高速动车组转向架故障原因分析及改进教学提纲.doc

高速动车组转向架故障原因分析及改进

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摘 要
动车组是城际和市郊铁路实现小编组、大密度的高效运输工具。转向架是高速动车组的走行装置，决定了列车运营速度和运行品质。动车组转向架轴承的工作状况是影响铁路运输安全的重要因素之一。因此，开展动车组转向架轴承可靠性分析与故障诊断的研究，对保证运营安全、提高维修效率和避免不必要的损失等都具有重要的意义。
本文应用故障树分析法建立了动车组转向架轴承故障模型，并提出了提高其可靠性的要求，并简要介绍了动车组转向架轴承振动机理、故障特征频率等。在轴承故障的监测技术中，本文利用振动监测技术监测动车组转向架轴承，并深入研究了故障诊断领域比较先进的理论与方法。
本文采用两种方法对轴承故障进行诊断和监测。一种是时频域参数指标诊断方法，另一种方法是:智能诊断方法，先对振动信号进行小波包消噪提高其信噪比，再采用基于EMD经验模态分解)的方法来提取轴承故障特征，把故障信号分解得到IMF，对几个重要的 IMF进行分析，获得每个IMF分量的能量，作为BP神经网络的输入向量;根据遗传算法寻优的特点，结合改进遗传算法对BP神经网络的参数进行优化，再利用其对轴承的故障进行诊断，分析了该方法诊断的效果。
系统是以软件为核心的虚拟仪器开发，使得系统具有扩展性强、灵活定义、性能高和维护费用低等优势。系统软件开发的流程平台使用LabWindows/CVI。并在实验中，证实了动车组转向架轴承故障诊断系统能准确的预测其故障并提供合理的维修建议。

关键词:动车组转向架轴承，可靠性分析，EMD,BP神经网络，改进遗传算法

目 录
绪 论 1
第1章 动车组转向架轴承故障分析与可靠性模型的建立 2
1.1动车组转向架轴承结构 2
1.2动车组转向架轴承可靠性研究概述 3
1.3动车组转向架轴承的故障树分析 4
1.3.1故障树原理介绍 4
1.4动车组转向架轴承可靠性模型与故障树 6
1.5可靠性提高的措施 11
2.1动车组转向架轴承故障诊断的基本内容 13
2.2动车组转向架轴承故障监测常用技术 13
2.3机车车辆轴承故障机理分析 15
2.3.1动车组转向架轴承缺陷产生的特征频率 16
第3章 转向架轴承故障诊断相关理论的研究 18
3.1时频域参数指标诊断方法 18
3.2基于小波变换的轴承故障诊断方法 20
3.3基于EMD的时频分析的轴承故障诊断方法 21
第4章 转向架轴承诊断系统设计 22
4.1轴承故障诊断系统的硬件集成 22
4.2机箱 22
4.2.1加速度传感器 23
4.3车组转向架轴承故障诊断系统的软件的研究 25
4.3.1软件的设计 26
4.3.2动信号的采集 27
第5章 总结与展望 28
5.1论文总结 28
5.2下一步工作 28
参考文献 30

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绪 论
动车组是城际和市郊铁路实现小编组、大密度的高效运输工具，以其编组灵活、方便、快捷、安全，可靠、舒适为特点备受世界各国铁路运输和城市轨道交通运输的青睐。动车组在我国投入运营，标志着中国进入高铁时代。根据铁道部相关人员表述，到2012年，我国建成了1. 3万公里“四纵四横”高速客运专线，其中时速350公里的线路达到8000公里，时速250公里的线路达到5000公里，时速350公里的高速动车组将成为未来铁路客运专线的主力。转向架是高速动车组的走行装置，具有承载、减振、导向、牵引和制动等重要功能，决定了列车运营速度和运行品质。动车组转向架轴承一般为滚动轴承，是动车组中工作条件最为恶劣的部件，在动车运行中，它起着承受载荷和传递载荷的作用。在铁路高速重载的运营条件下，动车组转向架轴承一旦发生故障，故障会发展很快，若不及时发现，会导致热轴、燃轴、切轴等事故的发生。因此需要对其进行可靠性分析与故障诊断，以保证安全、可靠、有效、经济的完成旅客和货物的运输任务。滚动轴承故障的准确诊断可以减少或杜绝事故的发生，最大限度地发挥轴承的工作潜力，节约开支，对高速列车的安全运行具有重大意义。这也意味着当今对动车组转向架轴承要求高速化、轻型化的同时，还要求具有维修周期长、高寿命、运行可靠等性能，动车组转向架轴承比较容易出现故障，如何快速、准确、实时进行在线可靠性分析与诊断轴承故障就显得日益重要。对动车组转向架轴承进行可靠性分析与故障诊断的目的在于:
（1)对动车组转向架轴承的各种失效的征兆作出正确地判断，在失效发生前采取措施，杜绝重大事故的发生，保证动车的安全运行。
(2)通过在线监测、可靠性分析、故障诊断等，为设备结构的完善、设计的优化、工艺的改进以及合理的维修制度提供数据和信息。
(3)保证设备可以发挥最大限度的工作潜力，能预知维修并能视情维修，延长服务期限和使用寿命，提高其可靠性，降低轴承全寿命周期的开支。管棚钻机是在一般钻机的基础上发展起来的，尤其是近几十年得到了迅猛的发展。钻机具有的功能越来越多，钻进的效率越来越高，提高了劳动生产率，也节约了成本，保护了施工人员的生命安全。
第1章 动车组转向架轴承故障分析与可靠性模型的建立
1.1动车组转向架轴承结构
转向架是动车组的走行机构，对于运行中的动车组，它具有导向、承载、减振、牵引和制动等功能，也是重点的检查部位之一，是保证动车安全运行的核心因素之一。图2-1是转向架结构示意，可见轴承通过轴箱与转向架相连，轴箱的轴承支撑着车辆静负荷和车辆运行中的纵向与横向冲击等动负荷，因此轴承要有较大的承重负荷能力与冲击负荷能力;必须有较高的寿命;制约的尺寸和重量;容易保养与检修以及具有很高的安全性和可靠性。

