淺談動(dòng)車組滾動(dòng)軸承早期故障軌邊聲學(xué)診斷系統(tǒng)（TADS）運(yùn)用原理

摘要：動(dòng)車組滾動(dòng)軸承故障軌邊聲學(xué)診斷系統(tǒng)（Trackside Acoustic Detection System ， TADS），該系統(tǒng)的主要功能是，利用軌邊聲學(xué)檢測(cè)裝置對(duì)通過該設(shè)備的動(dòng)車組進(jìn)行噪聲的采集與分析，發(fā)現(xiàn)滾動(dòng)軸承的早期故障。TADS系統(tǒng)利用軌邊聲學(xué)檢測(cè)及計(jì)算機(jī)診斷技術(shù)，對(duì)運(yùn)行列車滾動(dòng)軸承的振動(dòng)聲音信號(hào)進(jìn)行采集分析，并根據(jù)軸承不同部位的故障預(yù)先建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，判斷軸承內(nèi)套、外套、滾柱等主要部位的裂紋、剝離、磨損、侵蝕等故障，從而實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)軸承早期故障的在線診斷。

關(guān)鍵字：TADS；動(dòng)車組；聲學(xué)；軸承

中圖分類號(hào)：U270 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1.動(dòng)車組TADS簡(jiǎn)介

隨著中國(guó)動(dòng)車組保有量的不斷增加及動(dòng)車使用年限的不斷增長(zhǎng)，高速鐵路的行車安全成為影響動(dòng)車事業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵問題。然而，在國(guó)內(nèi)，對(duì)于動(dòng)車組動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的設(shè)備依然十分匱乏。動(dòng)車組滾動(dòng)軸承故障軌邊聲學(xué)診斷系統(tǒng)正是在多年貨車滾動(dòng)軸承故障軌邊聲學(xué)診斷系統(tǒng)研發(fā)及應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)上，針對(duì)動(dòng)車組設(shè)備運(yùn)行及機(jī)械特點(diǎn)創(chuàng)新發(fā)展而來。

動(dòng)車組TADS安裝于動(dòng)車組運(yùn)行正線，利用軌邊聲學(xué)采集裝置，對(duì)高速通過的動(dòng)車組滾動(dòng)軸承進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)滾動(dòng)軸承常見的內(nèi)圈、外圈、滾子可能存在的麻點(diǎn)、剝離、劃傷、變色等軸承故障，并根據(jù)故障嚴(yán)重情況進(jìn)行分級(jí)預(yù)報(bào)。

2.動(dòng)車組TADS必要性

在動(dòng)車組高速運(yùn)行情況中，輪對(duì)軸承一旦發(fā)生故障就會(huì)迅速發(fā)展，若沒有及時(shí)進(jìn)行發(fā)現(xiàn)，會(huì)導(dǎo)致熱軸、燃軸、切軸事故的發(fā)生，因此需要對(duì)輪對(duì)軸承進(jìn)行在線檢測(cè)與故障診斷，以減少或杜絕事故的發(fā)生，最大限度地發(fā)揮軸承的潛力，節(jié)約開支，保障正常運(yùn)行秩序。

當(dāng)前對(duì)動(dòng)車組滾動(dòng)軸承故障的故障檢測(cè)主要依靠車載軸溫報(bào)警裝置和隨車機(jī)械師人工檢查。車載軸溫報(bào)警裝置主要檢測(cè)的是軸承晚期故障，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，造成巨大的社會(huì)影響和經(jīng)濟(jì)損失。隨車機(jī)械師作為人工檢查的主體，由于人為因素的干擾，診斷結(jié)果存在很大的隨機(jī)性和偶然性。動(dòng)車組TADS，能夠在軸承故障早期發(fā)現(xiàn)故障，減小風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)通過先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)和智能判別功能，降低隨車機(jī)械師人工判別的隨機(jī)性，確保行車安全。

3、TADS監(jiān)控系統(tǒng)工作原理

動(dòng)車組滾動(dòng)軸承故障軌邊聲學(xué)診斷系統(tǒng)（Trackside Acoustic Detection System，TADS），是在全路車輛安全防范、預(yù)警系統(tǒng)（“5T”系統(tǒng)）之一的貨車TADS系統(tǒng)基礎(chǔ)上創(chuàng)新發(fā)展而來，該系統(tǒng)的主要功能是，利用軌邊聲學(xué)檢測(cè)裝置對(duì)通過該設(shè)備的動(dòng)車組進(jìn)行噪聲的采集與分析，發(fā)現(xiàn)滾動(dòng)軸承的早期故障，TADS即為判斷滾動(dòng)軸承早期故障設(shè)備與通信網(wǎng)絡(luò)的總成。

