馬共立

(哈爾濱鐵路科研所科技有限公司，黑龍江 哈爾濱 150006)

鐵道車輛滾動(dòng)軸承故障軌邊聲學(xué)診斷系統(tǒng)(TADS)是鐵路地對(duì)車安全防范預(yù)警系統(tǒng)(5T系統(tǒng))的重要組成部分，主要用于對(duì)滾動(dòng)軸承的故障進(jìn)行在線、早期診斷預(yù)報(bào)。TADS自2004年安裝發(fā)展至今，設(shè)備的運(yùn)行和預(yù)報(bào)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化，通過聯(lián)網(wǎng)達(dá)到對(duì)鐵路線路上運(yùn)行的客貨車進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)報(bào)[1]。

車輛運(yùn)行過程中，除滾動(dòng)軸承外，其他部位由于損壞或連接松動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生異常的聲音，像車底連接桿、車輪等部件的損壞或連接松動(dòng)會(huì)嚴(yán)重危害車輛的運(yùn)行安全，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并預(yù)報(bào)這些故障，可以避免或減少車輛運(yùn)輸事故的發(fā)生。TADS可以采集到滾動(dòng)軸承及其附近部件的所有噪聲，在多年對(duì)TADS采集數(shù)據(jù)的跟蹤和分析中發(fā)現(xiàn)存在大量的包含在正常運(yùn)行噪聲和軸承故障噪聲以外的異常聲音。這些異常聲音信號(hào)主要是由于軸承附近部件存在故障產(chǎn)生的，信號(hào)中所包含的沖擊成分分布和特征頻率與軸承故障聲音信號(hào)是有區(qū)別的，例如雖然平輪的時(shí)域特性與內(nèi)圈故障時(shí)域特性比較相似，但沖擊頻率分布卻不同。

本文將對(duì)軸承附近部件產(chǎn)生異音的原理和異音特征進(jìn)行理論分析，并結(jié)合TADS采集的非軸承故障的聲學(xué)信號(hào)的數(shù)據(jù)處理結(jié)果，利用多種信號(hào)處理方法，形成異音判別模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛軸承附近部件異音進(jìn)行診斷和預(yù)報(bào)的功能。

1 異音產(chǎn)生原理

車輛在高速負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，軸承及其附近其他部件出現(xiàn)擦傷、剝離、斷裂時(shí)，和系統(tǒng)其他部件接觸會(huì)產(chǎn)生突變的具有短時(shí)寬帶特性的沖擊脈沖力，產(chǎn)生振動(dòng)并發(fā)出異常聲音，不同部件導(dǎo)致的故障所形成的沖擊信號(hào)特征是有區(qū)別的，應(yīng)根據(jù)沖擊產(chǎn)生原理進(jìn)行分析判斷。

1.1 滾動(dòng)軸承故障異音產(chǎn)生原理

如圖1所示，滾動(dòng)軸承內(nèi)圈、外圈和滾子發(fā)生剝離、裂損或者壓痕等故障時(shí)在局部位置會(huì)產(chǎn)生凹坑或者不平，軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，滾動(dòng)體每經(jīng)過一次故障點(diǎn)，遇到凹坑就會(huì)碰撞產(chǎn)生沖擊振動(dòng)和噪聲。沖擊振動(dòng)的過程分為2個(gè)階段：第一階段，在碰撞點(diǎn)產(chǎn)生很大的沖擊加速度，加速度大小和振幅的增加量與軸承疲勞損傷程度成正比；第二階段，軸承部件結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生衰減自由振動(dòng)，振動(dòng)頻率取決于系統(tǒng)自由狀態(tài)下的固有頻率。因此，可以從兩方面對(duì)軸承故障進(jìn)行分析診斷：一方面是分析沖擊振動(dòng)頻率，類似于統(tǒng)計(jì)特征；另一方面是分析由沖擊而激起的軸承零件固有振動(dòng)。

圖1 軸承零件上的疲勞剝離凹坑

故障發(fā)生在外圈、內(nèi)圈或者滾子產(chǎn)生的沖擊振動(dòng)頻率是不同的，從理論上講滾動(dòng)軸承的故障頻率就等于其相應(yīng)的特征頻率，滾動(dòng)軸承的故障特征頻率由滾動(dòng)軸承的幾何結(jié)構(gòu)例如軸承節(jié)徑、滾子直徑和轉(zhuǎn)速所決定[2-3]。

沖擊導(dǎo)致的軸承零件的固有振動(dòng)主要分2種：軸承內(nèi)外圈一階徑向固有振動(dòng)，其頻帶范圍一般在1～8 kHz之間；軸承零件其他固有振動(dòng)，其頻率范圍主要分布在20～60 kHz之間。

