丁福焰
（鐵道科學研究院機車車輛研究所（suǒ），北（běi）京　100081）

　　摘（zhāi）　要：從技術和（hé）管理（lǐ）的角度對軸承診斷技（jì）術在機車上（shàng）的應用進行係統的思考（kǎo），根據機車（chē）軸（zhóu）承應用的特點（diǎn）和現狀分析（xī），提出（chū）了一種保障（zhàng）安全、合理維修的（de）係（xì）統方案，簡要介紹係統的構成（chéng）和各子係統的功能，並對其中的關鍵技術進行了討論。
　　關（guān）鍵（jiàn）詞（cí）：機車；軸承；故障診斷；狀態監（jiān）測；安全
　　1　前言
　　根（gēn）據發達國家（jiā）的經驗和我國鐵路的實踐，可以認為（wéi）確（què）保鐵路運輸（shū）安全必須（xū）依（yī）靠先進的技術裝備（bèi）。故障診（zhěn）斷技術是機車車輛安全（quán）保障（zhàng）技術的重要內容，它可以（yǐ）對早期故障做出預報，便於及時采取措施，避免或減少事故的發生，因此現代鐵路（lù）運輸離（lí）不開故障診（zhěn）斷技術（shù）。
　　軸承故障診斷技（jì）術（shù）經過多年發展，已經趨於成熟，基於振動和聲學的監測診斷方法在國內外得到了實（shí）際應用。我國從1992年原鐵道部機務局提出機（jī）車軸承診斷課題並（bìng）組織開發和應用以來，全路機務係統及相關企業已普遍開展了軸承振動檢測與診斷（duàn）工作，並從中得到了實效，在一定程度（dù）上保證了在運輸能（néng）力緊張（zhāng）、客貨運（yùn）輸（shū）繁忙、主要幹線旅客列車提速到140~160km/h的情況下，機車（chē）軸承的故障率仍能保持基本（běn）穩定並有所下降。
　　隨著（zhe）技術的發展，國內（nèi）外均出現了車載軸承振動（dòng）監測裝置，德國鐵路已在新（xīn）出廠的ICE3動車組上（shàng）采用，我國也逐步開（kāi）始在六大幹線裝車。然而對機車軸承診斷技術的應（yīng）用，目前還存在著（zhe）某些模糊認識，影（yǐng）響其作用的進（jìn）一步發揮。本文從技術和管理的角度對機車軸（zhóu）承診斷技術的應用（yòng）進行了宏觀的研究和思考，提出一種係統的解決（jué）方案，目的（de）是通過軸承診斷技術的整（zhěng）體實（shí）施，提（tí）高行車安全性。
　　2　機車軸承的運用現狀
　　機車軸承的應用（yòng）特點主要（yào）有二：一是型號、種類繁多，特別是內燃機車軸（zhóu）承；二是工作環境惡劣，絕大部（bù）分軸承要承受高負荷、強振動和衝（chōng）擊，尤其是走行部軸承，隨著（zhe）列車（chē）速度的不斷提高和重載運輸的發展，軸承的動負荷進一步加大，其承受的衝擊和（hé）振動加（jiā）劇，工作（zuò）條件更加惡化。近年來一方麵在部分牽引電（diàn）機上采用進（jìn）口軸承，國產軸承（chéng）的設計和製造水平也在不斷提高；另（lìng）一方（fāng）麵在全路（lù）機務係統及相關企業普遍開展（zhǎn）了軸（zhóu）承故障診斷工作，軸承的運用質量（liàng）得（dé）到了一定的控製。機車運行中軸承的燒損故障確（què）實有所減少，但由於機車軸承數量（liàng）大，因此總的軸（zhóu）承故（gù）障件數（shù）仍然不少，有的故障還比較嚴重。
