共振解調(diào)故障診斷技術(shù)在機(jī)車(chē)上的應(yīng)用

淡紅升

(鐵道部運(yùn)輸局 裝備部,北京100844)

共振解調(diào)技術(shù)已經(jīng)普遍被科技、工程界接受。就共振解調(diào)技術(shù)原理在機(jī)車(chē)故障診斷的應(yīng)用進(jìn)行分析,以便得到更好的應(yīng)用。

1 廣義共振和共振解調(diào)原理

機(jī)器的轉(zhuǎn)速不能停留在機(jī)器的共振轉(zhuǎn)速、臨界轉(zhuǎn)速上;對(duì)于那些超臨界運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械,必須作好技術(shù)準(zhǔn)備,避免共振轉(zhuǎn)速或臨界轉(zhuǎn)速發(fā)生。

在共振現(xiàn)象的基礎(chǔ)上,提出了“廣義共振”理論,將經(jīng)典共振擴(kuò)充到它所不包括的共振建立與結(jié)束的過(guò)渡過(guò)程,奠定了廣義共振故障診斷技術(shù)的理論基礎(chǔ)。而且特別關(guān)注:沖擊所激起的機(jī)械和電子的廣義共振。共振有害,必須回避;廣義共振是自然規(guī)律,不可避免;反其道而用之:用廣義共振識(shí)別機(jī)械故障,開(kāi)辟了廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域見(jiàn)圖1。

圖1 廣義共振示意圖

任何機(jī)械故障的產(chǎn)生,均會(huì)有故障沖擊信息的發(fā)生,而這些沖擊信息必然會(huì)激發(fā)機(jī)械的低頻廣義共振,進(jìn)而激發(fā)接收這些信息的傳感器產(chǎn)生電子的高頻廣義共振,將機(jī)械的和電子的廣義共振一起輸出,進(jìn)行信息的后續(xù)處理。

1.1 傳感器技術(shù)

鐵路機(jī)車(chē)的運(yùn)用條件、環(huán)境,對(duì)安全監(jiān)測(cè)的故障信息存在如下特點(diǎn):

圖2 診斷系統(tǒng)原理框圖

①軌道交通運(yùn)載設(shè)備本身的復(fù)雜性、設(shè)備所產(chǎn)生的信息內(nèi)容多樣性,同時(shí)還存在傳感器受安裝位置的制約;

②在軌道旁不干擾正常行車(chē)的基礎(chǔ)上,有效提取運(yùn)載設(shè)備通過(guò)時(shí)的故障沖擊信息;

③軌道交通運(yùn)載設(shè)備在運(yùn)用過(guò)程中存在大量的、強(qiáng)大的振動(dòng)干擾和電磁干擾;

針對(duì)上述特點(diǎn),診斷技術(shù)需要在運(yùn)載設(shè)備故障信息提取的源頭上進(jìn)行突破,有效地解決故障信息的采集問(wèn)題;需要解決單個(gè)傳感器內(nèi)部復(fù)合多物理量信號(hào),以解決傳感器受數(shù)量和安裝位置的制約問(wèn)題。為此,發(fā)明了復(fù)合傳感器、超諧振式聲學(xué)傳感器和共振解調(diào)監(jiān)測(cè)儀。診斷系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

(1) 復(fù)合傳感器

發(fā)明的多物理量復(fù)合檢測(cè)傳感器,解決了溫度、振動(dòng)和沖擊信息的同時(shí)輸出,實(shí)現(xiàn)了提取運(yùn)載設(shè)備軸承溫度、軸承滾動(dòng)體工作面、車(chē)輪踏面等綜合損傷故障信息的要求;同時(shí),由于多物理量信息的復(fù)合,解決了多信息總線方式傳輸,從而降低了傳感器受現(xiàn)場(chǎng)安裝條件的限制(圖3為傳感器結(jié)構(gòu)圖和安裝示意圖)。

