最新滾動(dòng)軸承故障軌邊聲學(xué)檢測技術(shù)-精品

1、滾動(dòng)軸承故障軌邊聲學(xué)檢測技術(shù)滾動(dòng)軸承是走行裝置中的一個(gè)關(guān)鍵零部件，在列車運(yùn)行過程中承受的動(dòng)態(tài)載 荷較大，容易出現(xiàn)軸承故障，對車輛運(yùn)行產(chǎn)生重大影響。下面是小編搜集整理的 相關(guān)內(nèi)容的論文，歡迎大家閱讀參考。摘要：滾動(dòng)軸承是走行裝置中的一個(gè)關(guān)鍵零部件，在列車運(yùn)行過程中承受 的動(dòng)態(tài)載荷較大，容易出現(xiàn)軸承故障，對車輛運(yùn)行產(chǎn)生重大影響。結(jié)合滾動(dòng)軸 承故障及故障檢測機(jī)理，介紹動(dòng)車組滾動(dòng)軸承軌邊聲學(xué)檢測技術(shù)、檢測系統(tǒng)及 在我國的應(yīng)用情況。關(guān)鍵詞：動(dòng)車組；滾動(dòng)軸承；軸承故障；檢測機(jī)理；聲學(xué)診斷；狀態(tài)監(jiān)控引言我國動(dòng)車組具有運(yùn)行速度高、連續(xù)高速運(yùn)行里程長的特點(diǎn)，滾動(dòng)軸承承受 的動(dòng)態(tài)載荷較大，容易出現(xiàn)軸承故障。當(dāng)前對

2、動(dòng)車組和客車車輛滾動(dòng)軸承的檢 測主要依靠車載軸溫報(bào)警裝置進(jìn)行在線監(jiān)控和定期進(jìn)行人工檢查。車載軸溫報(bào) 警裝置主要監(jiān)控軸承晚期故障，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，造成巨大社會(huì)影響1。定期人工檢查無法及時(shí)監(jiān)測軸承故障，而 且受個(gè)人主觀因素影響，容易出現(xiàn)故障漏檢、漏判。迫切需要采用先進(jìn)技術(shù)及 設(shè)備開展動(dòng)車組和客車車輛滾動(dòng)軸承早期故障檢測和診斷，有效預(yù)防滾動(dòng)軸承 事故的發(fā)生。目前，國內(nèi)外在列車滾動(dòng)軸承故障軌邊聲學(xué)診斷領(lǐng)域做的比較成 熟的有美國TTCI和澳大利亞TracklQ公司，其研制開發(fā)的滾動(dòng)軸承故障軌邊聲 學(xué)診斷系統(tǒng)在全世界均有70多套應(yīng)用。2003年開始，我國與Trackl

3、Q等國外 公司合作，引進(jìn)了滾動(dòng)軸承故障軌邊聲學(xué)診斷系統(tǒng)，為適應(yīng)我國的鐵路狀況， 逐步實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。試驗(yàn)過程中對 TADS勺硬件進(jìn)行了全面消化吸收，對軟件進(jìn)行 聯(lián)合開發(fā)，對系統(tǒng)的組網(wǎng)方式進(jìn)行了改進(jìn)，取得了良好效果2。我國動(dòng)車領(lǐng)域運(yùn)用的LM滾動(dòng)軸承故障軌邊聲學(xué)診斷系統(tǒng)(即LM系統(tǒng))，通過引進(jìn)先進(jìn)的動(dòng)車 組TAD繇統(tǒng)并將其國產(chǎn)化，采用先進(jìn)的軌邊聲學(xué)指向跟蹤技術(shù)、聲音頻譜分析 技術(shù)和智能識別技術(shù)對動(dòng)車組和客車車輛滾動(dòng)軸承外、內(nèi)圈滾道和滾動(dòng)體裂 紋、剝離、磨損及腐蝕等故障進(jìn)行早期診斷及分級報(bào)警，適用于各型CR海列動(dòng)車組及客車車輛滾動(dòng)軸承故障的在線動(dòng)態(tài)檢測。一、滾動(dòng)軸承故障及檢測機(jī)理1.1滾動(dòng)軸承故障客車車

