李俊曹，伍川輝，李恒奎

(1.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都 610031；2.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島 266111)

0 引言

隨著軌道交通行業(yè)的快速發(fā)展，列車的運載要求劇烈增加，走行部作為列車與鋼軌接觸的重要部分，是保證車輛安全、穩(wěn)定運行的核心部件。走行部的故障會對列車產(chǎn)生巨大的安全隱患，但常規(guī)的檢測方式難以在車輛運行時掌握走行部的狀態(tài)，因此列車的走行部在線監(jiān)測系統(tǒng)是保障列車安全運行的重要措施。

早期的走行部軸承監(jiān)測系統(tǒng)采用軸溫檢測的方式[1-2]，其檢測原理為軸承在故障后會產(chǎn)生大量的熱量，通過溫度傳感器采集溫度，判斷是否超過報警閾值，但該方法有較大的局限性。不同的位置，軸承溫度報警的標(biāo)準(zhǔn)不同，而且軸承的大部分故障對溫度并不敏感，當(dāng)溫度達(dá)到報警值時，軸承已經(jīng)出現(xiàn)比較嚴(yán)重的故障。

硬件共振解調(diào)[3-4]是一種常用的軸承故障診斷方法。其檢測原理為使用加速度傳感器采集軸承的振動信號，再將電壓信號經(jīng)過共振解調(diào)模塊轉(zhuǎn)化為沖擊信號，經(jīng)過高通濾波后對沖擊信號調(diào)制，再求出信號的頻譜圖，根據(jù)軸承的故障特征頻率判斷軸承是否出現(xiàn)故障。該方法對軸承的故障檢測較可靠。但該方法的共振頻率不能改變，易受外界干擾，采樣頻率較低，難以發(fā)現(xiàn)軸承的高頻故障，系統(tǒng)的適用性受到限制。

本文提出的列車走行部軸承故障監(jiān)測系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)傳輸和存儲分開設(shè)計，并將故障診斷數(shù)據(jù)通過MVB系統(tǒng)傳遞給列車主控，提高該系統(tǒng)的實時性，為解決硬件共振模塊采樣頻率低，難以檢測高頻故障等缺點，該系統(tǒng)采用數(shù)字化處理方式，提高系統(tǒng)的采樣頻率，使用譜峭度[5]找出軸承的共振頻率，再用復(fù)Morlet小波[6]對數(shù)據(jù)進(jìn)行故障診斷，提高軸承故障診斷的精度。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

走行部軸承故障監(jiān)測系統(tǒng)為車載系統(tǒng)，在車輛運行時動態(tài)對軸承進(jìn)行故障診斷，確保軸承故障在早期及時發(fā)現(xiàn)，保證列車運行的安全。

該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)儲存模塊和通信模塊組成。為滿足系統(tǒng)與列車主控的通信和數(shù)據(jù)的存儲，在列車的動車箱安裝了通信板和硬盤;為了保證監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性，本系統(tǒng)采用雙主機(jī)冗余設(shè)計，避免一臺主機(jī)故障后，故障信息不能及時上報、數(shù)據(jù)丟失等狀況。系統(tǒng)的整體框架設(shè)計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計圖

1.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要完成軸承振動和溫度數(shù)據(jù)的采集，并傳輸給數(shù)據(jù)處理模塊，該模塊由復(fù)合傳感器、A/D轉(zhuǎn)換芯片和數(shù)據(jù)采集板組成。

復(fù)合傳感器具有靈敏度高、測量范圍廣、抗干擾能力強(qiáng)等特點，能可靠測量軸承的振動和溫度信號，廣泛運用于鐵路等領(lǐng)域，將其安裝在走行部的軸箱、齒輪箱、電機(jī)等位置，實物安裝圖如圖2所示。

(a)傳感器安裝圖

A/D轉(zhuǎn)換芯片采用AD7606，是一款8通道同步采集模數(shù)轉(zhuǎn)換器，每通道最快采樣速度為200 KSPS，每通道的位數(shù)為16。能夠滿足系統(tǒng)的采樣頻率的要求。將復(fù)合傳感器輸出的電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

