（检测技术与自动化装置专业论文）列车轴承故障监测系统研究.pdf

中文摘要 在列车的行走部件中，轴承是最容易损坏的零件之一。轴承虽小，关系重大。 轴承损坏往往会造成列车事故。由于列车运输的特殊性，发生事故后，损失巨大。 当前，在我国列车轴承故障监测手段还较为落后，研制一种简单易行的轴承故障 监测装置是铁路运输部门的一个重大课题。 本文总结前人多年来的研究成果，结合实际，对现有研究方法进行改进，提 出一种利用共振解调进行列车轴承运行状况监测的新方法。抛开有关专家及研究 人员提出的种种应用框架，简化理论，加强实用性，研究出一套较为可行的测量 方法。基本方法仍然是共振解调法，电路及相关算法也比较经典，实现上采用“避 重就轻”的方法。首先对振动量这一非常复杂的信号进行预处理，使之简单化， 然后分析，大大减轻后续处理的复杂程度，使信号处理过程简单化。 论文主要完成以下工作： 1 ) 对现有各种测量方法综合比较，总结其优缺点； 2 ) 提出新的实现方法，提出具体方案； 3 ) 根据设计方案，进行具体设计。包括硬件电路设计、软件设计； 4 ) 对现有加速度传感器进行改进，研制出列车轴承故障检测专用复合传感 器。 5 ) 轴承故障检测系统与g s m r 对接的方案的探讨。 6 ) 进行现场跟车测试，对结果分析综合： 7 ) 提出改进方向。 关键词：列车轴承，故障监测，共振解调，在线检测，g s m r a b s t r a c t i na l lt h ep a r t so fad r i v i n gt r a i n b e a r i n g sa r et h ee a s i e s tt ob ed a m a g e d i ns p i t e o ft h e i rs m a l ls i z e s ，t h e ya r ev e r yi m p o r t a n t ，i ft h eb e a r i n g sa r ed a m a g e d ，a na c c i d e n t o ft r a i n sc a nh a p p e n a ss p e c i a lv e h i c l e s ，t r a i n s a c c i d e n t sa l w a y sl e a dt ov e r yl a r g e l o s so f m o n e ya n dl i v e s ，i no u r c o u n t r y , t h em o n i t o r i n gd e v i c e sa n dw a y s a r ef a ra w a y f r o ma d v a n c e dc o u n t r i e s i ti sav e r yi m p o r t a n tt a s ko fd e p a r t m e n t so fr a i l w a y st o d e v e l o p a e a s yk i n do f m o n i t o r i n g d e v i c ef o rf a u l tb e a r i n g s i nt h i s p a p e r , s o m ep a s t r e s e a r c hr e s u l t sa r e s u m m a r i z e d ，a c c o r d i n g t ot h e c u r r e n tc o n d i t i o n s ，an e wm e t h o df o rm o n i t o r i n gt h er u n n i n gs t a t u so f b e a r i n g so f a t r a i ni sp r e s e n t e d b e y o n dt h eo l dp a t t e ma n dt h e o r yh e l db ys o m es p e c i a l i s t s ，t h i s m e t h o df o c u s e so n p r a c t i c a l i t ya n ds i m p l i c i t y t h eb a s i cw a y u s e di nt h es t u d yi sh i g h f r e q u e n c yr e s o n a n c ea n dd e m o d u l a t i o n ( r & d ) i no r d e rt om a k ei te a s yt od e a lw i t h t h ev e r y c o m p l i c a t ev i b r a n ts i g n a l ，t h es i g n a li sp r e t r e a t e db e f o r ei ti sa n a l y z e d d u r i n