鐵路貨車軸承振動質量動態分析系統的研究

湯武初，王依，葛洪勝

(1.大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 1160282; 2.郯城縣李莊鎮黨政辦公室，山東 臨沂 276000)

滾動軸承作為鐵路貨車走行部最重要的零部件，其運行質量直接影響到貨車走行部的壽命、穩定性和安全性.然而，要對滾動軸承的運行狀態進行完善診斷和預測，就必須對軸承在運行中產生的信號進行有效處理.軸承信號處理技術主要分為三種類型：一種是對軸承運行中的一些時域統計參數的計算與分析，這種方法受噪聲和其他振動源(如齒輪或軸的變速)引起的干擾比較大；一種是基于幅值譜、功率譜等工具的頻域分析.而進入21世紀以來，小波變換、Hilbert-Huang變換、EMD分解等時頻分析方法的提出，有效地減少了噪聲及環境干擾，使軸承信號分析更加精準，故障報警更加及時[1].但目前在軸承振動質量檢測方面還沒有較為系統的檢測方法，在實際應用上也無法滿足需要.為了更早的發現軸承狀態的變化和故障發展趨勢，控制軸承振動質量，本文設計了一種鐵路貨車軸承振動質量的動態分析系統.本系統通過檢測軸承運行時的時域參數有效值、峭度及軸溫，使用SPC(Statistical Process Control)統計過程控制工具[2]來評估一批軸承的振動質量，及時發現由于軸承工作表面磨損等原因產生的軸承質量波動并報警，幫助用戶更好地把握軸承質量，延長軸承的最大服役里程.目前我國鐵路重載貨車多用353130B型軸承[3]，故本文以軸承353130B為例，介紹本系統.

1 系統的硬件構成及選型

本儀器為多通道信號采集并帶有統計過程控制的計算機振動測量虛擬儀器.硬件組成原理如圖1所示.振動信號產生后，先通過傳感器對振動信號進行采集，并轉換為微弱的電壓信號.再通過前置電荷放大器對其進行放大后通過濾波器過濾掉噪聲等干擾信號，只保留軸承運行中包含信息的振動信號.通過采集卡對濾波后的信號轉換為數字信號傳送到上位機進行信號處理，判斷振動質量.

圖1 硬件組成原理圖

1.1 傳感器的選擇

軸承運行時產生的振動信號在向外傳播時每經過零件界面都會損失近80%能量[4]，為了降低振動的能量損失，在檢測中傳感器直接接觸軸承外圈.因雙列圓錐滾子軸承的結構特殊性，傳感器僅測量軸向振動即可.本系統選用JZ-10型加速度壓電傳感器，電壓靈敏度10.39 mV/ms-2；諧振頻率大于20 kHz.該傳感器適用于多通道測量，性價比高，安裝方便，同時抗干擾能力強，能夠采集到相對準確的振動信號.

1.2 濾波器的選擇

根據GB/T 24610.1-2019《滾動軸承振動測量方法》標準，選擇50 Hz～10 kHz之間的頻率作為軸承故障檢測評判范圍即通頻帶.本系統將軸承在通頻帶范圍內的振動頻率分為如下三個頻帶：

(1)低頻帶：50～300 Hz，軸承的特征頻率一般在此頻帶.但低頻信號中往往包含許多環境噪聲等干擾信號，信噪比較低.因此在實際的軸承信號分析中一般不使用本頻帶做后續的分析處理；

(2)中頻帶：300～1 800 Hz，此頻帶一般用來做進一步的信號分析，能避開傳感器系統的諧振點，使得測量結果重復性較好；

(3)高頻帶：1 800 ～10 kHz,軸承元件的固有頻率，傳感器系統諧振點等系統固有頻率會在此頻段顯示；

(4)本系統采用了六個阻滯衰減大于40 dB的切比雪夫有源濾波器， 分別為截止頻率為 50 Hz、

300 Hz、1 800 Hz的高通濾波器和截止頻率為300 Hz、1 800 Hz、10 kHz的低通濾波器.振動信號傳入后，先經過截止頻率為50 Hz的高通濾波器和截止頻率為10 kHz的低通濾波器， 得到頻率范圍為50 Hz～10 kHz的振動信號，即為全頻段振動信號.隨后若將全頻帶信號通過截止頻率為1 800 Hz的高通濾波器，即可得到頻率范圍為1 800 Hz～10 kHz的高頻段振動信號；若通過截止頻率為300 Hz的低通濾波器，即得到頻率范圍為50 Hz～300 Hz的低頻段振動信號；若先通過截止頻率為300 Hz的高通濾波器再通過截止頻率為1 800 Hz的低通濾波器，即得到頻率范圍為300 Hz～1 800 Hz的中頻段振動信號.四個頻段的信號波形均在主界面動態顯示.