图2-1 转向架简图
动车组转向架轴承一般由外圈、内圈、滚动体和保持架四部分组成。见图2-2，内圈的作用是与轴相配合并与轴一起旋转;外圈作用是与轴承座相配合，起支撑作用。多数情况下是内圈随轴旋转，外圈不动。滚动体是滚动轴承中的核心原件，他是借助于保持架均匀的将滚动体分布在内圈和外圈之间，其形状大小和数量直接影响着滚动轴承的使用性能和寿命，它使相对运动表面间的滑动摩擦变为滚动摩擦，其形状也分为很多种，但我国动车组转向架轴承的滚动体为圆柱形和圆锥形。在球轴承内、外圈上都有凹槽滚道，它起着降低接触应力和限制滚动体轴向移动的作用。保持架使滚动体均匀分布并引导滚动体旋转起润滑作用，转向架轴承目前都为进口轴箱轴承，大部分为瑞典SKF、德国FAG、日本NTN等国际巨头企业生产，一般为圆柱滚子轴承与圆锥滚子轴承。我国现在无法生产配套高铁轴承，但我国轴承行业正在大力研究，进行核心技术攻关，实现国产替代的过程势必不会漫长。

图2-2 动车组转向架轴承示意图
1.2动车组转向架轴承可靠性研究概述
动车组转向架轴承的可靠性研究分为失效分析和寿命预测两大部分。国内外在滚动轴承的失效分析方面积累了丰富的经验，所做的主要工作表现在如下几个方面。
(1>车由承材料，不断的研究新的材料，提高其材料的冶金质量，以满足高速、重载和恶劣的等更苛刻的工作环境。
(2)轴承的设计，不断改进和优化轴承的结构设计，如:增大滚子数目、直径、修正滚子凸度等。
（3）轴承的制造和安装，制造包括热加工和冷加工。
（4）轴承的工作条件。如:载荷的大小和性质，速度以及载荷及其分配的研究。
（5）轴承的润滑与密封。表现在不断更换润滑形式和改进密封结构。
（6）与轴承有关的装配体的维修。如:轴箱，轴承座等。
动车组转向架轴承的寿命的预测，是以一般轴承的寿命预测公式为基础的。目前国际上公认的寿命公式主要有工SO方法和Timken方法。它们都具有几个显著的特点。
（1）把接触疲劳寿命作为轴承寿命。
（3）认为轴承的寿命、套圈的寿命都服从威布尔分布。认为疲劳裂纹产生于滚动表面下最大剪切应力处，扩展到表面，产生疲劳脱落。考虑了材料冶炼的质量对寿命的影响。应力循环次数越多、受力体积越大，则材料的疲劳破坏概率就越大。
（4）对于多列轴承，认为载荷均匀分配。当然还有其他的寿命计算方法，如:考虑安装误差、表面粗糙度、切向摩擦牵引力、滚动离心力和润滑介质等因素的计算方法，但应用不是很广泛。随着对滚动轴承疲劳机理的认识不断的深入，Chiu Y. P和Tall ian T. A提出了接触疲劳的工程项目o。认为疲劳裂纹既可以从表面下，也可以从表面上发生，并建立了基本的计算方法。该理论能较好的分析i闰滑和表面状况的影响，但计算中有的常数难以确定，不便应用。另一模型是接触疲劳的统计断裂模型。该模型将断裂力学概念用于接触疲劳是重要的发展方向，20世纪80年代，瑞典SKF轴承公司的研究人员提出通用的轴承寿命计算模型，其引入了局部应力和材料疲劳极限的概念。科学准确的预测轴承疲劳寿命一直是机械行业关注的难题，其任重道远。
1.3动车组转向架轴承的故障树分析
动车组转向架轴承长期在恶劣的工作环境中工作，失效机理复杂，影响轴承可靠性的因素很多。因此对动车组转向架轴承进行故障树分析是有着重要的意义。本文利用现场检修统计资料，采用故障树分析法分析了动车组转向架滚动轴承的故障，找出了发生故障的主要原因和产品在设计、工艺、选材等方面薄弱环节，采取针对性改进措施并落实到生产实践中，进一步提高产品可靠性水平。
1.3.1故障树原理介绍
故障树分析技术(Fault Tree Analysis, FTA)是美国贝尔电报公司的电话实验室于1962年开发的，它是一种将系统故障形成的原因由总体至部分按树状逐级细化的图形演绎方法，通过对可能造成系统故障的各种可能因素或者因素组合进行分析，画出故障树，判明故障原因、确定故障发生的概率，评价引发故障的各种因素的相关重要度。故障树分析技术具有直观、明了，思路清晰，逻辑性强等优点，可以做定性分析和定量分析，还可以指导故障诊断，改进运行与维修体制。在故障树分析技术中通常把要分析的事件称为顶事件，它是故障树分析的主题。将要分析的事件逐级分解深究的事件称为中间事件，不能分解或不再深究的只考虑内事件称为基本事件，这些事件有相应的符号代表，事件符号见表2-1;顶事件、中间事件和基本事件通过适当的逻辑门组合起来成为树形图，也就是故障树，逻辑门符号见表2-2。故障树表示了系统不希望发生事件与各子系统部件的故障事件之间的逻辑结构关系。故障树的建造是FTA法的关键，故障树建造的完善程度将直接影响其定性分析和定量分析计算的准确性。故障树分析法是以故障树为工具，分析系统发生故障的各种原因、途径，提出有效防止措施的可靠性研究方法。

