丁福焰
（铁道科学研究院机车车辆研究所，北京　100081）

　　摘　要：从技术和管理的角度对轴承诊断技术在机车上的应用进行系统的思考，根据机车轴承应用的特点和现状分析，提出了一种保障安全、合理维修的系统方案，简要介绍系统的构成和各子系统的功能，并对其中的关键技术进行了讨论。
　　关键词：机车；轴承；故障诊断；状态监测；安全
　　1　前言
　　根据发达国家的经验和我国铁路的实践，可以认为确保铁路运输安全必须依靠先进的技术装备。故障诊断技术是机车车辆安全保障技术的重要内容，它可以对早期故障做出预报，便于及时采取措施，避免或减少事故的发生，因此现代铁路运输离不开故障诊断技术。
　　轴承故障诊断技术经过多年发展，已经趋于成熟，基于振动和声学的监测诊断方法在国内外得到了实际应用。我国从1992年原铁道部机务局提出机车轴承诊断课题并组织开发和应用以来，全路机务系统及相关企业已普遍开展了轴承振动检测与诊断工作，并从中得到了实效，在一定程度上保证了在运输能力紧张、客货运输繁忙、主要干线旅客列车提速到140~160km/h的情况下，机车轴承的故障率仍能保持基本稳定并有所下降。
　　随着技术的发展，国内外均出现了车载轴承振动监测装置，德国铁路已在新出厂的ICE3动车组上采用，我国也逐步开始在六大干线装车。然而对机车轴承诊断技术的应用，目前还存在着某些模糊认识，影响其作用的进一步发挥。本文从技术和管理的角度对机车轴承诊断技术的应用进行了宏观的研究和思考，提出一种系统的解决方案，目的是通过轴承诊断技术的整体实施，提高行车安全性。
　　2　机车轴承的运用现状
　　机车轴承的应用特点主要有二：一是型号、种类繁多，特别是内燃机车轴承；二是工作环境恶劣，绝大部分轴承要承受高负荷、强振动和冲击，尤其是走行部轴承，随着列车速度的不断提高和重载运输的发展，轴承的动负荷进一步加大，其承受的冲击和振动加剧，工作条件更加恶化。近年来一方面在部分牵引电机上采用进口轴承，国产轴承的设计和制造水平也在不断提高；另一方面在全路机务系统及相关企业普遍开展了轴承故障诊断工作，轴承的运用质量得到了一定的控制。机车运行中轴承的烧损故障确实有所减少，但由于机车轴承数量大，因此总的轴承故障件数仍然不少，有的故障还比较严重。
　　由于我国机车车辆的设计、制造和检修工艺及线路情况均与国外不同，因此进口轴承也不可能解决我们所面临的所有问题。根据我国铁路的具体情况，加强轴承的检测诊断，确保走行部运行质量，仍然是目前和今后一定时期机车运用和检修中的重要工作。
　　3　机车轴承监测诊断的总体方案
　　3.1系统构成
　　对机车轴承来说，故障诊断的目的是保证机车安全、可靠地运行，其根本任务就是通过对机车轴承的观测信息来识别其状态。
　　轴承的状态具有多样性，即使故障状态也不能等同视之。有的故障属于早期阶段，如能进行监测或定期诊断，仍可在一定时间内继续运行；而有的故障已到了晚期，必须及时处理，否则很可能造成事故。如果不分故障程度、发现异常就拆卸，则是不经济和不可取的。因此，机车轴承故障诊断的主要工作，就是要将真正影响行车安全的故障识别出来，既保证运行安全，又尽量发挥其剩余寿命，兼顾安全性与经济性。
　　然而要做到这一点还是很困难的，需要利用各种诊断仪器和设备，通过有效的组织管理，进行系统的整合。借鉴信息化和网络化的发展思路，在机车运用和检修部门建立一个多层次、网络化的监测诊断系统。本文提出的系统方案如图1所示，该系统由车载监测系统、地面检测与诊断系统、机车轴承状态信息系统3个子系统组成。3个子系统的有机结合，可以充分掌握机车轴承的质量状态，从而达到保障安全、合理维修的良好效果。 　　3.2车载监测