　　由於我國機車車輛的（de）設計、製造和檢修工（gōng）藝及線路情況均與國（guó）外不同，因此進（jìn）口軸承也不（bú）可能解決我們所麵（miàn）臨的所有問題。根據我（wǒ）國鐵路的具體情況，加（jiā）強軸承的檢測（cè）診斷，確保走行部運行質量，仍然是目前和今後一定時期機車運用和檢修中的重要工作。
　　3　機車軸承監測診斷的總體方案
　　3.1係統構成
　　對機車軸承來說，故障診斷的（de）目的是保證機車安全、可靠地（dì）運行，其根本任務就（jiù）是通過對機車軸承的觀測信息（xī）來識別其狀態。
　　軸承的狀態具有（yǒu）多（duō）樣性（xìng），即使故障狀態也不能等同視（shì）之。有的故障屬（shǔ）於早期階段，如能（néng）進行監測或定期診（zhěn）斷，仍可在一定時間內繼續運行（háng）；而有的故障已到（dào）了晚期，必須及時處理，否則很可能造成事故。如果（guǒ）不分故障程度、發現異常就拆（chāi）卸，則是不經濟和不可取的。因此，機車軸承故障診斷的主要工作，就是要將真正影響行車安全的故障識別出來，既保證運行安全（quán），又盡量發揮其剩餘壽命（mìng），兼顧安全性與經濟（jì）性。
　　然而（ér）要做到這一點還是很困難的，需要利用各種診斷儀器和（hé）設備，通過有（yǒu）效的組（zǔ）織（zhī）管理，進行係統的整（zhěng）合。借（jiè）鑒信息（xī）化和網絡化的發展思路，在機（jī）車運用和檢修部門建立一個多層次、網絡化的監測診斷係（xì）統。本文提（tí）出的係統方案如圖1所示，該係統由車載監（jiān）測係統、地麵檢測與診斷係統、機車軸承狀態（tài）信息係統3個（gè）子係統組成。3個子係（xì）統的有機結合，可以充分掌握機車軸承的質量狀態，從而達到保（bǎo）障安（ān）全、合理維修的良好效果。 　　3.2車載監測
　　車載監測裝置可隨時獲（huò）得軸承運行狀態信息，其應用對（duì）象主要是對行車安全影響大的走行部軸承，包（bāo）括牽（qiān）引（yǐn）電動機軸（zhóu）承（chéng）、軸箱軸（zhóu）承（chéng）等。傳統的車載軸承（chéng）監測係統是軸溫報警裝置，已得到大量應用。采用振動監測技（jì）術，可實現軸承故（gù）障的早期診斷，便於（yú）故（gù）障的及時處理。車（chē）載監測數據豐富，預警能力強，是機車軸承診斷體係（xì）的重要組成（chéng）部分，但投（tóu）資較大，適於安裝在重要的機車上。
　　3.3地（dì）麵（miàn）診（zhěn）斷
　　地麵（miàn）診斷係統主要包括便攜式診斷儀（yí）器、固定台位的檢測和診（zhěn）斷設備、移動式檢測診斷裝置等（děng），應用廣泛，測試條件好，信噪比高，便於（yú）管（guǎn）理，投資少（shǎo）見效快。通過有效的組織，在運用和檢修中開展（zhǎn）定期的診斷作業，可從源頭上（shàng）避（bì）免或減小潛在（zài）危險，並對車載監測結（jié）果進行驗證。2000年（nián），鐵道部（bù）運輸局（jú）裝備部頒布了5機車軸承技術管理規範（試行）6（運裝機檢[2000]111號），對軸承購置、大修和運用中（zhōng）的技術與管理問題做了全麵的規定，要求在機（jī）車廠和中（zhōng）修機務段建立機車（chē）軸承檢測站（zhàn），從軸承的（de）進（jìn）貨檢驗、機組（或大部件（jiàn））組裝後的（de）檢查到機車運用過程中的定期檢測，在（zài）機車運用和檢修過程中的關鍵環節，都要進行（háng）相關的軸承檢測。