1.2 車輪失圓異音產(chǎn)生原理

車輪失圓指的是車輪踏面由于發(fā)生外形變化，在車輪圓周方向發(fā)生不平順的現(xiàn)象，其主要包括相對(duì)橫向與理論形狀的偏差和相對(duì)周向與理論形狀的偏差。車輪失圓產(chǎn)生的原因可能有車輪初始不圓、輪軌長期振動(dòng)激勵(lì)等很多因素的影響。車輪失圓可分為局部非圓化和全周非圓化兩大類。局部非圓化是指車輪踏面局部出現(xiàn)的沿車輪徑向的缺陷，如擦傷和剝離；全周非圓化主要是車輪多邊形化，即車輪半徑沿整個(gè)圓周呈周期性變化。列車運(yùn)行過程中，正常車輪踏面與鋼軌反復(fù)接觸，會(huì)發(fā)出低頻的、能量較平穩(wěn)的噪聲，而不圓的車輪通過鋼軌時(shí)會(huì)產(chǎn)生周期不同的異常的沖擊振動(dòng)噪聲，因此，可以根據(jù)噪聲信號(hào)特征，分析出車輪不圓的可能原因。

1.2.1 踏面故障

擦傷和剝離是最常發(fā)生的踏面故障，踏面存在擦傷或者剝離故障的車輪運(yùn)轉(zhuǎn)示意圖如圖2。

圖2 故障車輪運(yùn)轉(zhuǎn)示意圖

在低速狀態(tài)，車輪滾至擦傷起始點(diǎn)A時(shí)，將以A點(diǎn)為圓心，以擦傷長度L為半徑轉(zhuǎn)動(dòng)，繞A點(diǎn)旋轉(zhuǎn)直至整個(gè)擦傷表面撞擊軌道，當(dāng)全部擦傷表面撞擊鋼軌后，車輪將以擦傷終止點(diǎn)B為圓心轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)一步給軌道施加動(dòng)力作用，直到車輪恢復(fù)到正常轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)。而在高速狀態(tài)，車輪滾至A點(diǎn)后，將脫離鋼軌表面，在空中旋轉(zhuǎn)的同時(shí)向前作慣性運(yùn)動(dòng)并且向下跌落，最終在B點(diǎn)接觸軌面，從而給軌道以一定位移幅度的沖擊。當(dāng)車輪由狀態(tài)A滾動(dòng)到狀態(tài)B所需時(shí)間等于車輪輪心跌落高度所需時(shí)間時(shí)，此時(shí)速度為輪軌沖擊的臨界狀態(tài)[4-5]。行駛過程中，單個(gè)故障情況時(shí)，對(duì)軌道的沖擊頻率等于車輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，即：f=vc/2πR(f是沖擊頻率，vc是運(yùn)行速度，R是車輪半徑)。

當(dāng)運(yùn)行速度vc小于臨界速度時(shí)，踏面與鋼軌的沖擊時(shí)間tr、垂直沖擊速度v0為：

(1)

(2)

則沖擊過程中產(chǎn)生的碰撞機(jī)械動(dòng)能EM為：

(3)

式中：M——車輪質(zhì)量。

當(dāng)運(yùn)行速度vc大于臨界速度時(shí)，踏面與鋼軌的沖擊時(shí)間tr、垂直沖擊速度v0為：

(4)

(5)

其中：

(6)

式中：M1，M2——車輛的簧上質(zhì)量和簧下質(zhì)量。

則沖擊過程中產(chǎn)生的碰撞機(jī)械動(dòng)能為：

(7)

根據(jù)以上計(jì)算，踏面故障會(huì)使車輪與軌道間發(fā)生周期性振動(dòng)沖擊，輪軌沖擊效應(yīng)隨著運(yùn)行速度的增加而增大，在臨界速度時(shí)輪軌沖擊效應(yīng)最大，之后沖擊有所減小，最終趨于恒定值。因此，根據(jù)沖擊持續(xù)時(shí)間和沖擊能量的大小判定踏面故障的危害等級(jí)也具有一定代表性。

1.2.2 車輪多邊形

車輪多邊形是車輪不圓順的一種表現(xiàn)形式，車輪多邊形在數(shù)學(xué)模型上可以用不同階數(shù)的簡諧波求和表示，理論和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)證明，階數(shù)可以是1～20階[6]。一般情況下，車輪多邊形中都是由其中一階起主導(dǎo)作用。列車運(yùn)行時(shí)，若存在車輪多邊形，輪軌間將產(chǎn)生周期性變化的動(dòng)態(tài)作用力，引起輪軌系統(tǒng)的沖擊振動(dòng)，會(huì)嚴(yán)重影響車輛軌道系統(tǒng)其他走行部件的穩(wěn)定性和使用壽命。

一階車輪多邊形即車輪偏心，是一種典型的諧波形激擾，因?yàn)檐囕嗠x心激振力引起輪軌系統(tǒng)產(chǎn)生周期性強(qiáng)迫振動(dòng)，輪軌力變化周期約等于車輪滾動(dòng)一周的時(shí)間；二階車輪多邊形化即為車輪橢圓化，輪軌力變化周期約等于車輪滾動(dòng)一周的時(shí)間的一半；以此類推，車輪多邊形化會(huì)影響車輛運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)和輻射噪聲，產(chǎn)生周期脈沖，沖擊頻率f=nvc/2πR(n是車輪多邊形階數(shù))。

