共振解調(diào)故障診斷技術(shù)在機車上的應(yīng)用

淡紅升

(鐵道部運輸局 裝備部,北京100844)

共振解調(diào)技術(shù)已經(jīng)普遍被科技、工程界接受。就共振解調(diào)技術(shù)原理在機車故障診斷的應(yīng)用進行分析,以便得到更好的應(yīng)用。

1 廣義共振和共振解調(diào)原理

機器的轉(zhuǎn)速不能停留在機器的共振轉(zhuǎn)速、臨界轉(zhuǎn)速上;對于那些超臨界運轉(zhuǎn)的機械,必須作好技術(shù)準備,避免共振轉(zhuǎn)速或臨界轉(zhuǎn)速發(fā)生。

在共振現(xiàn)象的基礎(chǔ)上,提出了“廣義共振”理論,將經(jīng)典共振擴充到它所不包括的共振建立與結(jié)束的過渡過程,奠定了廣義共振故障診斷技術(shù)的理論基礎(chǔ)。而且特別關(guān)注:沖擊所激起的機械和電子的廣義共振。共振有害,必須回避;廣義共振是自然規(guī)律,不可避免;反其道而用之:用廣義共振識別機械故障,開辟了廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域見圖1。

圖1 廣義共振示意圖

任何機械故障的產(chǎn)生,均會有故障沖擊信息的發(fā)生,而這些沖擊信息必然會激發(fā)機械的低頻廣義共振,進而激發(fā)接收這些信息的傳感器產(chǎn)生電子的高頻廣義共振,將機械的和電子的廣義共振一起輸出,進行信息的后續(xù)處理。

1.1 傳感器技術(shù)

鐵路機車的運用條件、環(huán)境,對安全監(jiān)測的故障信息存在如下特點:

圖2 診斷系統(tǒng)原理框圖

①軌道交通運載設(shè)備本身的復雜性、設(shè)備所產(chǎn)生的信息內(nèi)容多樣性,同時還存在傳感器受安裝位置的制約;

②在軌道旁不干擾正常行車的基礎(chǔ)上,有效提取運載設(shè)備通過時的故障沖擊信息;

③軌道交通運載設(shè)備在運用過程中存在大量的、強大的振動干擾和電磁干擾;

針對上述特點,診斷技術(shù)需要在運載設(shè)備故障信息提取的源頭上進行突破,有效地解決故障信息的采集問題;需要解決單個傳感器內(nèi)部復合多物理量信號,以解決傳感器受數(shù)量和安裝位置的制約問題。為此,發(fā)明了復合傳感器、超諧振式聲學傳感器和共振解調(diào)監(jiān)測儀。診斷系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

(1) 復合傳感器

發(fā)明的多物理量復合檢測傳感器,解決了溫度、振動和沖擊信息的同時輸出,實現(xiàn)了提取運載設(shè)備軸承溫度、軸承滾動體工作面、車輪踏面等綜合損傷故障信息的要求;同時,由于多物理量信息的復合,解決了多信息總線方式傳輸,從而降低了傳感器受現(xiàn)場安裝條件的限制(圖3為傳感器結(jié)構(gòu)圖和安裝示意圖)。

(2) 超諧振式聲學傳感器

針對軌道邊非接觸信息提取要求,發(fā)明的超諧振式聲學傳感器,通過軌道旁超諧振式聲學傳感器陣列,實現(xiàn)了非接觸接收運載設(shè)備通過傳感器陣列時的軸承故障,踏面擦傷、剝離等沖擊軌道的超聲信息。

圖3 傳感器結(jié)構(gòu)圖和安裝示意圖

1.2 電子諧振器

傳感器的廣義共振,仍然是機械二階系統(tǒng)共振,其頻率、品質(zhì)不易精確控制;所以把更高頻的機械廣義共振電信號轉(zhuǎn)換為稍低頻的電子廣義共振,可以精確地控制頻率、品質(zhì)因數(shù)、帶寬以及抑制低頻振動信號;

1.3 共振解調(diào)

通過共振解調(diào)處理,可提取出的故障沖擊信息,剔除低頻振動信息,達到了提高檢測分辨率和診斷準確性的目標。

共振解調(diào)技術(shù)具有7大特性:放大性、展寬性、選擇性、對應(yīng)性、比例性、低頻性、多階性。

①收集沖擊脈沖高頻能量集中在廣義共振頻率上釋放,具有放大性;

