機(jī)車車輛軸承故障診斷系統(tǒng)研究

聞俊夫

摘要：鐵路車輛安全穩(wěn)定的運(yùn)營是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展重要保障，所以一直受到有關(guān)部門和廣大國民重點(diǎn)關(guān)注，滾動(dòng)軸承是鐵路機(jī)車車輛十分重要的零部件，滾動(dòng)軸承健康穩(wěn)定的工作是鐵路車輛安全運(yùn)行重中之重。本文主要闡述了車輛軸承診斷系統(tǒng)的主要階段和結(jié)構(gòu)，以期能夠?yàn)橄嚓P(guān)人員起到一定的幫助。

Abstract： The safe and stable operation of railway vehicles is an important guarantee for China's economic development， so it has been the focus of the relevant departments and the majority of the people's attention， rolling bearing is a very important part of the railway locomotive and vehicle， the healthy and stable work of rolling bearings is the priority among priorities for the safe operation of railway vehicles. This paper mainly describes the main stages and structure of the vehicle bearing diagnosis system， in order to be able to play a certain help for relevant personnel.

關(guān)鍵詞：機(jī)車車輛;軸承;故障診斷系統(tǒng)

Key words： rolling stock;bearing;fault diagnosis system

中圖分類號(hào)：U472.43???????????????????????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A????????????????????????????????? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）21-0132-02

0? 引言

鐵路被譽(yù)為是中國版圖上的動(dòng)脈，全國半數(shù)以上的物流運(yùn)輸都依靠鐵路來完成，機(jī)車車輛相當(dāng)于動(dòng)脈中的血紅細(xì)胞，需要運(yùn)輸?shù)娜藛T及貨物都依靠鐵路機(jī)車車輛來承載。近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)增長速度不斷的提升，迫使我國鐵路鐵路裝備必須向高速重載的方向進(jìn)行改革和提升，鐵路機(jī)車車輛提速不僅需要高效的管理，精良的設(shè)備技術(shù)完善和改良更是中國鐵路改革的重中之重。轉(zhuǎn)向架是鐵路車輛的承重部件，鐵路車輛列車運(yùn)行中，轉(zhuǎn)向架經(jīng)常出現(xiàn)燃軸、切軸的現(xiàn)象，故障集中表現(xiàn)在轉(zhuǎn)向架軸承上，也一度導(dǎo)致轉(zhuǎn)向架軸承成為了鐵路機(jī)車車輛易損件之一。因此，轉(zhuǎn)向架軸承的運(yùn)行狀態(tài)成為了影響機(jī)車車輛安全運(yùn)行十分重要的影響因子。在鐵路列車運(yùn)行速度不斷提升的背景下，對燃軸、切軸故障的防控提出了更高的要求。本文重點(diǎn)研究機(jī)車車輛軸承狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)。

1? 軸承故障診斷的意義

機(jī)車車輛軸承在運(yùn)行工況下，承受其規(guī)定的工作載荷，同時(shí)必須保證其能達(dá)到一定的轉(zhuǎn)速和壽命。對機(jī)車車輛軸承故障診斷的目的是保證軸承在其工作過程中，能夠?qū)崟r(shí)的對軸承的各種性能和指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)軸承出現(xiàn)異?；蛘吖收蠒r(shí)，能夠更早的發(fā)現(xiàn)，通過及時(shí)的干預(yù)，對軸承出現(xiàn)的故障進(jìn)行預(yù)防和處理，通過對軸承進(jìn)行必要干預(yù)，保障鐵路車輛軸承運(yùn)行的安全、穩(wěn)定和可靠，盡最大限度的降低因?yàn)檩S承故障導(dǎo)致的損失，使軸承能夠盡可能的發(fā)揮其作用。同時(shí)可以為軸承檢修要求提供一定的指導(dǎo)，有助于在合理的區(qū)間內(nèi)挖掘鐵路車輛軸承的潛力，延長鐵路車輛軸承的運(yùn)營時(shí)長服役壽命，降低鐵路車輛軸承的整體費(fèi)用。通過對鐵路車輛軸承實(shí)時(shí)監(jiān)控、異常判斷和健康狀態(tài)評估，為鐵路裝備的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、設(shè)計(jì)提升和工藝設(shè)計(jì)提供珍貴的數(shù)據(jù)信息和理論支撐。相應(yīng)的，機(jī)車車輛軸承故障診斷就是通過對機(jī)車車輛軸承運(yùn)行過程中的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集、整理和干預(yù)來診斷軸承的狀態(tài)。

