一种铁路货车轮对轴承智能检测系统的制作方法

本发明涉及铁路货车轮轴承故障检测领域，尤其是一种铁路货车轮对轴承智能检测系统。

背景技术：

铁路货车是铁路货物运输的运载工具，而轮对轴承作为铁路车辆转向架重要部件，长期处于高速重载状态，容易产生疲劳、滚子裂纹、保持架断裂和压痕等故障，其技术状态直接影响列车的安全。因此，对轮对轴承全寿命周期内的故障监测和诊断的研究十分重要。

根据现有技术规程，铁路货车定期检修分为厂修、段修、辅修和轴检四级修程(从高到低)，各级修程按规定周期进行。新造轴承从首次装用开始，使用时间或运行里程达到规定限度(如8年或80万km)时必须进行大修；经过一次大修的轴承的使用时间或运行里程达到规定限度时必须报废。各型新造轴承、大修轴承在货车厂修或段修发生轴承退卸时必须进行一般检修，若轴承存在一般检修无法修复的缺陷，则新造轴承送大修，大修轴承报废。目前，为实现货车轮轴造修技术全过程管理和全寿命周期内质量追溯，对于新造、大修或一般检修轴承，在轴承内外圈和标志板上刻打相应的制造或检修标记，实现轮轴管理。而对于轮对轴承的段修，轴承历史运用信息的获取主要通过肉眼识别轴承标志板内容，轴承的检修和故障诊断也主要靠人工“听、看、摸、转”等方式进行经验判断。

近年来，随着货运列车的运行速度不断提高和编组书、牵引吨数逐渐加大，对车辆关键部位的安全性要求也随之不断提升，并且随着货车检修量的逐渐扩大和技术要求要求不断提高，单纯依靠人工的识别和检测方式无论在效率还是准确率等方面都越来越无法满足检修工作要求，亟待利用先进技术实现轮对轴承故障的自动化、智能化检测和分析诊断。

在轴承信息的获取方面，除轴承内外圈刻打的标记外，轴承标志板是刻打轴承检修信息和判别运用时间的重要附件。轴承进行段修时，主要靠人眼识别刻打在轴承标志板上的标记，以获取轴承的制造装用和检修、轮对组装以及车轴制造等历史运用信息。而根据现行轮对组装检修和管理规则，在轴承因为检修发生退卸和重装时，必须更换新的轴承标志板并刻打上述标记。

在轴承故障检测方面，何贞志等开发了一种基于labview的滚动轴承缺陷在线智能检测及分选系统，运用于轴承厂自动装配线中。该系统由机械装置和控制系统组成，可实现振动信号检测、智能分析和动作控制，采用工控机采集振动信号并智能诊断轴承缺陷，采用plc实现动作控制，有效地在线识别多种轴承早期缺陷。赵丽霞提出了一种基于多传感器与驱动模块联用的车辆滚动轴承故障智能诊断系统，通过麦克风、振动传感器信号处理及分析，实现铁路段修轴承的故障诊断。该系统通过麦克风信号和共振解调技术识别轴承的剥离型故障，通过振动传感器和统计因子参数识别轴承的非剥离型故障，在提高轴承检测准确率的同时，大大降低轴承非剥离型故障的漏报率。公开号为cn109238716a的发明专利，提供了一种实时智能的机械轴承异常检测系统。该系统包括用于采集机械轴承振动数据的数据感知子系统、用于存储机械轴承振动数据的存储子系统、用于分析所述机械轴承振动数据的分析中心和与分析中心通信的用户终端，分析中心可在振动数据异常时向用户终端发送提示信息。

现有技术在对货车轮对轴承进行故障检测时，获取轴承身份信息和历史运用信息的方式是通过人工识别轴承标记和标志板标记。为此，需要提前清洗轴承和标志板上的污物，清洗不干净或者刻打标记被破坏时便会影响识别的准确性，且部分位置的刻打标记在轴承不拆卸时观察不到，总体识别效率低下。

