高速列车轴承动态监测系统研究

第1章 绪论 1.1 研究背景 中国南北跨度5200km，东西跨度5400km。各大中型城市、省会之间平均距离在300～1000km，且人口居世界**，城乡人口流动量大。两列高速列车前后间隔的*短时间有时仅为3min，列车密度为20列/h，且运输成本远低于航空与公路[1]。根据国家铁路局2018年6月发布的信息，5月份旅客发送量就高达26827万人。因此，高速列车是适合中国国情的交通方式。随着我国高速列车不断大幅度提速，铁路交通安全成了不可忽视的头等大事。 国家铁路局官网的铁路安全情况公告指出：机车车辆的主要行车设备的生产制造、在线运行监测维护是需要重点研究的内容之一[2]。国家铁路局于2019年底批准发布《高速铁路安全防护设计规范》（TB10671—2019），该规范从高速铁路工程设计源头入手制定安全防护措施，规范指出需要综合运用安全监测技术，加强重大危险源和隐患监控预警，着力提高高速铁路安全监测工作信息化、数字化、智能化水平，加快构建全方位立体化综合安全防护体系。该规范自2020年2月1日起实施[3]。 国家铁路局在2018年着重强调该年铁路安全监管工作重点是全力维护高速列车运营安全。国家铁路局始终将高速列车安全作为履职监管的重中之重。严格实施高速列车源头质量责任追究，开展新开通高速列车项目竣工验收和安全评估的监督检查，加强对高速列车运营安全监督检查，研究把握高速列车运营安全规律，加大按时速350km运营动车组的检查力度，推进高速列车安全防护工程[4]。 洛阳轴研科技股份有限公司等单位承担的“十二五”国家科技支撑计划“高速铁路和城市轨道交通车辆轴承关键技术研究与应用”课题研制的高速列车轴承产品*高性能试验转速420km/h，耐久性试验达到80万km，样品已通过国家轴承质量监督检验中心、中车青岛四方机车车辆股份有限公司车辆研究所等机构检测。国内还开发了时速550km/h的高速列车轴承动态性能试验机，完成了高速列车轴承的性能试验和耐久性对比试验，以及智能轴承匹配性能试验[5]。但该轴承还未应用于中国任何一款高速列车，至今未实现 高速列车轴承国产化。 1.2 目的和意义 我国是轴承的生产大国，但作为高速列车走行部关键零部件的轴承还依赖进口。国外对高速列车轴承实行技术垄断，甚至对高速列车轴承试验台也进行技术保密。 国产高速列车轴承虽然单个性能试验中*高性能试验转速已达到420km/h，耐久性试验达到80万km，且样品已通过国家轴承质量监督检验中心的检验，但目前国内所生产的高速列车轴承一致性不好，寿命离散性很大，性能不稳定，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，其寿命也会相差甚远。目前高速列车上所用的轴承均为国外进口轴承。 高速列车轴承状态的好坏直接关系到高速列车运行的可靠与否，为了彻底排除因高速列车轴承故障引起的行车事故，高速列车轴承的应用厂家一方面是在列车运行中对轴承进行动态监测，及时发现并解决问题，另一方面是对轴承的安装检修保养进行严格的控制以保证运行安全质量。 国外轴承生产厂家从安全角度和经济角度考虑，规定了120万km大修，240万km直接报废，而实际使用过程中高速列车轴承有可能远远超过了240万km的设计寿命，依然能在高速列车上工作，将超过设计寿命但仍能正常工作的轴承拆卸下来做报废处理会造成浪费。 目前现有针对高速列车的动态监测技术主要是轴温监测，该方法只能在故障达到一定的严重程度时才能监测到。本书对高速列车轴承动态特性及故障进行研究，目的是在高速列车轴承故障的各个阶段都能监测到其故障状态，包括初期微弱故障信号、中晚期的严重故障状态，以判断是否需要立刻停车。根据高速列车轴承结构和运行环境的特征，通过动态监测系统提炼出所需要的信号成分并判断提出预警信息。