范 超 邱作成 張 帥 闕光旭 蔣 鵬 張艷明

(1.中車長春軌道客車股份有限公司鐵路客車業(yè)務(wù)部，130062，長春；2.中車長春軌道客車股份有限公司國家軌道客車工程研究中心，130062，長春//第一作者，工程師)

目前，隨著我國高速動車組運行數(shù)量不斷增加，鐵路車輛運行的安全性和穩(wěn)定性需求進一步加強，實現(xiàn)動車組的智能化運行和智能化檢修具有十分重要的意義。

列車在高速運行中，由于線路條件制約，作為車輛高速運轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)，走行部滾動軸承時刻處于惡劣的工作條件中，單一的溫度監(jiān)控系統(tǒng)已無法滿足日趨嚴格的安全監(jiān)控和早期預(yù)警的要求。高速動車組軸承故障溫升僅表現(xiàn)在出現(xiàn)重大事故前的短暫時間內(nèi)，而溫度監(jiān)控系統(tǒng)僅能實現(xiàn)報警功能和報警后的盯控功能，因此，高速動車組仍會發(fā)生較大事故而導致停車，嚴重影響了鐵路運營秩序。復合監(jiān)控系統(tǒng)可對振動信號、沖擊信號和溫度信號進行多維度監(jiān)控，可實現(xiàn)溫度、沖擊、振動多物理量的同時采集及判斷。為實現(xiàn)軸承故障的早期預(yù)警，滿足智能檢修要求，提前對存在問題的軸承進行檢查，將振動溫度復合監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用于高速動車組顯得尤為重要。

1 軸承狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)

高速動車組走行部滾動軸承作為車輛的關(guān)鍵部件，以時速350 km高速運行時，時刻處于復雜的工作環(huán)境中。軸承故障在動車組機械故障中最為常見，京滬高鐵多次因為軸承故障報警造成車輛晚點甚至影響全路運營秩序。動車組軸承狀態(tài)的穩(wěn)定監(jiān)控是當前動車組發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前，常用的軸承無損檢測手段主要有：溫度監(jiān)控技術(shù)、振動監(jiān)控技術(shù)、聲學監(jiān)控技術(shù)和油膜電阻監(jiān)控技術(shù)[1]。

1.1 溫度檢測技術(shù)

溫度檢測技術(shù)是最直接的檢測方式，該系統(tǒng)主要由溫度監(jiān)控主機、軸溫傳感器和車輛網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成，廣泛應(yīng)用于我國各型動車組中。溫度檢測技術(shù)為動車組的穩(wěn)定運行提供了基礎(chǔ)的保障。在實際應(yīng)用中，溫度傳感器通過對運行中的軸承溫度進行實時測量，以及通過熱敏電阻將溫度信號轉(zhuǎn)換為電信號，再把電信號傳輸至車輛溫度監(jiān)控主機，通過溫度監(jiān)控主機處理后，實現(xiàn)對軸端運行溫度的實時監(jiān)控，及時地將報警信號傳輸至車輛網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，進而實現(xiàn)對動車組運行的控制，確保動車組的運行穩(wěn)定安全。

溫度監(jiān)控系統(tǒng)對發(fā)現(xiàn)軸承溫度異常升高、防止熱切軸具有十分重要的意義。該系統(tǒng)相對簡單，選擇合適的熱敏原件后即可穩(wěn)定地對軸承溫度進行實時監(jiān)測，無需復雜的算法。但單獨采用溫度監(jiān)控系統(tǒng)無法對軸承的早期故障進行有效檢測，對于軸承表面脫落、裂紋、壓痕等局部損傷無法在早期進行有效預(yù)警，當出現(xiàn)溫度異常變化時，軸承多已造成不可逆損傷，需降低列車運營等級甚至退出運營。

1.2 聲學檢測技術(shù)