gt h er e s e a r c h ，t h ef o l l o w i n ga c h i e v e m e n t sh a v eb e e nm a d e ： 1 s o m ek i n d so fr e s e a r c hw a y sw e r ec o m p a r e dw i t he a c ho t h e r a n dt h e i r a d v a n t a g e sa n ds h o r t a g e sw e r ef o u n do u t ； 2 p r e s e n tan e wm e t h o da n d d e s i g np l a n ； 3 d e s i g n t h eh a r d w a r ec i r c u i ta n ds o f t w a r e ； 4 i m p r o v et h ea c c e l e r a t i n gs e n s o ra n dd e v e l o pas p e c i a lk i n do fc o m p l i c a t e s e n s o rf o rm o n i t o r i n g b e a r i n g sf a u l t ； 5 t a l ka b o u tc o n n e c t i o nb e t w e e n b e a r i n gm o n i t o r i n gs y s t e ma n dg s m r ： 6 b ye x p e r i m e n to nt h et r a i n s ，s o m er e s u l tw e r em a d e ； 7 p r e s e n ts o m ea d v i c e o f i m p r o v e m e n t k e yw o r d s ：b e a r i n g so f t r a i n ，m o n i t o r i n gf a u l t ，r e s o n a n c ea n d d e m o d u l a t i o n ， d e t e c t i o no nl i n e ，g s m r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨壅盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的晚明并表示了谢意。 学位论文作者签名：旁智鲁一 签字日期： 仰妒年，月夕 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁生态茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：势讶 ! 7导师签名 签字日期：州年，, e j7 日签字日期： 茹 l 月7 日 叩僻 卵哗 第l 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 铁路是国民经济的大动脉，它担负着全国大部分运输任务，而车辆是完成这 些任务的运载工具。为满足日益加快的国民经济发展的需要，我国铁路的改革和 发展正通过改良运输设备、完善技术措施、提高管理水平等向着高速重载的现代 化方向发展。 然而，长期以来，车辆燃、切轴现象一直是困扰车辆部门的难点问题，两事 故的焦点又出在轴承上。因此，轴承的好坏是影响铁路运输安全的重要因素之一。 尤其是铁路运营车辆的不断提速，对防燃、防切措施提出更高的要求。铁路系统 投入大量的人力物力，不断改进轴承测量方法，引进先进检测设备。但是，由于 我国疆域广阔，地理、气候条件复杂，再加上相关工作人员技术水平较低，引进 的许多外国先进技术、设备并不能产生很好的效果。在大多数地方，仍然采用相 当落后的检测手段，远不能满足要求。以下是一组铁道部车辆局统计数据： 1 9 8 6 1 9 9 1 年的六年间，铁路共发生货车热切轴8 l 件，其中滚动轴承2 2 件，占总数的2 7 ；1 9 9 1 1 9 9 3 年，共发生热切轴2 9 件，其中滚动轴承1 5 件， 占总数的5 2 ，上升了2 5 。统计资料表明，货车策动轴承热切轴绝大多数使 用期不足五年，属于早期失效。以1 9 9 1 和1 9 9 2 两年为例：1 9 9 1 年全路共发生 货车热切轴1 2 件，滚动轴承占4 件( 重大事故l 件，险性事故3 件) ，在这4 起 事故中新轴承3 件，大修轴承l 件，1 9 9 2 年全路共发生货车热切轴1 3 件，滚动 轴承占1 l 件( 重大事故4 件，险性事故7 件) 均为新轴承。两年中，新轴承发 生事故占滚动轴承热轴事故的9 3 3 。 以上数据表明，多年以来，热切轴、燃轴事故发生率没有明显降低。科学技 术的发展日新月异，但这一领域一直没有突破性进展。