②展寬沖擊脈沖的信息便于發(fā)現(xiàn),具有展寬性;

③剔除所有低頻振動,只提取故障沖擊的共振解調(diào)波,具有選擇性;

④沒有故障沖擊就沒有共振波和共振解調(diào)波,具有對應(yīng)性;

⑤共振解調(diào)波幅度的大小,與沖擊的大小成正比,具有比例性;

⑥共振解調(diào)后的信號變換為與沖擊對應(yīng)的低頻的波形,具有低頻性;

⑦共振解調(diào)頻譜呈間隔均勻的梳狀,不同于振動頻譜,具有多階性。

在圖4中1機械振動沖擊描述的是故障沖擊信息掩蓋在常規(guī)振動信息中;

2傳感器輸出為傳感器接收的機械沖擊信息(包含常規(guī)振動);

4共振解調(diào)為對電子共振變換的信息經(jīng)過共振解調(diào)處理(解調(diào)為包絡(luò)解調(diào));

5共振解調(diào)處理分析,進行FFT變換,從而將機械故障的沖擊信息的頻率成分展現(xiàn)出來。

圖4 機械振動沖擊的共振解調(diào)故障信息的分析過程

針對鐵路機車在運用過程中存在大量的強大的振動干擾和電磁干擾影響,通過專儀器儀表,將傳感器輸出的機械振動沖擊信號,經(jīng)過電子變換技術(shù),剔除其他機械振動或干擾,解調(diào)出傳感器信號中存在的機械振動沖擊信號,從而實現(xiàn)在運載設(shè)備強烈的機械振動干擾和電磁干擾中微弱故障信息的提取。

2 構(gòu)建的旋轉(zhuǎn)機械故障診斷理論

針對機車走行部旋轉(zhuǎn)部件的在線安全監(jiān)測問題,主要體現(xiàn)在如何對信息去偽存真,確定是否存在故障,以及發(fā)生故障的零件(如軸承內(nèi)外環(huán)、滾動體等)、部件(如軸承、齒輪、車輪)損壞程度和最小安全門限。為此,提出了面向工程化應(yīng)用的主動診斷理論、診斷方法論和系列診斷判據(jù),建立了確定的數(shù)學模型;提出了信息抽取調(diào)制譜準則,克服了信息局部丟失所致的故障漏診;通過合理的建模分析和添加處理措施,從前輩提出的復雜無解方程中, 解析出確定解公式;進而提出了一系列適合計算機處理的故障分析判據(jù)(主要有特征頻譜、特征諧波、邊頻、半譜、調(diào)制譜、干擾譜等),其組成核心是:

(1)多因素、多參數(shù)聯(lián)合診斷決策

不僅分析信息的幅度因素,而且還研究特征頻譜、特征諧波、邊頻、半譜、調(diào)制譜、干擾譜等多種因素,同時針對各種類型的故障一一進行推理分析,以確認部件的某個或某些零件故障,作為確認該部件存在故障的依據(jù),從而解決確認監(jiān)測零部件是否存在故障的問題。

(2)基于模糊數(shù)學、數(shù)值分析和統(tǒng)計學的多參量相關(guān)加權(quán)決策

通過模糊數(shù)學、數(shù)值分析和統(tǒng)計學,建立各相關(guān)因素的加權(quán)判斷標準,結(jié)合各種判據(jù)適度決策,并通過數(shù)年的檢測標準試驗,逐步形成了多參量相關(guān)加權(quán)處理決策,用于解決故障損傷程度的判斷。

(2)部分高校也由于缺乏創(chuàng)辦實驗班的相關(guān)經(jīng)驗，一味照搬重點院校的辦學模式，也并未根據(jù)本校優(yōu)勢教育資源制定適合的人才培養(yǎng)目標。

(3)多個同類故障的歸類診斷準則

將已提出的復雜無解方程,如軸承外環(huán)多故障方程fw=(D0-d cos A)×Z×D×fn/(2D0×q)(故障數(shù)D和D與Z的最大公約數(shù)q為未知變量),改進為具有確定解的工程化應(yīng)用公式 f w=(D0-d cos A)×Z×f n(2D 0);進而提出了表1中各部件檢測的工程化應(yīng)用公式。

