機車車輛軸承故障診斷系統研究

聞俊夫

摘要：鐵路車輛安全穩定的運營是我國經濟發展重要保障，所以一直受到有關部門和廣大國民重點關注，滾動軸承是鐵路機車車輛十分重要的零部件，滾動軸承健康穩定的工作是鐵路車輛安全運行重中之重。本文主要闡述了車輛軸承診斷系統的主要階段和結構，以期能夠為相關人員起到一定的幫助。

Abstract： The safe and stable operation of railway vehicles is an important guarantee for China's economic development， so it has been the focus of the relevant departments and the majority of the people's attention， rolling bearing is a very important part of the railway locomotive and vehicle， the healthy and stable work of rolling bearings is the priority among priorities for the safe operation of railway vehicles. This paper mainly describes the main stages and structure of the vehicle bearing diagnosis system， in order to be able to play a certain help for relevant personnel.

關鍵詞：機車車輛;軸承;故障診斷系統

Key words： rolling stock;bearing;fault diagnosis system

中圖分類號：U472.43???????????????????????????????? 文獻標識碼：A????????????????????????????????? 文章編號：1674-957X（2021）21-0132-02

0? 引言

鐵路被譽為是中國版圖上的動脈，全國半數以上的物流運輸都依靠鐵路來完成，機車車輛相當于動脈中的血紅細胞，需要運輸的人員及貨物都依靠鐵路機車車輛來承載。近年來，隨著我國經濟增長速度不斷的提升，迫使我國鐵路鐵路裝備必須向高速重載的方向進行改革和提升，鐵路機車車輛提速不僅需要高效的管理，精良的設備技術完善和改良更是中國鐵路改革的重中之重。轉向架是鐵路車輛的承重部件，鐵路車輛列車運行中，轉向架經常出現燃軸、切軸的現象，故障集中表現在轉向架軸承上，也一度導致轉向架軸承成為了鐵路機車車輛易損件之一。因此，轉向架軸承的運行狀態成為了影響機車車輛安全運行十分重要的影響因子。在鐵路列車運行速度不斷提升的背景下，對燃軸、切軸故障的防控提出了更高的要求。本文重點研究機車車輛軸承狀態監測與故障診斷系統。

1? 軸承故障診斷的意義

機車車輛軸承在運行工況下，承受其規定的工作載荷，同時必須保證其能達到一定的轉速和壽命。對機車車輛軸承故障診斷的目的是保證軸承在其工作過程中，能夠實時的對軸承的各種性能和指標進行監控，當軸承出現異常或者故障時，能夠更早的發現，通過及時的干預，對軸承出現的故障進行預防和處理，通過對軸承進行必要干預，保障鐵路車輛軸承運行的安全、穩定和可靠，盡最大限度的降低因為軸承故障導致的損失，使軸承能夠盡可能的發揮其作用。同時可以為軸承檢修要求提供一定的指導，有助于在合理的區間內挖掘鐵路車輛軸承的潛力，延長鐵路車輛軸承的運營時長服役壽命，降低鐵路車輛軸承的整體費用。通過對鐵路車輛軸承實時監控、異常判斷和健康狀態評估，為鐵路裝備的結構優化、設計提升和工藝設計提供珍貴的數據信息和理論支撐。相應的，機車車輛軸承故障診斷就是通過對機車車輛軸承運行過程中的振動信號進行采集、整理和干預來診斷軸承的狀態。

2? 軸承故障診斷過程

運用車輛軸承振動監測法，通俗的講，通過對鐵路機車車輛軸承運行過程中振動信號的收集、解析和處置的過程就是對該軸承進行故障診斷的過程。通常情況下，軸承故障診斷過程包含振動收集、特性提取、形態辨別、故障分析和主動干預等五個階段。

振動收集：依照機車車輛軸承當前的工況環境，收集能夠科學的表征機車車輛軸承運行狀態的振動信號。

特性提取：主要利用數學模型工具，離散傅氏變換的快速算法、小波變換、相關函數及功率譜等信號處理技術，利用一定的數學方法對機車車輛軸承的振動信號進行解析與處置，提取出能夠科學的表征機車車輛軸承運行情況的信息。

形態辨別：依照提取的特性情況，采用科學的異常識別的方法對機車車輛軸承進行識別，快速的對機車車輛軸承的運行狀態進行簡要的識別。具體的識別方法有很多種，可根據信號形態和工具進行選擇。