铁路部门不得不“曲线救 国”努力提高车辆自身质量，加强零部件出厂前检验，从而减小故障发生率。 几十年来，有关研究部门一直在努力，做过各种各样的尝试，而且也取得了 不少成绩。出现以上情况，另一个重要原因是不断提速，所取得的成绩被更为恶 劣的运行环境所抵消。 尽管进展缓慢，努力却从未停止。研制出一种符台我国国情、低成本、高性 菊1 章绪论 能、操作简单的列车轴承故障检测装置是铁路运输部门的一个重大课题a 1 2 轴承故障检测技术的研究方法 目前，国内外轴承故障检测方法有很多种，总体上可分为无损检测( 不解 体) 、解体检测和破坏性检测，具体方法有： 1 2 1 轴温检测法： 轴承发生故障时，旋转接触面变形，直接结果是元件间摩擦增大，导致轴温 上升，情况严重时发生燃轴和切轴事故。轴温检测具体分为两种：随车轴温报警 系统和基站式红外轴温检测系统。 ( 1 ) 随车轴温报警系统“”：由安装在轴承盖上的温度传感器和相应的 测温报警电路组成，采用分散测量集中控制的方式。当某个测量点温度超过门槛 值，测量系统会发出警报，并且指示故障位置。目前，国内的客车几乎全部安装 了该类系统。现场总线技术、计算机技术以及新型元器件的应用，使得轴温报警 系统j 下朝着结构化、智能化方向发展。 ( 2 ) 基站式轴温监测系统“：由探测站、室内设备和室外设备组成。探 测站是红外线轴温监测系统中最基础的设备，它以工控计算机为核心。室内设备 包括p c 工控机系统、电源系统及保护系统。室外设备包括红外测温探头、车轮 传感器( 磁头) 、环温传感器。探测站是无人值守的，一般在铁道近旁每2 j 一3 0 千米设置站。探测站实时采集轴温及其他相关数据信息，并进行预处理，将处 理后的结果经专用通讯线路上报至本地复示站和分局测报中心。红外轴温探头安 装在铁轨两侧，采用“上探式”和“下探式”两种模式，从上下两个方向扫描轴 温，安装位置及方位角度根据现场情况精心试验确定，两套独立的探头对上、下 行车辆进行实时检测，检测结果由计算机系统控制下的采样板进行数据采集，由 计算机进行处理和存储。 轴温检测系统的应用，在一定程度上提高了故障检测效率，增加了行车可靠 性。然而，众所周知，温升是轴承故障的晚期症状。列车大幅提速之前的统计数 据表明，温升达n f 槛值后，可能在1 2 分钟内切轴。由于摩擦产生的热量与相 对速度的平方成正比，车辆提速会进一步缩短切轴时间。因此，采用轴温报警预 防事故有较大的风险。 第l 章绪论 1 2 2 油液分析法：“7 “”“”“ 滚动轴承失效的主要方式是磨损、断裂、腐蚀等，润滑不当是产生失效的主 要原因之一。轴承经过一段时间运用后，由于零部件磨损和其他原因产生的各种 微粒状物质必然会进入油脂中。通过对油样理化指标和存在的磨届进行分析，可 从中获取大量反映轴承运转状态的信息，根据这些信息，我们可直观地得到轴承 零部件的磨损程度、润滑状况，并对轴承故障隐患进行早期预报。 具体的分析方法有3 种：理化分析法、光谱分析法、铁谱分析法。 ( 1 ) 理化分析法：轴承运转产生的高温摩擦作用，以及空气中氧气、氮气 的存在，会使润滑剂发生氧化、硝化、硫化反应以及抗氧剂、抗磨剂的降解，基 于理化性质分析的润滑油状态监测主要是通过监测润滑油质量评价参数来决定 润滑油本身的有效性，进而得出轴承工作状况。分析指标有粘度、闪点、氧化安 定性、总酸碱度、水分、腐蚀等，有时会加测泡沫稳定性、抗乳化性、残炭、密 度等。此外，需要测试油液的污染度，主要测试金属屑的含量。理化分析是油脂 分析法中初级的检验方法，只用来作初步判断，无法得到深层次结果。 ( 2 ) 光谱分析法：进一步可细分为发射光谱分析和红外光谱分析。发射光 谱分析可以测得油液中金属元素的含量。油液本身的添加剂含有钙、钡、锌、磷 等元素，轴承磨损产生铜、铁、铅、铬等金属颗粒。随着没备运行时间的延长， 油液中金属元素的种类和数量均会发生相应的变化，根据变化趋势可以判断轴承 产生磨损的部件和状态。应用光发射进行工况检测是国内外应用最早和最广泛的 手段之一。红外光谱的出现使状态检测又增添了一种新的重要手段。润滑油性能 的好坏取决于油基和各种添加剂的性质，润滑油的失效和劣化主要是添加剂在摩 擦热的作用下发生氧化、酸化、降解而生成氧化物、酸化物、硝化物、树脂、积 炭等有害物质，结果导致油基和添加剂的化学成分及分子结构发生变化。这些变 化属于化学变化，一般的理化分析无法检验，而利用红外光谱检测是最直接、最 有效也是最快捷的方法。红外光谱法的主要原理：不同的化合物具有不同的分子 结构，在红外光谱上会出现特定位置的吸收峰，通过典型峰位和峰面积的积分计 算即可对油品的某些特性进行定量或半定量的变化趋势分析。随着计算机技术的 迅速发展及其在红外光谱分析中的应用，测量精度日益提高，应用日益广泛。 ( 3 ) 铁谱分析法：铁谱分析是近2 0 年产生和应用于状态检测的一种油液分 第l 章绪论 析方法。由于它可以直接观测油液中固态颗粒的尺寸、几何形态、颜色、数量及 分布状念等，所以一出现即受到广泛注意。