使监测结果更及时准确，为运行维护人员提供参考，进一步提高高速列车行驶的安全性。 目前高速列车没有一套完善的轴承动态在线监测系统来预测和防范轴承故障的发生。因此，高效准确的故障动态监测系统将有广泛的市场前景，会带来巨大的经济效益。如果国内高速列车上有高速列车轴承的动态监测系统来实时监测并判断其性能状态，一则大大提高了行车安全性能，二则可能很大幅度减少高速列车轴承无谓的报废。 综上所述，本书以高速列车轴承为研究对象，展开动态监测的方法研究，对提高我国高速列车既有的技术水平和可靠性，确保高速行车安全，有十分重要的意义。 1.3 国内外研究现状 本节对国内外高速列车轴承的故障情况以及高速列车轴承动态分析与监测的研究现状进行概述。 1.3.1 高速列车轴承故障 高速列车是由普通列车发展而来，随着速度的提高，其车体和轨道的结构都有大幅度的变化，普通列车轴承所发生的故障情况与高速列车有所不同，但是仍具有一定的共性。对普通列车轴承故障有所知悉，方能进一步对发展中的高速列车轴承的故障情况分析其内在原因和外在表现。 高速列车的轴承作为列车走行部的关键零部件，其损伤故障与高速列车安全运行息息相关，因此分析轴承损伤原因至关重要。之所以要研究高速列车轴承的故障，是因为对高速列车轴承与一般铁路轴承的失效分析来说，其特点主要在于高速列车轴承的结构和运行工况条件的特殊性。高速列车的蛇形运动，作用于轴承的动载荷与其他固定设备的轴承是有很大不同的。随着高速列车速度大幅度提高，车辆的蛇形运动加剧，运行品质恶化，作用于车辆的动载荷增大，冲击增加。因此，高速列车轴承的故障与其高转速、大载荷、强冲击的特点是息息相关的。 由于高速列车在国内的普及也是近几年才开始，而国外的高速列车的普及程度也不及国内。高速列车轴承的更换寿命为240万km，以每天跑2000km、每年跑300天计算，3年左右才能达到轴承的使用寿命。国外文献对高速列车轴承的故障统计比较罕见，故本书主要从普通列车轴承故障着手进行分析，辅助以实际现场调研。本书的高速列车轴承故障案例主要通过作者于高速列车生产厂家实际调研所得。 美国铁路协会（American Railway Association，ARA）等相关机构利用长期运用经验和积累的数据建立了铁路货车轴承的专用数据库。从轴承制造到轴承失效都有详细记录可以查询，同时他们还总结各种典型故障，编著成《现场指导手册》，兼具图谱和评价标准的作用，该手册可供铁路维修技术人员和管理部门使用。但是从实际情况来看，也存在着不足之处，轴承专用数据库中对失效的轴承没有进行具体分类，粗略地分为运用故障、制造质量问题、装配问题、润滑问题等几类，未针对具体问题类型进行更进一步的机理性研究。美国铁姆肯公司对出现的铁路轴承故障案例进行了归纳总结[6]。 欧洲对于铁路轴承的研究重点放在客车和高速列车方面，而且在轴承设计和选型方面也有丰富的经验，SKF集团和舍弗勒集团均依据长期积累的设计和研发成果建立了轴承产品数据库，可以根据输入的使用条件自动选择合适的轴承型号。对于高速列车轴承故障统计和失效分析方面，欧洲积累的数据相对较少，也没有形成系统的研究成果。但对轴承监测技术研究较深，如南安普敦大学Symonds教授等[7]研究了一种新型的状态监测系统，首次能够在轴承出现严重破坏之前，从故障的铁路轴承中提取出可靠的特征并进行详细的检测。SKF集团研发的Axletronic传感器可以实现对高速列车轴承的振动监测[8]。 根据《铁路客车轮轴组装检修及管理规则》，我国铁路客车轴承损伤分为18类，且该规则对每一类形态特征、出现故障的部位、损伤出现的原因及损伤程度都进行了分类。为从事轴承质量检测和维修保养等工作的技术人员提供直观、规范的判断，帮助他们理解、把握轴承缺陷形态和性质。 杜永明等[9]对海量的铁路货车轴承故障数据和缺陷实例进行了收集整理，经详细分析、归纳整理为7大类和20小类铁路货车轴承损伤类型，对每一类损伤缺陷的定义、形态特征、发生部位以及损伤轴承的信息、故障情况、形成机理都做了详尽的阐述。 