滚动轴承故障轨边声学检测技术的论文

2020-02-05 15:05:01 150

摘要：滚动轴承是行走装置中的关键部件。它在列车运行过程中承受大的动态载荷，容易出现轴承故障，并对车辆的运行产生重大影响。结合滚动轴承的故障和故障检测机理，介绍了动车组滚动轴承导轨边缘的声学检测技术，检测系统和应用情况。

关键字： EMU；滚动轴承轴承故障；检测机制；声学诊断；状态监测

0引言

中国的动车组具有运行速度快和连续高速行驶里程长的特点。滚动轴承承受大的动态载荷，容易出现轴承故障。当前用于动车组和乘用车的滚动轴承的检测主要依靠对车轴温度报警装置的在线监测和定期手动检查。车载车轴温度报警装置主要监视轴承的后期故障。车轴温度警报一旦发生，必须立即停止并进行检查，这严重影响了驾驶秩序并造成了巨大的社会影响。定期的手动检查无法及时监控轴承的故障，并且受个人主观因素的影响，容易错过检查和判断。迫切需要使用先进的技术和设备对动车组和乘用车的滚动轴承进行早期故障检测和诊断，以有效防止滚动轴承事故的发生。目前，在美国的滚动轴承故障轨道声学诊断领域，在美国TTCI和澳大利亚的TrackIQ公司中，国内外相对成熟，由他们开发的滚动轴承故障轨道声学诊断系统已有70余套应用全世界。从2003年开始，中国与TrackIQ和其他外国公司合作，推出了滚动轴承故障轨道声学诊断系统。为了适应中国的铁路条件，逐渐实现了本地化。在测试过程中，TADS的硬件被完全消化和吸收，共同开发了软件，并改进了系统的网络连接，效果良好

。用于中国汽车领域的LM滚动轴承故障履带侧声学诊断系统（即LM系统）采用了先进的EMU TADS系统并将其本地化，它使用了先进的履带侧声学指向技术，声谱分析技术和计算机智能识别技术，可对动车组和乘用车的滚动轴承的外圈和内圈滚道以及滚动元件的裂纹，剥离，磨损和腐蚀进行早期诊断和分级报警，适用于所有类型的CRH系列动车组和乘用车。检测。

1滚动轴承的故障和检测机构

1.1滚动轴承的故障

乘用车的滚动轴承通常由外圈，内圈，滚动体和保持架。部分组成。

（1）内圈与轴配合并随轴旋转。

（2）外圈用于与轴承座配合以支撑轴承座。通常，内圈随轴旋转，而外圈不移动。

（3）滚动元件是滚动轴承中的核心组件。保持架均匀地分布在内圈和外圈之间。它的形状和数量直接影响滚动轴承的性能和寿命。它将相对运动表面之间的滑动摩擦变为滚动摩擦。中国动车组中滚动轴承的滚动元件的形状是圆柱形和圆锥形的。滚动轴承的内圈和外圈上有带槽的滚道，可减少接触应力并限制滚动元件的轴向运动。

（4）保持架均匀地分布滚动体并引导滚动体进行润滑。如果没有保持架，则相邻的滚动元件将彼此直接接触，并且热量和磨损会增加

。 CRH2 EMU的滚动轴承如图1所示。滚动轴承材料中的缺陷，加工或组装不当，润滑不良，湿气和异物侵入，腐蚀剥落以及过载等都会导致早期损坏。另外，即使在正常的安装，润滑以及使用和维护的情况下，经过一段时间的使用，轴承也会出现疲劳剥离和磨损，这会影响轴承的正常运行。总之，滚动轴承的主要失效形式是：裂纹，剥离，点蚀，划痕，凹痕和磨损（见图2）。

（3）由于轴承不同部分的速度不同，发出异常声音的频率也不同，并且计算机可以根据声频的特征来识别发生故障的部分。故障越严重，异常声音的幅度越大，也就是说，异常声音的幅度反映了故障的严重性。

2轨道侧声学诊断的原理轨道侧声学检测

主要是根据滚动情况准确，全面地收集轴承任何部分的故障和缺陷轴承的运转机理和轴承尺寸产生的振动声。 LM系统使用声音传感器来获取运行中的滚动轴承产生的声音信号。 LM系统的检测原理如下：