　　以（yǐ）中修機務段為例（lì），典型的機車（chē）軸承（chéng）地麵診斷與質量控製環節如圖2所示。新造或大修軸承經（jīng）外觀檢查、中修機車的軸承經清洗後（hòu）分別進行（háng）靜態和動態檢測，檢測不合格的（de）軸承（chéng）不能裝車，把住初始質量關。電機組裝後應進行振動檢測，對於軸箱軸承可選擇輪對電機組或轉向架磨合時進行振動檢（jiǎn）測，控製電機軸承、軸箱軸承及（jí）機組的組裝質量。運用中的機車應定（dìng）期進行走行部的頂輪檢（jiǎn）測（cè）和車上輔機（包括主發（fā）電機、輔助發電機、勵磁機、牽（qiān）引電機（jī）通風機、劈相機及前後變速箱等）的振動檢測，保持其良好的運用狀態。機車廠（chǎng）和電機廠應（yīng）開展機車組（zǔ）裝前的各（gè）項檢測診斷，小輔修機務段也（yě）應開展機車運用階段的頂輪（lún）檢測和車上（shàng）檢測。 　　鐵道（dào）科學研究院機車（chē）車輛研究所（簡稱鐵科院機輛（liàng）所）針對不同的作業要求，研製了配套（tào）的係列產品，可為機車軸承的質量控製和安全運行提供（gòng）所需的診斷儀（yí）器及係（xì）統的（de）解決方案。通過多年應用，在（zài）我國鐵路相關部門已取得了很多經驗和實際效果。目前和今後一個時期（qī），地麵診斷係統仍將發揮重要的作用，而技術上則應做進一步改進，提高診斷的智（zhì）能化水平（píng）和（hé）作業效率。
　　3.4信息管理
　　機車軸承狀態信息（xī）係統應是機車質量（liàng）狀態綜合信息係統的組成部分，基於網絡的機車質量狀態綜合（hé）信息係統（tǒng），是監測診斷係（xì）統的數據中心，用來收集上述監測和診斷係統的數據，建（jiàn）立網絡數據庫及其管理係統，對（duì）各種數據進（jìn）行（háng）綜合分析和深度挖掘，應（yīng）用有效的智能診斷方法和趨勢分析方（fāng）法，並結合專家的知識和經驗（yàn），對機（jī）車軸承做出二次診斷和中長期故障預（yù）報，指（zhǐ）導機車的運用和維修。軸承的檢測和診斷數據應作（zuò）為機（jī）車狀態信息的重要組成部分，包括軸承振動和溫度數據，納入信（xìn）息係統。係統建立在各機（jī）務段（檢修基地），並與鐵路局和鐵道部的相關係統聯網，形成三級網絡（luò），實現機車狀態的信息集成、信息共享（xiǎng）和（hé）綜合管理。
　　4　機車軸承診斷的關鍵（jiàn）技術（shù）
　　4.1信號（hào）處理與特征提取技術
　　軸承的結構看（kàn）似簡單，但其振動卻（què）十分複（fù）雜。造成軸承振動的原因既有內部（bù）的，也有外部（bù）的，正常狀態的軸（zhóu）承在運轉中也會產生振動。我們通過傳感器拾取到的振動（dòng）信號，是（shì）多種（zhǒng）因素（sù）造成的一種合成振動，軸承振動（dòng）診斷技術的關鍵問題，就是如何有效地將故障引起的（de）振動從合成振動中提取出來。由於各種條件限製，通常我們獲得的原始信號信噪比都不高，需要采用先進（jìn）的信號處理技（jì）術對原始信號進行處理，提高信噪比。