(2) 超諧振式聲學(xué)傳感器

針對(duì)軌道邊非接觸信息提取要求,發(fā)明的超諧振式聲學(xué)傳感器,通過(guò)軌道旁超諧振式聲學(xué)傳感器陣列,實(shí)現(xiàn)了非接觸接收運(yùn)載設(shè)備通過(guò)傳感器陣列時(shí)的軸承故障,踏面擦傷、剝離等沖擊軌道的超聲信息。

圖3 傳感器結(jié)構(gòu)圖和安裝示意圖

1.2 電子諧振器

傳感器的廣義共振,仍然是機(jī)械二階系統(tǒng)共振,其頻率、品質(zhì)不易精確控制;所以把更高頻的機(jī)械廣義共振電信號(hào)轉(zhuǎn)換為稍低頻的電子廣義共振,可以精確地控制頻率、品質(zhì)因數(shù)、帶寬以及抑制低頻振動(dòng)信號(hào);

1.3 共振解調(diào)

通過(guò)共振解調(diào)處理,可提取出的故障沖擊信息,剔除低頻振動(dòng)信息,達(dá)到了提高檢測(cè)分辨率和診斷準(zhǔn)確性的目標(biāo)。

共振解調(diào)技術(shù)具有7大特性:放大性、展寬性、選擇性、對(duì)應(yīng)性、比例性、低頻性、多階性。

①收集沖擊脈沖高頻能量集中在廣義共振頻率上釋放,具有放大性;

②展寬沖擊脈沖的信息便于發(fā)現(xiàn),具有展寬性;

③剔除所有低頻振動(dòng),只提取故障沖擊的共振解調(diào)波,具有選擇性;

④沒(méi)有故障沖擊就沒(méi)有共振波和共振解調(diào)波,具有對(duì)應(yīng)性;

⑤共振解調(diào)波幅度的大小,與沖擊的大小成正比,具有比例性;

⑥共振解調(diào)后的信號(hào)變換為與沖擊對(duì)應(yīng)的低頻的波形,具有低頻性;

⑦共振解調(diào)頻譜呈間隔均勻的梳狀,不同于振動(dòng)頻譜,具有多階性。

在圖4中1機(jī)械振動(dòng)沖擊描述的是故障沖擊信息掩蓋在常規(guī)振動(dòng)信息中;

2傳感器輸出為傳感器接收的機(jī)械沖擊信息(包含常規(guī)振動(dòng));

4共振解調(diào)為對(duì)電子共振變換的信息經(jīng)過(guò)共振解調(diào)處理(解調(diào)為包絡(luò)解調(diào));

5共振解調(diào)處理分析,進(jìn)行FFT變換,從而將機(jī)械故障的沖擊信息的頻率成分展現(xiàn)出來(lái)。

圖4 機(jī)械振動(dòng)沖擊的共振解調(diào)故障信息的分析過(guò)程

針對(duì)鐵路機(jī)車(chē)在運(yùn)用過(guò)程中存在大量的強(qiáng)大的振動(dòng)干擾和電磁干擾影響,通過(guò)專(zhuān)儀器儀表,將傳感器輸出的機(jī)械振動(dòng)沖擊信號(hào),經(jīng)過(guò)電子變換技術(shù),剔除其他機(jī)械振動(dòng)或干擾,解調(diào)出傳感器信號(hào)中存在的機(jī)械振動(dòng)沖擊信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)在運(yùn)載設(shè)備強(qiáng)烈的機(jī)械振動(dòng)干擾和電磁干擾中微弱故障信息的提取。

2 構(gòu)建的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷理論

針對(duì)機(jī)車(chē)走行部旋轉(zhuǎn)部件的在線安全監(jiān)測(cè)問(wèn)題,主要體現(xiàn)在如何對(duì)信息去偽存真,確定是否存在故障,以及發(fā)生故障的零件(如軸承內(nèi)外環(huán)、滾動(dòng)體等)、部件(如軸承、齒輪、車(chē)輪)損壞程度和最小安全門(mén)限。為此,提出了面向工程化應(yīng)用的主動(dòng)診斷理論、診斷方法論和系列診斷判據(jù),建立了確定的數(shù)學(xué)模型;提出了信息抽取調(diào)制譜準(zhǔn)則,克服了信息局部丟失所致的故障漏診;通過(guò)合理的建模分析和添加處理措施,從前輩提出的復(fù)雜無(wú)解方程中, 解析出確定解公式;進(jìn)而提出了一系列適合計(jì)算機(jī)處理的故障分析判據(jù)(主要有特征頻譜、特征諧波、邊頻、半譜、調(diào)制譜、干擾譜等),其組成核心是:

(1)多因素、多參數(shù)聯(lián)合診斷決策

不僅分析信息的幅度因素,而且還研究特征頻譜、特征諧波、邊頻、半譜、調(diào)制譜、干擾譜等多種因素,同時(shí)針對(duì)各種類(lèi)型的故障一一進(jìn)行推理分析,以確認(rèn)部件的某個(gè)或某些零件故障,作為確認(rèn)該部件存在故障的依據(jù),從而解決確認(rèn)監(jiān)測(cè)零部件是否存在故障的問(wèn)題。

(2)基于模糊數(shù)學(xué)、數(shù)值分析和統(tǒng)計(jì)學(xué)的多參量相關(guān)加權(quán)決策

通過(guò)模糊數(shù)學(xué)、數(shù)值分析和統(tǒng)計(jì)學(xué),建立各相關(guān)因素的加權(quán)判斷標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合各種判據(jù)適度決策,并通過(guò)數(shù)年的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn),逐步形成了多參量相關(guān)加權(quán)處理決策,用于解決故障損傷程度的判斷。

(2)部分高校也由于缺乏創(chuàng)辦實(shí)驗(yàn)班的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，一味照搬重點(diǎn)院校的辦學(xué)模式，也并未根據(jù)本校優(yōu)勢(shì)教育資源制定適合的人才培養(yǎng)目標(biāo)。

(3)多個(gè)同類(lèi)故障的歸類(lèi)診斷準(zhǔn)則

將已提出的復(fù)雜無(wú)解方程,如軸承外環(huán)多故障方程fw=(D0-d cos A)×Z×D×fn/(2D0×q)(故障數(shù)D和D與Z的最大公約數(shù)q為未知變量),改進(jìn)為具有確定解的工程化應(yīng)用公式 f w=(D0-d cos A)×Z×f n(2D 0);進(jìn)而提出了表1中各部件檢測(cè)的工程化應(yīng)用公式。

表1 工程化應(yīng)用公式列表

表1中公式軸承中徑是D0(mm),滾子直徑是d(mm),滾子數(shù)量是Z,轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速頻率是 fn(Hz),軸承滾子的接觸角是A。

對(duì)表1上述工程化應(yīng)用公式,通過(guò)提供機(jī)車(chē)走行部部件的物理參數(shù)(如軸承內(nèi)徑、中徑、滾子直徑、滾子個(gè)數(shù)、滾子列數(shù)、滾子接觸角、齒輪齒數(shù)等)后,便能實(shí)現(xiàn)軟件的自動(dòng)分析、診斷,從而現(xiàn)實(shí)對(duì)機(jī)車(chē)走行部故障診斷和安全監(jiān)測(cè)的即裝即用,實(shí)現(xiàn)對(duì)支撐軸承、傳動(dòng)齒輪和車(chē)輪等旋轉(zhuǎn)部件故障的準(zhǔn)確識(shí)別。

3 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

該技術(shù)于20世紀(jì)70年代由美國(guó)波音公司發(fā)明并同時(shí)申請(qǐng)了專(zhuān)利, 后由瑞典SKF 公司采用, 用于軸承出廠檢測(cè)的生產(chǎn)線上。20世紀(jì)80年代鐵道科學(xué)研究院移植在鐵路機(jī)車(chē)軸承的檢測(cè)上。檢測(cè)單件軸承、牽引電機(jī)軸承部件及機(jī)車(chē)整車(chē)頂輪檢測(cè)軸箱及牽引電機(jī)軸承。20世紀(jì)90年代末唐智公司將此技術(shù)用于機(jī)車(chē)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的隨車(chē)在線檢測(cè)上,見(jiàn)表2。

