陳 冬 上海鐵路局車輛處

軸承故障是列車運行中的主要故障源之一，也是影響列車安全的最大根源。所以加強軸承的監(jiān)測和診斷，及時了解和掌握軸承的工作狀態(tài)，可以盡量發(fā)揮軸承的工作能力，避免或減少事故的發(fā)生，對列車的安全運行具有十分重要的意義。

1 背景及原理

為預(yù)防由軸承故障引起的事故，在我國鐵路主要干線上大量安裝了紅外線軸溫探測系統(tǒng)，形成了探測網(wǎng)絡(luò)，以便及時發(fā)現(xiàn)溫度過高的軸承，防止燃軸、切軸和脫軌事故，取得了很好的效果。但滾動軸承從故障發(fā)生到發(fā)熱燒損的過程比較漫長，一般情況下故障軸承并不表現(xiàn)出明顯的高溫，而一旦發(fā)現(xiàn)溫度過高就已經(jīng)到了故障的后期，如不及時停車處理，溫度將急劇上升并很快燒損。中途停車會降低鐵路運輸能力和經(jīng)濟(jì)效益，報警或處理不及時則仍有可能引發(fā)切軸、脫軌等重大事故，造成嚴(yán)重的行車中斷和經(jīng)濟(jì)損失，對鐵路的市場競爭力也帶來不良的影響。從全路的統(tǒng)計情況看，每年都有相當(dāng)數(shù)量的軸承處在“帶病服役”階段，在列檢中發(fā)現(xiàn)許多鐵路貨車軸承故障，實際上有些故障程度已經(jīng)很嚴(yán)重，但溫度并不高，對行車安全構(gòu)成較大的、潛在的威脅?？紤]到重載、快速運輸體系的發(fā)展及軸承工作環(huán)境的惡劣情況，利用聲學(xué)診斷技術(shù)，在故障軸承還沒有發(fā)熱之前及時發(fā)現(xiàn)軸承早期故障，可以有效地保障列車的安全，避免或減少由軸承引發(fā)的燃軸、切軸和脫軌事故。因此，車輛滾動軸承故障軌邊聲學(xué)診斷系統(tǒng)與紅外線軸溫探測系統(tǒng)相結(jié)合，可以有效地防止軸承故障帶來的安全隱患，保障鐵路運輸安全。

貨車滾動軸承早期故障軌邊聲學(xué)診斷系統(tǒng)(TADS)是5T系統(tǒng)的重要部分，采用聲學(xué)診斷技術(shù)和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過對運行中鐵路貨車軸承噪聲信號的采集和分析，識別軸承的工作狀態(tài)，對滾動軸承裂縫、破損等故障進(jìn)行在線診斷預(yù)報，可提供有效的軸承內(nèi)部早期故障診斷結(jié)果，在熱軸之前發(fā)現(xiàn)故障。由于系統(tǒng)采用了聲學(xué)傳感器陣列技術(shù)和多傳感器信號合成及定位技術(shù)，保證了系統(tǒng)對故障軸承診斷的可靠性和準(zhǔn)確性。利用故障軸承信號拾取技術(shù)和系統(tǒng)降噪技術(shù)及頻譜分析和小波形分析技術(shù)使得系統(tǒng)對故障軸承缺陷程度具有極高預(yù)報精度。該系統(tǒng)與車號自動識別系統(tǒng)結(jié)合，從而實現(xiàn)故障軸承的車號定位和軸位的自動定位。

2 TADS設(shè)備構(gòu)成及功能

圖1 TADS設(shè)備構(gòu)成圖

TADS設(shè)備構(gòu)成見圖1。軌邊設(shè)備是診斷系統(tǒng)的核心，由室外、室內(nèi)兩部分組成。室外部分設(shè)備主要包括聲音傳感器陣列、車輪傳感器、AEI地面天線等。①聲音傳感器陣列：聲音傳感器陣列是采集車輛軸承運轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的聲音信號的裝置。聲音傳感器陣列安裝在保護(hù)箱內(nèi)，并對稱立裝于軌道兩外側(cè)。聲音傳感器陣列保護(hù)箱具有抗震性，可適應(yīng)軌邊環(huán)境。保護(hù)箱還設(shè)有保護(hù)門，只有當(dāng)列車通過時才打開。②車輪傳感器：TADS地面探測站采用5個車輪傳感器。用卡具固定在軌底。其中2個用于聲學(xué)采集系統(tǒng)，另外3個用于AEI系統(tǒng)。車輪傳感器的作用是，當(dāng)列車接近時自動啟動聲學(xué)系統(tǒng)的采集程序，打開聲學(xué)傳感器陣列保護(hù)箱的保護(hù)門。同時，啟動AEI設(shè)備天線，進(jìn)行計軸、計輛車輪定位。③AEI地面天線：發(fā)射微波載頻信號，同時接受車載標(biāo)簽反射回來的調(diào)制信號，獲得車次、車號等信息。室內(nèi)部分主要有：通信、信號、電源防雷箱，聲學(xué)信號放大器箱，電源信號控制分配箱，信號采集處理工控機(jī)，HUB集線器、KVM轉(zhuǎn)換器，AEI識別設(shè)備等。

