基于軌旁聲學(xué)信號(hào)的城軌列車(chē)滾動(dòng)軸承聲音信號(hào)分析

陶明魁

摘 要：針對(duì)城市軌道交通快速的發(fā)展，軌道車(chē)輛運(yùn)行中的滾動(dòng)軸承故障問(wèn)題嚴(yán)重影響地鐵車(chē)輛的運(yùn)行安全，研制一種采用聲學(xué)診斷技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)運(yùn)行列車(chē)滾動(dòng)軸承進(jìn)行噪聲信號(hào)的采集和分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道車(chē)輛滾動(dòng)軸承的內(nèi)圈、外圈及滾子等關(guān)鍵部件進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：滾動(dòng)軸承;聲學(xué)探測(cè);聲學(xué)信號(hào)

鐵路承擔(dān)著世界各地貨運(yùn)和乘客的主要運(yùn)輸任務(wù)。為保證鐵路交通的安全、可用性、可靠性和效率，應(yīng)盡量避免脫軌。這也可以降低鐵路車(chē)輛的停運(yùn)和維護(hù)所產(chǎn)生的成本。鐵路車(chē)輛的車(chē)輪和轉(zhuǎn)向架需要特別進(jìn)行監(jiān)控，因?yàn)樗鼈儗?duì)性能的影響最大，而且維護(hù)[1]的成本很大。軸承有缺陷、車(chē)輪表面缺陷、制動(dòng)管斷裂等。如果沒(méi)有事先檢測(cè)到，都可能脫軌。在這些車(chē)輛缺陷中，車(chē)輪滾子軸承故障很常見(jiàn)，如果在車(chē)輛使用期間可能是災(zāi)難性的。因此，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了先進(jìn)的技術(shù)，以監(jiān)測(cè)鐵路滾子軸承的狀況。

1.概述

與基于振動(dòng)的車(chē)輛檢測(cè)系統(tǒng)相比，軌道旁狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)是一種檢測(cè)軸承缺陷的經(jīng)濟(jì)方式，因?yàn)檐壍郎线\(yùn)行的車(chē)輛數(shù)量眾多，每個(gè)軸承都有數(shù)百個(gè)滾子軸承。.熱軸承檢測(cè)器（HBD）和聲學(xué)缺陷軸承檢測(cè)器（ADBD）是目前鐵路行業(yè)使用的兩種軌旁檢測(cè)技術(shù)，用于在故障前識(shí)別有缺陷的軸承。自1960年代以來(lái)，HBD被設(shè)計(jì)為軌道旁設(shè)備，通過(guò)監(jiān)測(cè)車(chē)輛經(jīng)過(guò)時(shí)鐵路軸承的溫度變化來(lái)識(shí)別過(guò)熱軸承。如果出現(xiàn)局部故障，車(chē)輪軸承散發(fā)的熱量會(huì)增加很多，這是故障報(bào)警的指示。然而，使用中的軸承會(huì)迅速升溫和卡住，以至于在脫軌發(fā)生之前觸發(fā)熱箱警報(bào)總是為時(shí)已晚。此外，由于軸承工作環(huán)境的復(fù)雜性，其他熱源也可能使軸承運(yùn)行溫度升高，從而導(dǎo)致此類(lèi)列車(chē)停運(yùn)產(chǎn)生誤報(bào)和不必要的開(kāi)支。HBD對(duì)軸承早期缺陷的低敏感性促進(jìn)了ADBD的發(fā)展。已經(jīng)證明，可以通過(guò)麥克風(fēng)測(cè)量頻率范圍為3Hz至40kHz的滾子軸承的聲壓或聲強(qiáng)，用于檢測(cè)軸承初期缺陷。此外，通過(guò)軌旁聲學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)（TADS）的聲學(xué)技術(shù)已被證明可用于軌道車(chē)輛故障軸承的軌旁識(shí)別。自1980年代末首次進(jìn)行測(cè)試以來(lái)，ADBD已成為一種很有前途的工具，可用于監(jiān)測(cè)軸承健康狀況的更具預(yù)測(cè)性的系統(tǒng)。然而，為了確定某些類(lèi)型的軸承損壞，仍然存在一個(gè)棘手的問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題已經(jīng)提到過(guò)，但在目前可獲得的文獻(xiàn)中很少解決：去除位于旁邊的麥克風(fēng)獲取的聲信號(hào)中的多普勒效應(yīng)。當(dāng)鐵路車(chē)輛經(jīng)過(guò)時(shí)到軌道。多普勒效應(yīng)問(wèn)題亟待解決，尤其是高速行駛的車(chē)輛.

