南昌鐵路局福州車輛段　林能祥

聲音診斷技術(shù)在鐵路客車滾動(dòng)軸承檢修中的應(yīng)用

南昌鐵路局福州車輛段林能祥

該文首先介紹聲學(xué)診斷系統(tǒng)的原理、技術(shù)方式，闡述、分析了鐵路客車滾動(dòng)軸承的組成、工作原理、故障模式，分析了聲音診斷技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式和關(guān)鍵性技術(shù)，探討了聲學(xué)診斷技術(shù)在鐵路客車滾動(dòng)軸承檢修中的應(yīng)用。

聲音診斷系統(tǒng)鐵路客車滾動(dòng)軸承故障模式噪聲采集

聲音診斷技術(shù)作為一種先進(jìn)的探測(cè)診斷技術(shù)，在航空航天、鐵路客車滾動(dòng)軸承故障軌邊聲學(xué)診斷系統(tǒng)（TADS）等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。在鐵路客車滾動(dòng)軸承檢修中利用聲學(xué)診斷系統(tǒng)的裝置對(duì)旋轉(zhuǎn)的滾動(dòng)軸承進(jìn)行噪聲采集分析，從中發(fā)現(xiàn)軸承的故障，并對(duì)故障進(jìn)行判斷，從而實(shí)現(xiàn)專業(yè)的檢修，提高軸承檢修質(zhì)量。

1　聲學(xué)診斷技術(shù)概述

聲音診斷系統(tǒng)技術(shù)主要包含聲學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)、鐵路客車滾動(dòng)軸承故障檢修的基礎(chǔ)知識(shí)，故障診斷中的信號(hào)處理方式。

在鐵路客車滾動(dòng)軸承檢修中，采用聲學(xué)診斷技術(shù)和計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，對(duì)輪軸組裝前的鐵路客車滾動(dòng)軸承的軸承擦傷、軸承凹痕、軸承壓痕、軸承磕碰傷、軸承劃傷，工程塑料（塑鋼）保持架機(jī)械性損傷，劃傷、磕傷、毛刺等進(jìn)行診斷預(yù)報(bào)，保證鐵路客車滾動(dòng)軸承的檢修質(zhì)量。

為了保證對(duì)軸承故障的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，在開(kāi)發(fā)聲音診斷技術(shù)監(jiān)控軟件時(shí)采用集中報(bào)警、實(shí)時(shí)監(jiān)控的模式，軟件對(duì)檢測(cè)設(shè)備的狀態(tài)、軸承故障預(yù)報(bào)和實(shí)時(shí)報(bào)警情況、檢修處理等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了客車滾動(dòng)軸承故障的預(yù)報(bào)、檢修、信息反饋的全程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)管理。

2　鐵路客車滾動(dòng)軸承故障形式

鐵路客車滾動(dòng)軸承是鐵路客車車輛的關(guān)鍵部件之一，其技術(shù)狀態(tài)直接關(guān)系到客車的運(yùn)行品質(zhì)和安全，因此從總公司到檢修單位對(duì)客車滾動(dòng)軸承的新造和檢修都非常重視，以保證滾動(dòng)軸承技術(shù)狀態(tài)良好。

2.1鐵路客車滾動(dòng)軸承的組成、工作原理

鐵路客車滾動(dòng)軸承一般由外圈、內(nèi)圈、滾動(dòng)體（滾子）、保持架等組成。目前鐵路客車中一般采用的是圓柱滾子軸承（其結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1）。

圖1　圓柱滾子軸承示意圖

鐵路客車滾動(dòng)軸承是以滑動(dòng)軸承為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的，其工作原理是以滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦，其功能是借助于在內(nèi)、外圈之間的滾動(dòng)體滾動(dòng)實(shí)現(xiàn)傳力和滾動(dòng)。內(nèi)圈緊配合于軸頸上，外圈與軸箱之間允許有少許的轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)內(nèi)圈隨軸頸轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)保持架與滾動(dòng)體轉(zhuǎn)動(dòng)，滾動(dòng)體一方面沿內(nèi)外圈滾道作公轉(zhuǎn)，另一方面繞自身軸心作自轉(zhuǎn)，它們之間的接觸點(diǎn)是在不斷變化的，零件之間沒(méi)有滑動(dòng)摩擦，其運(yùn)動(dòng)物體與支承物之間的接觸點(diǎn)是在不斷變化的摩擦，我們稱其為滾動(dòng)摩擦，鐵路客車滾動(dòng)軸承的摩擦就屬于這種摩擦。

