车辆检测技术——货车滚动轴承早期故障轨边声学诊断系统.doc

第十二章 货车滚动轴承早期故障轨边声学诊断系统   货车滚动轴承早期故障轨边声学诊断系统（TADS）是铁路车辆安全防范预警系统的重要组成部分，是保证铁路运输安全，防止列车脱线，车辆切轴的重大技术装备设备。系统采用声学技术和计算机技术，对运行列车滚动轴承裂缝、破损等故障进行在线、早期诊断预报，确保行车安全。目前，中国铁路运营里程近7万多公里，货车近60万辆，干线运行的几乎都是滚动轴承车辆。滚动轴承出现故障到轴承发热有一个过程。但轴承发热到热切非常快。红外线轴温监测系统采用的是红外辐射原理,只有轴承发热才能探测到。而滚动轴承早期故障轨边声学系统是车辆轴承还没有热轴时，就能诊断出故障，做到轴承故障早期发现，早期预报。将车辆轴承故障的防范关口比红外线提前一个阶段。该系统与红外轴温监测系统结合，可对低温热轴进行预报，大大提高热轴预报的准确率和兑现率，对运输安全提供可靠保障 第一节    货车滚动轴承早期故障轨边声学诊断系统介绍一  系统的工作原理1 滚动轴承在运转中的振动、声音信号的分析滚动轴承主要由内圈、外圈及滚动体组成。滚动轴承在旋转时必然会发生振动，这种振动是由几种振动合成的，它主要与轴承转动体的固有振动和轴的振动等有关。在轴承无故障时，轴承在旋转时表现出来的振动主要是由转动面的光洁度和波纹度引起的；在轴承发生故障时，转动面劣化，转动体通过损伤部分时，由于冲击现象而发生极快速的冲击振动。我们通过检测这样的振动声音信号，便可进行针对故障的滚动轴承的早期诊断。滚动轴承具有以外圈的弯曲固有振动为代表的几种固有振动。它与内圈滚动面的凹凸不平有关联的轴承振动频率一起构成了滚动轴承的固有振动频谱，在轴承运转过程中，存在以下振动:（1)由表面粗糙引起的振动。滚动轴承的滚动面镜面一样，虽然存在着形位公差和微小的不规则的凹凸不平，轴承在转动时，由于内外圈与滚动体的弹性接触及凹凸不平的相应微小交替变化产生振动，但其振动声音的振幅是很小的。但   如果由于润滑不良和混入异物等原因而发生表面粗糙样的损伤。则整个滚动面劣化，表面的凹凸不平变大，其相应的振动力也增大，所以，因表面粗糙而产生的振幅相应增加。（2)因剥落故障引起的振动。滚动轴承的内外圈及滚动体，常因材质疲劳而产生表面局部剥离或裂纹。轴承旋转时，转动体与缺陷部分相冲击，产生了冲击加振力，这个冲击加振力便使轴承的振动系统产生激振，每次冲击时就产生冲击振动。由于加振力是冲击性的，对表面粗糙和表面正常的轴承一样，都具有宽频成分的频谱。因此由剥落、裂纹等原因产生的振动频率也为宽频率。而且随着轴承的运转，故障冲击力将周期性地发生，而且每次冲击作用都将激起轴承系统的共振，这种高频振动的幅值受到脉冲激励的调制而形成一调幅波。产生缺陷的元件不同，这种冲击的周期不同。2 系统的工作原理TADS是在轨边安装声学传感器阵列对高速运行列车的车辆轴承的振动声音信号进行采集，采用现代声学诊断技术，将时域信号进行能量谱、功率谱分析，采用模糊诊断及小波分析等理论，建立复杂的数学模型和越来越完善的专家系统，根据不同的轴承故障信号频率、能量、幅值和相关的车速、荷载的因素，判别出各种不同的轴承故障类型和故障缺陷程度，从而实现对滚动轴承早期故障进行预警、防范、保证行车安全。（1）声音传感器的设置根据铁路车辆轴承的运行机理及轴承的尺寸，准确、全面地采集轴承任何部位发生故障产生缺陷时所产生的振动声音。声学传感器的作用区域应大于6.5m。若采用单独的声学传感器，在这么大的指向区域内保持接收信号灵敏度的一致性是很困难的，而且难以区分是哪一个轴承发出的声音。TADS采用两侧各6个声学传感器阵列，每个声学传感器指向性设计的有效区域为1m左右，并相互交叉，保证了某一个轴承在探测区域内传感器接收的轴承振动信号是连续的。