1.3 系統其他硬件特點

(1)8檔程控(10 dB)放大器用以擴大儀器動態量程，提高采樣精度.

(2)A/D轉換精度16位，本系統A/D轉換頻率大于20 kHz，最大測量頻率10 kHz，滿足采樣頻率至少要大于測量頻率1倍以上的采樣定理要求.

(3)溫度傳感器采用PT100鉑電阻.兩路溫度測量系統，一路用于測量環境溫度，另一路測量被測軸承溫度.

(4)為減少電流波動影響，模擬電路采用獨立直流穩壓電源供電.

(5)各硬件板卡安裝于工控機中，通過微機接口與上位機通信，降低數據在傳輸過程中發生的丟失.

2 系統軟件設計

本系統軟件程序框圖如圖2所示，其中key為系統功能熱鍵的點擊.

圖2 軟件邏輯框圖

2.1 用戶界面的設計

軟件啟動后，彈出用戶登錄界面，輸入正確用戶名及密碼后進入測量主界面.為了方便用戶使用，簡化操作，主界面開啟后自動讀取上一次測量方案及軸承信息并載入.本系統測量過程分為四個階段：兩個低速勻脂過程、一個過渡過程、一個測量過程，四個過程的主軸轉向、主軸轉速、持續時間均可自由設置，但只有測量過程的振動數據被用來記錄及分析，以保證數據的穩定及準確.

開始測量后，為了使測量信號更為準確，減少系統誤差，傳感器每3次測量四個頻帶的振動信號由采集卡輸入后取平均值送顯示器更新波形，更新間隔約為1 s.傳感器取平均值的測量個數以cs_clpj為標志，同樣可在方案配置界面中自由配置.

振動數據送入數據處理模塊，以輸入通道號TD為標志分別計算平均值和峰值并做去均值處理，然后分別計算有效值、峰值因子和峭度并保存.一套軸承測量完畢后取各頻段有效值、峰值因子、峭度與預設門限值比對，若有超限則數據顯示區相應標志變紅提示.

開機登錄后，主界面如圖3所示，分7個區：1為菜單區，各參數文件切換與配置;2為功能鍵區，提示各功能的操作熱鍵；3為數據顯示區，分別顯示各頻段區所測量的峰值因子、有效值和峭度值；4為溫度監控區，顯示當前室溫及軸溫；5為波形顯示區，實時顯示各頻段振動波形與溫度變化波形；6為方案顯示區，顯示當前測試方案及當前測量進度；7為軸承信息區，顯示被測軸承的基本信息，例如型號、批號、測試日期等.

圖3 系統主界面

2.2 數據門限選擇

本系統通過時域參數來判斷軸承振動質量，假設有一組離散振動信號數據X={x1,x2,…,xi}，所用參數表達式如下[4-7]：

均方根值(有效值)

(1)

峰值因子：

(2)

(3)

式(1)～(3)中，Xmax為最大幅值，N為離散數據點的個數即采樣點數.

由于有效值是在時域上對振動信號的平均，對具有表面缺陷的無規則振動波形較敏感，故而對檢測磨損類故障比較有效[5]；一般情況下,正常軸承運行時的峰值因子在4～5之間.當滾動軸承出現影響運行的表面缺陷時，峰值因子將達到10以上[4].將峰值因子作為特征參數還有兩點優點：一是其值不受軸承型號、轉速及載荷的影響；二是其值不受振動信號的絕對水平影響，這意味著即使軸承的工作條件改變或是傳感器和放大器的靈敏度改變，也不會出現測量誤差，保證了檢測結果的準確性[4-7].

峭度是衡量概率密度分布尖峭程度的參數，是對軸承振動信號進行診斷時最常用的無量綱參數指標[4].峭度對軸承早期故障的靈敏度較好，可靠性高.正常軸承運行時的振幅服從正態分布，其峭度值穩定保持在3左右，若軸承運行中存在沖擊性振動，即存在早期的工作表面缺陷，則峭度值持續接近 4或超過4.由此可以看出，峭度對軸承的早期故障較為敏感.

時域參數只能判斷軸承是否存在沖擊性振動，并不能判斷是什么部分發生故障，但由于軸承是整體性零件，不管哪個部分發生故障都應整體更換，所以系統符合實際檢測要求.各頻段門限值如表1所示.

表1 系統門限表

3 系統的單件軸承檢測流程

目前我國鐵路貨車一般使用雙列圓錐滾子軸承，其結構[8]如圖4所示.