2.綜合檢測(cè)技術(shù)

眾所周知，TFD 能夠在時(shí)頻平面上呈現(xiàn)信號(hào)的非平穩(wěn)信息。 具有不同時(shí)頻分辨率的 TFD 將提供非平穩(wěn)信號(hào)的不同動(dòng)態(tài)信息。 有缺陷的鐵路軸承的軌旁聲信號(hào)是一種典型的非平穩(wěn)信號(hào)。 本文旨在基于軌旁聲信號(hào)的TFD檢測(cè)鐵路軸承的特征頻率并對(duì)其進(jìn)行增強(qiáng)。 為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，提出了一種由可變分辨率脊解調(diào)（VRRD）、動(dòng)態(tài)信號(hào)重采樣、對(duì)數(shù)變換和非線(xiàn)性去趨勢(shì)組成的綜合檢測(cè)技術(shù)，如圖5所示，依次解決了上述問(wèn)題。 給定如圖1所示的模擬軌道旁聲學(xué)信號(hào) y（t），通過(guò)在以下小節(jié)中演示該模擬示例來(lái)描述合成檢測(cè)技術(shù)。

短時(shí)傅立葉變換 （STFT） 是一種將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為 TFD 的傳統(tǒng)工具，可以很好地查看由于聲信號(hào)中的多普勒效應(yīng)引起的頻移。在數(shù)學(xué)上，聲信號(hào) y 的 STFT （t） 定義為

其中 g（t） 是以 t = 0 為中心的短時(shí)分析窗口，上標(biāo) * 表示復(fù)共軛運(yùn)算。由于相同的窗口函數(shù)可用于所有時(shí)間和頻率，因此TFD上每個(gè)點(diǎn)的分辨率都相同。 g（t） 的寬度決定了時(shí)頻分辨率。根據(jù)不確定性原理，時(shí)間分辨率和頻率分辨率不能同時(shí)增加。因此需要一個(gè)長(zhǎng)窗口來(lái)獲得高頻分辨率，而如果需要高時(shí)間分辨率，則選擇一個(gè)短窗口。對(duì)于有缺陷的鐵路軸承的軌旁聲信號(hào)，TFD上良好的頻率分辨率可以區(qū)分諧振頻帶間頻率分量的多普勒頻移曲線(xiàn)。

變化規(guī)則曲線(xiàn)，即諧振頻率的多普勒頻移曲線(xiàn)可以作為高頻分辨率和高時(shí)間分辨率TFD之間的橋梁。它遵循方程中給出的多普勒頻移函數(shù)。 并且可以通過(guò)稱(chēng)為脊提取算法的 IF 估計(jì)方法進(jìn)行跟蹤，而無(wú)需了解等式中的空間和時(shí)間參數(shù)。 這促使提出一種名為VRRD的新技術(shù)來(lái)提取被多普勒效應(yīng)破壞的聲信號(hào)的包絡(luò)。在新的包絡(luò)技術(shù)中，分別通過(guò)STFT計(jì)算具有高頻和高時(shí)間分辨率的TFD，然后是多普勒頻移諧振頻率的曲線(xiàn)是從具有高頻分辨率的 TFD 中通過(guò)改進(jìn)的脊提取算法描繪出來(lái)的，下面將詳細(xì)說(shuō)明。之后，將該曲線(xiàn)放到具有高時(shí)間分辨率的 TFD 上。沿著曲線(xiàn)的第二個(gè)TFD中對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)幅度（IA）最終被取出來(lái)構(gòu)建聲信號(hào)ye（t）的包絡(luò)信號(hào)。 VRRD 技術(shù)始終僅沿諧振帶的中心提取包絡(luò)，因此對(duì)于被多普勒效應(yīng)和背景噪聲破壞的信號(hào)有效。

結(jié)語(yǔ)

系統(tǒng)通過(guò)對(duì)運(yùn)行中列車(chē)滾動(dòng)軸承噪聲信號(hào)的采集和分析，識(shí)別滾動(dòng)軸承的工作狀態(tài)，可提供有效的滾動(dòng)軸承內(nèi)部早期故障診斷結(jié)果，在熱軸之前發(fā)現(xiàn)故障。能夠有效提高軸承故障的防范水平，使列檢對(duì)滾動(dòng)軸承的檢查，從人判為主逐步過(guò)渡到人機(jī)結(jié)合、機(jī)判為主的階段。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳勝?gòu)?qiáng)， 姜萬(wàn)錄， 趙利頗. 基于聲音信號(hào)的核主元故障診斷法[J]. 機(jī)床與液壓， 2016， 44（1）： 184-187.

（南京拓控信息科技股份有限公司，江蘇 南京 210000）