车载步行部轴承故障诊断系统的设计与实现
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1 绪论
1.1课题研究背景
随着经济的快速发展，机车将持续一种高强度、大运量的运输模式，为确保运输安全，对机车的可靠性和安全性提出了更高的要求。由于机车在高强度模式下运行，机车走行部往往容易出现各种故障。机车走形部故障主要包括机车走行部部件失效和转向架走行性能发生变化。机车走行部部件的失效主要包括轴承、齿轮及车轮踏面等旋转部件损伤，轮福、车轴、构架、轴箱裂纹，同时也包括弹黃减振器及橡胶件悬挂等部件失效。转向架走行性能发生变化是由于轮轨接触参数的改变过大、息挂部件的性能发生显著变化、或者悬挂参数设置不合理等因素造成的，同时蛇行或横向振动加大、或者在某些线路上发生颤振，也会造成转向架走行性能发生变化。为了及时发现走行部故障，预防和减少事巧的发生，提高机车运行的安全性，因此，有必要对机车走行部进行故障监测与诊断方法的研究[1]。
作为地铁列车走行结构的关键组成部分，滚动轴承故障诊断将对列车的安全行进产生重要的影响。机器装备的发展逐渐趋势集中化、大型化、自动化、快速化、持续化、精密化，其在当今社会中发挥着不可或缺的作用。滚动轮轴是转动机器中运用比较普遍的零部件，同样是最容易发生故障的部位。据科学统计，机器装备的损伤 70%是振动损伤，而振动损伤中的 30%是由轮轴引发的。对转动轮轴的运行状况的检测和损伤判断始终是机器损伤判定手段中的核心。在现实运用中，有的轮轴超过机械寿命仍旧可以较好地运行，而有的轮轴远未超过设计寿命就存在多种缺陷，因此运用传统的按时检测的手段已经不能保证轮轴的正常工作。选取恰当的故障诊断方法诊断出轴承故障并及时作出反应措施，可避免列车事故和生命财产损失。同时，针对列车滚动轴承的故障诊断还可为检修制度和设备的完善与改进提供辅助作用。而且通过对轴承的诊断研究可延长轴承使用寿命进而降低地铁列车运营的成本[2]。
1.2 课题研究的价值与意义
伴随着地铁建设的飞速发展，列车的平稳安全运行成为了地铁交通发展的核心问题之一。列车本身可看作一个整体的机电一体化系统，随着列车的不断运行，其状态和整
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体性能会有所降低，产生安全隐患。如果列车关键结构部位的出现故障恶化，将会导致零部件损坏，严重的甚至会造成重大生命财产损失。
走行部作为地铁列车的关键结构部件之一，车下走行部运转的良好与否直接影响列车行车安全，走行部容易发生故障的部件主要集中在其车轮踏面、轴箱轴承、牵引电机轴承、齿轮箱轴承等，故障集中发生在各运转部件的轴承，对于走行部轴承来说，其工作环境通常是相当恶劣的，其在运转过程中不断受到交变载荷作用，导致轴承出现剥落、裂纹，严重的甚至会发生断裂。当轴承发生这些故障时，其旋转精度会降低，并会伴随产生振动和噪声，整个旋转系统阻力增大直至失效，酿成事故[7]。数据显示，轴承引发的旋转类机械故障占比达到 30%，其中，轴承90%的故障是由于轴承内圈或外圈发生故障导致的，只有10%由滚动体或保持架产生。在明确了列车轴承产生振动的机理之后，选取恰当的故障诊断方法诊断出轴承故障并及时作出反应措施，不但可以减少为了保证防止交通事故的检修和维护高昂成本，而且也避免了对本来无故障的部件的定期拆检造成的过剩维修的损害，并从根本可避免列车事故和生命财产损失。针对列车轴承的故障诊断还可不断促进检修制度和设备的完善与改进，从而达到延长轴承使用寿命进而降低地铁列车运营的成本的目的[8]。
1.3 国内外研究现状
1.3.1 国内研究现状