铁谱技术的原理：利用商梯度的强磁 场将所分析油样中所含的机械磨损产生的金属颗粒分离出来，按颗粒大小有序沉 积在铁谱片上，通过对铁谱片上磨屑的形状、大小、数量、成分及大小颗粒之比 例等进行定性和定量分析，判断轴承设备的磨损状况。 定性分析是用双光显微镜观察谱片上沉积的磨损颗粒，通过分析其形状、大 小、表面形貌和颜色等，确定设备磨损状况。定性分析能获得大量的设备磨损信 息，有较高的可靠性。但过程繁琐，耗时较长，对人员依赖性强。定量分析用铁 谱显微镜和光密度测量仪测定铁谱片上大颗粒沉积区覆盖面积百分比a 。和小颗 粒沉积区的颗粒覆盖面积百分比凡，计算磨损严重度指数( 又称磨损烈度) i 。： i ，= a ：一a ； ( 卜1 ) 磨损烈度反映了设备磨损程度。 铁谱技术原理最早由美国麻省理工学院的w w s e i g e r t 和f o x b r o 公司的 v c w e s t c o t t 于1 9 7 0 年提出，并在1 9 7 1 年研制出铁谱仪。此后，铁谱分析技 术应用范困迅速扩大，推动了磨损理论的发展。 我国从1 9 7 6 年开始引进铁谱技术，如今在许多领域得到广泛应用，成为最普 遍的油液分析方法之一。 经过长期的理论研究和实践改进铁谱技术日趋成熟，在实际工况监测和诊 断应用中取得很大进步。但是，铁谱技术的局限性和不足也不容忽视： 1 ) 自动化程度不高对分析人员要求较高，经验不足可能造成误判，目前 的一些计算机自动识别系统尚待完善； 2 ) 制谱片、判断分析需较长时间，无法实时判断； 3 ) 取样、制谱、分析积累误差较大，试验结果重复性差； 4 ) 铁谱片资料不便管理 1 2 3 油膜电阻分析法：“” 滚动轴承在旋转过程中，如果滚面和滚动体之间形成良好的油膜，则内圈与 外圈之间的电阻值很大，可达上万兆欧姆；当油膜遭到破坏时，这一电阻值可以 降到接近0 欧姆。利用这一特性，可对滚动轴承磨损、腐蚀等损伤进行诊断。 油膜电阻法的具体原理： 第1 章绪论 根据导体电阻的计算公式，我们可以得知两个平面之间的油膜厚度与其电阻 有如下关系： r ：口h x k ( 1 2 ) 5 其中：p 一润滑油电阻率，与油质有关； r 一被测的油膜电阻，单位为欧姆： s 一轴瓦工作面面积，单位为f i l m 2 ； h 一轴瓦与轴领的间隙，也就是油膜厚度，单位为m i l l ； k 一修正系数。 通过监视油膜电阻的变化情况，从而得到轴瓦与轴领之间间隙的变化情况， 即动态情况。电阻大说明油膜厚，轴承处于液体摩擦状态，属于正常运行状态。 若电阻变小或为零，说明油膜变薄，轴承处于半干摩擦或全干摩擦状态，属异常 运行状念。 当损伤面较大时，用油膜电阻法效果明显，而且操作简单。但是，对于点蚀 类故障，油膜电阻法就无法胜任。 1 2 4 声发射法：4 m 1 当材料受力产生变形或断裂时，或者构件在受力状态下使用时，以弹性波形 式释放出应变能的现象称为声发射( a c o u s t i ce m i s s i o n 简称a e ) 。这是一种常 见的物理现缘，如果释放的应变能足够大，人耳便可以听见。例如，折断树枝时， 随着树枝的弯曲，伴有声音发出。在断裂的瞬间，会发出更大的声响。声响的变 化表明释放出的应变能的变化。金属材料变形或断裂时也有声发射，不过声音频 段有可能在人耳敏感区之外。除了受力形变和断裂产生声发射以外，电、磁、热 也能使材料和构件产生声发射。如变压器工作时的嗡嗡声是由于材料的磁致伸缩 和电磁场的涡流作用引起的。金属材料在温度骤变时也会发声，这是其结构形变 所致。 声发射信号来自于缺陷本身，故可利用声发射诊断缺陷程度，同样大小和性 质的缺陷，所处位置和所受应力状态不同，对结构的损伤程度不同，所以产生的 声发射特征有差别。 具体到轴承故障检测，有如下过程： 第l 章绪论 轴承故障首先是疲劳磨损。由于循环接触压力周期作用于摩擦表面，使材料 疲劳产生微粒脱落。这种故障发生在初期阶段，金属内晶格发生弹性扭曲；当品 格弹性应力达到临界值后，开始出现微观裂纹；进步发展，就会在滚动轴承内、 外圈上出现麻点、剥落等故障。另一个故障是轴承疲劳断裂。轴承经常受冲击性 交变载荷作用，使金属产生位错运动和塑性变形，首先产生疲劳裂纹，然后沿着 最大切应力方向向内部扩展，当扩展到某一i 临界值时就会发生瞬时断裂。以上故 障发生与发展，都伴随着声发射信号的产生。对声发射信号进行分析便可得到轴 承的故障信息。 声发射法可用于在线检测，较油液检测先进了一步，而且处理速度快，明显 山于温度检测。但是，太宽的频谱范围，给测量和分析带来诸多困难。 1 2 5 振动分析法 机械振动是工程中普遍存在的现象。运行的机械设备由于接触表面的摩擦和 旋转部件的不平衡等原因会产生振动。机械设备中的零部件、整机，甚至整个机 组都有不同程度的振动。一个系统发生振动有内因和外因作用，内因是当系统偏 离平衡位置时受到恢复力的作用，力图使系统回到平衡位置，常见的恢复力由重 力、浮力、弹性力等提供，其中最普遍的是弹性恢复力：外因是系统受到外界的 激励。