1.3.2“系统”的定义
动车组转向架轴承轴承失效的原因常划分为四大类:机械性的失效，润滑损坏，环境应力的损坏，冶金缺陷损坏。事实上，随着材料、冶金和生产技术的提高，由于冶金缺陷造成的轴承失效原因罕见。环境因素对轴承失效的影响，较常见的是通过导致机械性能变化和改变润滑状况起作用的。进一步说很难将一些环境因素与影响机械性能失效，润滑失效的因素完全独立开来，因为它们是一些半相关的事件。关于动车组转向架轴承的失效分析的研究和现场实际情况都表明润滑是影响轴承寿命的主要因素之一。为了能够比较好的完成失效分析，把轴承的各个元件与润滑系统组合在一起，将轴承看作一个与外界并非完全独立的系统来讨论。该系统是由轴承内圈、外圈、滚动体、保持架、润滑系统以及其他组成。
1.4动车组转向架轴承可靠性模型与故障树
轴承的失效标准可定义为:如果轴承内圈、外圈、保持架或任一滚动体出现疲劳破坏或破裂，就认为轴承失效。其可归类于串联系统，其可靠性串联模型如图2-3，单元的可靠度决定系统的可靠度，单元之间相互独立，任一单元失效系统就会失效，因此提高其可靠度的有效方法是:改善系统的薄弱环节，提高它的可靠度。

图2-3 串联可靠性模型
动车组已经过了四级检修，在检修过程中发现动车组转向架轴承存在诸多的失效形式，我们对其常见失效的原因进行了研究。
先将轴承失效作为故障树的顶事件，内圈故障、外圈故障、滚子故障和保持架故障为中间事件，初步建立故障树见图2-4，图中①代表锈蚀、②代表变色、③代表表面塑性变形、④代表麻点和疲劳剥落、⑤代表腐蚀、⑥代表裂纹和缺损等。

图2-4 轴承失效的部分故障树
动车组转向架轴承失效形式、其原因以及故障树的建立:
(1)锈蚀失效
锈蚀是由于轴承使用温度变化产生的冷凝水、润滑剂中添加剂的腐蚀性特质等原因形成的。轴承的生锈和腐蚀会造成套圈、滚动体表面的坑状锈，梨皮状锈及滚动体间隔相同的坑状锈，全面生锈及腐蚀。产生原因:密封装置不良，水分、腐蚀性物质(酸等)混入润滑剂中或轴箱内;润滑脂变质;其他偶然因素。
锈蚀失效的故障树如图2-5所示:

图2-5 “锈蚀”故障树
(2)变色失效
变色是由于轴承在运转过程中因发热引起的表面颜色变化。如果轴承表面颜色呈淡黄色、黄色、茶色、棕红色等说明变色没有深度，轴承可继续使用;但若轴承出现表面颜色为紫蓝色或蓝黑色时说明变色严重，轴承有了一定程度的损坏不能再继续使用。变色的主要原因是轴承的工作游隙过小;预载荷过大;润滑不良、润滑剂变质或使用过量;密封装置、垫圈、衬套等之间发生摩擦或配合松动而引起摩擦。
变色失效的故障树如图2-6所示:
(3)表面塑性变形失效