4、輛滾動(dòng)軸承一般由外圈、內(nèi)圈、滾動(dòng)體和保持架四部分組成。(1)內(nèi)圈與軸相配合并與軸一起旋轉(zhuǎn)。(2)外圈作用是與軸承座相配合，起支撐作用，一般情況下內(nèi)圈隨軸旋轉(zhuǎn)， 外圈不動(dòng)。(3)滾動(dòng)體是滾動(dòng)軸承中的核心元件，借助于保持架均勻分布在內(nèi)圈和外圈 之間，其形狀大小和數(shù)量直接影響滾動(dòng)軸承的使用性能和壽命，它使相對運(yùn)動(dòng) 表面間的滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，我國動(dòng)車組滾動(dòng)軸承的滾動(dòng)體形狀為圓柱形 和圓錐形。滾動(dòng)軸承內(nèi)外圈上都有凹槽滾道，起著降低接觸應(yīng)力和限制滾動(dòng)體 軸向移動(dòng)的作用。(4)保持架使?jié)L動(dòng)體均勻分布并引導(dǎo)滾動(dòng)體旋轉(zhuǎn)起潤滑作用，如果沒有保持 架，相鄰滾動(dòng)體將直接接觸，發(fā)熱和磨損都會(huì)增大 3。CRH理動(dòng)車組

5、滾動(dòng)軸 承見圖1。由于滾動(dòng)軸承材料缺陷、加工或裝配不當(dāng)、潤滑不良、水分和異物 侵入、腐蝕剝落及過載等原因都可能導(dǎo)致早期損壞。另外，即使在安裝、潤滑 和使用維護(hù)都正常的情況下，經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)，軸承也會(huì)出現(xiàn)疲勞剝落和 磨損等現(xiàn)象，影響軸承正常工作。概括起來滾動(dòng)軸承的主要故障形式有：裂 損、剝離、麻點(diǎn)、劃傷、凹痕和擦傷等(見圖2)4。1.2滾動(dòng)軸承故障檢測機(jī)理當(dāng)滾動(dòng)體和滾道接觸處有局部缺陷時(shí)，軸承在運(yùn)動(dòng)過程中就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)沖 擊信號，缺陷在不同元件上接觸點(diǎn)經(jīng)過缺陷的頻率也不同，這個(gè)頻率就成為沖 擊的間隔頻率或特征頻率。引起滾動(dòng)軸承振動(dòng)和噪聲的原因，除了外部激勵(lì)因 素外，還有內(nèi)、外圈和滾動(dòng)體接觸面缺

6、陷引起的振動(dòng)的特征頻率(見表1)。軸承在線軌邊聲學(xué)診斷系統(tǒng)主要采用聲音(噪聲)方法。(1)軸承無故障或缺陷時(shí)，軸承在旋轉(zhuǎn)時(shí)表現(xiàn)出來的振動(dòng)主要由轉(zhuǎn)動(dòng)面的光 潔度和波紋度引起的，因此運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)出的聲音應(yīng)該是正常聲音。(2)軸承滾動(dòng)面出現(xiàn)缺陷時(shí)，滾動(dòng)體碾壓到缺陷部位，產(chǎn)生沖擊振動(dòng)，從而 產(chǎn)生異常聲音。振動(dòng)作用時(shí)間短，時(shí)域能量不大，但頻率豐富且具有周期性。(3)軸承不同部位由于轉(zhuǎn)速不同，所發(fā)出的異常聲音頻率也不同，計(jì)算機(jī)可 以根據(jù)聲學(xué)頻率特征識別出發(fā)生故障的部位。故障越嚴(yán)重，異常聲音的振幅相 應(yīng)越大，即異常聲音的振幅大小反映了故障的嚴(yán)重程度 5。二、軌邊聲學(xué)診斷原理軌邊聲學(xué)探測主要是要根據(jù)滾動(dòng)軸承運(yùn)行機(jī)