机械设备在运转时，由于回转部件的偏心、不对中等原因，往复运动部件 的惯性及冲击都使系统受到力的激励，而基础的振动使系统受到运动的激励。在 力或运动的激励下系统就要产生振动。设备的振动往往会影响其工作精度，加剧 机器的磨损，加速疲劳破坏；而随着磨损的增加和疲劳损伤的产生，设备的振动 将更加剧烈，如此恶性循环，直至设备发生故障、破坏。由此可见振动加剧往往 是伴随着机器部件工作状态不正常、乃至失效而发生的一种物理现象。 设备中的零部件在出现异常时，其振动幅度和频率会发生某些变化，监测这 些变化就能判别设备的工作是否正常。 振动监测技术是最早应用的故障监测和诊断技术，很久以前人们就知道用听 声音来判断设备是否处于正常工作状态，这是最早的用振动监测故障的方法。即 使现在，铁路上仍然有工人用榔头敲击部件，通过强迫振动发出的声响判断部件 是否发生故障。随着先进信号采集设备的出现以及现代信号处理技术的发展，振 动测试分析法取得了长足发展，已逐渐成为机械故障测试的主要方法。 第l 章绪沦 1 3 轴承故障判别及诊断分析方法概述 轴承故障的判定标准“”： a 绝对判定标准：将实测特征值与设定门槛值进行比较，判定绝对差是否 超限； b 相对判定标准：对同一轴承同一部位定期进行振动测试，按时l 训先后进 幸亍比较，以轴承无故障情况下的振动值为基准，根据实测值与基准值之比进行判 断： c 类比判定标准：对若干同一型号轴承在相同条件下在同一部位进行振动 测试，并将特征值相互比较判断。 绝对判定标准是在规定的检测方法基础上制定的，应用时必须注意其适用频 率范围，而且必须按规定的标准方法测试。普适于所有轴承的绝对标准是不存在 的，因此，一般都是兼用绝对判定标准、相对判定标准和类比判定标准，这样爿 能获得准确、可靠的诊断结果。 故障信号诊断分析方法有许多科t “： 一+ 、振动信号简易诊断法 ( 1 ) 振幅值诊断法：振幅值包括峰值x 、均值( 对轴承冲击振动力经绝 对值处理后的平均值) 以及均方根值( 有效值) x 。，。应用中通过将实测振动值 与判定标准给定值进行比较判断。峰值反映的是某时刻振幅的最大值，因而它适 用于象表面点蚀损伤之类的具有瞬时冲击的故障诊断。另外，对于转速较低的情 况，常采用峰值进行诊断，均值用于诊断的效果与峰值基本一样，其优点是检测 值较峰值稳定，但一般用于转速较高的情况，均方根值是对时间平均的，因而它 适用于像磨损之类的振幅值随时间缓慢变化的故障诊断。 ( 2 ) 波形因数诊断法：波形因数定义为峰值与均值之比以( x x ) 。该 值是用于滚动轴承简易诊断的有效指标之一。当x i 值过大时，表明轴承可 能有点蚀：而该值过小时，则有可能发生了磨损。 ( 3 ) 波峰因数诊断法：波峰因数定义为峰值与均方根值之比( x 。，x 。) 。 该值用于滚动轴承简易诊断的优点在于它不受轴承尺寸、转速及载荷的影响，也 不受传感器、放大器等一、二次仪表灵敏度变化的影响，适用于点蚀类故障的诊 第l 章绪论 断。通过对x x 值随时间变化趋势的检测分析，可以有效地对滚动轴承故障 弘当塑姿( 1 - - 3 ) l x2 m ) d x i 。 耻鬻 卜4 ) 髓“匆2 第l 章绪论 也难免混入无用的干扰信号。因此，现场使用时，对k ，的判断门限要视具体情 况而定。此方法的优势在于轴承的转速、载荷、尺寸无关。主要适用于点蚀类故 障的诊断。 二、冲击脉冲法： 冲击脉冲法的原理是：滚动轴承运动中有缺陷( 如疲劳、裂纹、磨损或混入 杂物) 时，就会发生冲击，引起脉冲性的振动。由于阻尼的作用，脉冲性振动是 一种衰减性振动，冲击脉冲的强弱反映了故障的程度。当滚动轴承无损伤或有微 小损伤时，脉冲值( d b ) 很小：随着故障的发展，脉冲值逐渐增大。当冲击能 量达到初始值的1 0 0 0 倍( 6 0 拈) “，就认为该轴承的寿命已经结束。当轴承表 面出现损伤时，所产生的脉冲值用拈，表示，它与初始脉冲值拈，之差称为标准 冲击能量拈。 d b 。= d b ，一d b 根据扭。值，可以将轴承的工作状态分为三种情况： 0 拈2 0 d b ，轴承工作状态良好； 2 0 d b 拈。3 5 d b ，轴承有轻微损伤； 3 5 d b 拈6 0 d b ，轴承有严重损伤。 三、振动尖峰能量( s p i k ee n e r g y ) 法“”： 所谓振动尖峰能量( g s e ) 就是“短瞬间内会属碰撞和随机振动所产生的通过 机器的结构外传的振动能量”。 滚动轴承运转时，轴承的某一零件表面上的蚀坑与相邻零件接触会产生一系 列的高频脉冲。由于冲击信号能量较低，且向广阔的频域发散，落在轴承的正常 振动频率范围内的分量非常小，极易被其它振源如不平衡、不对中等信号所淹盖。 因此，直接用速度有效值( r m s ) 的频谱分析来诊断轴承的冲击故障是很难实现的， 尤其是诊断早期故障。由于轴承缺陷引起的脉冲信号周期很短，而且频率非常高， 其基频一般大于i o o k h z ；随着轴承故障的恶化，小坑点不断变大，典型的“大坑 点”产生的脉冲周期大于2 0 芦，即基频小于5 0 k h z 。