數(shù)據(jù)采集板采用ARM Cortex-M4內(nèi)核的STM32F407微處理器，通過FSMC總線通信協(xié)議，采集AD7606轉(zhuǎn)換的振動信號，F(xiàn)SMC為16位的并行采樣電路，能極大地提高數(shù)據(jù)采集的頻率，采集板采用分時復(fù)用的方法采集各個軸箱、齒輪箱、電機(jī)箱的振動信號，并通過SPI總線將采集的數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)處理模塊。

1.2 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理板采用ARM3354芯片，該芯片支持運行l(wèi)inux系統(tǒng)，能夠支持多線程運行，支持系統(tǒng)完成多任務(wù)操作。處理板需要接收采集板的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行軸承故障診斷算法處理，將診斷結(jié)果與原始數(shù)據(jù)上傳給主機(jī)，主機(jī)將各車廂的原始數(shù)據(jù)和診斷結(jié)果保存到硬盤，并將診斷結(jié)果上傳給列車主控，處理板的安裝圖如圖3所示。

圖3 處理板安裝圖

處理板對軸承的診斷流程如圖4所示，該方法利用快速譜峭度法求出軸承的共振頻率和帶寬，以此確定復(fù)Morlet小波的小波系數(shù)，可以根據(jù)信號自適應(yīng)地確定小波系數(shù)，提高了故障診斷的自適應(yīng)性與精確性。

圖4 故障診斷流程圖

診斷的具體步驟如下：

(1)使用快速譜峭度法對傳感器采集的振動信號x(t)進(jìn)行分析；

(2)根據(jù)最大譜峭度原則確定共振頻率和帶寬；

(3)根據(jù)共振頻率和帶寬，確定復(fù)Morlet小波的中心頻率和尺度；

(4)根據(jù)小波系數(shù)對信號進(jìn)行小波變換；

(5)構(gòu)造解析信號；

(6)對解析信號進(jìn)行包絡(luò)解調(diào)；

(7)對包絡(luò)信號進(jìn)行FFT變換，求出頻譜圖；

(8)根據(jù)軸承內(nèi)環(huán)、外環(huán)、滾動體的故障頻率與頻譜圖峰值較大的頻率進(jìn)行比較，以此確定軸承的故障狀態(tài)。

系統(tǒng)運行的整體流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)流程圖

2 軸承故障診斷原理

共振解調(diào)法在工程中廣泛應(yīng)用，其基本原理為故障軸承工作時會產(chǎn)生寬頻帶的沖擊信號與傳感器產(chǎn)生共振，根據(jù)共振頻率對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行帶通濾波，然后進(jìn)行包絡(luò)解調(diào)，分析軸承的故障。但共振解調(diào)法難以確定信號的共振頻率，所以該方法不能有效地消除噪聲的干擾，診斷精度不高。

本文提出了一種基于譜峭度和復(fù)Morlet小波的軸承故障診斷方法，利用譜峭度對瞬態(tài)信號敏感、抗干擾能力強(qiáng)的特點，自適應(yīng)地提取信號中的共振頻率和帶寬,以此可以確定復(fù)Morlet小波的系數(shù)，利用復(fù)Morlet小波兼具帶通濾波與信號包絡(luò)的特性對信號進(jìn)行處理，提高故障診斷的精度。

2.1 譜峭度

譜峭度是基于峭度發(fā)展的一種高階統(tǒng)計量，其本質(zhì)是計算出每根譜線的峭度值，從中找出信號中的非平穩(wěn)成分，并計算出所在的頻帶。

軸承的振動信號為非平穩(wěn)信號，對于非平穩(wěn)信號可以采用Wold-Cramer分解[7-8],將輸入信號x(t)分解為Y(t):

(1)

(2)

式中：Y(t)為系統(tǒng)響應(yīng)；H(t,f)為系統(tǒng)的時變傳遞函數(shù),即Y(t)在頻率f處的復(fù)包絡(luò)；X(f)為與x(t)相關(guān)的譜過程；j為虛數(shù)單位。

實際的系統(tǒng)中H(t,f)并不確定，可使用H(t,f;w)表示，w表示濾波器時變性的隨機(jī)變量。

非平穩(wěn)信號的特征信息可以通過統(tǒng)計指標(biāo)來獲取，在此引入瞬時矩。瞬時矩是關(guān)于時間和頻率的函數(shù)，廣泛用于非平穩(wěn)過程的分析，由此求出信號的2n階瞬時矩為