（1）利用声学传感器阵列和现代声学诊断技术，实时采集，过滤，采集和处理高滚动轴承故障信号。高速列车车辆。

（2）采用声波传感器阵列技术和多传感器信号合成与定位技术来保证故障轴承诊断系统的可靠性和准确性。

（3）使用故障轴承信号拾取技术，系统降噪技术，频谱分析和小波形分析技术，该系统在预测故障轴承缺陷的程度方面具有极高的准确性。

（4）结合车号自动识别系统，实现故障轴承车号和轴位置的自动定位。

（5）计算机根据轴承故障信号的频率，能量，振幅和相关的车速，负载等因素，判断各种轴承故障类型和故障缺陷等级，实现滚动的早期失效轴承。预警和预防，以确保行车安全。列车警报频谱如图3所示，这是在6次采集后检测到TADS上的轴承有缺陷时的列车警报频谱。横坐标表示警报的数量，纵坐标表示声音的强度。发生故障时，轴承会在运行过程中产生冲击信号（绿色波形）。随着转数的增加，声音强度将逐渐降低。当火车多次驶过时，从波形图中可以看出，声音信号规则地出现并且振动频率是一致的。由此可以判断轴承已经失效。当没有缺陷时，这样的常规警报信号不会出现在火车警报频谱图上。

3种用于侧轨声学诊断的关键技术

3.1声学传感器阵列跟踪检测技术

单个声学传感器的有效面积如果仅使用1.1m左右的声音传感器，则无法在如此大的指向范围内维持接收信号的灵敏度的一致性，难以准确判断轴承的故障。为此，LM系统在一侧使用16个传感器阵列（参见图4），并采用跟踪检测方法，以确保传感器在轴承的检测区域中接收到的轴承振动信号是连续的，并且具有检测效果。是保证的。

3.2声学传感器冗余设计技术

LM系统在一侧使用16个声学传感器阵列，其中2个是安全冗余设计。当发生异常情况时，其余的声学传感器会同时工作。可以保证滚动轴承声音信号采集的连续性。声传感器的冗余设计大大提高了系统的可靠性，有效地保证了系统的检测效果。

3.3动车组和乘用车的自动兼容性检测技术

在全面研究各种动车组和乘用车的滚动轴承的基础上，准确计算和模拟各种动车组和乘用车的轴承。在不同的地点建立了各种动车组和乘用车的轴承故障模型，并在随后的数据处理中进行了准确的修正，从而使LM系统完全满足自动和兼容检测各种类型滚动轴承的要求。动车组和乘用车。经实践证明。

3.4声波采集单元的集成设计技术

LM系统声波传感器主机柜和辅助机机柜采用集成设计，将一侧的16个声波传感器集成到一个机柜中。机柜具有创新设计的抛物线反射腔（请参见图5），并且声学传感器直接面对抛物线腔，从而降低了设备安装和调整的难度，确保了传感器之间的安装精度，最大程度地收集了轴承运行声音，并且确保数据收集的稳定性。

3.5标准化数据处理技术

LM系统在可疑故障警报的频谱图上使用标准化数据处理技术（参见图6），将轴承组件故障频率转换为无量纲形式，最终结果与车速等无关，仅与轴承本身的参数有关。缺陷识别相对直观，大大减少了数据分析人员的工作量，有效减少了遗漏和误判。

4轨边缘声学诊断系统

LM系统由现场检测单元，数据处理单元和远程控制单元组成。现场检测单元主要实现采集滚动轴承声音信号，车号信息，测速，计轴等功能。数据处理单元主要实现诸如声音信号处理，故障模式识别和车辆编号识别的功能。远程控制单元主要执行数据。远程调度室可以正常进行远程分析和运行状态监视，日常数据分析和设备监视的功能。图7显示了检测数据的流程。

（1）现场检测单元。现场检测单元安装在轨道的两侧，主要部件包括：行李箱传感器，声音采集单元，速度传感器，辅助速度传感器和图像车号识别装置。

（2）数据处理单元。数据处理单元包括：不间断电源箱，保护门控制箱，远程电源控制箱，信号调节前端处理器，信号采集处理计算机，集线器，HDSL调制解调器和车号识别设备主机。数据处理单元在主计算机软件的统一调度下完成声音信号收集，故障轴承模式识别，轴计数和车辆计数，车辆编号识别，数据上传，自检和远程维护的工作。

（3）遥控器。远程控制单元独立于设备检测和控制站点，并通过光纤与数据处理单元通信。它主要由控制主机和网络设备等组成，以实现数据的远程分析，运行状态监视等功能。

5系统应用

EMU TADS设备已在武汉，南昌和上海铁路局现场部署并应用。它已用于自动检测各种类型的EMU轴承故障。运行稳定，检测良好。截至2015年6月，EMU TADS设备已检测到80,000多列EMU列车，并报告了40例EMU轴承故障。其中，有19例被分解并确认有剥离缺陷，并将21例送回工厂处理。旋转轴承时，您会听到明显的声音），从而有效地防止了由轴承故障引起的驾驶事故。