TADS系統(tǒng)利用軌邊聲學(xué)檢測(cè)及計(jì)算機(jī)診斷技術(shù)，對(duì)運(yùn)行列車滾動(dòng)軸承的振動(dòng)聲音信號(hào)進(jìn)行采集分析，并根據(jù)軸承不同部位的故障預(yù)先建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，判斷軸承內(nèi)套、外套、滾柱等主要部位的裂紋、剝離、磨損、侵蝕等故障，從而實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)軸承早期故障的在線診斷。

3.1軸承聲學(xué)診斷原理

滾動(dòng)軸承發(fā)生故障時(shí)，當(dāng)滾子運(yùn)動(dòng)到故障點(diǎn)時(shí)，存在沖擊脈沖，導(dǎo)致軸承共振，從而發(fā)出特定的“噪聲”。通過噪聲的頻率可以判斷故障部位，通過噪聲振幅的大小，可以判斷故障的嚴(yán)重程度。

滾動(dòng)軸承的主要結(jié)構(gòu)有，內(nèi)圈、外圈、保持架、滾子等。軸承轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，外圈不動(dòng)，內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)，滾子在繞內(nèi)滾道公轉(zhuǎn)的同時(shí)，繞其自身中心自轉(zhuǎn)。內(nèi)圈相對(duì)保持架及滾子轉(zhuǎn)動(dòng)速度會(huì)快一些，保持架轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，內(nèi)圈基本上要轉(zhuǎn)動(dòng)兩圈，同時(shí)滾子則以更高的轉(zhuǎn)速自轉(zhuǎn)。

軸承不同部位由于轉(zhuǎn)速的不同所發(fā)出的噪聲頻率不相同。發(fā)生故障時(shí)，故障的特征頻率將被調(diào)制在這些頻點(diǎn)上，再加上故障的一些其他頻率特征，計(jì)算機(jī)就可以根據(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，則噪聲的振幅相應(yīng)地就更大，即噪聲振幅的大小，反映了故障的嚴(yán)重程度。

聲學(xué)信號(hào)的拾取采用麥克風(fēng)陣列實(shí)現(xiàn)。從軸承結(jié)構(gòu)可以看出，必須在車輪至少轉(zhuǎn)動(dòng)兩圈的距離內(nèi)連續(xù)采集聲音信息，才能實(shí)現(xiàn)所有故障的聲學(xué)診斷。以車輪直徑840毫米計(jì)算，探測(cè)區(qū)域?yàn)?-6米。

麥克風(fēng)陣列一般包括8個(gè)以上的高品質(zhì)麥克風(fēng)。麥克風(fēng)陣列有兩種工作方式，決定陣列在軌邊的分布：

一種是在探測(cè)區(qū)域內(nèi)均勻分布8個(gè)麥克風(fēng)。當(dāng)車輪通過探測(cè)區(qū)域時(shí)，不同時(shí)間內(nèi)幾個(gè)麥克風(fēng)輪流工作，分別采集，最終由軟件合成該軸承的聲學(xué)信號(hào)。這種方式軌邊麥克風(fēng)陣列的分布較長(zhǎng)，安裝工作量稍微大一些。

另一種工作方式是使用波束成形技術(shù)，8個(gè)麥克風(fēng)相對(duì)集中地安裝在軌邊，當(dāng)車輪進(jìn)入探測(cè)區(qū)域時(shí)，所有麥克風(fēng)同時(shí)工作，軟件根據(jù)不同麥克風(fēng)采集的聲音信號(hào)的相位的不同，追蹤軸箱所處的探測(cè)位置，從而實(shí)現(xiàn)軸箱的定位。這種方式雖然探測(cè)區(qū)域仍然不變（5-6米左右），但麥克風(fēng)陣列的安裝相對(duì)集中一些，室外安裝工作量小很多。

3.2 列車速度的測(cè)量原理

列車的運(yùn)行速度及軸距測(cè)量是所有動(dòng)車組監(jiān)控設(shè)備都必須具備的基本功能之一。使用電磁感應(yīng)原理的3個(gè)車輪傳感器，一個(gè)用于系統(tǒng)開機(jī)，另外兩個(gè)用于速度測(cè)量。