表1 工程化應(yīng)用公式列表

表1中公式軸承中徑是D0(mm),滾子直徑是d(mm),滾子數(shù)量是Z,轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速頻率是 fn(Hz),軸承滾子的接觸角是A。

對表1上述工程化應(yīng)用公式,通過提供機車走行部部件的物理參數(shù)(如軸承內(nèi)徑、中徑、滾子直徑、滾子個數(shù)、滾子列數(shù)、滾子接觸角、齒輪齒數(shù)等)后,便能實現(xiàn)軟件的自動分析、診斷,從而現(xiàn)實對機車走行部故障診斷和安全監(jiān)測的即裝即用,實現(xiàn)對支撐軸承、傳動齒輪和車輪等旋轉(zhuǎn)部件故障的準確識別。

3 國內(nèi)外現(xiàn)狀

該技術(shù)于20世紀70年代由美國波音公司發(fā)明并同時申請了專利, 后由瑞典SKF 公司采用, 用于軸承出廠檢測的生產(chǎn)線上。20世紀80年代鐵道科學研究院移植在鐵路機車軸承的檢測上。檢測單件軸承、牽引電機軸承部件及機車整車頂輪檢測軸箱及牽引電機軸承。20世紀90年代末唐智公司將此技術(shù)用于機車旋轉(zhuǎn)機械的隨車在線檢測上,見表2。

目前,用于機車上的故障診斷技術(shù)分為:在線式和地面磨合試驗類;而在我國的機車在線式應(yīng)用的,早期的監(jiān)測手段是通過溫度信息來監(jiān)測的;而地面普遍采用的是傳統(tǒng)振動分析;它們均存在各自應(yīng)用的缺陷;而采用的基于廣義共振和共振解調(diào)的故障診斷技術(shù),不管在車載的在線應(yīng)用和地面應(yīng)用,均存在其他監(jiān)測技術(shù)所不具有的優(yōu)勢,主要體現(xiàn)在即裝即用的特點上。

表2 與國內(nèi)外其他技術(shù)的比較

即裝即用的特點和學習型的振動監(jiān)測設(shè)備存在明顯區(qū)別,因為學習型的監(jiān)測設(shè)備需要通過建立完好部件的對比信息來判斷部件是否存在故障,另外這種方式還存在學習時間較長,對于不同部件、不同結(jié)構(gòu)可能均存在需要學習的過程,而更換不同類型部件也需要重新學習,這些特征決定了這類監(jiān)測設(shè)備不能夠?qū)崿F(xiàn)對機車的即裝即用;本診斷技術(shù)對運載設(shè)備的安全監(jiān)測可以預警到部件及零部件(如軸承的內(nèi)外環(huán)、滾動體、保持架等),從而快速地幫助維修人員進行故障問題的處理,該特點也區(qū)別于一些常規(guī)的振動檢測設(shè)備,通常這類設(shè)備只能告之是否存在問題,而不能定位故障的具體部位,還需要維修人員通過科學分析或經(jīng)驗來判別故障存在的部位,從而降低了維護效率。

4 應(yīng)用情況

從2005年至今,全路共在6 600多臺機車上安裝了JK 00430機車走行部車載檢測裝置,涉及到東風、韶山全系列及北京 、6K 、8G 、北亞 、新曙光 、藍箭 、金鷹 、神州號等車型,共檢測出軸承、齒輪、車輪踏面等走行部故障2 000余件,防止了多起可能發(fā)生的熱軸、燃軸、斷齒等惡性事故,有力地保障了行車安全,產(chǎn)生了可觀的經(jīng)濟效益和社會效益。

經(jīng)過多年的運用實踐證明,該裝置不僅能夠?qū)C車走行部的關(guān)鍵旋轉(zhuǎn)部件,如軸承、傳動齒輪和輪對踏面發(fā)生的故障進行實時報警,而且能對上述處所的早期故障進行預警,從而既為杜絕機車走行部惡性事故提供了可靠的技術(shù)保證,又前移了行車安全防線;同時,還能通過它所提供的大量監(jiān)測信息,為地面維修提供科學依據(jù),為設(shè)備定期修向狀態(tài)修的過渡創(chuàng)造了條件。

[1]唐德堯.廣義共振、共振解調(diào)故障診斷與安全工程-鐵路篇[M].北京:中國鐵道出版社,2006.

[2]馮庚斌.機車車輛故障振動診斷技術(shù)[M].北京:中國鐵道出版社,1994.