機(jī)車車輛軸承故障診斷系統(tǒng)探討

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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，滾動軸承是鐵路機(jī)車車輛十分重要的零部件，滾動軸承健康穩(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。

關(guān)鍵詞：機(jī)車車輛；軸承；故障診斷系統(tǒng)

鐵路被譽(yù)為是中國版圖上的動脈，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)異常或者故障時(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)行過程中的振動信號進(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)行過程中振動信號的收集、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收集、特性提取、形態(tài)辨別、故障分析和主動干預(yù)等五個(gè)階段。振動收集：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)的振動信號。特性提取：主要利用數(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)車車輛軸承的振動信號進(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)的異常識別的方法對機(jī)車車輛軸承進(jìn)行識別，快速的對機(jī)車車輛軸承的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行簡要的識別。具體的識別方法有很多種，可根據(jù)信號形態(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)，對異常或者故障進(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，主動做出對機(jī)車車輛軸承做出相關(guān)動作，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)擁有振動信號收集、信號整理、信號解析、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故障診斷系統(tǒng)。按照硬件的劃分，軸承振動故障診斷系統(tǒng)主要由信號采集模塊和信號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)向架軸承振動信號的收集、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信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。為了將振動信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，需要多個(gè)電子元器件協(xié)同運(yùn)轉(zhuǎn)方可實(shí)現(xiàn)，包括振動傳感器、電荷放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和程控放大器等。振動傳感器將機(jī)車車輛軸承運(yùn)行過程中的振動信號收集，同時(shí)以電信號的形式傳遞給信號整理元器件。信號整理元器件將振動傳感器傳遞來的電壓或電流信號進(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。

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)車車輛軸承的振動信號進(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，以避免其它振動信號對真實(shí)信號形成干擾。圖3為壓電式振動傳感器安裝示意圖。

5信號整理元器件

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)，就是它的輸出信號非常弱，因此必須用特殊放大器將信號放大。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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作者：聞俊夫 單位：中車大連機(jī)車研究所有限公司