2? 軸承故障診斷過程

運(yùn)用車輛軸承振動(dòng)監(jiān)測法，通俗的講，通過對鐵路機(jī)車車輛軸承運(yùn)行過程中振動(dòng)信號(hào)的收集、解析和處置的過程就是對該軸承進(jìn)行故障診斷的過程。通常情況下，軸承故障診斷過程包含振動(dòng)收集、特性提取、形態(tài)辨別、故障分析和主動(dòng)干預(yù)等五個(gè)階段。

振動(dòng)收集：依照機(jī)車車輛軸承當(dāng)前的工況環(huán)境，收集能夠科學(xué)的表征機(jī)車車輛軸承運(yùn)行狀態(tài)的振動(dòng)信號(hào)。

特性提?。褐饕脭?shù)學(xué)模型工具，離散傅氏變換的快速算法、小波變換、相關(guān)函數(shù)及功率譜等信號(hào)處理技術(shù)，利用一定的數(shù)學(xué)方法對機(jī)車車輛軸承的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行解析與處置，提取出能夠科學(xué)的表征機(jī)車車輛軸承運(yùn)行情況的信息。

形態(tài)辨別：依照提取的特性情況，采用科學(xué)的異常識(shí)別的方法對機(jī)車車輛軸承進(jìn)行識(shí)別，快速的對機(jī)車車輛軸承的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行簡要的識(shí)別。具體的識(shí)別方法有很多種，可根據(jù)信號(hào)形態(tài)和工具進(jìn)行選擇。

故障分析：當(dāng)機(jī)車車輛軸承出現(xiàn)異常時(shí)，對異?；蛘吖收线M(jìn)行全方位的分析，包括故障發(fā)成的原因，故障發(fā)生的部位，故障的性質(zhì)，故障發(fā)生的具體部位等。

主動(dòng)干預(yù)：通過對機(jī)車車輛軸承故障的分析，預(yù)判軸承故障是否存在擴(kuò)大化的趨勢，主動(dòng)做出對機(jī)車車輛軸承做出相關(guān)動(dòng)作，進(jìn)行人為的干預(yù)。

系統(tǒng)的五個(gè)階段過程如圖1。

3? 軸承故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

機(jī)車車輛軸承故障診斷系統(tǒng)擁有振動(dòng)信號(hào)收集、信號(hào)整理、信號(hào)解析、故障診斷等主要功能。機(jī)車車輛軸承故障診斷系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，實(shí)現(xiàn)的是一個(gè)基于因特爾微控制器的鐵路車輛軸承振動(dòng)故障診斷系統(tǒng)。按照硬件的劃分，軸承振動(dòng)故障診斷系統(tǒng)主要由信號(hào)采集模塊和信號(hào)處理模塊兩部分組成。

機(jī)車車輛軸承故障診斷系統(tǒng)主要用于對鐵路車輛轉(zhuǎn)向架軸承振動(dòng)信號(hào)的收集、整理、處置和故障判定。通過高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集，能夠?yàn)閿?shù)據(jù)分析過程提供充足的數(shù)據(jù)量，分析各種數(shù)據(jù)標(biāo)的。

在機(jī)車車輛軸承故障診斷系統(tǒng)中，對故障進(jìn)行分析和處置執(zhí)行由計(jì)算機(jī)完成，而計(jì)算機(jī)只能對數(shù)字信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理和分析，所以，必須將軸承運(yùn)行過程中收集的振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。為了將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，需要多個(gè)電子元器件協(xié)同運(yùn)轉(zhuǎn)方可實(shí)現(xiàn)，包括振動(dòng)傳感器、電荷放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和程控放大器等。振動(dòng)傳感器將機(jī)車車輛軸承運(yùn)行過程中的振動(dòng)信號(hào)收集，同時(shí)以電信號(hào)的形式傳遞給信號(hào)整理元器件。信號(hào)整理元器件將振動(dòng)傳感器傳遞來的電壓或電流信號(hào)進(jìn)行必要的整理，最后再由模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換得到適合計(jì)算機(jī)計(jì)算的數(shù)字信號(hào)。

