利用TADS檢測鐵路車輛走行部異音的研究

馬共立

(哈爾濱鐵路科研所科技有限公司，黑龍江 哈爾濱 150006)

鐵道車輛滾動軸承故障軌邊聲學診斷系統(TADS)是鐵路地對車安全防范預警系統(5T系統)的重要組成部分，主要用于對滾動軸承的故障進行在線、早期診斷預報。TADS自2004年安裝發展至今，設備的運行和預報已經實現網絡化，通過聯網達到對鐵路線路上運行的客貨車進行實時監控和預報[1]。

車輛運行過程中，除滾動軸承外，其他部位由于損壞或連接松動也會產生異常的聲音，像車底連接桿、車輪等部件的損壞或連接松動會嚴重危害車輛的運行安全，及時發現并預報這些故障，可以避免或減少車輛運輸事故的發生。TADS可以采集到滾動軸承及其附近部件的所有噪聲，在多年對TADS采集數據的跟蹤和分析中發現存在大量的包含在正常運行噪聲和軸承故障噪聲以外的異常聲音。這些異常聲音信號主要是由于軸承附近部件存在故障產生的，信號中所包含的沖擊成分分布和特征頻率與軸承故障聲音信號是有區別的，例如雖然平輪的時域特性與內圈故障時域特性比較相似，但沖擊頻率分布卻不同。

本文將對軸承附近部件產生異音的原理和異音特征進行理論分析，并結合TADS采集的非軸承故障的聲學信號的數據處理結果，利用多種信號處理方法，形成異音判別模型，實現對車輛軸承附近部件異音進行診斷和預報的功能。

1 異音產生原理

車輛在高速負載運轉過程中，軸承及其附近其他部件出現擦傷、剝離、斷裂時，和系統其他部件接觸會產生突變的具有短時寬帶特性的沖擊脈沖力，產生振動并發出異常聲音，不同部件導致的故障所形成的沖擊信號特征是有區別的，應根據沖擊產生原理進行分析判斷。

1.1 滾動軸承故障異音產生原理

如圖1所示，滾動軸承內圈、外圈和滾子發生剝離、裂損或者壓痕等故障時在局部位置會產生凹坑或者不平，軸承運轉過程中，滾動體每經過一次故障點，遇到凹坑就會碰撞產生沖擊振動和噪聲。沖擊振動的過程分為2個階段：第一階段，在碰撞點產生很大的沖擊加速度，加速度大小和振幅的增加量與軸承疲勞損傷程度成正比；第二階段，軸承部件結構變形產生衰減自由振動，振動頻率取決于系統自由狀態下的固有頻率。因此，可以從兩方面對軸承故障進行分析診斷：一方面是分析沖擊振動頻率，類似于統計特征；另一方面是分析由沖擊而激起的軸承零件固有振動。

圖1 軸承零件上的疲勞剝離凹坑

故障發生在外圈、內圈或者滾子產生的沖擊振動頻率是不同的，從理論上講滾動軸承的故障頻率就等于其相應的特征頻率，滾動軸承的故障特征頻率由滾動軸承的幾何結構例如軸承節徑、滾子直徑和轉速所決定[2-3]。

沖擊導致的軸承零件的固有振動主要分2種：軸承內外圈一階徑向固有振動，其頻帶范圍一般在1～8 kHz之間；軸承零件其他固有振動，其頻率范圍主要分布在20～60 kHz之間。

1.2 車輪失圓異音產生原理

車輪失圓指的是車輪踏面由于發生外形變化，在車輪圓周方向發生不平順的現象，其主要包括相對橫向與理論形狀的偏差和相對周向與理論形狀的偏差。車輪失圓產生的原因可能有車輪初始不圓、輪軌長期振動激勵等很多因素的影響。車輪失圓可分為局部非圓化和全周非圓化兩大類。局部非圓化是指車輪踏面局部出現的沿車輪徑向的缺陷，如擦傷和剝離；全周非圓化主要是車輪多邊形化，即車輪半徑沿整個圓周呈周期性變化。列車運行過程中，正常車輪踏面與鋼軌反復接觸，會發出低頻的、能量較平穩的噪聲，而不圓的車輪通過鋼軌時會產生周期不同的異常的沖擊振動噪聲，因此，可以根據噪聲信號特征，分析出車輪不圓的可能原因。

1.2.1 踏面故障

擦傷和剝離是最常發生的踏面故障，踏面存在擦傷或者剝離故障的車輪運轉示意圖如圖2。

圖2 故障車輪運轉示意圖

在低速狀態，車輪滾至擦傷起始點A時，將以A點為圓心，以擦傷長度L為半徑轉動，繞A點旋轉直至整個擦傷表面撞擊軌道，當全部擦傷表面撞擊鋼軌后，車輪將以擦傷終止點B為圓心轉動，進一步給軌道施加動力作用，直到車輪恢復到正常轉動狀態。而在高速狀態，車輪滾至A點后，將脫離鋼軌表面，在空中旋轉的同時向前作慣性運動并且向下跌落，最終在B點接觸軌面，從而給軌道以一定位移幅度的沖擊。當車輪由狀態A滾動到狀態B所需時間等于車輪輪心跌落高度所需時間時，此時速度為輪軌沖擊的臨界狀態[4-5]。行駛過程中，單個故障情況時，對軌道的沖擊頻率等于車輪轉動頻率，即：f=vc/2πR(f是沖擊頻率，vc是運行速度，R是車輪半徑)。

