数据远程分析、运行状态监控等功能，设备日常数据分析及监控等工作在远程调度室即可正常进行。检测数据传输流程示意见图7。

（1）现场检测单元。现场检测单元安装在轨道两侧，主要部件包括：开机传感器、声学采集单元、测速传感器、辅助测速传感器和图像车号识别装置。

（2）数据处理单元。数据处理单元包括：不间断电源箱、保护门控制箱、远程电源控制箱、信号调理前置机、信号采集处理计算机、集线器、HDSL调制解调器、车号识别设备主机等。数据处理单元在主计算机软件统一调度下，完成声音信号采集、故障轴承模式识别、计轴计辆、车号识别、数据上传、自检和远程维护等工作。

（3）远程控制单元。远程控制单元独立于设备检测控制现场，通过光纤与数据处理单元进行通信连接，主要由控制主机和网络设备等组成，实现数据的远程分析、运行状态监控等功能。

5系统运用

动车组TADS设备已在武汉、南昌和上海铁路局现场配置应用，运用至今能自动检测各型动车组轴承故障，运行稳定，检测情况良好。截至2015年6月，动车组TADS设备共检测动车组列车80000余列次，报警动车组轴承故障40例，其中19例经分解确认存在剥离故障，21例落轮返厂处理（落轮后人工转动轴承能听到明显异音），有效防止了因轴承故障引起的行车事故。

参考文献

[1]任尊松，孙守光，李强．高速动车组轴箱弹簧载荷动态特性[J]．机械工程学报，2010，46(10)：109-115．

[2]崔涛．铁路TADS监控及联网跟踪预报系统设计及实现[D]．哈尔滨：哈尔滨工程大学，2009．

[3]廉振红，王增胜．滚动轴承的组合结构设计应考虑的问题[J]．中国科技信息，2010(20)：152-153．

[4]翟建．滚动轴承的故障分析与检查维护[J]．科技传播，2010(9)：107-108．

作者:厉浩 张渝 彭朝勇 单位:上海铁路局车辆处 西南交通大学 西南交通大学