7、理及軸承尺寸，準(zhǔn)確全面采集軸承任何部位 發(fā)生故障、缺陷時(shí)所產(chǎn)生的振動(dòng)聲音。LM系統(tǒng)是利用聲學(xué)傳感器獲取運(yùn)行中的滾動(dòng)軸承發(fā)生的聲學(xué)信號。LM系統(tǒng)檢測原理如下：(1)利用聲學(xué)傳感器陣列，采用現(xiàn)代聲學(xué)診斷技術(shù)，對高速運(yùn)行列車的車輛 滾動(dòng)軸承故障信號進(jìn)行實(shí)時(shí)拾取、濾波、采集、處理。(2)采用聲學(xué)傳感器陣列技術(shù)和多傳感器信號合成及定位技術(shù)保證系統(tǒng)對故 障軸承診斷的可靠性和準(zhǔn)確性。(3)利用故障軸承信號拾取技術(shù)、系統(tǒng)降噪技術(shù)及頻譜分析和小波形分析技 術(shù)，使得系統(tǒng)對故障軸承缺陷程度具有極高的預(yù)報(bào)精度。(4)與車號自動(dòng)識別系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)故障軸承車號和軸位的自動(dòng)定位。(5)計(jì)算機(jī)根據(jù)不同軸承故障信號的頻率、能

8、量、幅值和相關(guān)的車速、載荷 等因素，判別出各種不同軸承故障類型和故障缺陷程度，實(shí)現(xiàn)對滾動(dòng)軸承早期 故障進(jìn)行預(yù)警、防范，保證行車安全。列車報(bào)警頻譜圖見圖3,是列車在TADS上經(jīng)過6次采集檢測到的軸承有缺陷時(shí)的列車報(bào)警頻譜圖。橫坐標(biāo)代表報(bào)警次 數(shù)，縱坐標(biāo)代表聲音強(qiáng)度。當(dāng)有缺陷時(shí)，軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)沖擊 信號(綠色波形)，隨著轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)的增加，聲音強(qiáng)度會(huì)逐漸降低。列車多次經(jīng)過 時(shí)，由波形圖可知，聲音信號有規(guī)律的出現(xiàn)，且振動(dòng)頻次一致。由此可以判斷 軸承發(fā)生故障。而當(dāng)無缺陷時(shí)，列車報(bào)警頻譜圖上不會(huì)出現(xiàn)如此有規(guī)律的報(bào)警 信號。三、軌邊聲學(xué)診斷關(guān)鍵技術(shù)3.1 聲學(xué)傳感器陣列跟蹤式檢測技術(shù)單獨(dú)聲學(xué)傳感

9、器的有效區(qū)域僅為1.1m左右，若采用單獨(dú)聲學(xué)傳感器，在這 么大的指向區(qū)域內(nèi)保持接收信號靈敏度的一致性是不可能的，難以對軸承故障 進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。為此，LM系統(tǒng)采用單側(cè)16個(gè)傳感器陣列(見圖4),采用跟蹤式 檢測方式，保證某一軸承在探測區(qū)內(nèi)傳感器接收的軸承振動(dòng)信號是連續(xù)的，保 證檢測效果。3.2 聲學(xué)傳感器冗余設(shè)計(jì)技術(shù)LM系統(tǒng)單側(cè)采用16個(gè)聲學(xué)傳感器陣列，其中2個(gè)為安全冗余設(shè)計(jì)，出現(xiàn) 異常狀況時(shí)，剩余聲學(xué)傳感器同時(shí)工作即可保證滾動(dòng)軸承聲音信號采集的連續(xù) 性。聲學(xué)傳感器冗余設(shè)計(jì)極大提高了系統(tǒng)工作的可靠性，有效保證了系統(tǒng)的檢 測效果。3.3 動(dòng)車組和客車車輛自動(dòng)兼容檢測技術(shù)在充分調(diào)研各型動(dòng)車組和客車車