4? 傳感器的選用布置

機(jī)車車輛軸承故障診斷系統(tǒng)選用的振動(dòng)傳感器為壓電式加速度傳感器。這種傳感器可以接受的工作頻帶較寬，安裝門檻低，對操作工人進(jìn)行簡單的培訓(xùn)即可完成安裝，同時(shí)傳感器重量較輕，能夠有效的減小簧下重量，故障率低且工作壽命長。同時(shí)該傳感器有成熟統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)，與其他元器件有很好的兼容性，可以方便地與電荷放大器、阻抗變換器配套使用。

在每個(gè)軸承的軸承座上，振動(dòng)傳感器有其標(biāo)準(zhǔn)的安裝位置，傳感器頭部與軸承接觸，每條輪對的軸承座上都安裝有多個(gè)傳感器，分別為CH1、CH2、CH3、CH4，包括兩個(gè)縱向，分別為CH1、CH2;兩個(gè)橫向，分別為：CH3、CH4;四個(gè)傳感器同時(shí)對機(jī)車車輛軸承的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行收集。傳感器通過線纜連接到接線盒，進(jìn)而連接到后續(xù)元器件，必須對傳感器線纜進(jìn)行固定，以避免其它振動(dòng)信號(hào)對真實(shí)信號(hào)形成干擾。圖3為壓電式振動(dòng)傳感器安裝示意圖。

5? 信號(hào)整理元器件

5.1 電荷放大器

壓電式傳感器有一個(gè)非常明顯的缺點(diǎn)，就是它的輸出信號(hào)非常弱，因此必須用特殊放大器將信號(hào)放大。電荷放大器就是能夠滿足系統(tǒng)需求的一種特殊放大器，其一：電纜線的長度對電荷放大器的影響很小，實(shí)際運(yùn)用中不用擔(dān)心電纜分布電容對電荷放大器的影響，可以按實(shí)際需求設(shè)計(jì)電纜線長度。其二：加速度計(jì)的低頻效應(yīng)僅取決于放大器的低頻效應(yīng)，因此可用于低頻或超低頻的振動(dòng)測量。

5.2 程控放大器

一般放大器對電流電壓的放大倍數(shù)僅由硬件決定，但程控放大器的大倍數(shù)可以由軟件控制。在放大器的輸入端輸入不同的控制命令，將控制放大器中不同的電阻的接入，得到的放大倍數(shù)也就不同。通過調(diào)整到輸入控制命令，就能將信號(hào)放大到最需求的倍數(shù)，這樣可以為后續(xù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換電路提供較高的輸入值，可以充分利用其轉(zhuǎn)換精度，提高分辨率。

5.3 帶通濾波器

帶通濾波器可以有效濾除高頻波和低頻波，消除高頻波和低頻波對信號(hào)的干擾，機(jī)車車輛軸承故障診斷系統(tǒng)選用的貸通濾波器為雙二階帶通有源濾波器。

6? 結(jié)語

近年來，國家對鐵路建設(shè)的投資不斷增長，鐵路機(jī)車車輛能否安全穩(wěn)定的運(yùn)行關(guān)乎國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈。本文作者多年從事鐵路機(jī)車車輛軸承的研究工作，有著豐富的工作經(jīng)驗(yàn)。本文主要闡述了機(jī)車車輛軸承故障診斷系統(tǒng)的總體機(jī)構(gòu)，詳細(xì)闡述了幾個(gè)重要元器件的工作原理，能夠?yàn)閷I(yè)從業(yè)者提供一定的幫助，提升我國鐵路機(jī)車車輛的設(shè)計(jì)制造水平，為國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)貢獻(xiàn)自己的一份力量。

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