車輛滾動軸承故障軌邊聲學診斷系統（TADS）采集方式探討

陳 剛 中國鐵路上海局集團有限公司車輛部

鐵路車輛滾動軸承故障軌邊聲學診斷系統（以下簡稱TADS）采用軌邊聲學探測及計算機診斷技術對通過的鐵路車輛的滾動軸承聲學信號進行采集分析和處理，實現對軸承內外圈滾道、滾子等部位的裂紋、剝離、磨損、侵蝕等故障分類、分級報警，提前對故障車輛進行預警或攔停，保障客貨車輛及動車組運行的安全。

TADS 有兩項關鍵技術，第一是如何在列車高速通過時獲得足夠時長的軸承運行聲學信號；第二是如何對軸承運行聲學信號進行分析，判別軸承是否存在故障以及故障類型和等級。其中第二項技術國內外的研究成果很多，核心方法已經以專利、論文等多種形式公開。但是，第一項技術難度要大得多，只被美國TTCI公司和澳大利亞TrackIQ 公司掌握并視為機密，至今無任何專利、論文詳細論述其技術原理。目前以哈爾濱科研所為代表公司生產的TADS 主要采用美國TTCI 公司技術，以北京康拓紅外、成都主導公司為代表生產的TADS主要采用澳大利亞TrackIQ 公司技術。

TADS 設備對軸承運行聲學信號的拾取采用聲學傳感器陣列實現。對每個采集的軸承運行聲學信號時間越長，獲得的結果越準確。為了避免外界噪聲干擾判別，需要在車輪轉動至少兩圈的距離內連續采集聲音信息。以車輪直徑840 mm 為例計算，探測區域需5.3 米，因此，TADS 設計探測區域約6 m。列車同一轉向架上同側兩軸承間距最小只有約1.4 m，因此在6 m 探測區域內會同時出現多個軸承的聲音信號。如果只用一個麥克風來采集軸承的聲音，是難以準確定位故障軸承聲學信號的，所以TADS 設備均采用聲學傳感器陣列技術來獲取軸承的聲學信號。但是TTCI公司和TrackIQ公司的TADS采用的是兩種不同的聲學傳感器陣列采集技術。

1 接力探測方式

基于TTCI 技術的TADS 設備采用接力探測方式，在軌邊每側采用6 個相互間隔1m 放置的超指向性麥克風（如圖1 所示），每個保護箱中放置一個麥克風對列車軸承的聲學信號進行接力采集。

圖1 接力式聲學傳感器陣列

通常，TADS 麥克風安裝在距離軌外側約2 m 處，列車同一轉向架上同側兩軸承間距最小只有約1.4 m。麥克風對一個軸承運行的聲音的響應需比對另一個軸承運行聲音的響應大10 dB 左右才能有效的將兩個軸承的聲音分離。為此需要麥克風具有非常好的指向性，因此這種類型的TADS 設備都采用超指向性麥克風。

超指向性麥克風對聲音的方向性極其敏感，只有正前方非常小的夾角內傳播來的聲音有較大的響應，這個范圍之外的聲音可以被有效的衰減，圖2 左圖給出了一個典型的超指向性麥克風的照片，右圖是該麥克風對聲音信號的空間響應。圖2 中可以看出，對麥克風正前方傳來的信號有最大的靈敏度，±30度方向傳來的信號的響應要低約10 dB。

圖2 超指向性麥克風和空間響應

每個麥克風分別放在一個保護箱中。保護箱正前方開有一個長方形開口，開口寬度可以保證前方鋼軌處約1 m 范圍內的軸承聲音可以被麥克風采集到，并對1 m 范圍之外的聲音有一定的衰減。保護箱內壁四壁貼有吸音材料，可以吸收列車通過時振動等產生的干擾噪聲。同時保證有效探測區域外的聲響不會穿透保護箱干擾麥克風對軸承信號的采集（圖3）。

圖3 麥克風保護箱與鋼軌的位置示意圖

利用高指向性麥克風加特殊設計的保護箱后，可以保證每個麥克風只采集1 m 左右范圍內的軸承聲音。這樣6 個麥克風采集到的信號經過軟件合成處理后可以獲得軸承在6 m范圍內運動的聲音。

2 短間距陣列探測方式

基于TrackIQ 公司的TADS 采用另一種類型的聲學傳感器陣列，類似“聲吶追蹤”技術，8個麥克風相對集中地安裝在軌邊保護機柜內，當車輪進入探測區域時，所有麥克風同時工作，系統處理軟件根據不同麥克風采集的聲音信號的相位的不同，追蹤軸箱所處的探測位置，從而實現軸箱的定位和信號綜合處理，此技術被稱之為“波束形成”技術。圖4 是采用這種技術的保護機柜及聲學傳感器陣列。

