闻俊夫

摘要：铁路车辆安全稳定的运营是我国经济发展重要保障，所以一直受到有关部门和广大国民重点关注，滚动轴承是铁路机车车辆十分重要的零部件，滚动轴承健康稳定的工作是铁路车辆安全运行重中之重。本文主要阐述了车辆轴承诊断系统的主要阶段和结构，以期能够为相关人员起到一定的帮助。

Abstract： The safe and stable operation of railway vehicles is an important guarantee for China's economic development， so it has been the focus of the relevant departments and the majority of the people's attention， rolling bearing is a very important part of the railway locomotive and vehicle， the healthy and stable work of rolling bearings is the priority among priorities for the safe operation of railway vehicles. This paper mainly describes the main stages and structure of the vehicle bearing diagnosis system， in order to be able to play a certain help for relevant personnel.

关键词：机车车辆;轴承;故障诊断系统

Key words： rolling stock;bearing;fault diagnosis system

中图分类号：U472.43                                 文献标识码：A                                  文章編号：1674-957X（2021）21-0132-02

0  引言

铁路被誉为是中国版图上的动脉，全国半数以上的物流运输都依靠铁路来完成，机车车辆相当于动脉中的血红细胞，需要运输的人员及货物都依靠铁路机车车辆来承载。近年来，随着我国经济增长速度不断的提升，迫使我国铁路铁路装备必须向高速重载的方向进行改革和提升，铁路机车车辆提速不仅需要高效的管理，精良的设备技术完善和改良更是中国铁路改革的重中之重。转向架是铁路车辆的承重部件，铁路车辆列车运行中，转向架经常出现燃轴、切轴的现象，故障集中表现在转向架轴承上，也一度导致转向架轴承成为了铁路机车车辆易损件之一。因此，转向架轴承的运行状态成为了影响机车车辆安全运行十分重要的影响因子。在铁路列车运行速度不断提升的背景下，对燃轴、切轴故障的防控提出了更高的要求。本文重点研究机车车辆轴承状态监测与故障诊断系统。

1  轴承故障诊断的意义

机车车辆轴承在运行工况下，承受其规定的工作载荷，同时必须保证其能达到一定的转速和寿命。对机车车辆轴承故障诊断的目的是保证轴承在其工作过程中，能够实时的对轴承的各种性能和指标进行监控，当轴承出现异常或者故障时，能够更早的发现，通过及时的干预，对轴承出现的故障进行预防和处理，通过对轴承进行必要干预，保障铁路车辆轴承运行的安全、稳定和可靠，尽最大限度的降低因为轴承故障导致的损失，使轴承能够尽可能的发挥其作用。同时可以为轴承检修要求提供一定的指导，有助于在合理的区间内挖掘铁路车辆轴承的潜力，延长铁路车辆轴承的运营时长服役寿命，降低铁路车辆轴承的整体费用。通过对铁路车辆轴承实时监控、异常判断和健康状态评估，为铁路装备的结构优化、设计提升和工艺设计提供珍贵的数据信息和理论支撑。相应的，机车车辆轴承故障诊断就是通过对机车车辆轴承运行过程中的振动信号进行采集、整理和干预来诊断轴承的状态。

2  轴承故障诊断过程

运用车辆轴承振动监测法，通俗的讲，通过对铁路机车车辆轴承运行过程中振动信号的收集、解析和处置的过程就是对该轴承进行故障诊断的过程。通常情况下，轴承故障诊断过程包含振动收集、特性提取、形态辨别、故障分析和主动干预等五个阶段。

振动收集：依照机车车辆轴承当前的工况环境，收集能够科学的表征机车车辆轴承运行状态的振动信号。

特性提取：主要利用数学模型工具，离散傅氏变换的快速算法、小波变换、相关函数及功率谱等信号处理技术，利用一定的数学方法对机车车辆轴承的振动信号进行解析与处置，提取出能够科学的表征机车车辆轴承运行情况的信息。

形态辨别：依照提取的特性情况，采用科学的异常识别的方法对机车车辆轴承进行识别，快速的对机车车辆轴承的运行状态进行简要的识别。具体的识别方法有很多种，可根据信号形态和工具进行选择。

