試論鐵路車輛滾動(dòng)軸承的無(wú)損檢測(cè)與無(wú)損評(píng)價(jià)

張金玲 王澤文

摘要：重載運(yùn)輸已被公認(rèn)為鐵路貨運(yùn)的發(fā)展方向。隨著重載運(yùn)輸?shù)难杆侔l(fā)展，對(duì)貨車的安全性和可靠性提出了更高的要求。汽車關(guān)鍵部件的滾動(dòng)軸承關(guān)系到汽車的安全性和可靠性。當(dāng)滾動(dòng)軸承在高速重載運(yùn)行中出現(xiàn)故障時(shí)，故障會(huì)在短時(shí)間內(nèi)迅速擴(kuò)展。它很容易引起嚴(yán)重的交通事故，如熱橋、燃橋、切橋等。因此，對(duì)軸承的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障診斷，以預(yù)防今后的疾病，顯得尤為重要。采用聲發(fā)射技術(shù)檢測(cè)滾動(dòng)軸承故障信號(hào)，利用小波包分析對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理和分析，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別故障信息。

關(guān)鍵詞：聲發(fā)射檢測(cè)；軸承；故障診斷；信號(hào)處理

1前言

隨著現(xiàn)代化工業(yè)的不斷發(fā)展，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)（即非破壞性檢驗(yàn)）因其具有對(duì)被檢測(cè)對(duì)象的非破壞性、檢測(cè)的全面性和全程性而得到了廣泛的應(yīng)用。其檢測(cè)主要包括超聲、射線、磁粉、滲透和禍流檢測(cè)等常規(guī)的檢測(cè)；聲發(fā)射、紅外和激光全息檢測(cè)等非常規(guī)性的檢測(cè)。聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)作為一種動(dòng)態(tài)無(wú)損檢測(cè)診斷技術(shù)，主要是借助于儀器來(lái)提取被檢測(cè)對(duì)象（如材料、構(gòu)件）損傷時(shí)所產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)，通過(guò)分析與處理后確定缺陷產(chǎn)生的位置。主要優(yōu)點(diǎn)如下：聲發(fā)射信號(hào)直接來(lái)源于缺陷本身，是一種被動(dòng)檢測(cè)方法；能對(duì)缺陷進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并判斷缺陷的嚴(yán)重程度；能一次性檢測(cè)出缺陷的全部狀態(tài)，效率很高；對(duì)于被檢測(cè)對(duì)象的材料種類基本上沒(méi)有限制，應(yīng)用范圍廣。

2滾動(dòng)軸承的聲發(fā)射檢測(cè)和信號(hào)分析方法

2.1聲發(fā)射技術(shù)的概述

首先是在外力的作用下使聲發(fā)射源產(chǎn)生應(yīng)力波并以縱波或橫波的方式傳播到材料的表面上，經(jīng)過(guò)傳感器的稱合，將材料由于聲發(fā)射產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)變換成電平信號(hào)，由于這些信號(hào)很微弱，需要經(jīng)過(guò)前置放大器進(jìn)行放大，對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行采集和處理，根據(jù)記錄和顯示的數(shù)據(jù)來(lái)分析和研究聲發(fā)射源。聲發(fā)射檢測(cè)的意義：通過(guò)分析與處理采集到的聲發(fā)射信號(hào)，就可以對(duì)聲發(fā)射源進(jìn)行定位；判斷聲發(fā)射源的物理狀態(tài)，明確聲發(fā)射源產(chǎn)生的時(shí)間；估計(jì)聲發(fā)射源的嚴(yán)重程度。采用聲發(fā)射技術(shù)還可以對(duì)材料內(nèi)部或者是運(yùn)行的工作進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控。

2.2滾動(dòng)軸承故障綜述

滾動(dòng)軸承的組成主要包括內(nèi)圈、外圈，滾動(dòng)體、保持架四個(gè)基本元件。而潤(rùn)滑脂對(duì)軸承的性能影響極大，所以行業(yè)內(nèi)專家也稱軸承由包括潤(rùn)滑脂在內(nèi)的五大件組成的。滾動(dòng)軸承的運(yùn)動(dòng)形式主要是其內(nèi)圈與軸配合密切，并能隨著軸一起旋轉(zhuǎn)，而外圈則一般與軸承座孔或機(jī)械部件的殼體相配合，能夠起到支撐的作用。對(duì)于滾動(dòng)軸承其旋轉(zhuǎn)形式也有例外，即會(huì)固定內(nèi)圈而讓外圈旋轉(zhuǎn)，或者內(nèi)、外圈兩者同時(shí)旋轉(zhuǎn)。在內(nèi)圈和外圈之間則是滾動(dòng)體的滾動(dòng)，其大小、數(shù)量和形狀對(duì)軸承的承載能力具有決定性的影響。滾動(dòng)體的類型主要有滾珠型、滾針型、圓柱型滾子、圓錐型滾子和球面型滾子等。

2.3滾動(dòng)軸承的故障形式與產(chǎn)生原因

在使用滾動(dòng)軸承時(shí)，山于制造因素和使屮各因素的影響，承載能力、旋轉(zhuǎn)精度等指標(biāo)會(huì)發(fā)變化，即使?jié)L動(dòng)軸承在安裝、配合、潤(rùn)滑、密封和維護(hù)保養(yǎng)正常的情況卜，絕大多數(shù)軸承也會(huì)因疲勞剝落而破壞，或者摩擦濟(jì)損使軸承粘度喪失而不能繼續(xù)使用。