當運行速度vc小于臨界速度時，踏面與鋼軌的沖擊時間tr、垂直沖擊速度v0為：

(1)

(2)

則沖擊過程中產生的碰撞機械動能EM為：

(3)

式中：M——車輪質量。

當運行速度vc大于臨界速度時，踏面與鋼軌的沖擊時間tr、垂直沖擊速度v0為：

(4)

(5)

其中：

(6)

式中：M1，M2——車輛的簧上質量和簧下質量。

則沖擊過程中產生的碰撞機械動能為：

(7)

根據以上計算，踏面故障會使車輪與軌道間發生周期性振動沖擊，輪軌沖擊效應隨著運行速度的增加而增大，在臨界速度時輪軌沖擊效應最大，之后沖擊有所減小，最終趨于恒定值。因此，根據沖擊持續時間和沖擊能量的大小判定踏面故障的危害等級也具有一定代表性。

1.2.2 車輪多邊形

車輪多邊形是車輪不圓順的一種表現形式，車輪多邊形在數學模型上可以用不同階數的簡諧波求和表示，理論和實際經驗證明，階數可以是1～20階[6]。一般情況下，車輪多邊形中都是由其中一階起主導作用。列車運行時，若存在車輪多邊形，輪軌間將產生周期性變化的動態作用力，引起輪軌系統的沖擊振動，會嚴重影響車輛軌道系統其他走行部件的穩定性和使用壽命。

一階車輪多邊形即車輪偏心，是一種典型的諧波形激擾，因為車輪離心激振力引起輪軌系統產生周期性強迫振動，輪軌力變化周期約等于車輪滾動一周的時間；二階車輪多邊形化即為車輪橢圓化，輪軌力變化周期約等于車輪滾動一周的時間的一半；以此類推，車輪多邊形化會影響車輛運行時的振動和輻射噪聲，產生周期脈沖，沖擊頻率f=nvc/2πR(n是車輪多邊形階數)。

根據以上分析，雖然在正常狀態下也存在十分復雜的振動和噪聲，但信號總體上表現出隨機特性，能量也較為平穩。在運轉過程中如果走行部件某個部位發生故障，無論是軸承故障或者是附近部位故障，則噪聲信號會出現周期性的沖擊脈沖，同時周期信號包含軸承系統的高頻共振響應。不同故障對應的故障沖擊頻率、零件的固有振動頻率以及沖擊振動衰減程度、沖擊振動持續時間都是不同的，可以通過檢測這些特征判斷是否存在不同于軸承故障的其他異音。

2 異音檢測方法

即使是無故障車輛運行過程中，實際噪聲也是由多種噪聲混合而成，主要包括輪軌噪聲、空氣動力噪聲和集電系統噪聲等。軸承及其附近其他部件出現故障時產生的沖擊振動導致的異音混合在車輛運行噪聲中，如果單從時域波形或功率譜分析結果來看，往往很難看出設備究竟是否存在異音以及異音可能的原因和位置等。如何有效從采集信號中提取屬于分析部件的聲音信號是個極其關鍵的問題。

本文以TADS的硬件采集設備為基礎，在不改變原有軸承故障判別方法的前提下利用時域處理、頻域處理和時頻分析方法形成異音判別模型，對信號進行異音檢測判別。

2.1 時域信號檢測方法

經過數字濾波后分段計算信號的聲強級。聲強級(LI)的計算公式為：

(8)

式中：I——聲強；

I0——參考聲強。

一般情況下，可以用聲壓級(Lp)代替聲強級，計算公式為：

(9)

式中：p0——參考聲壓，取20μPa；

p——聲壓。

聲壓有效值prms的計算公式為：

(10)

2.2 頻域信號檢測方法

利用快速FFT對信號進行時域到頻域的變換，得到不同頻點的聲壓級分布，根據故障診斷目的選取合適的頻段，計算帶內總聲壓級。帶內總聲壓級Lp(總)計算公式為：

(11)

式中：m，n——頻點起始點和結束點。

2.3 時頻分析方法

對信號進行離散小波變換，把信號分解為不同尺度的系數，對小波分解系數進行閾值處理后重構，對重構信號進行包絡譜分析確定故障信號特征。

如果ψ(t)滿足小波基條件，通過伸縮因子a0和平移因子b0可以得到小波族函數為：

(12)

信號f(t)的離散小波變換為：

(13)

利用以上時域、頻域和時頻分析方法，根據理論計算結果，結合采集經驗數據處理結果確定特征判別過程中合適的參數和門限值，即可建立基于TADS采集數據的異音檢測模型。

3 異音檢測應用效果

2019年，經中國鐵路哈爾濱局集團有限公司車輛部同意,對部分TADS探測點的設備進行了升級，升級后的軟件包含貨車異音預報功能。對2019年1月末至2月中旬報警和分解數據進行統計，結果顯示升級探測點除正常軸承故障預報外，預報并兌現了多起車輪故障，典型故障圖片見圖3、圖4。

圖3 異音檢測踏面剝離案例

圖4 異音檢測踏面擦傷案例

4 結束語

利用本文給出的異音判別模型升級軟件后的TADS設備，增加了聲學診斷的運用范圍，提高了行車安全性。如果全路所有的TADS設備都進行升級增加異音檢測功能，可以使檢修及管理部門更加及時掌握運行車輛軸承附近部件的狀態，進一步提高鐵路運輸的效率和服務水平。