目前,用于機(jī)車(chē)上的故障診斷技術(shù)分為:在線式和地面磨合試驗(yàn)類(lèi);而在我國(guó)的機(jī)車(chē)在線式應(yīng)用的,早期的監(jiān)測(cè)手段是通過(guò)溫度信息來(lái)監(jiān)測(cè)的;而地面普遍采用的是傳統(tǒng)振動(dòng)分析;它們均存在各自應(yīng)用的缺陷;而采用的基于廣義共振和共振解調(diào)的故障診斷技術(shù),不管在車(chē)載的在線應(yīng)用和地面應(yīng)用,均存在其他監(jiān)測(cè)技術(shù)所不具有的優(yōu)勢(shì),主要體現(xiàn)在即裝即用的特點(diǎn)上。

表2 與國(guó)內(nèi)外其他技術(shù)的比較

即裝即用的特點(diǎn)和學(xué)習(xí)型的振動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備存在明顯區(qū)別,因?yàn)閷W(xué)習(xí)型的監(jiān)測(cè)設(shè)備需要通過(guò)建立完好部件的對(duì)比信息來(lái)判斷部件是否存在故障,另外這種方式還存在學(xué)習(xí)時(shí)間較長(zhǎng),對(duì)于不同部件、不同結(jié)構(gòu)可能均存在需要學(xué)習(xí)的過(guò)程,而更換不同類(lèi)型部件也需要重新學(xué)習(xí),這些特征決定了這類(lèi)監(jiān)測(cè)設(shè)備不能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)機(jī)車(chē)的即裝即用;本診斷技術(shù)對(duì)運(yùn)載設(shè)備的安全監(jiān)測(cè)可以預(yù)警到部件及零部件(如軸承的內(nèi)外環(huán)、滾動(dòng)體、保持架等),從而快速地幫助維修人員進(jìn)行故障問(wèn)題的處理,該特點(diǎn)也區(qū)別于一些常規(guī)的振動(dòng)檢測(cè)設(shè)備,通常這類(lèi)設(shè)備只能告之是否存在問(wèn)題,而不能定位故障的具體部位,還需要維修人員通過(guò)科學(xué)分析或經(jīng)驗(yàn)來(lái)判別故障存在的部位,從而降低了維護(hù)效率。

4 應(yīng)用情況

從2005年至今,全路共在6 600多臺(tái)機(jī)車(chē)上安裝了JK 00430機(jī)車(chē)走行部車(chē)載檢測(cè)裝置,涉及到東風(fēng)、韶山全系列及北京 、6K 、8G 、北亞 、新曙光 、藍(lán)箭 、金鷹 、神州號(hào)等車(chē)型,共檢測(cè)出軸承、齒輪、車(chē)輪踏面等走行部故障2 000余件,防止了多起可能發(fā)生的熱軸、燃軸、斷齒等惡性事故,有力地保障了行車(chē)安全,產(chǎn)生了可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)用實(shí)踐證明,該裝置不僅能夠?qū)C(jī)車(chē)走行部的關(guān)鍵旋轉(zhuǎn)部件,如軸承、傳動(dòng)齒輪和輪對(duì)踏面發(fā)生的故障進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警,而且能對(duì)上述處所的早期故障進(jìn)行預(yù)警,從而既為杜絕機(jī)車(chē)走行部惡性事故提供了可靠的技術(shù)保證,又前移了行車(chē)安全防線;同時(shí),還能通過(guò)它所提供的大量監(jiān)測(cè)信息,為地面維修提供科學(xué)依據(jù),為設(shè)備定期修向狀態(tài)修的過(guò)渡創(chuàng)造了條件。

[1]唐德堯.廣義共振、共振解調(diào)故障診斷與安全工程-鐵路篇[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2006.

[2]馮庚斌.機(jī)車(chē)車(chē)輛故障振動(dòng)診斷技術(shù)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,1994.