滾動軸承早期故障軌邊聲學診斷系統(tǒng)(TADS)，是目前應(yīng)用比較廣泛的聲檢測技術(shù)。該系統(tǒng)利用軌邊安裝聲學麥克風陣列，采集鐵路車輛通過時發(fā)出的軸承音頻信號，并將信號實時傳輸至檢測中心，采用智能識別技術(shù)對音頻信號進行分析，實現(xiàn)在線自動檢測動車組軸承的故障檢測并進行分級預(yù)警。通過聲學系統(tǒng)固定在輪軌上的磁頭，對通過車輛的基本情況進行測定。

聲學監(jiān)控系統(tǒng)為非接觸式監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)備設(shè)置于地面，可實現(xiàn)對經(jīng)過車輛的軸承運轉(zhuǎn)狀態(tài)及其運轉(zhuǎn)聲音進行監(jiān)控，如出現(xiàn)異常噪聲則進行記錄并分級報警。TADS僅適用于固定地點，無法對車輛的實時狀態(tài)進行感知；同時TADS屬于非接觸檢測方式，背景雜音易對故障聲波造成影響，導致故障遺漏。

1.3 油膜電阻檢測技術(shù)

滾動軸承在實際工作過程中，時刻存在一層油膜對軸承的相對運動進行潤滑，避免軸承出現(xiàn)異常磨損情況。油膜電阻檢測技術(shù)是在滾動體和內(nèi)外圈中間進行測量，在正常工作狀態(tài)下，軸承中存在的油膜導致內(nèi)外圈之間存在較大的電阻值，但如果滾動體或內(nèi)外圈中間存在缺陷，將破壞油膜的連續(xù)，導致電阻值異常升高，通過對電阻的監(jiān)控即可對軸承的運轉(zhuǎn)狀態(tài)進行監(jiān)控。

油膜電阻檢測技術(shù)對軸承的異常磨損、腐燭等缺陷檢測敏感性較高,但是不適用于檢測密封的軸承系統(tǒng),應(yīng)用面較窄。

1.4 振動檢測技術(shù)

振動檢測技術(shù)是滾動軸承出現(xiàn)損傷后，在軸承運轉(zhuǎn)過程中缺陷位置和其它原件表面接觸時會出現(xiàn)周期性的脈沖信號，振動監(jiān)控系統(tǒng)通過振動傳感器對異常振動信號進行采集，通過振動監(jiān)控主機對振動信號進行過濾識別，實現(xiàn)故障信號的分級預(yù)警[2]。

振動信號對軸承的微小損傷異常敏感，可同時對多種軸承故障進行高效檢出。振動檢測技術(shù)可對軸承異常振動信號實現(xiàn)預(yù)測性診斷，并在軸承出現(xiàn)微小損傷時進行有效診斷。

1.5 振動溫度復合檢測技術(shù)

振動溫度復合監(jiān)控系統(tǒng)由振動溫度復合傳感器和振動溫度監(jiān)控主機組成。振動溫度復合傳感器可對溫度、振動、沖擊等多維度變量進行實時監(jiān)測、傳輸。系統(tǒng)具有較強的抗干擾能力，在車輛運行時所處的復雜電磁條件下可穩(wěn)定地進行傳輸，實時對軸承運轉(zhuǎn)情況進行監(jiān)控。

將溫度檢測技術(shù)和振動檢測技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)對動車組軸承運轉(zhuǎn)情況的實時檢測，以及軸承微小損傷的早期預(yù)測，保障動車組的高效運行。如何實現(xiàn)振動溫度監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定運行是當前軸承故障診斷的重點研究方向，并將成為未來軸承態(tài)勢檢測的重要方法。

2 智能軸承監(jiān)控系統(tǒng)

