摘要：動車組滾動軸承故障軌邊聲學(xué)診斷系統(tǒng)（Trackside Acoustic Detection System ， TADS），該系統(tǒng)的主要功能是，利用軌邊聲學(xué)檢測裝置對通過該設(shè)備的動車組進(jìn)行噪聲的采集與分析，發(fā)現(xiàn)滾動軸承的早期故障。TADS系統(tǒng)利用軌邊聲學(xué)檢測及計算機(jī)診斷技術(shù)，對運(yùn)行列車滾動軸承的振動聲音信號進(jìn)行采集分析，并根據(jù)軸承不同部位的故障預(yù)先建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，判斷軸承內(nèi)套、外套、滾柱等主要部位的裂紋、剝離、磨損、侵蝕等故障，從而實現(xiàn)滾動軸承早期故障的在線診斷。

關(guān)鍵字：TADS；動車組；聲學(xué)；軸承

中圖分類號：U270 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1.動車組TADS簡介

隨著中國動車組保有量的不斷增加及動車使用年限的不斷增長，高速鐵路的行車安全成為影響動車事業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵問題。然而，在國內(nèi)，對于動車組動態(tài)監(jiān)測的設(shè)備依然十分匱乏。動車組滾動軸承故障軌邊聲學(xué)診斷系統(tǒng)正是在多年貨車滾動軸承故障軌邊聲學(xué)診斷系統(tǒng)研發(fā)及應(yīng)用經(jīng)驗的經(jīng)驗上，針對動車組設(shè)備運(yùn)行及機(jī)械特點(diǎn)創(chuàng)新發(fā)展而來。

動車組TADS安裝于動車組運(yùn)行正線，利用軌邊聲學(xué)采集裝置，對高速通過的動車組滾動軸承進(jìn)行動態(tài)實時檢測，發(fā)現(xiàn)滾動軸承常見的內(nèi)圈、外圈、滾子可能存在的麻點(diǎn)、剝離、劃傷、變色等軸承故障，并根據(jù)故障嚴(yán)重情況進(jìn)行分級預(yù)報。

2.動車組TADS必要性

在動車組高速運(yùn)行情況中，輪對軸承一旦發(fā)生故障就會迅速發(fā)展，若沒有及時進(jìn)行發(fā)現(xiàn)，會導(dǎo)致熱軸、燃軸、切軸事故的發(fā)生，因此需要對輪對軸承進(jìn)行在線檢測與故障診斷，以減少或杜絕事故的發(fā)生，最大限度地發(fā)揮軸承的潛力，節(jié)約開支，保障正常運(yùn)行秩序。

當(dāng)前對動車組滾動軸承故障的故障檢測主要依靠車載軸溫報警裝置和隨車機(jī)械師人工檢查。車載軸溫報警裝置主要檢測的是軸承晚期故障，一旦出現(xiàn)軸溫報警必須立即停車檢查，嚴(yán)重影響行車秩序，造成巨大的社會影響和經(jīng)濟(jì)損失。隨車機(jī)械師作為人工檢查的主體，由于人為因素的干擾，診斷結(jié)果存在很大的隨機(jī)性和偶然性。動車組TADS，能夠在軸承故障早期發(fā)現(xiàn)故障，減小風(fēng)險，同時通過先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)和智能判別功能，降低隨車機(jī)械師人工判別的隨機(jī)性，確保行車安全。

3、TADS監(jiān)控系統(tǒng)工作原理

動車組滾動軸承故障軌邊聲學(xué)診斷系統(tǒng)（Trackside Acoustic Detection System，TADS），是在全路車輛安全防范、預(yù)警系統(tǒng)（“5T”系統(tǒng)）之一的貨車TADS系統(tǒng)基礎(chǔ)上創(chuàng)新發(fā)展而來，該系統(tǒng)的主要功能是，利用軌邊聲學(xué)檢測裝置對通過該設(shè)備的動車組進(jìn)行噪聲的采集與分析，發(fā)現(xiàn)滾動軸承的早期故障，TADS即為判斷滾動軸承早期故障設(shè)備與通信網(wǎng)絡(luò)的總成。

TADS系統(tǒng)利用軌邊聲學(xué)檢測及計算機(jī)診斷技術(shù)，對運(yùn)行列車滾動軸承的振動聲音信號進(jìn)行采集分析，并根據(jù)軸承不同部位的故障預(yù)先建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，判斷軸承內(nèi)套、外套、滾柱等主要部位的裂紋、剝離、磨損、侵蝕等故障，從而實現(xiàn)滾動軸承早期故障的在線診斷。

3.1軸承聲學(xué)診斷原理

滾動軸承發(fā)生故障時，當(dāng)滾子運(yùn)動到故障點(diǎn)時，存在沖擊脈沖，導(dǎo)致軸承共振，從而發(fā)出特定的“噪聲”。通過噪聲的頻率可以判斷故障部位，通過噪聲振幅的大小，可以判斷故障的嚴(yán)重程度。

滾動軸承的主要結(jié)構(gòu)有，內(nèi)圈、外圈、保持架、滾子等。軸承轉(zhuǎn)動時，外圈不動，內(nèi)圈轉(zhuǎn)動，滾子在繞內(nèi)滾道公轉(zhuǎn)的同時，繞其自身中心自轉(zhuǎn)。內(nèi)圈相對保持架及滾子轉(zhuǎn)動速度會快一些，保持架轉(zhuǎn)動一圈，內(nèi)圈基本上要轉(zhuǎn)動兩圈，同時滾子則以更高的轉(zhuǎn)速自轉(zhuǎn)。