圖4 短間距聲學傳感器陣列

“波束形成”技術要求單個麥克風無指向性（圖5）。因此，短間距陣列中一般采用的是小型的無指向性麥克風。這種類型的麥克風直徑通常在5 mm-10 mm，長度在10 mm-20 mm之間。

圖5 無指向性麥克風

所謂“波束形成”技術是通過聲波抵達陣列中每個麥克風之間的微小時差的相互作用，利用先進的數字信號處理技術，將某個或某幾個特定方向傳播來的聲音信號增強，對其余方向的聲音信號進行抑制的一種空間降噪技術。簡單的說這種技術可以將多個麥克風合成為一個“虛擬”的高指向性麥克風，并且這個“虛擬”的麥克風的朝向和對信號的有效張角是可以通過軟件來實時調整。圖6實線給出的是“虛擬”麥克風指向正前方時對不同方向傳播來的信號的增益變化，虛線是“虛擬”麥克風指向左450時的方向增益。

圖6 短間距麥克風陣列的指向性示意圖

圖7 短間距陣列的探測區域示意圖

短間距聲學傳感器陣列中使用的8 支麥克風依次間隔110mm-20mm 排列成一條直線，并放置于一個特殊設計的反射腔中。反射腔的內壁水平方向設計為雙曲線型，垂直方向設計為拋物線型。雙曲線的兩條漸近線的夾角約為1200，以保證軸承在6m 有效探測區域內時的聲音信號都能進入反射腔被8 支麥克風采集到。垂直方向上麥克風位于拋物線的焦點，只有與麥克風等高的軸承聲音信號能被反射腔拋物面反射后進入麥克風，其余高度發出的噪聲被有效的屏蔽掉（圖7）。

3 兩種技術的比較

兩種聲學傳感器陣列技術可以用下圖來形象的說明。

圖8 聲學傳感器陣列工作方式

（1）基于TTCI 公司技術所采用的是接力探測方式，當軸承快速通通過時，6個麥克風依次工作，最后通過軟件算法將6段聲音信號拼接為一個完整的軸承聲音信號。

接力探測方式的優點：這種方式的麥克風陣列可以通過變更麥克風的數量來調整探測的有效距離。簡單計算可知，平輪故障，軸承每旋轉一周只有一聲故障聲響。保持架故障，軸承旋轉約兩周才會有一聲故障聲響。對于這些故障，6m的探測區域只能采集到1到2聲故障聲響，樣本偏少，判別準確率較內外圈故障的準確率略低。通過增加麥克風數量延長探測區域，可以拓展TADS 的探測功能和提高判別準確率。

接力探測方式的缺點：單個麥克風要想有很好的指向性，必須要設計的細而長。麥克風安裝于保護箱內，麥克風較長，保護箱的厚度相對也會較厚。對于軌道間距較窄的線路，安裝起來會有不便。這種方式軌邊聲學傳感器陣列的分布較長，安裝工作量稍大。另外，此種工作方式，要求所有麥克風均正常工作，每單個麥克風失效都會影響軸承聲學信號采集的完整性，造成系統無法正常工作，因此此種方式的對每個麥克風可靠性較高，同時但某個麥克風性能不良或故障時存在一定的漏探風險。

（2）基于TrackIQ 公司所采用的是跟蹤探測方式，利用“波束形成”技術形成一個虛擬的高指向性麥克風，時刻跟蹤并指向軸承所在位置。

跟蹤探測方式的優點：優點：但聲學傳感器的安裝相對集中，室外安裝工作量較小。麥克風體積較小，因此保護機柜設計也可以更為小巧，更適合軌道間距較窄的線路上安裝。另外，聲學傳感器陣列采用了冗余設計，8個麥克風中只要有6 個正常工作，就可以形成“波束通道”。因此單個傳感器失效不會影響軸承聲學信號采集的完整性，系統的可靠性更高。

跟蹤探測方式的缺點：短間距聲學傳感器陣列方式由于傳感器較為集中，當軸承離傳感器陣列較遠時信號相對較弱。實驗表明單個傳感器陣列的探測范圍最長大約為7 m-8 m。如果TADS設備擴展功能需要更長的探測距離，則需增加更多的短間距傳感器陣列，而不能通過簡單的增加一兩個麥克風來解決。因此在探測范圍上擴展能力相對差一些。但是對于我國鐵路TADS 應用場景來說，現有的短間距傳感器陣列的探測距離已經能完全滿足使用要求。

綜上所述，現有TADS兩種聲音采集方式各有特色，均能滿足車輛滾動軸承故障軌邊聲學診斷要求。但是從現場施工量和設備冗余可靠性等角度來說，短間距傳感器陣列技術具有一定的技術優勢，今后在高鐵線路正線上大面積推廣使用時，可根據線路具體情況選擇。