现有技术在进行检测时，只存储本次检测的振动数据用于故障分析，不形成用于轴承运用信息管理的档案，使得检测数据未得到充分利用。

现有技术对轴承进行故障分析时，只能根据当时检测到的轴承振动情况进行故障判断，这种技术只适用于两种情况，一是全新的轴承完成制造后，因为新出厂轴承的质量标准是统一的，可以通过统一振动分析标准进行判断。二是运用中的轴承在特定位置上产生了典型缺陷，如剥离，裂纹等，可以通过典型缺陷的特征频率进行判断。但是铁路货车轮对轴承在判断是否需要检修时，都是在服役一定时期后，并且同一批检测的轴承，其服役时间和服役历程并不相同，另外，轴承在判断是否需要检修时，主要是因为轴承出现润滑脂泄漏、润滑脂污染、常规或异常磨损等故障，一旦产生典型缺陷，绝大部分情况下是只能报废处理，无法通过检修修复，所以，对于铁路货车轮对轴承的故障判断，不能只检测轴承是否产生了典型缺陷，更不能通过统一的标准来进行判断，而需要结合轴承的运用情况进行智能检测，即同一批检测的轴承因其运用情况不同而判断标准不同，同一个轴承在不同的服役时期，判断标准也不同，而这是现有的技术无法实现的。

技术实现要素：

为克服现有的缺陷，本发明提出了一种铁路货车轮对轴承智能检测系统。

一种铁路货车轮对轴承智能检测系统，包括轴承信息自动识别系统、基于服役信息的轴承故障自动检测分析系统和轴承电子履历系统三个子系统，所述三个子系统各部分硬件装置分布安装在钢轨两侧，并包括检测位。所述检测位为多个。

三个子系统的控制终端软件部署在控制终端上，控制终端中包括轴承信息自动识别系统控制终端软件、轴承故障自动检测分析系统控制终端软件和轴承电子履历系统控制终端软件，所述软件之间可进行信息交互、同步。

轴承信息自动识别系统由轴承信息自动识别系统控制终端、射频模块、射频天线和电子标签式轴承标志板组成，电子标签式轴承标志板设置于轮对的轴承端盖上，并通过与射频天线和射频模块与轴承信息自动识别系统控制终端通讯。

轴承故障自动检测分析系统由轴承故障自动检测分析系统控制终端、驱动装置、传感器、数据预处理模块组成，其中，驱动装置位于对轮上，传感器设置于对轮上的轴承上，并通过数据预处理模块组与轴承故障自动检测分析系统控制终端通讯。

轴承电子履历系统部署在轴承电子履历系统控制终端上，用于同步获取识别轴承电子履历系统识别到的轴承身份信息、检修信息和配属信息，并可通过与国铁集团统一信息系统的交互获取轴承的运输任务信息和里程信息。

电子标签式轴承标志板中，电子标签一端设置金属背板并通过固化密封胶封装；另一端通过电子标签封装上壳封装，并固定于冲型金属板上。

轮对进入检测位的支撑座后，在轴承信息自动识别系统控制终端上的软件操作界面控制射频模块开始工作，轴承检修工段时触发传感器，上位机接收到传感器信号后向射频模块发送指令，射频模块控制射频天线识别并获取车轴两端电子标签中存储的信息，并将信息上传至控制终端，完成轴承信息识别；

轮对在检测位上落位后，由驱动装置驱动轮对旋转到设定转速，传感器开始采集轴承振动信号并输出至数据预处理模块，后者将处理后的数据上传至轴承故障自动检测分析系统控制终端进行应用分析并给出判定结果，完成轴承故障检测及判断，传感器选用加速度传感器，并通过弹簧压缩方式与轴承外圈接触以采集轮轴旋转时产生的振动信号，数据预处理模块对获取的原始信号进行放大和调质滤波并输出给软件进行分析，终端软件对振动波形进行时域分析、频域分析、功率谱分析和包络谱分析等，且在每种分析中设定轴承的合格阈值，如果被测轴承的实测值大于合格阈值，即可判定为故障轴承；