图2-6 “变色”故障树
表面塑性变形主要是指轴承表面由于受到过大或额外载荷的作用形成的机械损伤。一旦轴承发生原有缺陷时，如擦伤、划伤、压坑(痕)、磕碰伤等，冲击载荷会使这些缺陷附近表面发生塑形变形。产生塑形变形的原因是:异物通过了密封不良的装置(或密封圈)进入了轴承内部;零件硬度低造成接触面上的材料颗粒脱离;润滑剂变质等。
表面塑性的故障树图2-7所示:

图2-7 “表面塑性变形”故障树
(4)疲劳剥落、麻点失效
轴承由于疲劳应力作用产生麻点、剥落.如果在轴承长时间运转后发生，属自然损坏。但如果在轴承的使用中期甚至前期发生.则应视为非自然损坏.疲劳有许多类型，对于动车转向架轴承来说一般属于接触疲劳。滚动轴承套圈各滚动体表面，由于接触应力的反复作用，其滚动表面金属从金属基体呈坑状或片状剥落下来，这种现象就是疲劳剥落。产生疲劳剥落的原因复杂，目前比较统一的观点是:轴向载荷过人;装配不当，内外圈安装歪斜;润滑不良;轴承间隙过小;轴承内圈与轴或轴孔与外圈配合面之间落入硬质杂质。
疲劳剥落、麻点失效的故障树如图2-8所示:

图2-8 “疲劳剥落、麻点”故障树
(5)腐蚀是指金属材料与其所处环境中的介质发生化学或电化学反应变化所引起的消耗。腐蚀会显著降低金属的强度、塑形、韧性等力学性能，破坏金属构建的几何形状，增加零件间的磨损。就动车组转向架轴承而言，产生腐蚀的主要原因有:轴承内部或润滑剂中含有水、碱、酸等腐蚀物质;密封装置失效;装配不当，产生微振。腐蚀失效的故障树如图2-9所示:腐蚀失效。

图2-9 “腐蚀”故障树
（6）裂纹和缺损失效
当轴承零件所承受的外加载荷超出材料强度极限时，其内部或表面便发生断裂和局部断裂，这种使材料出现不连续或断裂的现象称为裂纹。缺损是指因为材料表面或表层下的细微裂纹扩展到一定程度使部分材料脱离零件的现象。对于动车组转向架轴承来说，它们产生的主要原因是;冲击载荷过大;装配不当，胶合发展;异物落入;润滑不良。
裂纹和缺损失效的故障树如图2-10所示:

图2-10 “裂纹和缺损”故障树
(7)润滑系统失效
在前面的分析中，凡是与润滑不良有关的失效都与润滑系统有关，只是相关程度轻重不同。前面6种失效形式都假设了润滑系统是正常的，下面分析润滑系统的失效。
对于脂润滑，润滑系统指润滑剂、密封元件。对于油气润滑，润滑系统的组成部分定义为包刮:润滑油、润滑油的储存设备，输送油路以及送油动力设备，密封元件等。润滑是相当重要的因素。良好的润滑可以改善轴承接触的状况，减少摩擦发热，抑制轴承内部温度的升高。
润滑系统失效的故障树如图2-11所示:

