摘　要：通過對車輛（liàng）輪對故障和既有監（jiān）測技術的分析，針對性地開展複合傳感技術的研究，並對其車載監控裝置進行了試驗和擴大試驗（yàn），證實了複合傳感技術對車輛輪對（duì）軸承故障信息的（de）采集、分析和監（jiān）控體係覆（fù）蓋了熱傳感技術，做到了對車（chē）輛（liàng）輪對軸承故障的實時在線監測，是既有（yǒu）軸溫報警器的Z佳（jiā）替代裝備，它為列車安全運行提供了強有（yǒu）力的支（zhī）持。
　　關鍵詞（cí）：鐵路車輛；軸（zhóu）承故障；預報；監（jiān）控技術
　　多年來全鐵（tiě）路為防止車輛輪對軸承故障引發（fā）行車事故而提出許多（duō）防燃（rán）切軸的方法和技術，並進行了深入的研究和探索，取得了可喜的成就。但是，在第6次大提（tí）速的形（xíng）勢下，進一步有效防止車（chē）輛輪對（duì）故（gù）障的發生並可靠地做到早期預報就成（chéng）為急迫研究解決的一個極其重（chóng）要的課題。
　　1　問題的提出
　　鐵路車（chē）輛輪對軸承質量對車輛運行（háng）安全起著非常重要的作用，因此，在車輛的定期（qī）檢修和運用（yòng）工作中必須予以高度重視。目前，車輛輪對軸承故障的動（dòng）態監測（cè）方法主要有熱傳感技術、紅外傳感技術以及振動傳感技術，它們都有各自的特點。
　　（1）熱傳感技術和紅外傳感（gǎn）技術。這兩種技術都（dōu）是對有熱源信息進行采集、分析、判斷和提出定性或定量依據的。車輛輪對故障發生概率較（jiào）大的部位在軸承部位，而軸承的故障（zhàng）大部分是由機械故障的機械能轉變為熱能表現出來的，這也恰恰是（shì）熱傳感（gǎn）技（jì）術和紅外（wài）傳感技術適用的範圍。不論是從輪對軸承故障原（yuán）理分析也好，還是從車輛運用反（fǎn）映出的故障統（tǒng）計情（qíng）況以及檢車人員（yuán）的經驗來看都證明了由輪對軸箱溫度的變化來了解軸（zhóu）承的技術狀況（kuàng）是一種重要的故（gù）障判別法。
　　（2）振動傳感（gǎn）技術。這種技（jì）術是（shì）對物體固有頻率和受迫振動頻率信息進行采集（jí）、分析、判斷和提（tí）出定性或定（dìng）量依據的。車輛輪對、軸承的運動與（yǔ）其他旋轉機械（xiè）的運動原理是一樣的，在其（qí）運動過程中由內外部因素產生振動，這個振動是實時發生的，它包括了諧振、共振（zhèn）和各種受（shòu）迫振動。通過（guò）對振動信（xìn）號的篩（shāi）選、放大、共振解調（diào）及濾波處理等，找出故障處所並及時提示，達（dá）到故障（zhàng）診（zhěn）斷（duàn）預測的目的。
　　從（cóng）以上簡要分析可以看出，這兩種技術都有各自的特點和長處。但是，問題在於①軸承故障出現後以熱的（de）形式表現出來的情況比較多，也有沒有以熱形（xíng）式表現的；②輪（lún）對軸承故障的出現其振動傳（chuán）感信息先於熱傳感（gǎn）信息，但振動傳感技術還未在車輛輪對故障（zhàng）預測方麵廣泛應用；③車輛輪對踏麵故障越來越引（yǐn）起人們的高（gāo）度重視，而熱傳感技術對此無能為力，則不得不（bú）再增加一套監測係統。機械故障的時（shí）效性對監控手段提出了與之對應的適應性。在既（jì）有技（jì）術條件下，我們提出進行研究開發“複合傳感技術”，將熱傳（chuán）感技術和振動傳感技術（shù）有機結合起來，即在（zài）同一時刻對同一組件的熱信息和振動（dòng）信息同時采集（jí）、快速分析、提出結論、實（shí）施對策（cè）。