轴承故障自动检测分析系统在获取轴承型号、运用信息等基础数据后，可实时计算待检轴承适配阈值，为其故障诊断提供参考值；其中，轴承各阶段的适配阈值为：

轴承电子履历系统以轴承身份信息为索引，检索对照整个履历系统的数据库；若数据库已有此套轴承履历，则将轴承故障自动检测分析系统的本次检测数据和和结果存入履历；若数据库无此套轴承履历，则为之新建履历并存入本次检修数据和结果，轴承电子履历系统可将交互获取到的轴承任务和里程信息存储并发送到轴承故障自动检测分析系统用于计算适配阈值，基于此包括轴承身份信息、配属信息、运用信息和检修信息的履历子系统数据库，可对轴承全寿命周期内的服役信息进行管理和追溯，并进行分析应用；

三个子系统的控制软件之间可进行数据实时共享和交互，高效综合待检轴承各类信息并给出诊断结果。

通过本发明提供的铁路货车轮对轴承智能检测系统，可代替人工对货车轮对轴承进行基于轴承服役信息的振动数据分析故障检测，检测准确率和检测效率高。轴承信息自动识别系统可代替人工对段修轮对轴承的身份信息、配属信息、历史运用信息和检修信息进行快速识别采集；本发明中的电子标签可代替原有的不可重复使用的金属标志板，存储信息更多，信息获取效率更高，且成本低廉；轴承故障自动检测分析系统可基于轴承型号和历史应用状况等为待检轴承计算适配阈值，准确判定轴承健康状况；轴承电子履历系统可为每个轴承建立独立的履历档案，记录轴承身份信息和在整个寿命周期内的运用信息及检修信息，具有可追溯性。

附图说明

图1为铁路货车轮对轴承智能检测系统示意图。

图2为电子标签式轴承标志板结构示意图。

图3为轴承全寿命周期内的适配阈值变化。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种铁路货车轮对轴承智能检测系统进行详细描述。

图1示出一种铁路货车轮对轴承智能检测系统，包括轴承信息自动识别系统1、基于服役信息的轴承故障自动检测分析系统2和轴承电子履历系统3三个子系统，所述三个子系统各部分硬件装置分布安装在钢轨两侧，并包括检测位。

三个子系统的控制终端软件部署在控制终端4上，控制终端4中包括轴承信息自动识别系统控制终端软件41、轴承故障自动检测分析系统控制终端软件42和轴承电子履历系统控制终端软件43，所述软件之间可进行信息交互、同步。

轴承信息自动识别系统1由轴承信息自动识别系统控制终端41、射频模块12、射频天线13和电子标签式轴承标志板14组成，电子标签式轴承标志板14设置于轮对5的轴承端盖上，并通过与射频天线13和射频模块12与轴承信息自动识别系统控制终端41通讯。

轮对进入检测位的支撑座后，在轴承信息自动识别系统控制终端上的软件操作界面控制射频模块开始工作，轴承检修工段时触发传感器，上位机接收到传感器信号后向射频模块发送指令，射频模块控制射频天线识别并获取车轴两端电子标签中存储的信息，并将信息上传至控制终端，完成轴承信息识别；在本发明中，射频模块选用thingmagicm6e嵌入式超高频rfid模块，该模块为四通道，可控制四路天线进行高速识别并处理识别信息。射频天线采用圆极化的超高频天线，安装在轨外1.5m米处；因为轮对落位时其轴端的电子标签式轴承标志板在轴向可能为任意角度，射频天线采用圆极化设计可确保天线对处在任意旋转位置的电子标签都具有较高识别率。

轴承故障自动检测分析系统2由轴承故障自动检测分析系统控制终端42、驱动装置21、传感器22、数据预处理模块组23组成，其中，驱动装置21位于对轮5上，传感器22设置于对轮5上的轴承6上，并通过数据预处理模块组23与轴承故障自动检测分析系统控制终端42通讯。

轴承电子履历系统3部署在轴承电子履历系统控制终端43上，用于同步获取识别轴承电子履历系统3识别到的轴承身份信息、检修信息和配属信息，并可通过与国铁集团统一信息系统的交互获取轴承的运输任务信息和里程信息。