根據(jù)以上分析，雖然在正常狀態(tài)下也存在十分復(fù)雜的振動(dòng)和噪聲，但信號(hào)總體上表現(xiàn)出隨機(jī)特性，能量也較為平穩(wěn)。在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中如果走行部件某個(gè)部位發(fā)生故障，無論是軸承故障或者是附近部位故障，則噪聲信號(hào)會(huì)出現(xiàn)周期性的沖擊脈沖，同時(shí)周期信號(hào)包含軸承系統(tǒng)的高頻共振響應(yīng)。不同故障對(duì)應(yīng)的故障沖擊頻率、零件的固有振動(dòng)頻率以及沖擊振動(dòng)衰減程度、沖擊振動(dòng)持續(xù)時(shí)間都是不同的，可以通過檢測(cè)這些特征判斷是否存在不同于軸承故障的其他異音。

2 異音檢測(cè)方法

即使是無故障車輛運(yùn)行過程中，實(shí)際噪聲也是由多種噪聲混合而成，主要包括輪軌噪聲、空氣動(dòng)力噪聲和集電系統(tǒng)噪聲等。軸承及其附近其他部件出現(xiàn)故障時(shí)產(chǎn)生的沖擊振動(dòng)導(dǎo)致的異音混合在車輛運(yùn)行噪聲中，如果單從時(shí)域波形或功率譜分析結(jié)果來看，往往很難看出設(shè)備究竟是否存在異音以及異音可能的原因和位置等。如何有效從采集信號(hào)中提取屬于分析部件的聲音信號(hào)是個(gè)極其關(guān)鍵的問題。

本文以TADS的硬件采集設(shè)備為基礎(chǔ)，在不改變?cè)休S承故障判別方法的前提下利用時(shí)域處理、頻域處理和時(shí)頻分析方法形成異音判別模型，對(duì)信號(hào)進(jìn)行異音檢測(cè)判別。

2.1 時(shí)域信號(hào)檢測(cè)方法

經(jīng)過數(shù)字濾波后分段計(jì)算信號(hào)的聲強(qiáng)級(jí)。聲強(qiáng)級(jí)(LI)的計(jì)算公式為：

(8)

式中：I——聲強(qiáng)；

I0——參考聲強(qiáng)。

一般情況下，可以用聲壓級(jí)(Lp)代替聲強(qiáng)級(jí)，計(jì)算公式為：

(9)

式中：p0——參考聲壓，取20μPa；

p——聲壓。

聲壓有效值prms的計(jì)算公式為：

(10)

2.2 頻域信號(hào)檢測(cè)方法

利用快速FFT對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域到頻域的變換，得到不同頻點(diǎn)的聲壓級(jí)分布，根據(jù)故障診斷目的選取合適的頻段，計(jì)算帶內(nèi)總聲壓級(jí)。帶內(nèi)總聲壓級(jí)Lp(總)計(jì)算公式為：

(11)

式中：m，n——頻點(diǎn)起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)。

2.3 時(shí)頻分析方法

對(duì)信號(hào)進(jìn)行離散小波變換，把信號(hào)分解為不同尺度的系數(shù)，對(duì)小波分解系數(shù)進(jìn)行閾值處理后重構(gòu)，對(duì)重構(gòu)信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)譜分析確定故障信號(hào)特征。

如果ψ(t)滿足小波基條件，通過伸縮因子a0和平移因子b0可以得到小波族函數(shù)為：

(12)

信號(hào)f(t)的離散小波變換為：

(13)

利用以上時(shí)域、頻域和時(shí)頻分析方法，根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果，結(jié)合采集經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果確定特征判別過程中合適的參數(shù)和門限值，即可建立基于TADS采集數(shù)據(jù)的異音檢測(cè)模型。

3 異音檢測(cè)應(yīng)用效果

2019年，經(jīng)中國鐵路哈爾濱局集團(tuán)有限公司車輛部同意,對(duì)部分TADS探測(cè)點(diǎn)的設(shè)備進(jìn)行了升級(jí)，升級(jí)后的軟件包含貨車異音預(yù)報(bào)功能。對(duì)2019年1月末至2月中旬報(bào)警和分解數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示升級(jí)探測(cè)點(diǎn)除正常軸承故障預(yù)報(bào)外，預(yù)報(bào)并兌現(xiàn)了多起車輪故障，典型故障圖片見圖3、圖4。

圖3 異音檢測(cè)踏面剝離案例

圖4 異音檢測(cè)踏面擦傷案例

4 結(jié)束語

利用本文給出的異音判別模型升級(jí)軟件后的TADS設(shè)備，增加了聲學(xué)診斷的運(yùn)用范圍，提高了行車安全性。如果全路所有的TADS設(shè)備都進(jìn)行升級(jí)增加異音檢測(cè)功能，可以使檢修及管理部門更加及時(shí)掌握運(yùn)行車輛軸承附近部件的狀態(tài)，進(jìn)一步提高鐵路運(yùn)輸?shù)男屎头?wù)水平。