我国作为铁路运营的大国，非常重视机车的故障检测技术的发展，从早期的人工检测到后来的信息化在线检测，不断寻求着突破。80年代以前，对于机车故障的检修都是通过人工检测，效率比较低而且难以检测出故障来源。经过对机车故障检测技术的不断探究，发现走行部作为机车重要部件是故障的多发处，多为轴承损伤、轮缘磨损、轮对踏面擦伤剥离这三方面原因造成的。90年代之后，我国的机车故障检测技术得到飞速发展，涌现出许多机电一体化的诊断设备，可用于提取轴承振动信号的峭度系数，均方根等多种特征参数，并利用解调加以分析。己有近500台仪器服务于全国铁路的机务段，车辆段，机车修理厂等，用来检测判断机车轴承好坏[3]。实现了在不需要机车解体的情况下诊断其轴承是否存在故障，很大程度上节省了人力。但是当时的诊断系统仍然是停留在离线检测的状态，机车每运行10万公里进行一次检测。
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近年来，机车走行部故障检测方法有了新的发展，以温度检测理论与脉冲谐波理论为典型，这一装置主要是对传感器的共振信号解调并提取冲击进而判断故障。但这一装置在实际的检测中效果并不好，仍然是依赖于轴位温度进行故障分析。除了温度检测法以外，西南交通大学的孙敏从振动角度分析，提出了脉冲谐波检测法。当轴承损伤点产生冲击脉冲力时会在频域产生一个宽频带，其中必然包含传感器的谐振频率，提取此频率进行分析故障特征。此方法类似于唐德尧开发的JK系列检测装置，利用传感器的固有频率分析故障。但此种方法对硬件的要求较高，且更换传感器后需要重新标定谐振频率，在实际的使用中也发现此方法容易产生误报情况[3]。 1.3.2 国外研究现状
国外对于机车故障检测的研究早于我国，特别是美国、日本、德国等铁路大国已经在这一领域取得一定成果并应用于实车检测，形成了一套比较完整的检测体系。1965年，美国的SERVO公司就推出了第一套针对机车安全运行的红外热轴探测系统，该系统被安装在道路两旁，用于检测机车的轴承温度。但这一技术当时仍处于人工记录的方式使用，而且检测获得的温度也需要有经验的人员进行判断，非常具有局限性，效率低下。到了上世纪80年代，美国的铁道协会联合所属的研宄机构共同开发出一款利用声学探测技术的检测装置，配合之前的轴温检测装置，使得机车运行得到更好的保障。90年代中期，TTCI公司利用数据库管理系统对采集的监测信息进行统一收集管理分析，进一步提高了机车故障判断的精度。
日本作为率先开辟高速铁路的国家，为了保证安全降低维修成本，很早就开始了对机车故障诊断技术的探索。如武藤幸德等利用通用仪器对电力机车上一些旋转机械的振动加速度O/A值进行了测量，并对判断标准进行了讨论。西江勇二将设备故障的主要原因分为热的、电气的、机械的和化学的４种，论述了为提高机车车辆的安全可靠性和检修效率所需的诊断技术[4]。
德国，法国，英国等高速铁路发达国家在机车故障检测这一研究领域也早有长足发展。德国在1975年开始进行机车故障诊断技术的探索，将故障诊断分为外部诊断，内部诊断，自身诊断三种形式，利用微电子技术开发了轮对踏面剥落、擦伤等故障诊断装置，并应用在ICE动车组中。在ICE中，将运行故障分为A、B、C３个优先级，
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将维修故障分为６个等级，针对不同故障情况分别进行相关处理根据各种不同的需要，诊断系统为司机、随车机械师、乘务人员和维修人员设置了不同的功能及人机界面。法国TGV列车于1983年正式投入运营，其车载计算机分为司机室计算机、牵引电机控制计算机和拖车控制计算机，它们可以对几乎所有车上设备进行监测和控制，显示列车工作状态及故障情况，并利用车上网络和无线网络进行数据传输[5]。
目前，国外机车故障监测技术大多采用基于商业无线网络通信技术搭建的远程诊断系统，利用车载监测装置测量并记录机车各部分运行状态信息，通过无线网络发送到数据管理中心进行处理分析，发现故障及时通知站点进行检修。虽然，这一方法在检测设备上进行了简化，独立的数据管理中心可以进行准确的分析处理，但整套系统的造价及维护非常昂贵[6]。
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