图2所示，电子标签式轴承标志板14中，电子标签143一端设置金属背板144并通过固化密封胶145封装；另一端通过电子标签封装上壳142封装，并固定于冲型金属板141上。

电子标签式轴承标志板作为货车轮对的身份标识，可直接替换原有刻打式标志板安装在轮对轴端，将金属标志板原来用于刻打数字的中间区域冲压得到安装电子标签的凸出空间；将电子标签用工程塑料上壳和金属背板封装后置入上述凸出空间，并用密封胶进行密封固化；采用此种结构可将电子标签完全置于标志板金属部分之外进而减少金属对电子标签性能的影响。电子标签采用陶瓷基体，基体上的天线亦设计为圆极化或双极化方式，以改善电子标签的旋转适应性。

电子标签芯片中存储有轮对重要零部件的各类信息；主要包括轴承21位单件码、轴承标记、轴承标志板标记、车轮标记、车轴标记和轮对检修信息，各部分内容进行编排、转换后写入电子标签的存储区域中；轴承21位单件码存储在电子标签的快速识别区(epc区)中，作为轴承的独特身份信息，可被专用设备快速识别和校验进而确定轴承身份；轴承标记、标志板标记、车轮标记、车轴标记和轮对检修信息存储于电子标签的用户信息区(user区)，各部分内容各占一个区块。电子标签中存储信息的各字段定义如表1、表2所示。

表1电子标签epc区存储内容

表2电子标签user区存储内容

在轴承从首次装用到大修或报废的全寿命周期内，电子标签可代替原金属标志板对轴承的运用和检修信息进行记录，在轴承检修后或其配属轮轴发生变化时，对电子标签中相应分区的内容进行补充或更新即可继续使用，无需替换标志板。

实施例

在一个实施例中，轮对进入检测位的支撑座后，在轴承信息自动识别系统控制终端上的软件操作界面控制射频模块开始工作，轴承检修工段时触发传感器，上位机接收到传感器信号后向射频模块发送指令，射频模块控制射频天线识别并获取车轴两端电子标签中存储的信息，并将信息上传至控制终端，完成轴承信息识别；

轮对在检测位上落位后，由驱动装置驱动轮对旋转到设定转速，传感器开始采集轴承振动信号并输出至数据预处理模块，后者将处理后的数据上传至轴承故障自动检测分析系统控制终端进行应用分析并给出判定结果，完成轴承故障检测及判断，传感器选用加速度传感器，并通过弹簧压缩方式与轴承外圈接触以采集轮轴旋转时产生的振动信号，数据预处理模块对获取的原始信号进行放大和调质滤波并输出给软件进行分析，终端软件对振动波形进行时域分析、频域分析、功率谱分析和包络谱分析等，且在每种分析中设定轴承的合格阈值，如果被测轴承的实测值大于合格阈值，即可判定为故障轴承；

如图3所示，以轴承振动时域信号的性能指标——振动有效值(单位：db)为例，由于轴承类型、尺寸和运用历史的差异，在系统中设定统一阈值无法对各类待检轴承的质量进行准确检测和判断。在轴承从新造到大修再到报废的运用过程中，随着轴承各组件的正常磨损退化以及油脂润滑环境的缓慢恶化，在不出现故障的情况下其振动有效值依然会逐渐增加；而对轴承进行一般检修和大修后，其技术状态得到一定程度的恢复，振动有效值有所减小。基于轴承技术状态的此种变化特性，本发明的检测系统为不同类型和不同历史运用状况的被检轴承计算不同的故障诊断阈值，称为适配阈值，只有轴承实际检测的振动有效值大于此适配阈值时，才判定轴承为故障轴承。适配阈值即为轴承在各阶段所允许达到的最大振动有效值，一般情况下，轴承全寿命周期内的适配阈值变化。