当然，随着轴承缺陷尺寸的 继续增大，其产生脉冲的频率亦不断减小。实践表明，当轴承故障到达严重程度 第1 章绪论 时，其频谱基频一般会减小至5 k h z 以下的水平。 通过测量加速度值及频率信号，得出振动尖峰能量( g s e ) ，据此判断轴承工 作状态。 四、通用共振解调法“”： 通用共振解调法也称为早期故障探测法( i n c i p i e n tf a i l u r ed e t e c t i o n ) ， 它是利用传感器及电路的谐振，将轴承故障冲击引起的衰减振动放大，从而提高 了故障探测的灵敏度。同时，利用解调技术将轴承故障信息提取出来，通过对解 调后的信号作频谱分析，用以诊断轴承故障。滚动轴承因故障引起的冲击振动由 冲击点( 缺陷处) 以半球面波方式向外扩散，通过轴承零件到轴承座( 端盖) 。 由于冲击振动所含的频率很高，通过零件的界面传递一次，其能量有损失，使原 本就十分微弱的故障信号更为微弱。然而，由于冲击脉冲有着十分宽阔的频谱， 由低频一直到数百千赫的频谱几乎是等幅度，这一宽带冲击力频谱覆盖了轴承零 件、传感器、轴承座等的固有频率，轴承内产生的冲击能量可激起轴承座和轴承 备零件以其固有频率振动，振动能量随着机械结构的阻尼而衰减。因此，这种由 局部缺陷所产主的冲击脉冲信号，其频率成分有反应轴承故障特征的问隔频率， 还包含有反映轴承元件、轴承座的自振频率成分。 利用共振解调法进行轴承故障检测，在实践中解决了不少实际问题。 1 4 本论文所要完成的主要工作 ( 1 ) 主要研究内容： 1 ) 分析列车轴承故障产生机理； 2 ) 提出一种简单易行的共振解调方法； 3 ) 根据具体测量要求，设计出新型的复合型传感器； 4 ) 轴承故障检测仪软、硬件设计； 5 ) 检测仪机械结构设计： 6 ) 检测系统与g s m r 网络对接组网的探讨。 ( 2 ) 主要成果及创新点： 1 ) 研制出专用复合传感器，并对其进行灵敏度和增益定标； 2 ) 完成故障检测仪的研制并进行现场测试； 3 ) 完成与g p s 系统对接； 第l 章绪论 4 ) 实现了轴承故障程度的定量测量( 即：以数字显示故障的级别) ； 5 ) 采用有效带宽的滤波器，排除了环境周围不同部件产生的不同频率振动 信号的干扰： 6 ) 通过对测量结果的相关处理了排除随机振动的干扰； 7 ) 差分测温法的应用，提高抗干扰能力； 8 ) 将测量技术与无线通讯联系起来。 第2 章频谱分析 第2 章频谱分析 2 1 周期信号的傅立叶展开( 傅立叶级数) 如果某种运动，其解为正弦函数，称之为正弦振动，它是振动的一种最为常 见的模式。正弦振动的解析表达式为 p ( t ) = a s i n ( o ) - 一妒)( 2 1 ) 其中a 一振动的振幅 珊= 2 万一振动的角频率( f 称为频率) ； 妒一振动的初始相位。 运动学中的单摆和电子学中的电磁振荡，是这种模式的典型范例。不仅如 此，人们还证实：无论何种运动，只要其规律可以列为二阶齐次的微分方程，它 的解都是正弦函数。因此可认为正弦振动是最简单的运动形式。 18 2 2 年法国数学家j f o u r i e r ( 1 7 6 8 - - 1 8 3 0 ) 在研究热传导理论时发表了“热 的分析理论”一文，提出并证明了将周期函数展开为傅立叶级数( f o u r i e rs e r i e s ) 的原理，奠定了傅立叶级数的理论基础。该理论认为：任何一个以z 为周期的 周期函数f ( t ) ，都能分解为三角函数的级数形式1 2 1 | 邝) = 2 + 石( 日。c o s ( o i ，+ 6 。s i n c o i ，) ( 2 2 ) 其中：a o = 砉聪邝) d t 吒= 亍2k t t t2 邝) c 。s ( h q r 灿 6 。2 百2l ，2 1 2 ，( f ) s i n ( n q ，砷 c o ，= 2 万z 表示为指数形式 ，( r ) = f ( n c o i ) p 其中 ，( h 出i ) = ：1 ( 日。+ 6 。) ”= l ，2 ， ( 2 3 ) 第2 章频谱分析 当然，从数学理论的观点，周期函数，( ，) 要进行傅立叶展开必须满足狄义赫 利条件，即 ( 1 ) 在一个周期内只有有限个不连续点； ( 2 ) 在一个周期内只有有限个极大、极小值： ( 3 ) 积分f l x ( ，) l 出存在。 实际的物理波形的函数均满足狄义赫利条件，所以应用时不需特别关心。 最简单的振动波形如式( 2 1 ) 所示，它的频谱只有一条竖线，因为它的频 率是，只有在这一点上幅值为彳，其它地方全部为0 。 对于图2 一l ( a ) 所示的对称方波，经过傅立叶分解得到图2 1 ( b ) 所示 的一系列正弦波形，图2 1 ( c ) 是对应的频谱图。 ，( t ) e e 图2 1方波的傅立叶展开波形 n 乃 笫2 章频谱分析 卜e 上图中：厂( ，) = e 1 0 r k - 1 2 ) t , f i f , 女r 三 其中f 为脉冲幅度，r 为脉冲宽度。波形图见图2 - - 2 ( a ) 。 因 f ( ) ：广邝) p r 西 ( 2 1 0 ) = p t e e d t 又因为 脚，= ( 、z ， 2 1 6 塑撕 1 、广k 掣争 啦亨 丝2 勋 愕互 第2 章频谱分析 所以 池( 爿( 2 - - 1 1 ， 这样就容易得到单脉冲的频谱图( 如图2 2 ( b ) 所示) 。 ( t ) f 厂 ， ? 。 尘一 o1 3 凰 一02 2 e c巳一一z 、，咱” 一 2 丌 _ 6 r ( a ) ( b ) 幽2 2 矩形单脉冲信号波形及频谱 由上可见，虽然矩形单脉冲信号在时域中集中在非常有限的范围之内，然而 它的频谱却以s 。f 等 的规律变化，分布在无限宽的频率范围上，但是它的能量 lz 主要集中在，= 0 l r 的频率范围内。 2 4 与轴承故障相关的频谱n ”n 2 圳 2 4 1 共振 任何物体产生振动后，由于其本身的构成、大小、形状等物理特性，原先以 多种频率开始的振动，渐渐会固定在某一频率上振动，这个频率叫做该物体的“固 有频率”，它与该物体的物理特性有关。当人们从外界再给这个物体加上一个振 动( 称为策动) 时，如果策动力的频率与该物体的固有频率正好相同，物体振动 的振幅达到最大，这种现象叫做“共振”。物体产生共振时，由于它能从外界的 策动源处取得最多的能量，往往会表现出很强的能量，换言之，共振实现了能量 的放大。从系统的角度而言，共振是一个正反馈过程。如果没有衰减，个微小 振动作用于一个巨大物体，只要满足共振条件，这个巨大物体也会产生无穷大的 振动。 1 7 第2 章频谱分析 2 4 2 冲击共振( 响应) 举一个浅显的例子。当我们敲音叉时，音叉将因共振发出一定音调的声音， 其音调或频率不会因敲击的强度、敲击物的种类、敲击的手法以及敲击的间隔时 间有关，而只与音又的材料和形状有关，因而被称为音叉的固有频率，音又的固 有振动频率是不变的。如果我们以1 秒为间隔( 重复频率为1 h z ) 连续敲击一个 c 音阶( 对应的振动频率为4 4 0 h z ) 的音叉，音叉产生频率为4 4 0 h z 的共振，共 振的包络频率才是i h z 。因此当我们用示波器观察音叉的振动信号波形时，将会 看到屏幕上每隔1 秒钟出现一次4 4 0 h z 的衰减振荡。 一个l t l z 的激励源，会使固有频率为4 4 0 1 t z 的音叉共振，这似乎违背了共 振原理。实际上只要仔细分析冲击的机理就可解决以上疑问。冲击作用( 例子中 的敲击) 可以看作是持续时间很短的窄脉冲，近似为矩形窄脉冲。由上节对脉冲 信号的傅立叶分析可知，一次冲击作用包含有无限多次谐波。其中必然有某个谐 波的频率与音叉的固有频率相等( 例如1 h z 的4 4 0 次谐波) ，音叉就会产生共振。 当有故障的轴承在运转中发生撞击时，也符合这个基本规律。 轴承发生故障时，运行起来产生周期性撞击，换言之，产生周期性脉冲序列。 轴承故障分析就是对脉冲序列的分析。一个脉冲进行分解后，其中的某一个谐波 使得周围连接部件产生共振，共振波是单模态的。由于传播介质的阻尼作用，共 振波衰减振荡，如图3 3 所示。 且 h 、 、介入一穴w 卞， u 妙址y 图2 3 一次冲击产生的共振波形 第2 章频谱分析 2 4 3 被正弦波调制的调幅波 被币弦波调制的调幅波频谱( 如图2 - - 4 ( a ) 所示) ，表示成函数形式 厂( f ) = ( 1 + c o s f l t ) c o s c o f ( 2 一1 2 ) 其中c o s o ) ，( 载波) 的幅度是由c o s f 2 ，( 调制波) 控制的。 通过三角函数积化和差运算，可以得到 ，( ，) = c o s o ) l + 三c 。s ( 珊+ q ) f + 三c 。s ( 一q ( 2 - - 1 3 ) 其频谱如图2 4 ( b ) 所示。 d 勰枷腓褫勰， l 则叫4 州4 心眇 i 图2 4 被三弦波凋 | j 0 的凋幅波 频谱由三根谱线组成：中间的一根谱线与载波被调制前完全相同；其余两根谱线 的高度均为调制波调制前的一半，而位置被平移至载波的两侧，与载波的距离( 频 率差) 为调制波的频率。 被f 弦波调制的调幅波频谱是调制性频谱分析的基础，其它类似频谱分析可 以类推。 2 4 4 被脉冲调制的调幅波频谱 运行中的故障轴承的频谱，即脉冲序列的响应可以看成是被脉冲调制的调幅 波谱。数学表达式为 f ( t ) = g ( t ) c o s ( ) o t ( 2 1 4 ) 其中g ( t ) 为矩形脉冲序列，脉幅为e 脉宽为f ，周期为r 。波形图如图2 5 ( a ) 所示。可以根据上节的分析结果很容易地画出其频谱图形( 图2 5 ( b ) 所示) ，所不同的只是载波谱线的两侧不再是简单的直线，而要用脉冲的频谱( 由 主瓣和旁瓣组成的频谱) 所代替。 