圖4 雙列圓錐滾子軸承結構圖

按GB/T 24610.3-2009標準，圓錐滾子軸承在振動測量的實驗不可對軸承產生破壞，因此不需要徑向載荷，只施加均勻軸向載荷以保證所有滾動體都與滾道緊密接觸.而雙列圓錐滾子軸承實際就是兩套圓錐滾子軸承的組合，為使檢測結果更加可靠，標準中規定對雙列圓錐滾子軸承的振動質量檢測要分別對兩列軸承單獨檢測.在檢測時要考慮將中隔圈與被檢軸承分離，故而本系統設計了垂直伸縮式軸向加載系統.

實驗開始前，將被測軸承垂直放在試驗臺上，中心軸線與芯軸中線重合，如圖5.

圖5 試驗臺結構及試驗臺初始位置圖

啟動測量程序后，加載氣缸通過加載球頭將加載托盤向上推起，加載盤也一同向上推起.當加載盤與軸承外圈端面接觸后，軸承在加載盤的作用下開始向上移動，直至將被測軸承推到回轉芯軸中.而軸承托盤相對于加載盤繼續向下移動，使得下端軸承內圈端面與軸承托盤脫離，軸承與試驗臺位置如圖6.此時因重力作用，下端軸承和中隔圈一起向下移動，使得中隔圈與上端被測軸承脫離接觸.即可滿足測量單邊軸承的要求.一次測量結束后，加載氣缸下降將軸承送回原位，手動翻轉被測軸承，繼續測量另一側軸承.

圖6 試驗臺測量時位置圖

4 SPC統計過程控制

在對單個軸承的振動質量進行檢測后，本系統使用了SPC工具對一批軸承的振動質量進行了統計監測.

SPC是一種借助數理統計方法的過程控制工具[9].在軸承的加工生產中，人工、機器、環境、使用的材料及使用的不同加工方法都會對產品的質量產生影響，使軸承質量產生波動，這種波動被稱為正常波動；而其他由于加工過失或系統異常等原因造成的質量波動對軸承質量影響極大，被稱為異常波動，應當極力避免.借助SPC對生產過程進行評估，及時發現異常波動并采取措施消除影響，使系統處于在規定范圍內穩定運行的受控狀態[10]，即可保證軸承的運行精度.因此在軸承制造業，從質量管理角度，一批軸承動態水平(CPK值)是軸承制造業質量管理的綜合反映[11].

SPC質量控制的主要工具為控制圖、直方圖和工序能力指數CPK.控制圖為點圖，隨著檢測過程實時更新，可清楚地展示軸承的質量波動趨勢，用來實時監測質量波動情況，一旦波動超出允許范圍，就立即整改以保證軸承的振動質量平穩.工序能力指數是指產品的質量要求與工序能力之比.其計算方法如下[12]：

(4)

表2 CPK判定標準

5 試驗效果

本文試驗采用自主開發的鐵路貨車軸承振動質量動態系統軟件，軟件界面包括：①控制圖區：分別以有效值和峭度值描點繪制控制圖；②直方圖區：以有效值為頻數繪制直方圖；③質量參數區：顯示各頻段振動質量參數及合格率.

試驗以353130B軸承為例，檢測了兩組各25套鐵路貨車軸承，結果如圖7所示.由圖可知，A組軸承有效值波動較小，峭度值變化平穩且大于3的數據小于10%.直方圖基本呈現正態分布，CPK二級，工序能力較強，振動質量良好，可裝車運行.B組軸承能明顯看到軸承有效值差值較大.各分頻段峭度均有超限情況，其中中頻段最為嚴重，超限峭度個數近30%.直方圖出現雙峰及偏峰，本批次軸承有多個在運行中存在沖擊性振動，軸承工作表面可能存在輕度磨損或精度不足，振動質量不如A組軸承.

圖7 兩組軸承質量分析結果

6 結論

本文設計了一種具有SPC功能的鐵路貨車軸承振動質量動態分析系統.借助SPC工具，通過對軸承振動數據的檢測來判斷軸承的質量狀態，及時發現軸承振動質量的變化和早期的工作表面故障，以此為依據給予干預手段來延長軸承的壽命，提高軸承運行的穩定性與可靠性.經過實驗驗證，具有SPC功能的鐵路貨車軸承振動質量動態分析系統能夠有效檢測雙列圓錐滾子軸承的振動質量并發現軸承振動質量的異常波動，規避未來可能發生的軸承故障，為鐵路軸承的檢測提供了一種新的手段.