批量新造轴承出厂时的振动有效值阈值为tx，装用后轴承以一定的速率磨损退化，经一般检修后振动有效值有所回落，修后装车继续以一定速率磨损，直至达到运用里程限度，振动有效值达到峰值，适配阈值亦达到tp，轴承进入大修；将轴承从一次一般检修(或新造)到下一次一般检修的服役区间称为一个一般检修期。大修轴承出厂时的振动有效值阈值为td，其装用后的变化趋势类似于新造轴承，直至报废时适配阈值达到tb。轴承正常磨损退化的速率与服役期间的载荷f和运行里程m密切相关，故每次运输任务后轴承振动有效值应有不同程度的增加。轴承入段检测时，在已知其历史运用信息的情况下，其适配阈值为：

其中，tx新造轴承出厂时的阈值，可取批量合格轴承出厂检验的最大振动有效值，作为本算法的初始条件；δtj为轴承第j个一般检修期内振动有效值阈值增量；δtyj为第j次一般检修后阈值的回落量；δtn为最近一次一般检修到本次检测区间内的阈值增量。

δtj与轴承一般检修期内的各次运输任务有关，可表示为：

其中，ki为第j个一般检修期内第i次运输任务的磨损退化速度，亦即阈值增速，δmi为第i次运输任务的运行里程；ki与运输载荷和运行里程相关，根据机械零部件疲劳寿命随载荷变化的规律，可将磨损速率即阈值增速描述为：

ki＝afi^b+c(3)

其中，a、b、c为磨损常数，fi为第i次运输任务的载荷。对于轴承振动有效值增速，即轴承正常磨损退化速率，可通过试验台上长寿命模拟试验确定各型轴承的磨损常数。

δtyj与检修技术相关，每次一般检修对轴承拆解清洗和更换油脂之后，其工作状态有所改善；但因仍存在不可逆的磨损，故其振动有效值不可能恢复到初始水平。另外随着磨损的逐步累积，造成轴承振动有效值增加的主要因素将逐渐从润滑状态转变为轴承金属部分的磨损退化，故一般检修对于上一个运用周期内轴承的磨损退化的可修复比例将逐次减少；则可有：

δtyj＝f(j)·δtj(4)

其中，f(j)为第j次一般检修的可修复比例。

δtn计算与δtj同理，可表示为：

其中，kni为最近一次一般检修到本次检测区间内第i次运输任务的阈值增速，其计算方法同上，δmni为相应运输任务的里程。

综上，轴承各阶段的适配阈值为：

大修轴承装用后的阈值计算与新造轴承类似。需要说明的是，大修轴承因为经过了机械加工且加工限度差于新造轴承，故其出厂阈值不会低于新造轴承，而且其使用寿命亦不会比新造轴承更长，报废点阈值不应高于新造轴承在大修点的阈值，即：

tx≤td(8)

tp≥tb(9)

td是大修轴承出厂时的阈值，可取批量合格大修轴承出厂检验的最大振动有效值。此外，轴承在全寿命周期内任一时刻的振动有效值都不应大于tmax；此运用限度可取最恶劣工况下正常运用到进大修里程的轴承的振动有效值最大值，并按各运用单位的规程进行适当调整。

基于上述算法，故障分析子系统在获取轴承型号、运用信息等基础数据后，可实时计算待检轴承适配阈值，为其故障诊断提供参考值。

轴承电子履历系统以轴承身份信息为索引，检索对照整个履历系统的数据库；若数据库已有此套轴承履历，则将轴承故障自动检测分析系统的本次检测数据和和结果存入履历；若数据库无此套轴承履历，则为之新建履历并存入本次检修数据和结果，轴承电子履历系统可将交互获取到的轴承任务和里程信息存储并发送到轴承故障自动检测分析系统用于计算适配阈值，基于此包括轴承身份信息、配属信息、运用信息和检修信息的履历子系统数据库，可对轴承全寿命周期内的服役信息进行管理和追溯，并进行分析应用；

三个子系统的控制软件之间可进行数据实时共享和交互，高效综合待检轴承各类信息并给出诊断结果。

最后应说明的是，以上实施例仅用以描述本发明的技术方案而不是对本技术方法进行限制，本发明在应用上可以延伸为其他的修改、变化、应用和实施例，并且因此认为所有这样的修改、变化、应用、实施例都在本发明的精神和教导范围内。