高速動車組現(xiàn)有修程可分為故障修(碎修)、一級修、二級修、三級修、四級修、五級修。其中，故障修、一級修、二級修為臨修，不對車輛進行拆解，僅對車輛數(shù)據(jù)和可視部件進行檢查；三級修、四級修、五級修為高級修，均對車輛進行分解，對走行部進行重點檢修，對關(guān)鍵部件進行更換處理。根據(jù)中國國家鐵路集團有限公司的相關(guān)規(guī)定，軸端軸承在運用三級修時可先對檢修進行分解，然后對軸承狀態(tài)進行檢查；四級修時直接對軸承進行報廢處理。在現(xiàn)有的修程情況下，三級修時易出現(xiàn)軸承故障的漏檢漏修，造成故障軸承繼續(xù)裝車；四級修時無論軸承的運用狀態(tài)，均報廢處理，造成嚴重的浪費，無法實現(xiàn)壽命最大化。因此，為降低運用維修成本，以及實現(xiàn)軸承的智能檢修，實現(xiàn)軸承狀態(tài)的多維度監(jiān)控具有十分重要的意義。

動車組走行部軸承通常選用圓柱滾子軸承，具有高承載、摩擦系數(shù)小、便于拆卸檢修等優(yōu)勢。滾動軸承作為機械易損件，軸承故障原因復雜。軸承常見的故障可分為滾道剝離、滾子剝離、電蝕、裂紋、銹蝕、磕碰傷、磨粒磨損、壓痕、保持架破裂、變形等。當軸承出現(xiàn)損傷后，隨著軸承的轉(zhuǎn)動，滾動體會持續(xù)按固定頻率經(jīng)過故障點，滾動體每經(jīng)過故障頻率時均產(chǎn)生微弱的脈沖沖擊信號，激起部件的固有頻率,產(chǎn)生具有一定能量的振動信號[3]。

車載軸承壽命離散度較高，同批次相同工藝生產(chǎn)的軸承在相同運轉(zhuǎn)條件下軸承壽命仍存在較大的個體差異，且軸承的工作狀態(tài)無法通過軸承的設(shè)計壽命進行判定。部分軸承在超過設(shè)計壽命后，仍在相當長的時間內(nèi)處于正常的工作狀態(tài)；但部分軸承在未到達設(shè)計壽命時已出現(xiàn)故障，造成運營影響[4]。因此，為了避免出現(xiàn)重大故障，鐵路部門仍保持較短的檢修和更換時間，浪費了軸承的大量可用壽命。

動車組軸承的智能檢修根據(jù)檢修特點，可在原有的故障修和定時修的基礎(chǔ)上增加預(yù)知狀態(tài)檢修。預(yù)知狀態(tài)檢修可在車輛不解體的情況下，通過自動化采集設(shè)備對滾動軸承進行實時狀態(tài)監(jiān)控，通過大數(shù)據(jù)建立滾動軸承正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)的相關(guān)參數(shù)。當滾動軸承出現(xiàn)異常工況后，可實現(xiàn)采集設(shè)備自動采集異常信號、預(yù)報警，以及故障的提前預(yù)判等，提前對存在風險的部件進行處理或更換，避免造成重大故障。

動車組軸承故障診斷系統(tǒng)是具有數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理及顯示等多功能集合的復合系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)對走行部軸承的溫度、振動、沖擊信號進行同時采集。振動溫度傳感器采用基于敏感元件傳感、自校準技術(shù)的溫度及振動復合檢測技術(shù)，實現(xiàn)對軸箱軸承溫度、振動加速度、沖擊諧波的高精準檢測。建立動車組旋轉(zhuǎn)部件振動、溫度實時動態(tài)檢測及自動診斷的監(jiān)控系統(tǒng)，從而實現(xiàn)動車組關(guān)鍵部件的狀態(tài)檢測、故障預(yù)測、健康管理和修程修制優(yōu)化。

3 振動溫度復合監(jiān)控系統(tǒng)