鐵路客車滾動(dòng)軸承有徑向游隙和軸向游隙，以保證滾動(dòng)體能自由轉(zhuǎn)動(dòng)。保持架用以維持各滾動(dòng)體之間的位置，防止歪斜和相互碰撞，保證滾動(dòng)體能沿滾道均勻分布。滾動(dòng)體在軸承內(nèi)的兩個(gè)套圈之間來(lái)回滾動(dòng)，保持架幫助其均勻地排列，它的尺寸和數(shù)量直接關(guān)系到軸承的負(fù)載能力和性能。保持架除了將滾動(dòng)體均勻地分隔開(kāi)以外，還具有引導(dǎo)滾動(dòng)體的旋轉(zhuǎn)及改善軸承內(nèi)部的潤(rùn)滑性能等作用。

2.2故障模式及分析

滾動(dòng)軸承內(nèi)部缺陷主要分以下幾種：軸承麻點(diǎn)、軸承輾皮、軸承剝離、軸承擦傷、軸承燒附、軸承熱變色、軸承腐蝕、軸承凹痕、軸承壓痕、軸承磕碰傷、軸承劃傷、軸承裂損、電蝕、工程塑料（塑鋼）保持架結(jié)構(gòu)性損壞，如裂紋、破損、折斷、分層，工程塑料（塑鋼）保持架機(jī)械性損傷，劃傷、磕傷、毛刺等等。這些內(nèi)部缺陷的產(chǎn)生原因主要是滾動(dòng)軸承內(nèi)部或潤(rùn)滑脂中混有水、酸、堿類物質(zhì)，清潔度不夠，內(nèi)部含有金屬或其他雜物，受過(guò)大沖擊載荷的作用，粗魯作業(yè)相互碰撞而致。這些故障其中之一或者聯(lián)合發(fā)生時(shí)，會(huì)對(duì)軸承性能和使用安全性有嚴(yán)重影響，甚至威脅到客車的運(yùn)行安全。

3　聲音診斷技術(shù)在鐵路客車滾動(dòng)軸承檢修中的應(yīng)用

3.1應(yīng)用概述

目前聲音診斷技術(shù)在各行各業(yè)的應(yīng)用非常廣泛，包括用來(lái)診斷客車車輪的擦傷等。滾動(dòng)軸承不同形式的缺陷表現(xiàn)為在旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)發(fā)出不同的聲音，空載轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)轉(zhuǎn)速度越快，聲音越明顯。目前鐵路部門在客車滾動(dòng)軸承檢修中大部分都是靠人的肉眼來(lái)檢查軸承的缺陷，為了防止漏檢漏修，提高軸承檢修質(zhì)量，保證軸承運(yùn)行的品質(zhì)，在輪軸組裝前采用聲音診斷技術(shù)診斷軸承的故障或缺陷十分有必要。其方法是：將軸承套在已熱裝好內(nèi)圈的軸頸上，用手快速盤動(dòng)軸承外圈讓軸承快速轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，軸承旋轉(zhuǎn)就會(huì)發(fā)出一定的聲音。當(dāng)滾動(dòng)軸承面上產(chǎn)生缺陷時(shí)，軸承運(yùn)轉(zhuǎn)到缺陷部位就會(huì)產(chǎn)生沖擊振動(dòng)。這種沖擊振動(dòng)與正常情況下的振動(dòng)有所不同，具有很寬的頻率范圍，會(huì)激起軸承部件的共振，引發(fā)異常聲音。這種信號(hào)的特點(diǎn)是每個(gè)沖擊作用時(shí)間較短，時(shí)域能量不大，但頻率豐富，且沖擊具有周期性。由于各運(yùn)動(dòng)部件轉(zhuǎn)動(dòng)速度不同，因此沖擊周期也不同，產(chǎn)生的故障頻率、故障波形也不同。故障波形反映了其故障模式的具體形式。