　　车载监测装置可随时获得轴承运行状态信息，其应用对象主要是对行车安全影响大的走行部轴承，包括牵引电动机轴承、轴箱轴承等。传统的车载轴承监测系统是轴温报警装置，已得到大量应用。采用振动监测技术，可实现轴承故障的早期诊断，便于故障的及时处理。车载监测数据丰富，预警能力强，是机车轴承诊断体系的重要组成部分，但投资较大，适于安装在重要的机车上。
　　3.3地面诊断
　　地面诊断系统主要包括便携式诊断仪器、固定台位的检测和诊断设备、移动式检测诊断装置等，应用广泛，测试条件好，信噪比高，便于管理，投资少见效快。通过有效的组织，在运用和检修中开展定期的诊断作业，可从源头上避免或减小潜在危险，并对车载监测结果进行验证。2000年，铁道部运输局装备部颁布了5机车轴承技术管理规范（试行）6（运装机检[2000]111号），对轴承购置、大修和运用中的技术与管理问题做了全面的规定，要求在机车厂和中修机务段建立机车轴承检测站，从轴承的进货检验、机组（或大部件）组装后的检查到机车运用过程中的定期检测，在机车运用和检修过程中的关键环节，都要进行相关的轴承检测。
　　以中修机务段为例，典型的机车轴承地面诊断与质量控制环节如图2所示。新造或大修轴承经外观检查、中修机车的轴承经清洗后分别进行静态和动态检测，检测不合格的轴承不能装车，把住初始质量关。电机组装后应进行振动检测，对于轴箱轴承可选择轮对电机组或转向架磨合时进行振动检测，控制电机轴承、轴箱轴承及机组的组装质量。运用中的机车应定期进行走行部的顶轮检测和车上辅机（包括主发电机、辅助发电机、励磁机、牵引电机通风机、劈相机及前后变速箱等）的振动检测，保持其良好的运用状态。机车厂和电机厂应开展机车组装前的各项检测诊断，小辅修机务段也应开展机车运用阶段的顶轮检测和车上检测。 　　铁道科学研究院机车车辆研究所（简称铁科院机辆所）针对不同的作业要求，研制了配套的系列产品，可为机车轴承的质量控制和安全运行提供所需的诊断仪器及系统的解决方案。通过多年应用，在我国铁路相关部门已取得了很多经验和实际效果。目前和今后一个时期，地面诊断系统仍将发挥重要的作用，而技术上则应做进一步改进，提高诊断的智能化水平和作业效率。
　　3.4信息管理
　　机车轴承状态信息系统应是机车质量状态综合信息系统的组成部分，基于网络的机车质量状态综合信息系统，是监测诊断系统的数据中心，用来收集上述监测和诊断系统的数据，建立网络数据库及其管理系统，对各种数据进行综合分析和深度挖掘，应用有效的智能诊断方法和趋势分析方法，并结合专家的知识和经验，对机车轴承做出二次诊断和中长期故障预报，指导机车的运用和维修。轴承的检测和诊断数据应作为机车状态信息的重要组成部分，包括轴承振动和温度数据，纳入信息系统。系统建立在各机务段（检修基地），并与铁路局和铁道部的相关系统联网，形成三级网络，实现机车状态的信息集成、信息共享和综合管理。
　　4　机车轴承诊断的关键技术
　　4.1信号处理与特征提取技术
　　轴承的结构看似简单，但其振动却十分复杂。造成轴承振动的原因既有内部的，也有外部的，正常状态的轴承在运转中也会产生振动。我们通过传感器拾取到的振动信号，是多种因素造成的一种合成振动，轴承振动诊断技术的关键问题，就是如何有效地将故障引起的振动从合成振动中提取出来。由于各种条件限制，通常我们获得的原始信号信噪比都不高，需要采用先进的信号处理技术对原始信号进行处理，提高信噪比。