1 9 第2 章频谱分析 d 硼翮， 删 图2 5 被脉冲调制的调幅波及其频谱 轴承故障的频谱分析正是基于以上的频谱。以上分析基于连续时间域，实 际上计算机只能处理离散数据。因此，实际应用中将连续时间域信号先做离散化 ( a d 采样) ，然后进行频谱分析。 第3 章轴承故障的频谱分忻及共振解调技术 第3 章轴承故障的频谱分析及共振解调技术 3 1 轴承故障 在正常情况下，滚动轴承中的所有零、部件( 内圈、外圈、滚子、保持架) 之间都保持平稳的相对运动状态。如果某个元件( 保持架除外) 的表面出现裂纹， 那么这个裂纹在滚过相邻元件表面时，必然会产生瞬间的振动脉冲。用传感器拾 取振动信号并用示波器观察，可以发现信号的波形如图3 一l 。 阻lllil 生 幽3 一l 轴承故障振动波形 可以观察到信号存在以下规律： a 轴承元件在冲击下产生共振，形成连续的衰减振荡( 见a ) ，研究每一 个衰减振荡，其频率是轴承元件的固有频率： b 衰减振荡的幅度与故障的大小有关； c 如果将衰减振荡的轮廓连接成线( 称为信号的包络，参见b 和c ，右 图是放大的图形) ，那么包络的幅度反映故障的大小，而包络的重复频率取决于 故障的位置。 如果保持架产生破损，将造成与其他轴承元件的持续的、没有规律的摩擦， 产生的振动是非周期性的，因此不存在明显的特征谱。如果我们想用通俗的方法 表述保持架破损与上述故障的不同，就可以把保持架想象为小提琴或二胡之类的 弦乐，其振动是由于琴弓与琴弦之间的摩擦产生的；而其他轴承元件则像是打击 2 l 第3 章轴承故障的频谱分析及共振解调技术 乐，其振动是由冲击产生的。 下面，我们着重讨论除保持架以外的元件故障特征。 图3 2 是列车行走部件示意图。踏面是列车车轮与铁轨的接触面。 卧 l习j - 一 2盐 一： 面 田 一目 目 巴 、 一 幽3 2 列车行走部件 图3 3 是一个普通轴承的解体结构图。 圈3 3 滚动轴承解体结构图 1 车轮踏面 2 轴承安装处 1 外圈 2 滚动体 3 内罔 4 保持架 上面提到，轴承的某个元件的表面出现裂纹时，滚过相邻元件表面时，会产 生瞬间的振动。由于轴承元件的运动是周期性的，所以振动也是周期性的，其频 率可根据运动学的规律计算出来。不同轴承元件表面缺陷因其转动的半径与圆心 不同，产生周期性振动的频率也就各不同，它们都是轴承转动频率的函数。 列车的轴承形状简单示意如图3 4 。当轴承元件出现故障时，包络信号频 率可以通过下面的计算确定。 第3 章轴承故障的频谱分析及共振解调技术 1 外圈2 内圈3 滚子( 图中来回保持架) 图3 4 列车轴承示意图 设轴承中滚子的个数为z 滚子的直径为d 轴承内圈和外圈的平均直径( 即 滚子公转轨迹的直径) 为及轴承转动的频率为f o ( 列车行驶速度与车轮踏面周 长之比) ，假定内圈固定而外圈旋转( 由于运动是相对的，也可以反过来假设) ， 那么由此可以按下述方法推导出不同轴承元件表面缺陷产生的振动频率： a 轴承外圈任意一点的线速度为z c ( d + d ) f o ： b 轴承内圈任意一点的线速度为0 ； c 滚子运动的线速度为三f ( d + d ) f o ； d 滚子运动的角速度为巫掣； 2 月d e 当外圈转动一周，滚予相对于内圈转动掣周，而外圈相对于滚 z 7 c l ) 子转动卜l r ( 2 d 加+ d ) 盾j ； f 如果内圈有故障，那么在外圈转动一周期间，有z ( 1 + d d ) 2 个滚子 与这个故障位置相接触； g 如果外圈有故障，那么在外圈转动一周期间，这个故障位置将有 g o d d ) 2 次接触滚子； h 如果滚子表面有故障，那么滚子每转动一圈，故障位置将分别与内圈 和外圈各接触一次共计2 次； i 由于滚子的线速度为妻丌( d + d ) 五，所以在外圈转动一周期间，每个滚 子将转动掣圈，与内外圈接触共计掣次。 z履7，积 第3 章轴承故障的频谱分析及共振解调技术 因此，我们可以归纳出，当不同的轴承元件出现故障时，可以观察到的信号 频率为： 工= z ( 1 + d d ) f o 2 内圈故障 = z ( 1 一d d ) f o 2 外圈故障 = d d 1 一( d d ) 2 l f o 滚子故障 上述频率分别称作内圈、外圈和滚子的故障特征频率。根据铁路系统现在采 用的轴承结构，可以计算出客车轴承内圈、外圈和滚子的特征频率近似为8 1 8 f o 、 5 8 2 、5 7 7 五。 轴承元件故障的特征频率也可以由“唐氏准则”( 1 9 8 4 年唐德尧在“多个同 类故障的归类诊断准则”文中提出) 给出的一般规律求得 故障类型故障特征频率公式 保持架与外圈相碰 小与掣兀 保持架与内圈相碰 肛芝竽 轴承内圈故障 无：d o - d c o s a 矾“ 2 d o 。“ 轴承外圈故障 六：d o + d c o s a z f o。“ 2 d o 滚动体单故障 ，一喀一d 2c o s _