基于RFID的鐵路貨車輪對(duì)軸承智能檢測(cè)系統(tǒng)研究

宋宏智，李 立，申 灝，岳水生，甄廣川

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 通信信號(hào)研究所，北京 100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 金屬及化學(xué)研究所，北京 100081；3.中國(guó)鐵路鄭州局集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450052)

0 引言

鐵路貨車是鐵路貨物運(yùn)輸?shù)奈ㄒ贿\(yùn)載工具，其定期檢修分為廠修、段修、輔修和軸檢，各級(jí)修程按規(guī)定的周期進(jìn)行。輪對(duì)軸承作為鐵路車輛轉(zhuǎn)向架的重要部件，長(zhǎng)期處于高速重載狀態(tài)，容易產(chǎn)生疲勞、滾子裂紋、保持架斷裂和滾道壓痕等故障，其狀態(tài)直接影響列車安全[1]。因此，進(jìn)行輪對(duì)軸承全壽命周期內(nèi)故障監(jiān)測(cè)和診斷的研究十分重要。

新造軸承從首次裝用開(kāi)始，使用時(shí)間或運(yùn)行里程達(dá)到規(guī)定限度(如8年或80萬(wàn)公里)時(shí)必須進(jìn)行大修，經(jīng)過(guò)一次大修的軸承達(dá)到規(guī)定限度時(shí)必須報(bào)廢。為實(shí)現(xiàn)貨車輪軸造修技術(shù)的全過(guò)程管理和全壽命周期內(nèi)質(zhì)量追溯，在軸承內(nèi)外圈和標(biāo)志板上刻打相應(yīng)的制造或檢修標(biāo)記，以實(shí)現(xiàn)輪軸管理，但軸承歷史運(yùn)用信息的獲取主要通過(guò)肉眼識(shí)別軸承標(biāo)志板內(nèi)容，軸承的檢修和故障診斷也主要靠人工“聽(tīng)、看、摸、轉(zhuǎn)”等方式進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)判斷[2]。

隨著貨運(yùn)列車運(yùn)行速度和技術(shù)要求的不斷提高，編組數(shù)、牽引噸數(shù)、檢修量逐漸增大，單純依靠人工識(shí)別和檢測(cè)越來(lái)越無(wú)法滿足檢修工作要求，因此亟待實(shí)現(xiàn)輪對(duì)軸承故障的智能化檢測(cè)和故障分析診斷。

1 基于RFID技術(shù)的貨車輪對(duì)軸承電子履歷系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)智能檢修，建立基于RFID技術(shù)的貨車輪對(duì)軸承電子履歷系統(tǒng)，如圖1所示。該系統(tǒng)由軸承信息自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)控制終端、射頻模塊、射頻天線和電子標(biāo)簽式軸承標(biāo)志板組成。電子標(biāo)簽式軸承標(biāo)志板設(shè)置于輪對(duì)的軸承端蓋上，并通過(guò)射頻天線和射頻模塊與軸承信息自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)控制終端通訊。軸承電子履歷系統(tǒng)部署在軸承電子履歷系統(tǒng)控制終端上，用于同步獲取系統(tǒng)識(shí)別到的軸承身份信息、檢修信息和配屬信息，并可通過(guò)與國(guó)鐵集團(tuán)統(tǒng)一信息系統(tǒng)的交互獲取軸承運(yùn)輸任務(wù)信息和里程信息。

圖1 基于RFID技術(shù)的貨車輪對(duì)軸承電子履歷系統(tǒng)

圖2為軸端電子標(biāo)簽結(jié)構(gòu)圖。在電子標(biāo)簽式軸承標(biāo)志板中，電子標(biāo)簽一端設(shè)置金屬背板并通過(guò)固化密封膠封裝；另一端通過(guò)電子標(biāo)簽封裝上殼封裝，并固定于沖型金屬板上。該標(biāo)志板作為貨車輪對(duì)的身份標(biāo)識(shí)，可直接替換原有刻打式標(biāo)志板安裝在輪對(duì)軸端，將金屬標(biāo)志板原來(lái)用于刻打數(shù)字的中間區(qū)域沖壓得到安裝電子標(biāo)簽的凸出空間；將電子標(biāo)簽用工程塑料上殼和金屬背板封裝后置入上述凸出空間并進(jìn)行密封固化。采用此種結(jié)構(gòu)可將電子標(biāo)簽置于標(biāo)志板金屬部分之外，可減少金屬對(duì)電子標(biāo)簽性能的影響。電子標(biāo)簽采用陶瓷基體，基體上的天線設(shè)計(jì)為圓極化或雙極化方式，以改善電子標(biāo)簽的旋轉(zhuǎn)適應(yīng)性。

