貨車滾動軸承早期故障軌邊聲學診斷系統的原理與應用

陳 冬 上海鐵路局車輛處

軸承故障是列車運行中的主要故障源之一，也是影響列車安全的最大根源。所以加強軸承的監測和診斷，及時了解和掌握軸承的工作狀態，可以盡量發揮軸承的工作能力，避免或減少事故的發生，對列車的安全運行具有十分重要的意義。

1 背景及原理

為預防由軸承故障引起的事故，在我國鐵路主要干線上大量安裝了紅外線軸溫探測系統，形成了探測網絡，以便及時發現溫度過高的軸承，防止燃軸、切軸和脫軌事故，取得了很好的效果。但滾動軸承從故障發生到發熱燒損的過程比較漫長，一般情況下故障軸承并不表現出明顯的高溫，而一旦發現溫度過高就已經到了故障的后期，如不及時停車處理，溫度將急劇上升并很快燒損。中途停車會降低鐵路運輸能力和經濟效益，報警或處理不及時則仍有可能引發切軸、脫軌等重大事故，造成嚴重的行車中斷和經濟損失，對鐵路的市場競爭力也帶來不良的影響。從全路的統計情況看，每年都有相當數量的軸承處在“帶病服役”階段，在列檢中發現許多鐵路貨車軸承故障，實際上有些故障程度已經很嚴重，但溫度并不高，對行車安全構成較大的、潛在的威脅。考慮到重載、快速運輸體系的發展及軸承工作環境的惡劣情況，利用聲學診斷技術，在故障軸承還沒有發熱之前及時發現軸承早期故障，可以有效地保障列車的安全，避免或減少由軸承引發的燃軸、切軸和脫軌事故。因此，車輛滾動軸承故障軌邊聲學診斷系統與紅外線軸溫探測系統相結合，可以有效地防止軸承故障帶來的安全隱患，保障鐵路運輸安全。

貨車滾動軸承早期故障軌邊聲學診斷系統(TADS)是5T系統的重要部分，采用聲學診斷技術和計算機網絡技術，通過對運行中鐵路貨車軸承噪聲信號的采集和分析，識別軸承的工作狀態，對滾動軸承裂縫、破損等故障進行在線診斷預報，可提供有效的軸承內部早期故障診斷結果，在熱軸之前發現故障。由于系統采用了聲學傳感器陣列技術和多傳感器信號合成及定位技術，保證了系統對故障軸承診斷的可靠性和準確性。利用故障軸承信號拾取技術和系統降噪技術及頻譜分析和小波形分析技術使得系統對故障軸承缺陷程度具有極高預報精度。該系統與車號自動識別系統結合，從而實現故障軸承的車號定位和軸位的自動定位。

2 TADS設備構成及功能

圖1 TADS設備構成圖

TADS設備構成見圖1。軌邊設備是診斷系統的核心，由室外、室內兩部分組成。室外部分設備主要包括聲音傳感器陣列、車輪傳感器、AEI地面天線等。①聲音傳感器陣列：聲音傳感器陣列是采集車輛軸承運轉所產生的聲音信號的裝置。聲音傳感器陣列安裝在保護箱內，并對稱立裝于軌道兩外側。聲音傳感器陣列保護箱具有抗震性，可適應軌邊環境。保護箱還設有保護門，只有當列車通過時才打開。②車輪傳感器：TADS地面探測站采用5個車輪傳感器。用卡具固定在軌底。其中2個用于聲學采集系統，另外3個用于AEI系統。車輪傳感器的作用是，當列車接近時自動啟動聲學系統的采集程序，打開聲學傳感器陣列保護箱的保護門。同時，啟動AEI設備天線，進行計軸、計輛車輪定位。③AEI地面天線：發射微波載頻信號，同時接受車載標簽反射回來的調制信號，獲得車次、車號等信息。室內部分主要有：通信、信號、電源防雷箱，聲學信號放大器箱，電源信號控制分配箱，信號采集處理工控機，HUB集線器、KVM轉換器，AEI識別設備等。

