货车滚动轴承早期故障轨边声学诊断系统
摘要:货车滚动轴承早期故障轨边声学诊断系统,是一种基于声学诊断原理开发的故障诊断装置,用于发现货车滚动轴承的早期故障,声学传感器安装在轨道旁。该装置利用声学传感器拾取轴承的声音(噪声)信号,采用特定的信号分析技术,可以从时域、频域或幅域提取出轴承的故障特征,再应用各种模式识别方法,就能够实现滚动轴承的故障诊断。
关键词:轴承 早期故障 声学 信号 1 前言 货车滚动轴承早期故障轨边声学诊断系统英文为Trackside Acoustic Detector System,简称为TADS。TADS采用声学诊断技术和计算机网络技术,通过对运行中货车轴承噪声信号的采集和分析,识别轴承的工作状态,可提供有效的轴承内部早期故障诊断结果,在货车动态运行中发现故障。作为铁路运输安全的监测设备,其无故障运行及故障处理的快速性至关重要。这是一项高新技术在铁路行业应用的重要成果,为实现我国铁路跨越式发展和安全技术装备现代化发挥重要的作用。它与红外轴温探测系统相结合,共同构成货车轴承的安全保障系统,能更加有效地防止切轴和脱轨,提高轴承故障的防范水平,使列检对滚动轴承的检查,从人判为主逐步过渡到人机结合、机判为主的阶段。轨边声学诊断系统增强了轴承的预警能力,将防范关口前移,体现了“预防为主”的安全指导思想,使行车安全性更高。从而确保行车安全,提高铁路运输的效率和服务水平,增强市场竞争力。 2 原理 滚动轴承是货车走行部的关键部件,其基本结构主要由外圈、内圈、滚动体和保持架四部分组成。内圈通常装配在轴径上,并与轮轴一起旋转,外圈通常装配在轴箱或轴承座内,起支撑作用,滚动体在内圈和外圈之间,当轴径与内圈一同相对外圈旋转时,引导滚动体一方面绕其轴心自转,另一方面绕内外圈滚道滚转。滚动体的大小与数量决定轴承的承载能力。保持架的作用是使各滚动体均匀分布,防止相互碰撞摩擦,并在一定程度上引导滚动体保持良好运转状态。 造成滚动轴承内部缺陷或故障的原因很多,主要与轴承制造质量、非正常的承载和不良的维修保养有关。滚动轴承内部缺陷主要分以下几种:裂损、碾皮和剥离、麻点、划伤与凹痕、擦伤与烧附、腐蚀与电蚀等。当轴承部件的滚动工作面上出现故障时,在轴承运转中滚动体碾压到故障部位,就会产生冲击振动,这种冲击振动与正常情况下的振动有所不同,具有很宽的频率范围,常能激起轴承部件的共振,引发异常声音。这种信号的特点是每个冲击作用时间较短,时域能量不大,但是频率丰富,而且冲击具有周期性。TADS系统采用了声学传感器阵列技术和多传感器信号合成及定位技术,保证了系统对故障轴承诊断的可靠性和准确性。利用故障轴承信号拾取技术和系统降噪技术及频谱分析和小波形分析技术使得系统对故障轴承缺陷程度具有极高预报精度。该系统与车号自动识别系统结合,从而实现故障轴承的车号定位和轴位的自动定位。 3 结构 TADS系统主要由地面探测站、节点服务器、铁路局服务器、铁道部服务器、复示终端组成。TADS地面探测站是TADS诊断系统的核心,分为室外、室内两大部分。 TADS室外设备主要包括声学传感器阵列及保护箱、TADS车轮传感器、AEi天线、AEI车轮传感器等设备。 声学传感器陈列放置在一个特殊设计的保护箱内,保护箱具有抗震、防水和灰尘功能,箱内装有风扇和保护门,保护门只有列车通过时才打开,可适应轨边环境。 声学传感器用于拾取车辆轴承运转产生的声音信号,采用指向性设计,直接朝向轴承,具有很好的声学波瓣图,能够减少其它噪声影响。 TADS车轮传感器,用卡具固定在钢轨上,当列车接近时,实现自动启动TADS系统,用于车轮定位、计轴和测速等。 地面AEI天线,发射微波信号,同时接收标签反射回来的已调制信号,读取列车车次、货车车号等信息。 TADS的室内设备包括UPS电源和设备机柜。设备机柜里有三台工控机、SIPS箱、远程电源控制箱、放大器箱、AEI主机、防雷箱、KVM箱、HUB箱等设备。 主处理计算机协同两台采集计算机同步工作,对判别的轴承故障数据进行综合评价分析,存储数据,并完成与上位机的通讯。 防雷箱,是对各种传感器信号、通信信号、控制电源信号进行抗雷电冲击及抗浪涌保护的装置,所有与室外连接的信号和电源均具有防雷和隔离。 4 轴承预报及处理 TADS探测站自动进行数据采集,当列车接近TADS设备时,车轮传感器感应到列车到达,TADS设备自动启动,保护门开启,远、近端工控机数据采集处理软件复位,进入信号采集状态,列车通过后,保护门自动关闭,远、近端工控机数据采集处理软件完成对车轮传感器信号和声音采集信号的处理后,利用评判模型,进行轴承故障分析和诊断,并形成探测数据,发送至主处理计算机。主处理计算机接收到远、近端工控机形成的探测数据,综合AEI采集数据,形成TADS探测报文,通过FTP方式发送至铁路局5T服务器。铁路局5T服务器上的“TADS接口报文生成软件”处理TADS探测站报文,并形成标准协议的接口报文,通过JWMQ方式发送至铁道部5T服务器。5T服务器对通过列车的每一个轴承的探测数据进行分析,对轴承的运行状况进行级别评定和故障诊断。探测到的轴承故障信息提供给各监控、复示及查询终端。TADS建立数学模型,根据货车运行速度、轴承震动频率、轴承运转噪声、轴承故障类型进行后台分析。TADS预报故障类型分为:外圈、内圈、滚子、其它;预报故障级别分为:一级、二级、三级。 TADS系统采用网络化管理,实现对经过探测站的货车轴承的运用状态实行联网评判,可以进一步提高预报的准确性和可靠性。通过TADS系统联网评判,达到扣车标准的报警轴承,列检复示终端自动进行报警提示,该车辆到达前方列检所后,现场检车员要对预报轴位进行检查确认;现场检车工长要对现场检车员认定无故障轴位进行复核。 现场检车人员负责对系统预报故障进行全数检查确认,并将检查确认结果向列检值班员报告,向动态检车组进行反馈,由动态检车员将检查确认结果录入系统中。 在检查结果反馈中填写为换轮的故障轴承要求必须进行分解,并在15日之内填写分解结果反馈信息,否则按逾时记录。 5 结语 货车滚动轴承早期故障轨边声学诊断系统目前已安装50多套,设备的运行和预报实现了网络化,通过联网达到了对铁路线路上运行的货车进行实时监控。每年全路联网预报了很多故障轴承,充分证明该系统可以实现滚动轴承早期故障的实时监测。TADS系统形成网络对综合评价各种轴承运行状态和质量,为铁路车辆制造和检修提供科学、合理依据。