铁路货车轮对轴承状态监测及故障诊断系统研究

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1、铁路货车轮对轴承状态监测及故障诊断系统研究第一章绪论1.1研究的意义与目的近年来，我国的铁路建设快速发展，列车在提高速度、增加载重量等方面都取得了新的突破，同时也对安全运行提出了更高的要求。走行部是列车的关键部件之一，如何保证列车走行部处于良好的工作状态、降低故障性的意外停机率、避免或减少事故的发生，是设计和运营阶段不可回避的主要问题。在我国，由于列车故障每年都会造成很大的财产损失或人身伤亡。据统计，列车走行部关键部件如轴承、齿轮等引起的故障占故障总量的65%以上。与其他机械零部件所不同的是，滚动轴承的寿命离散性很大，即用同样的加工设备、同样的材料和同样的加工工艺加工出来的轴承，其寿命

2、也会相差甚远。这就导致在实际的使用过程中出现这样一种现象：有的轴承已经远远超过了其设计寿命，但依然完好无损地在生产线上工作着，而有的轴承距离设计寿命还有很长时间却出现了各种各样的故障，导致机械设备不能正常运行。因此如果按照轴承的设计寿命对其进行定期维修检查，一方面可能会对虽然超过设计寿命但正常工作的轴承拆卸下来做报废处理而造成不必要的浪费；另一方面那些未达到设计寿命却出现故障的轴承可能会使整个机器出现严重事故。目前我国维修检查主要是依靠人工肉眼识别的方法对铁路货车滚动轴承进行检测，工作人员在对铁路货车进行定期检修时需要将轮对上的所有轴承都进行退卸、分解、清洁和检测，对没有故障的轴承再重

3、新进行封装和磨合测试。据调查得知，拆卸下来的大部分轴承是完好的，这样在检修过程中就会浪费大量的人力和物力，并且采用这种方法的效率也是十分低下的。1.2滚动轴承在线监测及故障诊断概述在国外，滚动轴承的监测与诊断技术起始于20世纪60年代，经过约50年的不断发展，现在已经进入实用化和商品化的发展阶段。总体说来，滚动轴承的状态监测与故障诊断技术经历了五个阶段[1]：第一阶段，是最为早期的检测方法，该方法通过听音棒等简易仪器对轴承的工作状态和损伤情况进行监测。此时由于工人的经验在工作中起到很大作用，就使得诊断的可信度和准确性都比较低。第二阶段，应用一些频谱分析仪器来诊断故障。20世纪60年代中

4、期，快速傅里叶变换(FFT)技术的出现和发展，使频谱分析技术在振动信号的分析方面得到了长足发展，各种通用的频谱分析仪相继诞生。人们将滚动轴承存在损伤时的故障特征频率与采用频谱分析仪得到的实际结果进行对照，就可以判断滚动轴承是否存在故障[2]。但是如果将传感器采集的振动信号直接进行频谱分析的话，由于系统背景噪声的影响，会使得轴承的故障特征频率不够明显，有时甚至诊断不出较小的故障。另外，当时的频谱仪价格昂贵，并且要求操作人员具有熟练的技术，所以使得轴承监测与诊断的第二阶段并未走向实用化。第三阶段，利用冲击脉冲技术对轴承故障进行诊断。经过多年对轴承故障机理的研究，20世纪60年代末，瑞典仪器

5、公司SPM开发了一系列称为冲击脉冲计(ShockPulseMeter,简称SPM)的仪器来监测轴承的工作情况，如轴承分析仪(BearingAnalyzerBEA-52)、轴承自动分析系统(BearingAutoAnalysisSystemBAS系列产品等)。冲击脉冲法根据测得的冲击脉冲的幅值对轴承的损伤程度进行判断，由于不需要进行频谱分析，且能有效的检测轴承早期故障，所以发明之后便为发达国家使用。经过不断的完善，冲击脉冲计已经由早期的只能检测局部损伤类故障发展为可以检测轴承的润滑情况和油膜厚度的新产品，因为其体积小、操作灵活的特点，直到现在仍然得到广泛的应用。第二章滚动轴承的故障机理2

6、.1滚动轴承的典型故障和振动机理列车的滚动轴承长期在重载荷、高转速以及恶劣的工作条件下运行，除了受工作应力、人为因素、环境等外部因素的影响外，还受化学、物理或机械过程等内部因素的影响，所以会产生各种不同形式的欠缺和瑕疵。如果接着运转的话，这些欠缺和瑕疵会更加的变大，因此会继续恶化滚动轴承的运行状态甚至彻底作废。常见的滚动轴承故障类型及其产生的主要原因如下[41]：所谓胶合就是相互碰触的两个金属表面，其中一个表面的金属粘结附着到另一个表面的现象。对于列车滚动轴承而言，有很多原因都可以造成胶合，常见的有：滚动轴承的运转速度过高、滚动轴承的润滑不良、内环滚道与外环滚道面的相对位置发生偏离、添

7、加的润滑脂过硬、传动轴启动时加速度过大等。胶合的主要发生部位主要为内环和外环的螺旋状胶合，以及内环、外环和钢珠发生胶合。.2.2滚动轴承故障特征频率的计算轴承在工作过程中，由于内圈是随轴一起转动的，所以当内圈上存在损伤点时，损伤点也是随轴一起转动的。在转动的一周之内，损伤点有时位于承载区之内，有时位于承载区之外。当损伤点位于承载区范围之内时，一旦和滚动体接触就会产生冲击脉冲力，且该力的方向和大小与内圈上损伤点所在的位置有关；当损伤点位于承载区之