電子標(biāo)簽中存儲(chǔ)有輪對(duì)重要零部件的各類信息，主要包括軸承21位單件碼、軸承標(biāo)記、軸承標(biāo)志板標(biāo)記、車輪標(biāo)記、車軸標(biāo)記和輪對(duì)檢修信息。軸承21位單件碼存儲(chǔ)在電子標(biāo)簽的快速識(shí)別區(qū)(EPC區(qū))中，作為軸承的獨(dú)特身份信息，可被專用設(shè)備快速識(shí)別和校驗(yàn)，EPC區(qū)內(nèi)容如表1所示。

1-沖型金屬板;2-電子標(biāo)簽封裝上殼;3-陶瓷基體電子標(biāo)簽;4-金屬背板;5-固化密封膠

表1 電子標(biāo)簽EPC區(qū)存儲(chǔ)內(nèi)容

基于RFID技術(shù)的軸承電子履歷系統(tǒng)可對(duì)段修輪對(duì)軸承的身份信息、配屬信息、歷史運(yùn)用信息和檢修信息進(jìn)行快速識(shí)別，但僅記錄這些信息無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)軸承的狀態(tài)監(jiān)控和剩余壽命預(yù)測(cè)，因此還需要設(shè)計(jì)一套可以對(duì)軸承狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)的系統(tǒng)。

2 基于振動(dòng)分析的貨車輪對(duì)軸承故障診斷系統(tǒng)

故障分析子系統(tǒng)由控制終端、驅(qū)動(dòng)裝置、傳感器、數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊組成。輪對(duì)在檢測(cè)位上落位后，由驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)輪對(duì)旋轉(zhuǎn)到設(shè)定轉(zhuǎn)速，傳感器開(kāi)始采集軸承振動(dòng)信號(hào)并輸出至數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊，后者將數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波等處理，然后上傳至控制終端進(jìn)行分析判定。傳感器選用加速度傳感器，通過(guò)彈簧壓縮方式與軸承外圈接觸以采集輪軸旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)。貨車輪對(duì)軸承故障診斷臺(tái)如圖3所示。

圖3 貨車輪對(duì)軸承故障診斷臺(tái)

由于軸承類型、尺寸和運(yùn)用歷史的差異，在系統(tǒng)中設(shè)定統(tǒng)一閾值無(wú)法對(duì)各類待檢軸承的質(zhì)量進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)判斷。此外在軸承從新造到報(bào)廢的運(yùn)用過(guò)程中，隨著軸承各組件的正常磨損退化和油脂潤(rùn)滑環(huán)境的惡化，即使未發(fā)生故障，其振動(dòng)有效值仍會(huì)逐漸增加；對(duì)軸承進(jìn)行一般檢修和大修后，其技術(shù)狀態(tài)會(huì)得到一定程度的恢復(fù)，振動(dòng)有效值有所減小[3]。因此需要從多維度進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，以滿足軸承健康狀態(tài)識(shí)別、剩余壽命估計(jì)及維修策略制定等需求。

3 貨車輪對(duì)軸承智能檢測(cè)系統(tǒng)

結(jié)合軸承電子履歷系統(tǒng)和軸承故障診斷系統(tǒng)，建立了如圖4所示的貨車輪對(duì)智能檢測(cè)系統(tǒng)。

圖4 貨車輪對(duì)智能檢測(cè)系統(tǒng)

檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算為不同類型和不同歷史運(yùn)用狀況的被檢軸承設(shè)置不同的故障診斷閾值，稱為適配閾值，只有軸承實(shí)際檢測(cè)的振動(dòng)有效值大于此適配閾值時(shí)才判定軸承為故障軸承。一般情況下，軸承全壽命周期內(nèi)的適配閾值變化如圖5所示。圖5中，TX為批量新造軸承出廠時(shí)的振動(dòng)有效值閾值；TP為軸承運(yùn)用至里程限度進(jìn)入大修前振動(dòng)有效值峰值；TD為大修軸承出廠時(shí)的振動(dòng)有效閾值；TB為軸承大修后直至報(bào)廢時(shí)的適配閾值；K1、K2、K3、K4為閾值增速；ΔTYj為第j次一般檢修后閾值的回落量；ΔTN為最近一次一般檢修到本次檢測(cè)區(qū)間內(nèi)的閾值增量；MD為軸承大修時(shí)的運(yùn)行里程；MB為軸承報(bào)廢時(shí)的運(yùn)行里程。

圖5 軸承全壽命周期閾值變化曲線

軸承正常磨損退化的速率與服役期間的載荷F和運(yùn)行里程M密切相關(guān)，故每次運(yùn)輸任務(wù)后軸承振動(dòng)有效值有不同程度的增加。軸承入段檢測(cè)時(shí)，在已知?dú)v史運(yùn)用信息情況下，適配閾值為：

(1)