軸承不同部位由于轉(zhuǎn)速的不同所發(fā)出的噪聲頻率不相同。發(fā)生故障時，故障的特征頻率將被調(diào)制在這些頻點(diǎn)上，再加上故障的一些其他頻率特征，計算機(jī)就可以根據(jù)聲學(xué)頻率特征識別出發(fā)生故障的部位。故障越嚴(yán)重，則噪聲的振幅相應(yīng)地就更大，即噪聲振幅的大小，反映了故障的嚴(yán)重程度。

聲學(xué)信號的拾取采用麥克風(fēng)陣列實現(xiàn)。從軸承結(jié)構(gòu)可以看出，必須在車輪至少轉(zhuǎn)動兩圈的距離內(nèi)連續(xù)采集聲音信息，才能實現(xiàn)所有故障的聲學(xué)診斷。以車輪直徑840毫米計算，探測區(qū)域為5-6米。

麥克風(fēng)陣列一般包括8個以上的高品質(zhì)麥克風(fēng)。麥克風(fēng)陣列有兩種工作方式，決定陣列在軌邊的分布：

一種是在探測區(qū)域內(nèi)均勻分布8個麥克風(fēng)。當(dāng)車輪通過探測區(qū)域時，不同時間內(nèi)幾個麥克風(fēng)輪流工作，分別采集，最終由軟件合成該軸承的聲學(xué)信號。這種方式軌邊麥克風(fēng)陣列的分布較長，安裝工作量稍微大一些。

另一種工作方式是使用波束成形技術(shù)，8個麥克風(fēng)相對集中地安裝在軌邊，當(dāng)車輪進(jìn)入探測區(qū)域時，所有麥克風(fēng)同時工作，軟件根據(jù)不同麥克風(fēng)采集的聲音信號的相位的不同，追蹤軸箱所處的探測位置，從而實現(xiàn)軸箱的定位。這種方式雖然探測區(qū)域仍然不變（5-6米左右），但麥克風(fēng)陣列的安裝相對集中一些，室外安裝工作量小很多。

3.2 列車速度的測量原理

列車的運(yùn)行速度及軸距測量是所有動車組監(jiān)控設(shè)備都必須具備的基本功能之一。使用電磁感應(yīng)原理的3個車輪傳感器，一個用于系統(tǒng)開機(jī)，另外兩個用于速度測量。

目前動車組TADS系統(tǒng)在必須傳感器的基礎(chǔ)上，設(shè)計冗余電磁車輪傳感器，在下雪、灰塵等惡劣條件下自動使用冗余電磁車輪傳感器的數(shù)據(jù)，提高測量精度。

4.動車組TADS報警平臺

動車組TADS報警平臺由設(shè)備開發(fā)部門研發(fā)，軟件具有“過車監(jiān)控”、“過車查詢”、“換軸錄入”、“重點(diǎn)軸承”、“用戶管理”等功能。

4.1“過車監(jiān)控”能實時監(jiān)控過車數(shù)據(jù)，當(dāng)動車組通過探測站時，報警平臺軟件自動更新過車信息。當(dāng)動車組存在故障時，軟件進(jìn)行聲光報警，提醒值班員該動車組軸承存在異音。報警信息包括：過車時間、探測站名、軸數(shù)、車輛數(shù)、運(yùn)行速度、車組號、車組配屬、故障車輛號、故障軸位、故障等級、故障類型。

4.2“過車查詢”能記錄查詢數(shù)據(jù)庫服務(wù)器保存的過車數(shù)據(jù)，查詢條件包括配屬段、車組號、故障等級、起始時間、截止時間等。

4.3“換軸錄入”數(shù)據(jù)記錄軸承更換歷史數(shù)據(jù)，記錄故障軸承退卸時間、退卸配屬局、退卸人等信息。

4.4“重點(diǎn)軸承”列示達(dá)到重點(diǎn)預(yù)報標(biāo)準(zhǔn)的軸承信息

5.圖像車號識別模塊

針對動車組暫時沒有安裝AEI射頻識別車號的現(xiàn)狀，動車組TADS采用圖像車號識別模塊獲取車組號信息。動車組TADS圖像車輛號識別模塊，采用1K像素線陣相機(jī)配合激光補(bǔ)償光源采集動車組車輛號信息，通過自動識別算法識別車輛號信息，并錄入數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)車號和軸承的自匹配。動車組TADS通過車號信息跟蹤車輛的歷史過車數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對特定軸承的趨勢分析，大大提高系統(tǒng)預(yù)報準(zhǔn)確率。

6.總結(jié)

TADS監(jiān)控系統(tǒng)自投入使用以來多次發(fā)現(xiàn)動車組軸承故障，為動車組安全運(yùn)行提供了有力保障，同時該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確的判斷各型CRH動車組軸承故障，并預(yù)報軸承故障等級、故障車輛及軸位信息。極大的增加高鐵動車組運(yùn)用所針對動車組軸承早期故障的發(fā)現(xiàn)能力與診斷能力，成為了中國高鐵“地對車”監(jiān)控又一個重要手段。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡煒.TADS報警軸承故障與TPDS檢測結(jié)果關(guān)聯(lián)性分析.中國鐵路.2011

[2]陳曦.姚劍博.動車組滾動軸承早期故障軌邊聲學(xué)診斷系統(tǒng)“TADS-H”運(yùn)用情況.北京康拓紅外有限公司

[3]劉瑞揚(yáng).鐵路貨車滾動軸承早期故障軌邊聲學(xué)診斷系統(tǒng)（TADS）原理及應(yīng)用.中國鐵道出版社

作者簡介：張磊、（男-1989）、天津市、漢族、職稱（助理工程師）、學(xué)歷（大學(xué)本科）、研究方向（科技、動車組）、單位名稱（北京鐵路局北京動車段）、單位所在省市（北京市）、單位郵編（102600）