　　不同的軸承故障可能產生不同的特征（征兆），一個特征參數通常隻對某幾（jǐ）種故障敏感，例如峰值因子對（duì）局部剝離（lí）、壓（yā）痕等故障敏感，而對片狀損傷、磨耗（hào）類故障的檢測能力較（jiào）弱。所（suǒ）以單（dān）一參數很難全麵反映軸承的狀態，這是單（dān）一特征的（de）局限性。采用多參數是一種有（yǒu）效的解決方案（àn），多參數信息相互補充，能較全麵地反映軸承狀態。鐵科院研製的機車（chē）軸承診斷儀器，均采用了多個特征參數，包括時域信號的有量綱和無量綱參（cān）數及共振解調譜，在實（shí）際應用中取得了比較（jiào）好的效果。
　　4.2智能診斷技（jì）術
　　故障識別是軸承診斷技術的核心問題，識別的（de）方法很多，從簡單的參數門限比較法、邏輯判別法到複雜的模式識別方法，均可（kě）根據需要（yào）應用（yòng）。參數比較法分類（lèi）較（jiào）粗，一般（bān）來說正常狀態與故障狀態並（bìng）非截然分開的，而是具有某些交叉和（hé）重疊，但從應用角度考慮，這種方法簡單、直觀、易於實現，目（mù）前仍被很多便攜式軸承診斷儀器所采用。
　　灰色（sè）係統診斷法是利用已知信息去認識含有未知信息的係統特（tè）性和狀態。鐵科院采用（yòng）灰色關聯診斷（duàn）方法開發了機車軸承動態檢（jiǎn）測係統，並已在現場應用多年，實際應用證明具有較高的有效性。
　　現代（dài）人（rén）工智能的應（yīng）用，發展了諸如神經（jīng）網絡、專（zhuān）家係統等智（zhì）能識別診斷方法。專家（jiā）係（xì）統由於其知識獲取的/瓶（píng）頸0問題，在實際（jì）應用中受到限製；神經網絡具有（yǒu）高度非線性、並行處理機製、信息的分布存儲性、自組織性及容錯性（xìng）等重要特點，可以實現樣本空間的任意分類，提高診斷的有效性，是機車軸承診斷技（jì）術近期的重要發展方向之一。
　　4.3診斷（duàn）係統的可靠性設計技術
　　機車軸承檢測或監測點很多（duō），使係統複雜化，特別是（shì）在線監測，對監測設備的可靠性要求很高，且數據（jù）量大，信號處理任務繁重。在開發中應積極（jí）采用各種嵌入式係統新技術，在提（tí）高性能（néng）的同時，重點開展係統（包括硬件和（hé）軟件）的（de）可靠（kào）性設計與電磁兼容設計（jì），提（tí）高係統的可靠性。如果診斷係統本身的可靠性（xìng）較低，就會給運用部門增（zēng）加額外的維護（hù）和檢修（xiū）工作量，獲取數據的可信（xìn）度也會下降，這樣的係統是難以在現場（chǎng）投入應用的。
　　4.4數據庫管理與數據挖（wā）掘技術
　　軸承狀態監測和故障診斷的（de）數據量是十分龐大的，且數據來源（yuán）、數據格式也是多種多樣的。要對監測和（hé）診斷的大量數據進行統一管（guǎn）理，需采用大規模數（shù）據庫係（xì）統，集成異種數據源（yuán），並開展數據挖掘技術的研究和應用，對各種相（xiàng）關的（de）檢測數據進行有效的挖掘，以便找到眾多數據的內在（zài）規律，進一步提取特征信息，提（tí）高診斷的準確性和可靠性，輔助機車軸承運用管理和維修的綜合決策。
　　4.5機車現場總線及網絡技術
　　包括可靠的工業現場總（zǒng）線在（zài）機車（chē）上的應用、不同檢測診斷設備的聯網接入（rù）技術、組網和網（wǎng）絡安全技術、數據的可靠傳輸技術等，也是係統開發和應用中需要解決的技術問題。因不是軸承診斷技術研究的重點，故不在此處詳述。
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