10、輛滾動(dòng)軸承的基礎(chǔ)上，準(zhǔn)確計(jì)算和模擬出 各型動(dòng)車組和客車車輛軸承不同部位故障頻率，建立了各型動(dòng)車組和客車車輛 軸承故障模型，并在后期數(shù)據(jù)處理上做了精確修正，使得LM系統(tǒng)完全滿足自動(dòng)兼容檢測各型動(dòng)車組和客車車輛滾動(dòng)軸承的需求，并在實(shí)際運(yùn)用中得到驗(yàn)證。3.4 聲學(xué)采集單元集成式設(shè)計(jì)技術(shù)LM系統(tǒng)聲學(xué)傳感器主機(jī)柜和副機(jī)柜均采用集成化設(shè)計(jì)，將單側(cè)16個(gè)聲學(xué)傳感器集成在一個(gè)機(jī)柜內(nèi)，機(jī)柜內(nèi)創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)了一體成型的拋物線型反射腔 (見圖5),聲學(xué)傳感器直接朝向拋物線型腔，減小了設(shè)備裝調(diào)難度，保證了傳感器間的安裝精度，最大限度采集了軸承運(yùn)轉(zhuǎn)聲音，保證了數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定 性。3.5 標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)處理技術(shù)LM系統(tǒng)在疑似故

11、障報(bào)警頻譜圖上采用了標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)處理技術(shù)(見圖6),將 軸承元件故障頻率轉(zhuǎn)變成無量綱形式呈現(xiàn)，最終結(jié)果與車速等無關(guān)，只與軸承 本身參數(shù)有關(guān)，缺陷判別比較直觀，大大減輕了數(shù)據(jù)分析人員的工作量，有效 減少了漏判和誤判。四、軌邊聲學(xué)診斷系統(tǒng)組成LM系統(tǒng)由現(xiàn)場檢測單元、數(shù)據(jù)處理單元和遠(yuǎn)程控制單元組成?，F(xiàn)場檢測單 元主要實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)軸承聲音信號的采集、車號信息采集、測速及計(jì)軸計(jì)輛等功能；數(shù)據(jù)處理單元主要實(shí)現(xiàn)聲音信號處理、故障模式識別及車號識別等功能；遠(yuǎn)程控制單元主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程分析、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控等功能，設(shè)備日常數(shù)據(jù)分析及監(jiān) 控等工作在遠(yuǎn)程調(diào)度室即可正常進(jìn)行。檢測數(shù)據(jù)傳輸流程示意見圖7。(1)現(xiàn)場檢測單元。現(xiàn)場

12、檢測單元安裝在軌道兩側(cè)，主要部件包括：開機(jī)傳 感器、聲學(xué)采集單元、測速傳感器、輔助測速傳感器和圖像車號識別裝置。(2)數(shù)據(jù)處理單元。數(shù)據(jù)處理單元包括：不間斷電源箱、保護(hù)門控制箱、遠(yuǎn) 程電源控制箱、信號調(diào)理前置機(jī)、信號采集處理計(jì)算機(jī)、集線器、HDS曲制解調(diào)器、車號識別設(shè)備主機(jī)等。數(shù)據(jù)處理單元在主計(jì)算機(jī)軟件統(tǒng)一調(diào)度下，完成 聲音信號采集、故障軸承模式識別、計(jì)軸計(jì)輛、車號識別、數(shù)據(jù)上傳、自檢和 遠(yuǎn)程維護(hù)等工作。(3)遠(yuǎn)程控制單元。遠(yuǎn)程控制單元獨(dú)立于設(shè)備檢測控制現(xiàn)場，通過光纖與數(shù) 據(jù)處理單元進(jìn)行通信連接，主要由控制主機(jī)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等組成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn) 程分析、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控等功能。五、系統(tǒng)運(yùn)用動(dòng)車組TAD毀備已在武漢、南昌和上海鐵路局現(xiàn)場配置應(yīng)用，運(yùn)用至今能 自動(dòng)檢測各型動(dòng)車組軸承故障，運(yùn)行穩(wěn)定，檢測情況良好。截至 2015年6月， 動(dòng)車組TADSS備共檢測動(dòng)車組列車80000余列次，報(bào)警動(dòng)車組軸承故障40 例，其中19例經(jīng)分解確認(rèn)存在剝離故障，21例落輪返廠處理(落輪后人工轉(zhuǎn)動(dòng) 軸承能聽到明顯異音)，有效防止了因軸承故障引起的行車事故。1任尊松