高速動車組振動溫度復合監控系統的應用

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務部，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量不斷增加，鐵路車輛運行的安全性和穩定性需求進一步加強，實現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，作為車輛高速運轉的基礎，走行部滾動軸承時刻處于惡劣的工作條件中，單一的溫度監控系統已無法滿足日趨嚴格的安全監控和早期預警的要求。高速動車組軸承故障溫升僅表現在出現重大事故前的短暫時間內，而溫度監控系統僅能實現報警功能和報警后的盯控功能，因此，高速動車組仍會發生較大事故而導致停車，嚴重影響了鐵路運營秩序。復合監控系統可對振動信號、沖擊信號和溫度信號進行多維度監控，可實現溫度、沖擊、振動多物理量的同時采集及判斷。為實現軸承故障的早期預警，滿足智能檢修要求，提前對存在問題的軸承進行檢查，將振動溫度復合監控系統應用于高速動車組顯得尤為重要。

1 軸承狀態監控系統

高速動車組走行部滾動軸承作為車輛的關鍵部件，以時速350 km高速運行時，時刻處于復雜的工作環境中。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。動車組軸承狀態的穩定監控是當前動車組發展的關鍵技術之一。目前，常用的軸承無損檢測手段主要有：溫度監控技術、振動監控技術、聲學監控技術和油膜電阻監控技術[1]。

1.1 溫度檢測技術

溫度檢測技術是最直接的檢測方式，該系統主要由溫度監控主機、軸溫傳感器和車輛網絡系統構成，廣泛應用于我國各型動車組中。溫度檢測技術為動車組的穩定運行提供了基礎的保障。在實際應用中，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換為電信號，再把電信號傳輸至車輛溫度監控主機，通過溫度監控主機處理后，實現對軸端運行溫度的實時監控，及時地將報警信號傳輸至車輛網絡系統，進而實現對動車組運行的控制，確保動車組的運行穩定安全。

溫度監控系統對發現軸承溫度異常升高、防止熱切軸具有十分重要的意義。該系統相對簡單，選擇合適的熱敏原件后即可穩定地對軸承溫度進行實時監測，無需復雜的算法。但單獨采用溫度監控系統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警，當出現溫度異常變化時，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

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

聲學監控系統為非接觸式監控系統，系統設備設置于地面，可實現對經過車輛的軸承運轉狀態及其運轉聲音進行監控，如出現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

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，避免軸承出現異常磨損情況。油膜電阻檢測技術是在滾動體和內外圈中間進行測量，在正常工作狀態下，軸承中存在的油膜導致內外圈之間存在較大的電阻值，但如果滾動體或內外圈中間存在缺陷，將破壞油膜的連續，導致電阻值異常升高，通過對電阻的監控即可對軸承的運轉狀態進行監控。

油膜電阻檢測技術對軸承的異常磨損、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,應用面較窄。

1.4 振動檢測技術

振動檢測技術是滾動軸承出現損傷后，在軸承運轉過程中缺陷位置和其它原件表面接觸時會出現周期性的脈沖信號，振動監控系統通過振動傳感器對異常振動信號進行采集，通過振動監控主機對振動信號進行過濾識別，實現故障信號的分級預警[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。振動檢測技術可對軸承異常振動信號實現預測性診斷，并在軸承出現微小損傷時進行有效診斷。

1.5 振動溫度復合檢測技術

振動溫度復合監控系統由振動溫度復合傳感器和振動溫度監控主機組成。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測、傳輸。系統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定地進行傳輸，實時對軸承運轉情況進行監控。

將溫度檢測技術和振動檢測技術相結合，實現對動車組軸承運轉情況的實時檢測，以及軸承微小損傷的早期預測，保障動車組的高效運行。如何實現振動溫度監控系統的穩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勢檢測的重要方法。