2.3.1疲勞剝落

滾動(dòng)軸承在工作時(shí)，滾動(dòng)體和內(nèi)外陶都會(huì)祈地接觸，在接觸變應(yīng)力和戧的反復(fù)作下，滾動(dòng)軸承表而的深度處會(huì)產(chǎn)化疲勞破壞，這種破壞會(huì)擴(kuò)展到接觸的表面即在表而上會(huì)有金呈現(xiàn)點(diǎn)狀或片狀的樣剝落下來(lái)。這于疲勞點(diǎn)她，它的形狀尺、均較小，當(dāng)點(diǎn)燭不斷擴(kuò)展后就形成了疲勞剎落，將會(huì)導(dǎo)致軸承不能常工作。疲勞剝落的主要特征足在滾動(dòng)表丨丨形成具冇一定深度和而積的海灘狀紋路（疲勞剝落產(chǎn)生的部位要出現(xiàn)在蜜閣和滾動(dòng)體的滾動(dòng)表而。疲勞產(chǎn)的原因錯(cuò)綜雜，影咖為索也很多。動(dòng)軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)吋出現(xiàn)了疲勞剝落則會(huì)導(dǎo)致軸承的沖擊載荷、振動(dòng)產(chǎn)卞和噪盧干擾的加強(qiáng)。一般情況下認(rèn)為滾動(dòng)軸承設(shè)要的失效股足產(chǎn)生了疲勞剝落故障，而疲勞剝落也決定了軸承的使川壽命。

2.3.2塑件變形

於軸承承受到了扣對(duì)比較的靜載荷或足沖擊載荷時(shí)，會(huì)致軸承的滾道和滾動(dòng)體的接觸處產(chǎn)生機(jī)械損傷（塑性變形），在滾道的表出現(xiàn)一些丨坑，會(huì)促使軸承在運(yùn)行中振動(dòng)和噪聲加劇，以覓于不能常工作。表而塑性變形分為一般表而塑性變形和局部表丨塑性變形兩類。一般表面塑性變形足山辦造表面瓦相滾動(dòng)和滑動(dòng)，使粗糖農(nóng)面不斷產(chǎn)生塑性碰搲所造成；局部塑性變形是發(fā)在摩擦表而的原有缺陷附近。

3基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的滾動(dòng)軸承信號(hào)診斷研究

對(duì)于提取特征向量的重載貨車滾動(dòng)軸承的聲發(fā)射信號(hào)還需要進(jìn)行定性模式識(shí)別，研究聲發(fā)射信號(hào)是由什么性質(zhì)的聲發(fā)射源產(chǎn)生的，確定故障的類型。截止到目前，用于信號(hào)模式識(shí)別的主要方法有五種，具體包括幅值分析法、頻率分析法、統(tǒng)計(jì)模式分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析和支持向量機(jī)等。在實(shí)際應(yīng)用中，前三種方法需要借助于研究者長(zhǎng)期的聲發(fā)射現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)能力、豐富的背景知識(shí)和現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)分析經(jīng)驗(yàn)對(duì)滾動(dòng)軸承聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行識(shí)別。

3.1BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)又稱為誤差回傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（實(shí)質(zhì)上就是年提出的誤差反傳算法。它是一種無(wú)反饋的前向網(wǎng)絡(luò)，主要由輸入層、隱蔽層、輸出層組成。各層神經(jīng)元的用途要有：輸入是用來(lái)接受外部的信息；隱蔽層（中間層）主要用來(lái)表示和存儲(chǔ)從外部接受的信息，所用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度由中間層的層數(shù)和各層所用的節(jié)點(diǎn)的數(shù)量來(lái)決定；輸出層主要是用來(lái)輸出期望的結(jié)果。

3.2BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法研究

網(wǎng)絡(luò)是在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行學(xué)習(xí)的，包括兩條傳輸途徑：即輸入信息的正方向傳輸和誤差的反方向傳輸。首先給神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入訓(xùn)練樣本的信息，經(jīng)過(guò)逐層處理后在輸出層會(huì)產(chǎn)生結(jié)果，這個(gè)過(guò)程即為正向傳播；將在輸出層得到的輸出結(jié)果與期望的輸出結(jié)果進(jìn)行比較，若結(jié)果不相同。就需要將計(jì)算出的誤差信號(hào)按照以前連接好的通路返回去，這個(gè)過(guò)程就是所謂的反向傳輸。

4結(jié)束語(yǔ)

利用聲發(fā)射技術(shù)來(lái)檢測(cè)滾動(dòng)軸承的故障是一種很有效的方法，信號(hào)直接來(lái)源于故障本身，而且在故障出現(xiàn)的初期就伴隨著聲發(fā)射信號(hào)的產(chǎn)生，通過(guò)對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的及時(shí)檢測(cè)與分析就可以實(shí)現(xiàn)故障的診斷，減少由于滾動(dòng)軸承故障而產(chǎn)生的損失。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是滾動(dòng)軸承故障聲發(fā)射信號(hào)模式識(shí)別的一種有效的方法，尤其是所用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)更是被廣大研究者所很熟悉的一種有效的故障模式識(shí)別方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]李喜紅.直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承故障診斷方法研究[D].華北電力大學(xué)，2012.

[2]賈華龍.聲發(fā)射在機(jī)械結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用[D].昆明理工大學(xué)，2014.

（作者單位：中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司）