S2nY(t,f)=E{|H(t,f)dX(f)|2n|w}df
=|H(t,f)|2nS2nX

(3)

式中S2nY(t,f)為Y(t)的2n階瞬時矩。

對周期內(nèi)的瞬時矩取平均可以得到：

(4)

式中：〈S2nY(t,f)〉t為時均矩；T為時間周期。

非高斯性是非平穩(wěn)過程的最大特點，譜積累量常來表示信號的非高斯性。在非高斯過程中，階數(shù)大于等于4的譜積累量不為0，則4階譜積累量為

(5)

信號的非高斯性程度越大，其4階譜積累量越大。所以信號概率密度在頻率f處的峰值可以用4階譜峭度來測量，其定義如下；

(6)

對軸承的振動信號建立簡化的數(shù)學(xué)模型如下：

W(t)=X(t)+S(t)

(7)

式中：W(t)為加速度傳感器采集信號；X(t)為共振信號；S(t)為其他噪聲信號。

S(t)與X(t)為獨立的信號，則可以算出W(t)的譜峭度為

(8)

式中：S2S(f)為噪聲信號S(t)的時均矩；S2X(f)為共振信號X(t)的時均矩；ρ(f)為噪信比。

譜峭度KW(f)是關(guān)于頻率f的函數(shù)，從式(8)可以看出，當(dāng)ρ(f)較小時，近似等于KX(f)；當(dāng)ρ(f)較大時，KW(f)近似為0。使用快速譜峭度法能對軸承的振動信號進(jìn)行全頻段的分析，可以確定出軸承的共振頻率和帶寬。

2.2 復(fù)Morlet小波

小波變換解決了短時傅里葉變換窗口大小不能隨頻率變化而改變的缺點，將傅里葉變換的三角函數(shù)基變?yōu)橛邢揲L會衰減的基，通過對小波基的伸縮平移來對信號進(jìn)行時頻分析。

根據(jù)實際應(yīng)用需求可以選擇不同的小波基，本文為了分析軸承的故障采用復(fù)Morlet小波，其波形與沖擊信號類似，因此廣泛應(yīng)用于沖擊信號檢測。復(fù)Morlet小波[9]的定義為

(9)

式中：t為時間；f0為中心頻率；σ為控制小波窗口寬度；i為虛數(shù)單位。

將f0設(shè)置為1 Hz，σ設(shè)置為1.5，畫出復(fù)Morlet小波實部在時域的波形，如圖6所示。

圖6 復(fù)Morlet小波實部時域圖

Morlet小波時域到頻域的轉(zhuǎn)換公式為

(10)

根據(jù)式(10)將復(fù)Morlet小波從時域轉(zhuǎn)換為頻域，畫出不同σ對應(yīng)的小波的頻域，如圖7所示?？梢钥闯鰪?fù)Morlet小波在頻域內(nèi)具有高斯窗口函數(shù)的形狀，不同的σ可以控制小波在相同頻率下的帶寬，因此復(fù)Morlet小波可以作為中心頻率和帶寬可調(diào)的帶通濾波器。

圖7 復(fù)Morlet小波頻域圖

根據(jù)式(9)可以將復(fù)Morlet小波分為實部和虛部，表達(dá)式為：

(11)

(12)

式中：Ψr(t)為實部；Ψi(t)為虛部。

根據(jù)式(11)和式(12)可以發(fā)現(xiàn)，信號經(jīng)過復(fù)Morlet小波變換后，其實部和虛部的相位相差90°，與Hilbert變換的效果一致，將振動信號x(t)進(jìn)行小波變換得到解析信號S(t)，對S(t)進(jìn)行包絡(luò)為

(13)

式中：X(t)為包絡(luò)后的信號；Re為解析信號的實部；Im為解析信號的虛部。

3 軸承診斷效果驗證

將故障數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)采集板，模擬采集板采集的軸承振動信號，再傳給數(shù)據(jù)處理板進(jìn)行軸承故障診斷，以此來驗證振動算法的有效性。

本文使用的驗證數(shù)據(jù)來自美國凱斯西儲大學(xué)軸承數(shù)據(jù)中心，實驗設(shè)備由1.5 kW的電動機(jī)、扭力傳感器、功率測試儀和電子控制器組成。