图2-11 “润滑系统失效”故障树
把每个分系统的失效图组合起来就是轴承整个系统失效的故障树，由于该故障树中只有或门，故故障树中的每个基本事件对应一个最小割集。提高轴承的可靠性
1.5可靠性提高的措施
上节综合考虑了各种失效模式及失效原因，建立了动车组转向架轴承失效的故障树。失效分析涉及到轴承本身的设计、制造、安装、润滑系统、密封、使用与维修等内容。在此分析的基础上，可以提出为提高轴承可靠性而采取的一些措施:
(1)加强和提高轴承润滑技术，轴承密封装置的维修，保证轴承受到良好闰滑。
(2)在轴承维修方面，制定现场适用的检修、清洗周期，提高维修轴承的业务水平，改善维修条件，保证轴承维修的质量。
(3)在轴承设计方面，改进轴承的结构，以达到提高轴承抗冲击能力，改善轴承内部受力状况为目的。
(4)改进轴承座的设计，增加轴承座的刚性，从而减少轴承四列的偏载程度。
第2章 动组转向架轴承的检测技术与故障机理
2.1动车组转向架轴承故障诊断的基本内容
动车组转向架轴承故障诊断与监测是通过轴承的劣化损伤以及性能状态参数，来判断和预测其可靠性和使用性，对异常情况的部位、原因和危险程度进行识别和诊断，及时的可靠的反映故障，防止事故的发生，保证整个动车组运行正常。总的来说，动车组转向架故障诊断的内容是:状态的监测，故障诊断和正确指导轴承的管理与维修三部分。
1.状态监测
状态监测就是要采用各种方法掌握设备的运行状态，如检测、测量、分析和判别等。还需要结合系统的现状以及经验，考虑环境和突发因素，准确判断轴承状态，当其出现异常时，发出警报，提醒相关人员采取及时的措施。系统要具有显示和记录其状态的功能，为设备的故障分析和可靠性分析提供信息和基础数据。
2.故障诊断
故障诊断技术的实质是:根据状态监测所获得的信息与数据，结合滚动轴承的运行历史、结构特性和参数条件，对滚动轴承的各种不同类型的故障进行预报和分析，并确定其性质、类型、原因、部位、严重程度、性能趋势和后果。
3.指导轴承的管理维修
根据诊断结果，决定设备的维修方式和维修周期。避免“过剩维修”，防止因不必要的拆卸使设备精度降低，延长设备寿命;减少维修时间，提高生产效率和经济效益;减少和避免重大事故发生，故不仅能获得巨大经济效益，而且能获得很好的社会效益。
2.2动车组转向架轴承故障监测常用技术
机械故障诊断技术发展几十年来，产生了巨大的经济效益，成为各国研究的热点。从诊断技术的各分支技术来看，美国占领先地位。美国的一些公司，如Bently,HP等，他们的监测产品基本上代表了当今诊断技术的最高水平。发展至今，动车组转向架轴承故障监测的常用技术主要有:振动诊断技术，温度诊断技术，油样分析技术，油膜电阻诊断技术，声发射诊断技术等。下面简要介绍这些方。
1.振动诊断技术
振动诊断技术是应用最早的、使用范围最广的故障监测诊断技术。运行的机械设备产生振动的原因是:表面的接触摩擦和旋转部件的不平衡等。进一步的研究表明:振动的强弱及其包含的主要频率成份和故障类型、部位和原因等有着密切的联系。本论文就是采用振动诊断技术，是通过安装在轴承座和箱体上的压电式传感器采集轴承的振动信号，并采用有效的方法对其进行分析和处理。振动分析法具有:对各种类型、工况的轴承适用;对早期轻微故障诊断有效;信号采集方便、分析简单、直观;诊断结果可信度高，在实际中得到了极为广泛的应用。在实际诊断中，传感器采集振动信号中不仅反映轴承本身的工作情况，还包含了动车组中其他运动部件和结构的干扰噪声。在动车运行中，有轻微的、局部故障的滚动轴承的振动信号成分往往会被干扰信号淹没，很难被分离与识别，对轴承的工况和故障的诊断会有一定的影响。因此，轴承振动诊断技术的关键是采用先进合理的振动诊断分析处理技术来抑制干扰信号，提取故障特征信息，有效地及时地发现轴承故障。
2.温度监测技术
温度监测是通过测量运行中滚动轴承的温度来监测其工作状态是否正常的方法。温度监测法是一种常规、操作简单的故障诊断技术，轴承的温度对轴承的磨损程度和烧伤较为敏感，其应用在一定程度上能较好的反映轴承运行故障，提高了故障检测效率和增加了行车可靠性。但这种方法的缺点是:只有当轴承故障累积到相当严重的程度后，也就是轴承故障的晚期症状，温度才有明显的变化。而轴承出现早期故障如点蚀、剥落和轻微磨损时，温度监测无法发现。由于摩擦产生的热量与相对速度的平方成正比，车辆速度与切轴时间成反比，因此，温度监测逐渐成为滚动轴承的辅助监测技术，降低风险。
3.油样分析技术
磨损、断裂、腐蚀和润滑不当是动车组转向架轴承失效的方式，其中润滑不当占主要部分。由于轴承在运行过程中是用油润滑或油冷却，零部件磨损等原因产生微小颗粒必然会带入到循环油液中。对轴承所使用的润滑油进行常规理化分析，或对其中的金属颗粒进行铁谱分析、颗粒计数等分析以及根据其形状和尺寸来判断轴承故障，就是油样分析技术。它能发现轴承的早期疲劳失效，可作磨损机研究等特点，但是，这种方法易受其它外界因素的影响，一般用于离线监测，这样会导致信息可能不全面，还得依靠人力来管理，所以，这种方法具有很大局限性
4.油膜电阻诊断技术
动车组转向架轴承在旋转过程中，如果润滑良好，滚道和滚动体之间会有一层良好的油膜，由于油膜的作用，内圈与外圈之间有很大的电阻，达到兆欧姆以上;当油膜遭到破坏时，其电阻的值就会降低，甚至接近0欧姆。故电阻越大，油膜就越厚，摩擦就小，属于正常运行状态;若电阻很小时，油膜就比较薄，轴承摩擦大，属异常运行状态。
我们可以通过测量轴承内、外圈的电阻，对滚动轴承磨损、腐蚀等异常进行判断，但对表面剥落、压痕、裂纹等异常诊断效果差，其特点是适用于旋转轴外露的场合，对不同的工况条件可使用同一评判标准
5.声发射诊断技术
声发射(Acoustic Emission简称AE)是指物体在受到形变或外界作用时，因迅速释放弹性能量而产生瞬态应力波的一种物理现象。声发射检测是一种动态无损检测方法，即:使构件或材料的内部结构，缺陷或潜在缺陷处在运动变化的过程中进行无损检测。声发射信号来自缺陷本身，。对被检件的接近要求也不高，可以利用声发射诊断技术长期监测轴承的运行状态与安全性
声发射检测到的是一些电信号，根据这些电信号来解释结构内部的缺陷变化往往比较复杂，需要丰富的知识和其他试验手段的配合。另一方面，声发射检测环境常常有强的噪声干涉，虽然声发射技术中己有多种排除噪声的方法，但在某些情况下
2.3机车车辆轴承故障机理分析
动车组转向架轴承一般是内圈与动车的传动轴的轴顶过盈配合连接，工作时随轴一起转动;而外圈安装在轴承座或箱体上，工作时是固定或相对固定。由于内圈与传动轴连接，外圈又安装在轴承座或轴箱上，这样在动车组的运行过程中，对轴承和轴承座或箱体组成的振动系统产生激励，使该系统振动。引起轴承振动的原因除了外部激励因素(传动轴上其它零部件的运动和力的作用等)之外，属于轴承本身内部原因产生的振动可分为如下三种类型:轴承结构本身引起的振动;轴承加工装配不当引起的振动;运行过程中出现的各种故障引起的振动等由其振动产生的原因如图3-1。