系统采用测速、测距等技术来区分不同轴承信号在某个传感器作用区域的声音信号，最后，将6个传感器的信号合成，形成每个轴承的声音信号，为了保证6个声学传感器接收信号灵敏度的一致性，系统还采用了自适应校准技术，对传感器进行自适应校准。由于采用了传感器阵列技术，使得系统对轴承信号拾取更加全面和准确，保证了系统对故障轴承诊断的可靠性和准确性。（2）.故障轴承的车号定位和轴位的自动定位在TADS系统中，还加入了车号自动识别设备（AEI），在轴承故障预报的同时，将故障轴承的车号和轴位信息直接传送到上位机。轴承在车辆中的定位是根据标签的安装位置定义的，与列车运行的方向无关。轴承位置的定义图12-1所示：图12-1 轴承位置定义图 二 系统主要技术性能及功能1 性能自动检测通过列车滚动轴承的滚子、内套、外套等故障。预报等级：5级。适应车速：30-110KM/H（最好40-80KM/H）。自动计轴、计辆和测速。检测精度：预报准确率>97%。预报的故障轴承的车号和轴位的自动定位。自动识别列车车次、车号信息。自动跟踪故障轴承的发展趋势。2 数据库统计功能自动建立全路车辆滚动轴承运行状态数据库和各种轴承故障的档案数据库，通过收集大量的数据，建立滚动轴承早期故障诊断专家系统，自动调整系统判别模型，综合评价各种轴承运行状态和质量，为铁路车辆的制造和检修提供科学、合理依据。系统自检和远程维护、升级和监控功能三 组网方式及数据传输TADS采用远程检测，数据集中，联网运行，信息共享的运行模式，所有轨边设备联网运行。系统由一个采集和三个应用共四层面个组成。 1 TAD探测站设备  TAD探测站设备是TADS诊断系统的核心，具有数据采集、计轴计辆、车次车号自动识别、故障判别、故障定位等功能。他采用专用工控机系统，及Windows 2000操作系统，具有强大的网络功能，运行稳定，易于使用。2 基层服务器  基层服务器是TADS网络的关键部分。对所管辖的TADS设备进行通讯管理，接收轨边设备过车报文数据，进行分析处理，建库管理，将有关报文传送给分局红外监测中心，厂（段）复示终端和列检所复示终端，并上传铁路局服务器和铁道部中央数据库。服务器采用 具有NT内核的Windows 2000 操作系统，运行稳定，易于使用。数据库采用Oracle 8i大型数据库，可增强本系统的稳定性，并且与铁道部现有的其他系统使用的数据库一致，便于数据库的日后维护和数据共享。3 路局服务器  对管辖的分局TADS设备进行数据查询，设备运行状态监控。4 铁道部中央数据库  建立全路车辆滚动轴承运行状态数据库和各种轴承故障档案数据库，通过收集大量的数据，建立滚动轴承早期故障诊断专家系统，自动调整系统判别模型，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。铁道部中央数据库、路局服务器、分局服务器，通过接入机关办公网，利用TMIS主干网实现互联。传输数率在2Mb/s以上。厂（段）复示终端、列检所复示终端，TADS轨边设备与基层服务器之间采用专线数据传输，利用TCP/IP通讯协议，系统所有联网节点设定相应的IP地址，传输数率在9600b/s以上。 第二节TADS轨边设备硬件工作原理一声学信号的获取根据铁路车辆轴承的运行机理及轴承的尺寸，车轮旋转2周，轴承滚动体旋转1周的特点，对于轴承内部任何某一部位发生故障产生缺陷时要全面、准确地拾取故障轴承所产生的振动声音。声学传感器的指向区域大约在6.5m左右。若采用单独的声学传感器，在这么大的指向区域内保持接受信号灵敏度的一致性是不可能的，从而难于对轴承故障的准确判断。为此，TADS采用单侧6个声学传感器阵列，每个声学传感器指向性设计的有效区域为1.1m左右，并相互交叉，保证了某一个轴承在探测区域内传感器接收的轴承振动信号是连续的。