其中：ΔTj為軸承第j個(gè)一般檢修期內(nèi)振動(dòng)有效值閾值增量；n為軸承已經(jīng)經(jīng)歷的一般檢修次數(shù)。

ΔTj與軸承一般檢修期內(nèi)各次運(yùn)輸任務(wù)有關(guān)，可表示為：

(2)

其中：Ki為第j個(gè)一般檢修期內(nèi)第i次運(yùn)輸任務(wù)的磨損退化速度，即閾值增速，與運(yùn)輸載荷和運(yùn)行里程相關(guān)；pj為第j個(gè)一般檢修期內(nèi)的運(yùn)輸任務(wù)次數(shù)；ΔMi為第i次運(yùn)輸任務(wù)的運(yùn)行里程。根據(jù)機(jī)械零部件疲勞壽命隨載荷變化的規(guī)律，Ki可表示為：

(3)

其中：A、B、C為磨損常數(shù)，可通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)上長(zhǎng)壽命模擬試驗(yàn)確定各型軸承的磨損常數(shù)；Fi為第i次運(yùn)輸任務(wù)的載荷。

ΔTYj與檢修技術(shù)相關(guān)，每次一般檢修對(duì)軸承拆解清洗和更換油脂后，其狀態(tài)有所改善；但仍存在不可逆的磨損，故其振動(dòng)有效值無(wú)法恢復(fù)到初始水平。隨著磨損的逐步累積，造成軸承振動(dòng)有效值增加的主要因素將從潤(rùn)滑狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檩S承金屬部分的磨損退化[4]。因此一般檢修對(duì)于上一個(gè)運(yùn)用周期內(nèi)軸承的磨損退化的可修復(fù)比例將逐次減少，即：

ΔTYj=f(j)·ΔTj.

(4)

其中：f(j)為第j次一般檢修的可修復(fù)比例。f(j)由下式計(jì)算：

(5)

ΔTN計(jì)算與ΔTj同理，可表示為：

(6)

其中：q為最近一次一般檢修(或開(kāi)始運(yùn)用)到本次檢測(cè)區(qū)間內(nèi)的運(yùn)輸任務(wù)次數(shù)；KNi為最近一次一般檢修到本次檢測(cè)區(qū)間內(nèi)第i次運(yùn)輸任務(wù)的閾值增速，其計(jì)算方法同上；ΔMNi為相應(yīng)運(yùn)輸任務(wù)的里程。

綜上，軸承各階段的適配閾值為：

(7)

大修軸承裝用后的閾值計(jì)算與新造軸承類似。需說(shuō)明的是，大修軸承因經(jīng)過(guò)了機(jī)械加工且加工限度低于新造軸承，故其出廠閾值不會(huì)低于新造軸承，而且其使用壽命亦不會(huì)比新造軸承更長(zhǎng)，報(bào)廢點(diǎn)閾值不應(yīng)高于新造軸承在大修點(diǎn)的閾值，即：

TX≤TD.

(8)

TP≥TB.

(9)

TD可取批量合格大修軸承出廠檢驗(yàn)的最大振動(dòng)有效值。此外，軸承在全壽命周期內(nèi)任一時(shí)刻的振動(dòng)有效值都不應(yīng)大于Tmax，此運(yùn)用限度可取最惡劣工況下正常運(yùn)用到進(jìn)大修里程的軸承振動(dòng)有效值的最大值。

基于上述算法，故障分析子系統(tǒng)在獲取軸承型號(hào)、運(yùn)用信息等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)后，可實(shí)時(shí)計(jì)算待檢軸承適配閾值，為故障診斷提供參考值。

履歷子系統(tǒng)與故障分析子系統(tǒng)的控制軟件之間可進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享和交互，對(duì)軸承全壽命周期內(nèi)的服役信息進(jìn)行管理和追溯，并進(jìn)行分析應(yīng)用，高效綜合待檢軸承各類信息并給出診斷結(jié)果。

4 結(jié)論

貨車輪對(duì)軸承智能檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)合電子履歷信息和軸承振動(dòng)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)軸承健康狀態(tài)的評(píng)估和電子化管理，提高了軸承故障識(shí)別的準(zhǔn)確率和檢測(cè)效率。識(shí)別子系統(tǒng)可代替人工對(duì)段修輪對(duì)軸承的身份信息、配屬信息、歷史運(yùn)用信息和檢修信息進(jìn)行快速識(shí)別采集。貨車輪軸電子標(biāo)簽可代替原有不可重復(fù)使用的金屬標(biāo)志板，其存儲(chǔ)信息多、信息獲取效率高。故障分析子系統(tǒng)可基于軸承型號(hào)和歷史應(yīng)用狀況等為待檢軸承計(jì)算適配閾值，準(zhǔn)確判定軸承健康狀況。履歷子系統(tǒng)可為每個(gè)軸承建立獨(dú)立的履歷檔案，記錄軸承身份信息和在整個(gè)壽命周期內(nèi)的運(yùn)用信息及檢修信息，具有可追溯性。