故障分析：当机车车辆轴承出现异常时，对异常或者故障进行全方位的分析，包括故障发成的原因，故障发生的部位，故障的性质，故障发生的具体部位等。

主动干预：通过对机车车辆轴承故障的分析，预判轴承故障是否存在扩大化的趋势，主动做出对机车车辆轴承做出相关动作，进行人为的干预。

系统的五个阶段过程如图1。

3  轴承故障诊断系统的设计结构

机车车辆轴承故障诊断系统拥有振动信号收集、信号整理、信号解析、故障诊断等主要功能。机车车辆轴承故障诊断系统硬件结构如图2所示，实现的是一个基于因特尔微控制器的铁路车辆轴承振动故障诊断系统。按照硬件的划分，轴承振动故障诊断系统主要由信号采集模块和信号处理模块两部分组成。

机车车辆轴承故障诊断系统主要用于对铁路车辆转向架轴承振动信号的收集、整理、处置和故障判定。通过高速模数转换器进行数据的收集，能够为数据分析过程提供充足的数据量，分析各种数据标的。

在机车车辆轴承故障诊断系统中，对故障进行分析和处置执行由计算机完成，而计算机只能对数字信号进行相应的处理和分析，所以，必须将轴承运行过程中收集的振动信号转化为数字信号。为了将振动信号转化为数字信号，需要多个电子元器件协同运转方可实现，包括振动传感器、电荷放大器、模数转换器和程控放大器等。振动传感器将机车车辆轴承运行过程中的振动信号收集，同时以电信号的形式传递给信号整理元器件。信号整理元器件将振动传感器传递来的电压或电流信号进行必要的整理，最后再由模数转换器转换得到适合计算机计算的数字信号。

4  传感器的选用布置

机车车辆轴承故障诊断系统选用的振动传感器为压电式加速度传感器。这种传感器可以接受的工作频带较宽，安装门槛低，对操作工人进行简单的培训即可完成安装，同时传感器重量较轻，能够有效的减小簧下重量，故障率低且工作寿命长。同时该传感器有成熟统一的国际标准，与其他元器件有很好的兼容性，可以方便地与电荷放大器、阻抗变换器配套使用。

在每个轴承的轴承座上，振动传感器有其標准的安装位置，传感器头部与轴承接触，每条轮对的轴承座上都安装有多个传感器，分别为CH1、CH2、CH3、CH4，包括两个纵向，分别为CH1、CH2;两个横向，分别为：CH3、CH4;四个传感器同时对机车车辆轴承的振动信号进行收集。传感器通过线缆连接到接线盒，进而连接到后续元器件，必须对传感器线缆进行固定，以避免其它振动信号对真实信号形成干扰。图3为压电式振动传感器安装示意图。

5  信号整理元器件

5.1 电荷放大器

压电式传感器有一个非常明显的缺点，就是它的输出信号非常弱，因此必须用特殊放大器将信号放大。电荷放大器就是能够满足系统需求的一种特殊放大器，其一：电缆线的长度对电荷放大器的影响很小，实际运用中不用担心电缆分布电容对电荷放大器的影响，可以按实际需求设计电缆线长度。其二：加速度计的低频效应仅取决于放大器的低频效应，因此可用于低频或超低频的振动测量。

5.2 程控放大器

一般放大器对电流电压的放大倍数仅由硬件决定，但程控放大器的大倍数可以由软件控制。在放大器的输入端输入不同的控制命令，将控制放大器中不同的电阻的接入，得到的放大倍数也就不同。通过调整到输入控制命令，就能将信号放大到最需求的倍数，这样可以为后续的模数转换器转换电路提供较高的输入值，可以充分利用其转换精度，提高分辨率。

5.3 带通滤波器

带通滤波器可以有效滤除高频波和低频波，消除高频波和低频波对信号的干扰，机车车辆轴承故障诊断系统选用的贷通滤波器为双二阶带通有源滤波器。

6  结语

近年来，国家对铁路建设的投资不断增长，铁路机车车辆能否安全稳定的运行关乎国家经济发展的命脉。本文作者多年从事铁路机车车辆轴承的研究工作，有着丰富的工作经验。本文主要阐述了机车车辆轴承故障诊断系统的总体机构，详细阐述了几个重要元器件的工作原理，能够为专业从业者提供一定的帮助，提升我国铁路机车车辆的设计制造水平，为国家经济建设贡献自己的一份力量。

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