3 TADS運用

3.1 TADS運用概況

TADS采用網(wǎng)絡(luò)化管理模式，已安裝的TADS設(shè)備均實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)運行，探測站采集的預(yù)報數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)依次傳輸至節(jié)點服務(wù)器、鐵路局服務(wù)器、鐵道部服務(wù)器。在鐵道部設(shè)立全路貨車軸承運用狀態(tài)動態(tài)數(shù)據(jù)庫，一方面存儲鐵路貨車軸承故障的早期預(yù)報數(shù)據(jù)；另一方面，通過建立鐵路貨車軸承運用狀態(tài)檔案，對各類軸承運用性能進(jìn)行統(tǒng)計，綜合評價各類軸承的運用性能和可靠性，為今后鐵路貨車軸承發(fā)展，提供科學(xué)、合理、可靠的決策依據(jù)。在鐵路局設(shè)立局級服務(wù)器和查詢終端，可以掌握本鐵路局管轄范圍內(nèi)的各個TADS探測站的列車采集數(shù)據(jù)和軸承故障預(yù)報數(shù)據(jù)。在列檢作業(yè)場設(shè)立列檢復(fù)示終端，可以實現(xiàn)故障軸承的自動報警，便于對故障軸承及時檢查、處理和信息反饋。設(shè)立車輛段復(fù)示終端，可以實現(xiàn)對故障軸承的在線監(jiān)控和分解情況的信息反饋。歷年的TADS探測及故障軸承預(yù)報情況參見表1。

表1 2005～2008年TADS探測及故障軸承預(yù)報情況表

3.2 TADS運用管理標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)TADS單次預(yù)報軸承一級故障時，由現(xiàn)場檢車員對預(yù)報軸位進(jìn)行檢查確認(rèn)。當(dāng)同一軸承連續(xù)預(yù)報一級三次及以上，或同一軸承連續(xù)五次通過探測站，其中預(yù)報一級三次及以上，或同一軸承連續(xù)六次通過探測站，其中預(yù)報二級三次及以上，或同一軸承連續(xù)八次通過探測站，其中預(yù)報三級五次及以上時，系統(tǒng)自動彈出扣車預(yù)報對話框，現(xiàn)場檢車員要對預(yù)報軸位進(jìn)行檢查確認(rèn)，現(xiàn)場檢車工長要對現(xiàn)場檢車員認(rèn)定無故障軸位進(jìn)行復(fù)核。

3.3 TADS預(yù)報處理

(1)TADS值班員負(fù)責(zé)將系統(tǒng)預(yù)報故障向列檢值班員報告，列檢值班員負(fù)責(zé)將系統(tǒng)所有預(yù)報故障按輛為單位向現(xiàn)場檢車人員進(jìn)行預(yù)報，現(xiàn)場檢車人員負(fù)責(zé)對系統(tǒng)預(yù)報故障進(jìn)行全數(shù)檢查確認(rèn)，并將檢查確認(rèn)結(jié)果向列檢值班員報告，向動態(tài)檢車組進(jìn)行反饋，由TADS值班員將檢查確認(rèn)結(jié)果錄入各系統(tǒng)中。

(2)對TADS單次預(yù)報軸承一級故障的鐵路貨車和TADS系統(tǒng)自動彈出對話框的扣車預(yù)報鐵路貨車，TADS值班員要立即將車次、車號、輛序、軸位等情況經(jīng)動態(tài)檢車組長向列檢值班員報告；由列檢值班員通知現(xiàn)場檢車員；由現(xiàn)場檢車員對單次預(yù)報鐵路貨車和扣車預(yù)報鐵路貨車進(jìn)行檢查確認(rèn)；現(xiàn)場檢車工長要對現(xiàn)場檢車員認(rèn)定無故障的扣車預(yù)報鐵路貨車進(jìn)行復(fù)核；現(xiàn)場檢車員要將所有預(yù)報鐵路貨車的檢查確認(rèn)結(jié)果向動態(tài)檢車組進(jìn)行反饋，由TADS值班員錄入TADS。對存在故障鐵路貨車按有關(guān)規(guī)定辦理扣車手續(xù)，并在軸承外圈的正下方粘貼不干膠標(biāo)志，注明“TADS故障”字樣，將故障車輛調(diào)至站修作業(yè)場后進(jìn)行換輪處理；故障輪對送至車輛段檢修車間進(jìn)行軸承退卸處理，檢修車間對軸承退卸分解后發(fā)現(xiàn)的故障進(jìn)行拍照存檔，由車輛段安排專人匯總軸承故障類型及照片，15日內(nèi)補錄入TADS。

3.4 TADS運用實例

表2 TADS預(yù)報扣車實例

表2是一例存在大面積剝離的內(nèi)圈故障的軸承，車號為4920541的鐵路貨車于2006年9月19日18：18通過隴海線赤水探測站時，TADS通過對其聲音的采集和分析，預(yù)報該鐵路貨車的A5軸承存在內(nèi)圈故障，并進(jìn)行扣車報警。對該鐵路貨車進(jìn)行換輪處理后，經(jīng)過軸承退卸分解，確認(rèn)該軸承確實存在內(nèi)圈缺陷，在反饋的軸承分解照片上可以清晰地顯示出該軸承內(nèi)圈存在大面積剝離缺陷。通過對該故障軸承的聲音圖譜進(jìn)行分析也可以發(fā)現(xiàn)其高頻段的軸承故障聲音特征不同于普通的內(nèi)圈故障聲音特征，出現(xiàn)了波形混疊的現(xiàn)象，造成聲音圖譜中不具有內(nèi)圈故障典型的沖擊階段和沖擊間隔特征，這就是由于內(nèi)圈存在大面積剝離，沖擊面積過大造成的。

4 小結(jié)與展望

TADS在中國鐵路運用以來發(fā)現(xiàn)了大量的存在早期故障的軸承，這些危害行車安全的軸承得到及時處理后，大大降低了熱軸事故，對于防止列車脫線、車輛切軸事故發(fā)生及確保行車安全起到了非常重要的作用。

TADS的應(yīng)用前景非常廣闊，還在不斷深化和完善過程中，可以指導(dǎo)鐵路貨車檢修，可以建立鐵路貨車滾動軸承專家系統(tǒng)，還可以開發(fā)TADS配套檢測及標(biāo)定設(shè)備。