　　不同的轴承故障可能产生不同的特征（征兆），一个特征参数通常只对某几种故障敏感，例如峰值因子对局部剥离、压痕等故障敏感，而对片状损伤、磨耗类故障的检测能力较弱。所以单一参数很难全面反映轴承的状态，这是单一特征的局限性。采用多参数是一种有效的解决方案，多参数信息相互补充，能较全面地反映轴承状态。铁科院研制的机车轴承诊断仪器，均采用了多个特征参数，包括时域信号的有量纲和无量纲参数及共振解调谱，在实际应用中取得了比较好的效果。
　　4.2智能诊断技术
　　故障识别是轴承诊断技术的核心问题，识别的方法很多，从简单的参数门限比较法、逻辑判别法到复杂的模式识别方法，均可根据需要应用。参数比较法分类较粗，一般来说正常状态与故障状态并非截然分开的，而是具有某些交叉和重叠，但从应用角度考虑，这种方法简单、直观、易于实现，目前仍被很多便携式轴承诊断仪器所采用。
　　灰色系统诊断法是利用已知信息去认识含有未知信息的系统特性和状态。铁科院采用灰色关联诊断方法开发了机车轴承动态检测系统，并已在现场应用多年，实际应用证明具有较高的有效性。
　　现代人工智能的应用，发展了诸如神经网络、专家系统等智能识别诊断方法。专家系统由于其知识获取的/瓶颈0问题，在实际应用中受到限制；神经网络具有高度非线性、并行处理机制、信息的分布存储性、自组织性及容错性等重要特点，可以实现样本空间的任意分类，提高诊断的有效性，是机车轴承诊断技术近期的重要发展方向之一。
　　4.3诊断系统的可靠性设计技术
　　机车轴承检测或监测点很多，使系统复杂化，特别是在线监测，对监测设备的可靠性要求很高，且数据量大，信号处理任务繁重。在开发中应积极采用各种嵌入式系统新技术，在提高性能的同时，重点开展系统（包括硬件和软件）的可靠性设计与电磁兼容设计，提高系统的可靠性。如果诊断系统本身的可靠性较低，就会给运用部门增加额外的维护和检修工作量，获取数据的可信度也会下降，这样的系统是难以在现场投入应用的。
　　4.4数据库管理与数据挖掘技术
　　轴承状态监测和故障诊断的数据量是十分庞大的，且数据来源、数据格式也是多种多样的。要对监测和诊断的大量数据进行统一管理，需采用大规模数据库系统，集成异种数据源，并开展数据挖掘技术的研究和应用，对各种相关的检测数据进行有效的挖掘，以便找到众多数据的内在规律，进一步提取特征信息，提高诊断的准确性和可靠性，辅助机车轴承运用管理和维修的综合决策。
　　4.5机车现场总线及网络技术
　　包括可靠的工业现场总线在机车上的应用、不同检测诊断设备的联网接入技术、组网和网络安全技术、数据的可靠传输技术等，也是系统开发和应用中需要解决的技术问题。因不是轴承诊断技术研究的重点，故不在此处详述。
　　参考文献：
　　[1]冯庚斌.机车车辆故障振动诊断技术[M].北京：中国铁道出版社，1994.
　　[2]钱立新.建立我国铁路行车安全技术保障体系的思考[A].以技术装备确保行车安全学术会议论文集[C].北京：中国铁道学会秘书处，2000，11-16.
　　[3]张家栋，田宏萍.关于列车安全状态监测和诊断系统的研究[J].内燃机车，2000，（11）：22-24，28.
　　[4]运装机检[2000]111号，机车轴承技术管理规范（试行）[S].