3 TADS運用

3.1 TADS運用概況

TADS采用網絡化管理模式，已安裝的TADS設備均實現聯網運行，探測站采集的預報數據通過網絡依次傳輸至節點服務器、鐵路局服務器、鐵道部服務器。在鐵道部設立全路貨車軸承運用狀態動態數據庫，一方面存儲鐵路貨車軸承故障的早期預報數據；另一方面，通過建立鐵路貨車軸承運用狀態檔案，對各類軸承運用性能進行統計，綜合評價各類軸承的運用性能和可靠性，為今后鐵路貨車軸承發展，提供科學、合理、可靠的決策依據。在鐵路局設立局級服務器和查詢終端，可以掌握本鐵路局管轄范圍內的各個TADS探測站的列車采集數據和軸承故障預報數據。在列檢作業場設立列檢復示終端，可以實現故障軸承的自動報警，便于對故障軸承及時檢查、處理和信息反饋。設立車輛段復示終端，可以實現對故障軸承的在線監控和分解情況的信息反饋。歷年的TADS探測及故障軸承預報情況參見表1。

表1 2005～2008年TADS探測及故障軸承預報情況表

3.2 TADS運用管理標準

當TADS單次預報軸承一級故障時，由現場檢車員對預報軸位進行檢查確認。當同一軸承連續預報一級三次及以上，或同一軸承連續五次通過探測站，其中預報一級三次及以上，或同一軸承連續六次通過探測站，其中預報二級三次及以上，或同一軸承連續八次通過探測站，其中預報三級五次及以上時，系統自動彈出扣車預報對話框，現場檢車員要對預報軸位進行檢查確認，現場檢車工長要對現場檢車員認定無故障軸位進行復核。

3.3 TADS預報處理

(1)TADS值班員負責將系統預報故障向列檢值班員報告，列檢值班員負責將系統所有預報故障按輛為單位向現場檢車人員進行預報，現場檢車人員負責對系統預報故障進行全數檢查確認，并將檢查確認結果向列檢值班員報告，向動態檢車組進行反饋，由TADS值班員將檢查確認結果錄入各系統中。

(2)對TADS單次預報軸承一級故障的鐵路貨車和TADS系統自動彈出對話框的扣車預報鐵路貨車，TADS值班員要立即將車次、車號、輛序、軸位等情況經動態檢車組長向列檢值班員報告；由列檢值班員通知現場檢車員；由現場檢車員對單次預報鐵路貨車和扣車預報鐵路貨車進行檢查確認；現場檢車工長要對現場檢車員認定無故障的扣車預報鐵路貨車進行復核；現場檢車員要將所有預報鐵路貨車的檢查確認結果向動態檢車組進行反饋，由TADS值班員錄入TADS。對存在故障鐵路貨車按有關規定辦理扣車手續，并在軸承外圈的正下方粘貼不干膠標志，注明“TADS故障”字樣，將故障車輛調至站修作業場后進行換輪處理；故障輪對送至車輛段檢修車間進行軸承退卸處理，檢修車間對軸承退卸分解后發現的故障進行拍照存檔，由車輛段安排專人匯總軸承故障類型及照片，15日內補錄入TADS。

3.4 TADS運用實例

表2 TADS預報扣車實例

表2是一例存在大面積剝離的內圈故障的軸承，車號為4920541的鐵路貨車于2006年9月19日18：18通過隴海線赤水探測站時，TADS通過對其聲音的采集和分析，預報該鐵路貨車的A5軸承存在內圈故障，并進行扣車報警。對該鐵路貨車進行換輪處理后，經過軸承退卸分解，確認該軸承確實存在內圈缺陷，在反饋的軸承分解照片上可以清晰地顯示出該軸承內圈存在大面積剝離缺陷。通過對該故障軸承的聲音圖譜進行分析也可以發現其高頻段的軸承故障聲音特征不同于普通的內圈故障聲音特征，出現了波形混疊的現象，造成聲音圖譜中不具有內圈故障典型的沖擊階段和沖擊間隔特征，這就是由于內圈存在大面積剝離，沖擊面積過大造成的。

4 小結與展望

TADS在中國鐵路運用以來發現了大量的存在早期故障的軸承，這些危害行車安全的軸承得到及時處理后，大大降低了熱軸事故，對于防止列車脫線、車輛切軸事故發生及確保行車安全起到了非常重要的作用。

TADS的應用前景非常廣闊，還在不斷深化和完善過程中，可以指導鐵路貨車檢修，可以建立鐵路貨車滾動軸承專家系統，還可以開發TADS配套檢測及標定設備。