图3-1 动车组转向架轴承振动产生原因
2.3.1动车组转向架轴承缺陷产生的特征频率
当滚动体和滚道接触处遇到一个局部缺陷时，就有一个冲击信号产生。缺陷在不同元件上，接触点经过缺陷的频率是不相同的，这个频率就称为特征频率，特征频率可以根据轴承的转速、轴承零件的形状和尺寸由轴承的简单运动关系分析得到如图3-2所示，

图3-2 轴承中各元件的运动关系
外圈上某一点每分钟通过的滚动体数为20，在外圈固定，内圈与轴一起旋转的情况下，假如内圈滚道、外圈滚道或滚动体上有一处局部缺陷，则两种金属在缺陷处相接触时的冲击振动间隔频率如表3-1所示

表3-1 由局部缺陷引起的冲击振动间隔频率

2.4小结
本章详细地阐述了动车组转向架轴承故障诊断的监测技术并选用了振动监测技术，同时也介绍了轴承的振动机理和故障特征频率，下一章的轴承故障诊断方法的采用有了基础和依据。

第3章 转向架轴承故障诊断相关理论的研究
3.1时频域参数指标诊断方法
在铁路车辆轴承故障诊断分析中，关键的问题是故障特征信息的提取，特别是早期微弱故障特征信号，而时频域参数指标诊断方法在解决这一问题上占有重要位置。时频域参数指标诊断方法是一种简单、快速的常用诊断方法，它是利用无量纲来识别轴承的工作状况，能提高轴承故障早期预报的准确率和的可靠性。在动车组转向架轴承诊断中常用的时频域特征参数具体表达形式如下:

(1)均方根值Xrn也就是有效值。均方根值是动车转向架轴承信号振幅对时间的均方根，表达了振动信号的平均能量，对磨损类故障很敏感，因为其振幅是随时间缓慢变化的。尤二测量值是很稳定的，能较好的反映轴承恶化程度，随着故障发展单调上升，不受偶然因素的干扰;对于表面剥落或局部损伤等产生的具有冲击脉冲的振动波形，其波峰的振幅大，持续时间短，脉冲幅值的大小X-ms值是反映不出来的。均方根值则对早期故障不敏感，但稳定性良好。
(2)峰值X峰值是指波形中的最大值，峰值大小可以反映轴承某一局部故障点的冲击力大小，在检测由裂纹、剥落等表面损伤性故障造成的冲击性振动，用峰值比有效值更能明显的反映出故障状态，特别适用于磨损和表面损伤性都存在的故障，但其具有对外部干扰比较敏感的缺点。
(3)波峰因数C,定义为波形的峰值和均方根值之比，也叫峰值因子。在动车组转向架轴承振动信号中，最高幅值和最低幅值之差，就是峰值。峰值因子能有效地检查出轴承的点蚀类故障，却不能反映轴承元件上的局部剥落、擦伤、刻痕和凹坑等一类离散型缺陷，其可很好的监测滚动轴承早期故障，并能推测出损伤进一步的发展变化情况。正常轴承的振动波峰因素C}勺为4}5，波峰因数为一较小的稳定值。当轴承出现剥落等局部缺陷时，其引起的振动波峰因素往往会超过10。缺陷越大，C值也越大。但当C值相对较小时，则反映了轴承润滑不良和磨损等异常情况。
(4)峭度系数p是一个无量纲因子。峭度对大幅度的信号最为敏感，当大幅值出现的概率增加时，p值将迅速增大，轴承振动信号的p值一般都在3-45之间，当p大于4时则意味着有轴承有一定程度的损伤。轴承的尺寸、转速和载荷都不会影响峭度值的大小，其主要适用于点蚀类故障诊断。用峭度来表示脉冲信号的优点是:当轴承出现初期故障时，有效值的变化还不大，但峭度已有明显增加，因此它比测量Xrm，值能提供更早期的预报。
这些时频域参数指标与动车组转向架轴承故障有关，用以综合判断轴承有无故障比较有效，缺点是它只能评价动车组转向架轴承质量，不能区分动车组转向架轴承故障类型。
在高速运行动车中，由于轨道不平顺差异、轮缘的蛇行运动以及轨道缝隙问冲击，测量到的动车组转向架轴承振动信号通常叠加了大量的噪声，有时候甚至淹没了有用信号。这样，给提取轴承的故障特征增加了难度，因此我们应先对其讲行消噪处理再进行诊断，系统应用的理论介绍如下。
3.2基于小波变换的轴承故障诊断方法
小波是一种长度有限，平均值为零的波形，它具有两特点:时域都具有紧支集或近似紧支集;直流分量为零。小波变换是一种信号的时间一尺度(对应于时间一频率)分析方法，具有多分辨率分析的特点，且在时频域都具有表征信号局部特征的能力，是一种窗口大小固定不变但形状可改变，时间窗和频率窗都可以改变的时频局部化分析方法。即在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率，在高频部分有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率，很适合于探测正常信号中夹带的瞬时反常现象并展示其成分，所以被誉为分析信号的“数学显微镜”，对于利用连续小波变换进行动态系统故障检测与诊断具有良好的效果。
小波包变换是一种可以保证信号完整性、正交性的变换，一种针对信号局部特征的变换。在小波变换中，对信号分解的过程都是将某级近似序列分解为下一级近似序列和细节序列，而对各级细节则不考虑进行分解的问题。多分辨率分析是一种有效的时频分析方法，但它每次只对信号的低频部分做精细划分，高频部分保留不动，但是我们所希望的信号分析应是不仅只对低频频段进行分解，而且也能对高频频段做更精细的分解。小波包变换不仅能对信号(S)的低频部分(A)和高频部分(D)都进行划分，更能使相差较小的频率以及超低频率分别落在不同的频段内，从而对信号进行更为精细的分析。我们在这里以一个三层的分解进行说明，三层小波包分解树如图4-1所示:

图4-1 小波包的分解结构
3.3基于EMD的时频分析的轴承故障诊断方法
经验模式分解(en2pirical mode decomposition,EMD)由美国国家宇航局的NordenE.Huang于1998年提出的，是一种新的主成分分析法，被认为是近年来对以傅立叶变换为基础的线性、稳态频谱分析的一个重大突破，与小波包变换相比存在一定的优越性a。它不再受Fourier变换的限制，可以根据被分析信号本身的特点，自适应选择频带，确定信号在不同频段的分辨率;因此，其在分辨率上消除了小波包分析的模糊和不清晰，具有更准确的谱结构，对非平稳和非线性信号的处理具有较高的效率。

第4章 转向架轴承诊断系统设计
车组转向架轴承诊断系统不仅可用于对轴承的运行情况进行在线监测，还能及时预报轴承在运行中出现的异常状态并对其进行诊断，分析故障原因和提出相应的处理决策。
4.1轴承故障诊断系统的硬件集成
动车组转向架轴承诊断系统是采用了PXI和MXI-3总线技术，能够充分保证实时数据采样时的带宽要求。PXI总线是由开放性的PCI总线扩展而来，是NI公司在1997年发布的一种开放性、模块化仪器总线规范。它的设备成本较低，运行速度快，体积紧凑，基于PCI总线的软硬件均可应用于PXI系统中，从而具有良好的兼容性。PXI总线还具有多路同步触发总线、参考时钟、精确定时的星形触发总线、相邻模块间高速通信的局部总线以及高度的可扩展性等优点，来满足用户试验和测量的要求SOMXI一技术是一种PC工总线之间的软硬件透明的高性能连接技术，不仅可以进行PXICompactPCI机箱之间的连接而且可以让主控计算机通过透明的软硬件连接实现对PXI系统的之间控制，同时这样PXI和MX工一总线技术使系统具有更高的性价比，可保证多厂商产品的互操作性和系统的易集成性，适用于大型高精度集成系统。虚拟仪器技术的核心思想，就是利用计算机的硬/软件资源，使本来需要硬件实现的技术软件化(虚拟化)，以便最大限度地降低系统成本，增强系统的功能与灵活性。利用PX工总线进行测试具有许多优点和非常广阔的发展前景。
动车组转向架轴承系统的硬件系统主要由控制器、机箱、传感器、信号调理模块、采集卡以及连接线缆组成。系统结构如图5-1所示:

图5-1 数据采集系统结构框图
4.2机箱
机箱选用ADL工NK公司PX工5-2630机箱和N工公司的SCXI-1000机箱。
(1)PX工S 2630
PX工S-2630机箱，外观如图5-4 a)所示，在一个系统中提供了1个控制槽和7个PXI外围卡槽，兼容PX工和Compac七PC标准，所有的PX工插槽均提供了PX工标准中规定的内部IOMHz参考时钟，以及星型触发，PXI触发总线和PXI局域总线。
(2)SCXI一1000
SCXI-1000是一款牢固、小巧的4槽交流电源机箱，可装载、控制SCXI模块和被调理信号并为其供电;独特的机箱架构包括了SCXI总线，它可以传递模拟和数字信号，并作为模块间的通信管道，机箱控制电路管理着SCX工总线，确保每个模块与DA}I设备的时间同步。
4.2.1加速度传感器
加速度传感器为振动信号的采集中使用的传感器，其种类很多，压电式加速度传感器是其中之一。压电式加速度传感器具有动态范围大、频率范围宽、坚固耐用、受外界干扰小以及压电材料受力自产生电荷信号不需要任何外界电源等特点，是被最为广泛使用的振动测量传感器。从动车组转向架轴承本身的振动特征来说，横向的振动信号没有纵向的振动信号那么明显，所以本系统用4个传感器CH1,CH2,CH3和CH4分别安装在轮对轴承座纵向与横向上，在轴承箱上与轴承外圆柱面垂直接触(误差士0.5mm)，用来测量动车组转向架轴承运行中的振动参数，对纵向的信号与横向信号进行了数据分析和处理，但结果表明纵向的信号还是更为准确。
(1)压电式传感器工作原理
压电式加速度传感器属于惯性式传感器，又名压电加速度计，它是利用一种机电作用后产生一个与加速度成正比的力，压电材料受此力作用后沿其表面形成与这一力成正比的电荷信号。它的等效电路示于图5-20工作。

图5-2 压电加速度传感器等效电路
信号调理器(Signal Conditioning eXtensions for Instruments, SCXI)是由信号调理箱、信号调理模块和信号连接端口组成，是一种高度可扩展的信号调理系统，也是信号调理设备的常见形式。系统使用美国1l工公司生产的信号调理设备，具有高性能、低噪音的信号调理功能，信号凋理箱中安装各种信号调理模块分别为SCXI-1305, SCXI-1142, SCX工一1140, SCXI-1180，其主要是完成信号的放大、滤波和采样，使系统的诊断质量与可靠性提高。
(1)SCXI一1305
SCXI-1305外观如图5-3d)所示，可与SCXI-1140, SCXI-1141, SCXI-1142和SCXI-1143等模块配合使用。安装在SCXI模块前端，具有方便的8通道Bi\C连接器，包括各条通道上可切换的交流藕合电路和接地参考。
(2)SCXI一1142
SCXI-1142外观如图5-3 e)所示，是一款8通道可编程低通Bessel滤波器模块，是防混叠应用的理想选择。本模块的构架中，每路通道均包含一个可编程仪器放大器和可编程8阶低通滤波器，虽然所有通道必须设置为同样的截止频率，仍可通过编程将每条通道上的低通滤波器设为旁路。将模拟滤波器和开关电容式滤波器结合可以获得10000种可进行软件编程的离散截止频率，同时保持时域连续的传统有源滤波器的低噪音特性。另外，还提供了外部时钟输入和输出，方便您在滤波跟踪应用中使用外部时钟设置滤波器的截止频率。
(3)SCXI一1140
SCXI-1140外观如图5-3 f)所示，与SCXI-1140和SCXI-1141级联，可应用于滤波和同步采样的场合。它具有8个同步采样通道，每个通道上都有一个高输入阻抗仪器放大器，它具有开关可选增益和采样/保持放大的特点，所以可做到同步跟踪，并且能保持好通道间的相位关系。可在数据采集设备的8路不同的输入通道上运行采样/保持输出，也可将一个或多个模块的输出在数据采集设备的某路通道上多路复用。
(4)SCXI一1180
SCXI-1180外观如图5-3 h)所示，具有50针后端连接器，可穿通面板将数
据采集卡
5)采集卡NI PXI-6070E
数据采集卡是外界信号进入PC机的桥梁，在故障诊断系统中，振动信号由传感器采集经过调理信号箱转换为模拟电信号，而计算机可分析处理信号为数字信号，需要经过采集卡实现模拟信号到数字信号的转换，也就是A/D转换。在此系统中选用的采集卡为NI公司的PX工一6070E，外观如图5-3:所示。
主要规格如下:
采样率:1. 25 MS/s o分辨率:16-Bit, 16路模拟输入。2路模拟输出;2个24位计数器;8条数字工//0线;模拟触发。
软件支持用于Visual Basic和Visual Studio. NET的Measurement Studio以及LabWindows/CVIo由于传感器最高输出频率为9kHz，根据采样定理，最低采样频率必须是信号频率的两倍，而采集卡PXI-6070E的采样率 1. 25 MS/s远大于信号频率的两倍18kHz=1.8ks/m，因此，不会出现混叠。

图5-3 机箱、传感器、信号调理设备与采集卡外观图
4.3车组转向架轴承故障诊断