我国铁路高速列车轴承要承受巨大的轴重和一定的轴向载荷，高速列车经常横贯东西、跨越南北，气候温度变化大，还要经常遭受风沙雨雪的侵袭，对轴承都会有影响。高速列车在高速运行中，滚动体与内外圈滚道的滚动摩擦，滚动体与保持架、滚动体端面与内外挡边的滑动摩擦，使轴承发热，形成轴温。高速列车运行速度、轴承润滑脂的质量和数量、轴承组装时的轴向及径向间隙、轴承内部零部件的材质、加工精度、轴箱密封情况等对高速列车轴承影响较大。 高速列车采用无缝钢轨，虽然避免了一些通过钢轨接头、道岔时的冲击力，但是轮对与钢轨间的接触，使轴承在高速运转时依然承受来自机车的牵引力、车辆的自重、钢轨的不平顺导致的冲击载荷等的综合作用。这些外力一旦与零部件上的缺陷结合，反复作用就会使零部件出现裂纹，导致零部件破损，造成热轴[10]。 客车在施行段修、辅修和临修时，施行电焊作业，利用钢轨作为地线，又不避开轮对和轴承，电流通过轴承时打火，使轴承点蚀，破坏了轴承的正常组织，点蚀点变成了轴承的疲劳源，逐渐形成斑状剥离。带有剥离的轴承，运用中相关部位同时受损，形成恶性循环[10]。 张关震等[11]介绍了铁路机车车辆轴承因受力状况和工作环境发生失效的现状，总结轴承损伤失效的类型。针对轴承损伤中较典型的剥离损伤、磨削烧伤、电蚀三种形式，结合形貌分析损伤发生的机理，说明引起轴承失效的主要影响因素，为改善轴承使用状况提供理论依据。 朱爱华等[12]对提速铁路货车轴承的失效影响因素进行分析并给出改进措施，从而降低轮对轴承的故障率，保证铁路货车提速后运行的安全性。据统计，在货车提速后，铁路货车轮对轴承的失效形式主要有内外圈及滚动体的剥落、密封故障、保持架故障、辗皮及热变色，分别占轴承故障的66.29%、9.15%、8.26%、5.58%和3.79%，上述5大故障共占轴承故障的93.07%。 国际标准化组织（International Organization for Standardization，ISO）制定了一套将轴承损伤和故障分类的方法（BS ISO 15243:2017）。该标准确定了六种主要的损伤类型，大部分轴承损伤都与这六种主要形态及其子形态有关。高速列车轴承虽然有其特殊性，但是其轴承损伤分类也符合BS ISO 15243:2017的分类。 相对于国外的高速列车轴承研究和我国国内铁路货车轴承损伤的研究而言，我国高速列车轴承损伤的研究不足，**手资料也比较欠缺，高速列车轴承损伤与普通客车、货车相比，有一定的共性问题，也有一定的个性问题，因其结构和运行的环境都有所不同。 研究高速列车轴承动态监测系统前，需对高速列车轴承发生的故障进行深入了解，才能做到有的放矢。因此，第2章将对我国高速列车轴承的故障案例进行统计分析。 1.3.2 高速列车轴承动态分析与监测 对高速列车轴承进行动态监测的目的是对高速列车轴承进行状态监测及故障分析预警。随着信息技术、电子技术及数字信号处理技术的飞速发展，高速列车轴承在线监测及故障诊断也有了突飞猛进的改变，国内外均取得了一定的成果。 国内针对高速列车轴承的动态分析与监测所采用的技术手段主要有三种：①轴温监测；②声学监测；③振动监测。从形式上可分为地面（道旁）探测与车载监测。 道旁探测系统包含了热轴探测器、热轮探测器、轴承声学探测器、车轮冲击载荷探测器、货车性能探测器等。地面的检测系统只针对轮对或车轴故障，而且只限于局部固定区域，不具备列车运行过程中的实时预警功能，而实时预警功能正是故障监测系统的重要要求。技术*成熟的车载机械故障诊断系统是轴温监测，已得到大量应用。西方国家还有应用声呐探测系统进行轴承振动噪声监测的情况。对列车走行部故障诊断影响*大的是监测环境千变万化，不同的线路、不同的运行速度、不同的工况使