2 智能軸承監控系統

高速動車組現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，僅對車輛數據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，對關鍵部件進行更換處理。根據中國國家鐵路集團有限公司的相關規定，軸端軸承在運用三級修時可先對檢修進行分解，然后對軸承狀態進行檢查；四級修時直接對軸承進行報廢處理。在現有的修程情況下，三級修時易出現軸承故障的漏檢漏修，造成故障軸承繼續裝車；四級修時無論軸承的運用狀態，均報廢處理，造成嚴重的浪費，無法實現壽命最大化。因此，為降低運用維修成本，以及實現軸承的智能檢修，實現軸承狀態的多維度監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、摩擦系數小、便于拆卸檢修等優勢。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。當軸承出現損傷后，隨著軸承的轉動，滾動體會持續按固定頻率經過故障點，滾動體每經過故障頻率時均產生微弱的脈沖沖擊信號，激起部件的固有頻率,產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的軸承在相同運轉條件下軸承壽命仍存在較大的個體差異，且軸承的工作狀態無法通過軸承的設計壽命進行判定。部分軸承在超過設計壽命后，仍在相當長的時間內處于正常的工作狀態；但部分軸承在未到達設計壽命時已出現故障，造成運營影響[4]。因此，為了避免出現重大故障，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檢修特點，可在原有的故障修和定時修的基礎上增加預知狀態檢修。預知狀態檢修可在車輛不解體的情況下，通過自動化采集設備對滾動軸承進行實時狀態監控，通過大數據建立滾動軸承正常運轉狀態的相關參數。當滾動軸承出現異常工況后，可實現采集設備自動采集異常信號、預報警，以及故障的提前預判等，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是具有數據采集、傳輸、處理及顯示等多功能集合的復合系統。該系統可實現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、自校準技術的溫度及振動復合檢測技術，實現對軸箱軸承溫度、振動加速度、沖擊諧波的高精準檢測。建立動車組旋轉部件振動、溫度實時動態檢測及自動診斷的監控系統，從而實現動車組關鍵部件的狀態檢測、故障預測、健康管理和修程修制優化。

3 振動溫度復合監控系統

振動溫度復合監控系統是由振動溫度復合傳感器、振動溫度監控主機及車載網絡系統共同組成。振動溫度復合傳感器負責收集軸承運轉時的溫度、振動及沖擊信號，經過振動溫度監控主機處理分析，生成不同級別的預警及報警信號。振動溫度監控主機發出的預警及報警信號通過車輛網絡系統在車輛人機界面上進行顯示，同時經過車輛中央控制系統自動生成車輛限速信號，實現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，并傳輸數據給車輛監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定傳輸。當軸承運轉出現故障后，軸承會產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，實現軸承故障的早期發現。

圖1 振動溫度復合傳感器

3.2 振動溫度復合監控系統的工作原理

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

圖2 振動溫度復合監控系統工作原理

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，并轉換為電信號；

2) 復合傳感器將測量的信號傳輸到車輛主機，車輛振動溫度監控主機對采集的信號進行濾波、共振解調變換等處理；

3) 由車輛振動溫度監控主機診斷模塊進行數據分析處理并給出診斷結果，并傳輸給車輛網絡系統，對車輛走行部的關鍵部件狀態進行實施盯控，并輸出報警信息。

3.3 振動溫度復合監控系統的特點

振動溫度復合監控系統同時具備振動監控系統和溫度監控系統的優點，可以對軸承運行的狀態進行“全態勢”感知，既可以對軸承運轉狀態進行全流程感知，也可以對軸承出現的早期故障進行預判性報警，進而實現軸承的安全穩定運行和智能化檢修。振動溫度復合監控系統具有如下優點：

1) 振動溫度復合監控系統可實現軸承狀態的實時監控，以及數據的實時診斷、顯示及傳輸。

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

3) 實現三物理量的多維度綜合監控，實現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定運行。

4) 實現動車組軸承故障類別及程度的準確診斷，可依據大數據實現故障的自我診斷、分級報警。實現車輛故障的智能檢測，準確反映軸承的運轉狀態，確保車輛的科學維護。