目前動(dòng)車組TADS系統(tǒng)在必須傳感器的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)冗余電磁車輪傳感器，在下雪、灰塵等惡劣條件下自動(dòng)使用冗余電磁車輪傳感器的數(shù)據(jù)，提高測(cè)量精度。

4.動(dòng)車組TADS報(bào)警平臺(tái)

動(dòng)車組TADS報(bào)警平臺(tái)由設(shè)備開發(fā)部門研發(fā)，軟件具有“過車監(jiān)控”、“過車查詢”、“換軸錄入”、“重點(diǎn)軸承”、“用戶管理”等功能。

4.1“過車監(jiān)控”能實(shí)時(shí)監(jiān)控過車數(shù)據(jù)，當(dāng)動(dòng)車組通過探測(cè)站時(shí)，報(bào)警平臺(tái)軟件自動(dòng)更新過車信息。當(dāng)動(dòng)車組存在故障時(shí)，軟件進(jìn)行聲光報(bào)警，提醒值班員該動(dòng)車組軸承存在異音。報(bào)警信息包括：過車時(shí)間、探測(cè)站名、軸數(shù)、車輛數(shù)、運(yùn)行速度、車組號(hào)、車組配屬、故障車輛號(hào)、故障軸位、故障等級(jí)、故障類型。

4.2“過車查詢”能記錄查詢數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器保存的過車數(shù)據(jù)，查詢條件包括配屬段、車組號(hào)、故障等級(jí)、起始時(shí)間、截止時(shí)間等。

4.3“換軸錄入”數(shù)據(jù)記錄軸承更換歷史數(shù)據(jù)，記錄故障軸承退卸時(shí)間、退卸配屬局、退卸人等信息。

4.4“重點(diǎn)軸承”列示達(dá)到重點(diǎn)預(yù)報(bào)標(biāo)準(zhǔn)的軸承信息

5.圖像車號(hào)識(shí)別模塊

針對(duì)動(dòng)車組暫時(shí)沒有安裝AEI射頻識(shí)別車號(hào)的現(xiàn)狀，動(dòng)車組TADS采用圖像車號(hào)識(shí)別模塊獲取車組號(hào)信息。動(dòng)車組TADS圖像車輛號(hào)識(shí)別模塊，采用1K像素線陣相機(jī)配合激光補(bǔ)償光源采集動(dòng)車組車輛號(hào)信息，通過自動(dòng)識(shí)別算法識(shí)別車輛號(hào)信息，并錄入數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)車號(hào)和軸承的自匹配。動(dòng)車組TADS通過車號(hào)信息跟蹤車輛的歷史過車數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定軸承的趨勢(shì)分析，大大提高系統(tǒng)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。

6.總結(jié)

TADS監(jiān)控系統(tǒng)自投入使用以來多次發(fā)現(xiàn)動(dòng)車組軸承故障，為動(dòng)車組安全運(yùn)行提供了有力保障，同時(shí)該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確的判斷各型CRH動(dòng)車組軸承故障，并預(yù)報(bào)軸承故障等級(jí)、故障車輛及軸位信息。極大的增加高鐵動(dòng)車組運(yùn)用所針對(duì)動(dòng)車組軸承早期故障的發(fā)現(xiàn)能力與診斷能力，成為了中國(guó)高鐵“地對(duì)車”監(jiān)控又一個(gè)重要手段。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡煒.TADS報(bào)警軸承故障與TPDS檢測(cè)結(jié)果關(guān)聯(lián)性分析.中國(guó)鐵路.2011

[2]陳曦.姚劍博.動(dòng)車組滾動(dòng)軸承早期故障軌邊聲學(xué)診斷系統(tǒng)“TADS-H”運(yùn)用情況.北京康拓紅外有限公司

[3]劉瑞揚(yáng).鐵路貨車滾動(dòng)軸承早期故障軌邊聲學(xué)診斷系統(tǒng)（TADS）原理及應(yīng)用.中國(guó)鐵道出版社

作者簡(jiǎn)介：張磊、（男-1989）、天津市、漢族、職稱（助理工程師）、學(xué)歷（大學(xué)本科）、研究方向（科技、動(dòng)車組）、單位名稱（北京鐵路局北京動(dòng)車段）、單位所在省市（北京市）、單位郵編（102600）