3.2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

聲音檢測(cè)技術(shù)主要實(shí)現(xiàn)以下的功能：（1）首先進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、處理、分析、診斷；（2）判斷軸承故障缺陷的類型：外圈、內(nèi)圈、滾子或其它；（3）對(duì)軸承故障缺陷程度進(jìn)行預(yù)報(bào)；（4）數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)故障信息，生成軸承故障診斷報(bào)告。（5）對(duì)故障軸承進(jìn)行重新檢修。

3.3聲音診斷關(guān)鍵技術(shù)在鐵路客車滾動(dòng)軸承檢修中的應(yīng)用

3.3.1聲學(xué)傳感器的應(yīng)用

在先進(jìn)的聲學(xué)診斷技術(shù)中，采用單側(cè)六個(gè)聲學(xué)傳感器，每一個(gè)傳感器設(shè)計(jì)的有效區(qū)域?yàn)?.5m左右，并可相互交叉，從而保證軸承在探測(cè)區(qū)域內(nèi)傳感器接收到的軸承振動(dòng)信號(hào)都是連續(xù)的。傳感器與放大器之間采用了自適應(yīng)校準(zhǔn)技術(shù)，保證六個(gè)聲學(xué)傳感器接收到的信號(hào)靈敏度的一致性。將六個(gè)傳感器接收的信號(hào)進(jìn)行合成，這種信號(hào)合成技術(shù)在系統(tǒng)中也非常關(guān)鍵。聲學(xué)傳感器的陣列技術(shù)保證了軸承故障信號(hào)判別的全面性。

3.3.2系統(tǒng)濾波及抗干擾采集

軸承檢修環(huán)境的噪聲源很廣，有軸承本身振動(dòng)的聲音、空氣中的噪聲及其它噪聲。從多種復(fù)雜噪聲中提煉出軸承振動(dòng)的聲音是聲音診斷技術(shù)的關(guān)鍵之處。聲音診斷技術(shù)采用具有優(yōu)良指向性和低噪聲級(jí)的傳感器及高度保真放大、濾波、抗干擾信號(hào)采集等技術(shù)，有效提高了系統(tǒng)信噪比。

3.3.3智能化故障診斷

在各類復(fù)雜的噪聲中提取軸承故障聲音的信號(hào)對(duì)故障診斷的方法要求很高，在不同的轉(zhuǎn)速下，軸承的故障模式非常難被識(shí)別，需要采用先進(jìn)的智能化方法進(jìn)行識(shí)別，并通過(guò)大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)修正和完善。系統(tǒng)采用多級(jí)傅立葉變換，將接收到的信號(hào)進(jìn)行能量譜、功率譜分析，采用模糊診斷及小波形分析法等手段，建立數(shù)學(xué)模型；得出的數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)分析軟件中。最后根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中不同軸承的故障信號(hào)的頻率、能量和幅值等數(shù)值，診斷軸承的故障類型和故障等級(jí)程度。

3.3.4系統(tǒng)管理

通過(guò)建立數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)軸承故障的跟蹤判別，有效提高了預(yù)警的準(zhǔn)確度。數(shù)據(jù)庫(kù)收集大量的軸承故障數(shù)據(jù)，形成滾動(dòng)軸承故障診斷專家系統(tǒng)，數(shù)據(jù)更新時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整判別的模型，不斷為新的軸承故障提供分析依據(jù)。

4　結(jié)束語(yǔ)

利用聲音診斷技術(shù)對(duì)鐵路客車軸承的故障進(jìn)行檢測(cè)和判別，能有效提高軸承的檢修質(zhì)量，防止熱軸事故的發(fā)生，保證了旅客列車運(yùn)行的安全。

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