故障分析：當機車車輛軸承出現異常時，對異常或者故障進行全方位的分析，包括故障發成的原因，故障發生的部位，故障的性質，故障發生的具體部位等。

主動干預：通過對機車車輛軸承故障的分析，預判軸承故障是否存在擴大化的趨勢，主動做出對機車車輛軸承做出相關動作，進行人為的干預。

系統的五個階段過程如圖1。

3? 軸承故障診斷系統的設計結構

機車車輛軸承故障診斷系統擁有振動信號收集、信號整理、信號解析、故障診斷等主要功能。機車車輛軸承故障診斷系統硬件結構如圖2所示，實現的是一個基于因特爾微控制器的鐵路車輛軸承振動故障診斷系統。按照硬件的劃分，軸承振動故障診斷系統主要由信號采集模塊和信號處理模塊兩部分組成。

機車車輛軸承故障診斷系統主要用于對鐵路車輛轉向架軸承振動信號的收集、整理、處置和故障判定。通過高速模數轉換器進行數據的收集，能夠為數據分析過程提供充足的數據量，分析各種數據標的。

在機車車輛軸承故障診斷系統中，對故障進行分析和處置執行由計算機完成，而計算機只能對數字信號進行相應的處理和分析，所以，必須將軸承運行過程中收集的振動信號轉化為數字信號。為了將振動信號轉化為數字信號，需要多個電子元器件協同運轉方可實現，包括振動傳感器、電荷放大器、模數轉換器和程控放大器等。振動傳感器將機車車輛軸承運行過程中的振動信號收集，同時以電信號的形式傳遞給信號整理元器件。信號整理元器件將振動傳感器傳遞來的電壓或電流信號進行必要的整理，最后再由模數轉換器轉換得到適合計算機計算的數字信號。

4? 傳感器的選用布置

機車車輛軸承故障診斷系統選用的振動傳感器為壓電式加速度傳感器。這種傳感器可以接受的工作頻帶較寬，安裝門檻低，對操作工人進行簡單的培訓即可完成安裝，同時傳感器重量較輕，能夠有效的減小簧下重量，故障率低且工作壽命長。同時該傳感器有成熟統一的國際標準，與其他元器件有很好的兼容性，可以方便地與電荷放大器、阻抗變換器配套使用。

在每個軸承的軸承座上，振動傳感器有其標準的安裝位置，傳感器頭部與軸承接觸，每條輪對的軸承座上都安裝有多個傳感器，分別為CH1、CH2、CH3、CH4，包括兩個縱向，分別為CH1、CH2;兩個橫向，分別為：CH3、CH4;四個傳感器同時對機車車輛軸承的振動信號進行收集。傳感器通過線纜連接到接線盒，進而連接到后續元器件，必須對傳感器線纜進行固定，以避免其它振動信號對真實信號形成干擾。圖3為壓電式振動傳感器安裝示意圖。

5? 信號整理元器件

5.1 電荷放大器

壓電式傳感器有一個非常明顯的缺點，就是它的輸出信號非常弱，因此必須用特殊放大器將信號放大。電荷放大器就是能夠滿足系統需求的一種特殊放大器，其一：電纜線的長度對電荷放大器的影響很小，實際運用中不用擔心電纜分布電容對電荷放大器的影響，可以按實際需求設計電纜線長度。其二：加速度計的低頻效應僅取決于放大器的低頻效應，因此可用于低頻或超低頻的振動測量。

5.2 程控放大器

一般放大器對電流電壓的放大倍數僅由硬件決定，但程控放大器的大倍數可以由軟件控制。在放大器的輸入端輸入不同的控制命令，將控制放大器中不同的電阻的接入，得到的放大倍數也就不同。通過調整到輸入控制命令，就能將信號放大到最需求的倍數，這樣可以為后續的模數轉換器轉換電路提供較高的輸入值，可以充分利用其轉換精度，提高分辨率。

5.3 帶通濾波器

帶通濾波器可以有效濾除高頻波和低頻波，消除高頻波和低頻波對信號的干擾，機車車輛軸承故障診斷系統選用的貸通濾波器為雙二階帶通有源濾波器。

6? 結語

近年來，國家對鐵路建設的投資不斷增長，鐵路機車車輛能否安全穩定的運行關乎國家經濟發展的命脈。本文作者多年從事鐵路機車車輛軸承的研究工作，有著豐富的工作經驗。本文主要闡述了機車車輛軸承故障診斷系統的總體機構，詳細闡述了幾個重要元器件的工作原理，能夠為專業從業者提供一定的幫助，提升我國鐵路機車車輛的設計制造水平，為國家經濟建設貢獻自己的一份力量。

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