振動溫度復合監(jiān)控系統(tǒng)是由振動溫度復合傳感器、振動溫度監(jiān)控主機及車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)共同組成。振動溫度復合傳感器負責收集軸承運轉(zhuǎn)時的溫度、振動及沖擊信號，經(jīng)過振動溫度監(jiān)控主機處理分析，生成不同級別的預(yù)警及報警信號。振動溫度監(jiān)控主機發(fā)出的預(yù)警及報警信號通過車輛網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在車輛人機界面上進行顯示，同時經(jīng)過車輛中央控制系統(tǒng)自動生成車輛限速信號，實現(xiàn)動車組的智能化控制。

3.1 振動溫度復合傳感器

振動溫度傳感器為復合傳感器，可同時傳遞沖擊、振動和溫度等3種信號，并傳輸數(shù)據(jù)給車輛監(jiān)控主機進行信號處理。振動溫度復合傳感器(見圖1)采用6芯屏蔽線纜，保證電纜在車輛振動條件下的強度和強電磁干擾情況下的信號穩(wěn)定傳輸。當軸承運轉(zhuǎn)出現(xiàn)故障后，軸承會產(chǎn)生周期性的振動脈沖信號，通過振動傳感器將脈沖信號采用有效的算法進行處理并分析，提取出故障特征信號，提前檢測出軸承異常運行信號，實現(xiàn)軸承故障的早期發(fā)現(xiàn)。

圖1 振動溫度復合傳感器

3.2 振動溫度復合監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理

振動溫度復合監(jiān)控系統(tǒng)能同時對溫度、振動及沖擊信號進行監(jiān)控，實現(xiàn)對故障軸承的早期預(yù)警和安全保護。振動溫度復合監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理(見圖2)如下：

圖2 振動溫度復合監(jiān)控系統(tǒng)工作原理

1) 由布置在走行部的振動溫度復合傳感器采集溫度、振動和沖擊信號，并轉(zhuǎn)換為電信號；

2) 復合傳感器將測量的信號傳輸?shù)杰囕v主機，車輛振動溫度監(jiān)控主機對采集的信號進行濾波、共振解調(diào)變換等處理；

3) 由車輛振動溫度監(jiān)控主機診斷模塊進行數(shù)據(jù)分析處理并給出診斷結(jié)果，并傳輸給車輛網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，對車輛走行部的關(guān)鍵部件狀態(tài)進行實施盯控，并輸出報警信息。

3.3 振動溫度復合監(jiān)控系統(tǒng)的特點

振動溫度復合監(jiān)控系統(tǒng)同時具備振動監(jiān)控系統(tǒng)和溫度監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)點，可以對軸承運行的狀態(tài)進行“全態(tài)勢”感知，既可以對軸承運轉(zhuǎn)狀態(tài)進行全流程感知，也可以對軸承出現(xiàn)的早期故障進行預(yù)判性報警，進而實現(xiàn)軸承的安全穩(wěn)定運行和智能化檢修。振動溫度復合監(jiān)控系統(tǒng)具有如下優(yōu)點：

1) 振動溫度復合監(jiān)控系統(tǒng)可實現(xiàn)軸承狀態(tài)的實時監(jiān)控，以及數(shù)據(jù)的實時診斷、顯示及傳輸。

2) 振動溫度復合傳感器可在復雜的環(huán)境噪聲下，準確地提取出軸承微小的沖擊或震動信號，實現(xiàn)故障的早期預(yù)警。

3) 實現(xiàn)三物理量的多維度綜合監(jiān)控，實現(xiàn)早期故障和重大故障的準確診斷，確保軸承的智能檢修及車輛穩(wěn)定運行。

4) 實現(xiàn)動車組軸承故障類別及程度的準確診斷，可依據(jù)大數(shù)據(jù)實現(xiàn)故障的自我診斷、分級報警。實現(xiàn)車輛故障的智能檢測，準確反映軸承的運轉(zhuǎn)狀態(tài)，確保車輛的科學維護。