由于采用6个传感器，就要求6个声学传感器接收信号的灵敏度一致，因此系统采用了具有在每个传感器与放大器之间采用自适应校准技术保证了6个声学传感器接收信号灵敏度的一致性。由于采用6个传感器对于某一个轴承来说需要将6个传感器接收的信号进行合成，这种信号合成技术也是此系统的关键技术。对于相邻轴承同时进入声学传感器阵列探测区，该系统采用测速、测距等技术来区分不同轴承信号。由于采用了传感器阵列技术，使得系统对轴承信号拾取更加全面和准确，保证了系统对故障轴承诊断的可靠性和准确性。图12-3和图12-4是某一个轴承通过声学传感器MC1MC6时的时间及波形，将每个传感器的声音信号分成T1到T6段，则该轴承的合成信号为MC1MC6所对应的时间段T1T6的合成。 MC1 MC2 MC3 MC4 MC5 MC6   T1 T2 T3 T5 T6列车运行方向图12-3 轴承声音合成示意图实际的波形如下图所示：图12-4 轴承声音合成波形图传感器和放大器采用B&K公司的B&K4938（传感器）、B&K2670（前置放大器）和B&K2690（多路智能信号放大处理单元），B&K2690是一个多功能的智能声音信号处理单元，可由用户和软件设定其输出的灵敏度、滤波方式及参数、提供给传感器的工作电压等，特别是与B&K4938、B&K2670配合实现自校准功能。信号采集采用Microstar Laboratories公司的智能数据采集卡Idsc 1816，该卡插在计算机中，总线为PCI总线方式。功能是将采集的信号采集到计算机中，使能够形成计算机可以处理的数据信息。该采集卡除了具有数据采集的功能之外，还包括专用的数据处理系统，包括2个DSP处理器和一个具有专用的32位板上操作系统的板上计算机系统，根据要求可以完成声音信号的抗混叠滤波、声音处理等高级功能。在本系统中，数据采集卡的1-6通道为声学传感器的输出信号，7和8通道为车轮传感器的信号。二 车轮传感器信号的处理   如图12-6所示，TADS系统声学部分采用两个车轮传感器，他们首先经防雷处理后，进入SIPS箱，经放大滤波后接入A/D卡的第7、8通道，由计算机采集后进行分析处理，判断每个车轮通过的时刻，并进行计轴处理。图12-6 车轮传感器信号的处理示意图三 传感器保护箱的控制电路如图12-7所示，根据传感器的设置距离和安装的实际情况，两个传感器放置在一个保护箱内，保护箱具有抗震性，箱内装有风扇以防水和灰尘，适应轨边环境，箱内设有保护门，只有在列车通过时才打开。保护门由计算机通过I/O卡向SIPS箱内的单片机发布开门和关门命令，单片机则实时监测保护门的状态（保护门上设有传感器接近开关），根据计算机的命令，对保护门进行控制，同时将保护门的状态反馈给计算机。控制的方式是控制保护门电机的工作电压的接通和极性。平时，保护门关闭，单片机断开保护门电机的电源，当有列车通过时，计算机发布开门命令，单片机给保护门电机一个正电压，保护门打开，并关断风扇电源，单片机监测到保护门已经打开，马上断开保护门电机电源，并同时通知计算机，保护门已经打开，当列车已经通过后，计算机发布关门命令，则单片机给保护门电机一个负电压，保护门关闭，并打开风扇电源，当单片机监测到保护门已经关闭，马上断开保护门电机电源，并同时通知计算机，保护门已经关闭。图12-7 传感器保护箱的控制电路         四 轨边设备的信号隔离和防雷轨边设备的信号隔离和系统防雷，采用专用防雷模块，所有与室外连接的信号和电源均具有防雷和隔离。轨边设备的信号隔离和防雷结构如图12-8所示：计  算  机                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              信 号 转 换