該實驗平臺分別對驅(qū)動端軸承和風(fēng)扇端軸承的振動信號進(jìn)行采集，驅(qū)動端軸承采用6205-2RS JEM SKF 深溝球軸承，風(fēng)扇端軸承采用6203-2RS JEM SKF 深溝球軸承，其參數(shù)表如表1所示。

表1 軸承參數(shù)表 mm

該實驗室分別采用12 kHz和48 kHz的采樣頻率對正常軸承、內(nèi)環(huán)故障軸承、滾動體故障軸承、3點鐘外環(huán)故障軸承、6點鐘外環(huán)故障軸承、12點鐘外環(huán)故障軸承在不同轉(zhuǎn)速和不同損傷直徑下采集軸承的振動數(shù)據(jù)。

本文采用驅(qū)動端軸承的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，使用轉(zhuǎn)速為1 797 r/min,采樣率為12 kHz，內(nèi)環(huán)故障直徑為0.177 8 mm的振動數(shù)據(jù)，根據(jù)相應(yīng)參數(shù)計算出該軸承的故障特征頻率[10]，如表2所示。

表2 軸承故障特征頻率 Hz

取內(nèi)環(huán)故障軸承振動數(shù)據(jù)中的1 s進(jìn)行分析，其原始數(shù)據(jù)如圖8所示。

(a)內(nèi)環(huán)故障軸承原始數(shù)據(jù)時域圖

從圖8(b)可以看出，軸承的故障信號被淹沒在大量的噪聲中，直接使用傅里葉變換不能有效地提取出軸承的故障信息。

使用快速譜峭度法[11-12]對振動數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到譜峭度圖如圖9所示。根據(jù)圖9可以看出，譜峭度最大值對應(yīng)的中心頻率為1.750 kHz，帶寬為500 Hz，根據(jù)譜峭度最大值原則確定共振頻率為1.500～2.000 kHz，根據(jù)快速譜峭度法求得的共振頻率和帶寬f，可以求出復(fù)Morlet小波的尺度為

scal=fs·wcf/f

(14)

式中：scal為復(fù)Morlet小波的尺度；fs為采樣頻率；wcf為復(fù)Morlet小波的中心頻率；f為帶寬。

圖9 內(nèi)環(huán)故障軸承振動數(shù)據(jù)譜峭度圖

根據(jù)復(fù)Morlet小波的中心頻率和尺度可以求出其小波系數(shù)，對原始信號進(jìn)行小波變化后，得到解析信號如圖10所示。再對該解析信號進(jìn)行包絡(luò)解調(diào)，如圖11所示。

圖10 內(nèi)環(huán)故障軸承小波變換后的解析信號

圖11 內(nèi)環(huán)故障解析信號包絡(luò)時域圖

對包絡(luò)信號進(jìn)行FFT變換找出軸承的故障頻率，如圖12所示。根據(jù)表2可以找出此軸承內(nèi)環(huán)故障頻率為162.2 Hz，從圖12可以看出，在163 Hz處出現(xiàn)峰值，與軸承內(nèi)環(huán)故障頻率接近，該算法精準(zhǔn)地找出了內(nèi)環(huán)軸承的故障。

圖12 內(nèi)環(huán)故障解析信號包絡(luò)頻域圖

找到故障頻率對應(yīng)的幅值，將其轉(zhuǎn)換為dB值，轉(zhuǎn)換公式為

dB=20·lg(x/y)+B

(15)

式中：dB為信號強(qiáng)度；x為故障頻率對應(yīng)的幅值；y為軸承正常時的幅值；B為信號強(qiáng)度的補(bǔ)償值。

判斷軸承內(nèi)環(huán)故障頻率求出的dB值是否超過報警閾值，來確定報警等級。

4 結(jié)束語

本文提出的走行部軸承故障監(jiān)測系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理分離，通過快速譜峭度法確定信號中的共振頻率，并且可以根據(jù)振動信號自適應(yīng)地調(diào)節(jié)復(fù)Morlet

小波的中心頻率和尺度，以此更好地抑制外界噪聲的干擾，提高軸承故障診斷的準(zhǔn)確性?；谀M軸承故障實驗，該系統(tǒng)能精確地檢測出軸承的故障特征，并上報給列車主控，能夠滿足軸承故障檢測的需要，為走行部軸承故障檢測提供了有效的檢測方法。