　　2　監控裝置（zhì）研製方案
　　根據（jù）前（qián）麵對車輛輪對軸承各種（zhǒng）故障的分析以及目前所采取（qǔ）的相應對策手段，研究確定監控裝置由複合傳感器、速（sù）度傳感器、車載監控分（fèn）機及主機、地麵分析管理（lǐ）係統等部分組成。
　　複合傳感器中有數字式熱敏器件安裝在傳感器螺釘頭部，保障可靠采集軸承內部溫度；振動衝擊縱波通過傳感器螺釘錐麵傳到振動（dòng）衝擊敏（mǐn）感元件（jiàn），所測量到的信號經過電子調理（lǐ）器處理，經電纜輸送到接線盒至主機。振動分析的關鍵即共振解調技術，研製用複合傳感技術進行車輛輪對故障早期預報的裝置中需攻克的難點就在於此。該裝置設置一個（gè）諧振頻（pín）率遠（yuǎn）遠高於常規振動頻（pín）率的共振（zhèn）器去（qù）處理振動信號，使故障衝（chōng）擊（jī）激發共振器發生共振，從而（ér）進行FFT分析。共（gòng）振解調技術為故障振動分析提供（gòng）了充分（fèn）條件。
　　在振動的（de）數學模型中（zhōng）振動頻率與振動衝擊和軸承運轉速度（dù）及（jí）軸承軸徑乘積之比的對數成比例，所以，運轉速度信息的采集由速（sù）度傳感器來完成。
　　監控裝置結構（gòu）原理圖如圖1所示。 　　車載故障監控裝置能夠實時在線監測對車（chē）輛輪對的所有振動（dòng）信息和溫度信息進行采（cǎi）集，並在屏幕上（shàng）顯示定量和定性的數據（jù），同時在必要時給出提（tí）示（shì）報警。但是，詳盡的分析和規律預測在車載（zǎi）裝置（zhì）上不便進行（háng），一是分析係統軟件占用硬件很大（dà）空（kōng）間，裝置必然做得很大；二是信息分析需專業技術人員進（jìn）行並對（duì）可能發生故障（zhàng）的（de）趨勢提出對策。所以，建立地麵管理支持係統對故障監控裝（zhuāng）置在車載條件下采集到的信息進行充分利用，從中分析出（chū）輪對軸承的有關狀況，得出是否需要維（wéi）修的結論。同時也對（duì）建立車輛輪（lún）對軸承運行（háng）狀況的相關檔案提供了條件（jiàn）。地（dì）麵管理支持（chí）係統主要包括溫度信息處理（lǐ）模塊；振動故障（zhàng）信息（xī）處理模塊；有關數據檔案管理模塊；遠程診斷支持係統模（mó）塊等（děng）。
　　3　研製和試驗
　　我們將鐵路車輛輪對軸承（chéng）故障（zhàng）早期預報（bào）係統的研究定名為“鐵路客車輪（lún）對軸承故障監控裝置”，重點（diǎn）對鐵路客車輪對軸承（chéng）的故障進行實（shí）時在線監測及其發展趨勢的研究。
　　（1）關（guān）鍵點的突破。即第1階段研究複合傳感器的可（kě）行（háng）性和可靠性問題。在研究溫度（dù）傳感器和振動傳感器的特性之後，研製（zhì）了溫（wēn）度、振動合一的複合傳感器，應用共振解調技術，在（zài）固定式輪對磨合機上反複試驗改進，實現了溫（wēn）度信息和衝（chōng）擊（jī）振動信息的（de）準確（què）采（cǎi）集。
　　（2）代（dài）表性試驗。即第2階段將監控裝置裝車單車試驗。在（zài）鐵路局管內運行的列車（chē）中選兩輛車，其中將1條故障輪對裝車進行對（duì）比試驗，準確捕獲了故障在跨（kuà）鐵（tiě）路局車的兩（liǎng）輛車上安裝，進行了長時間、長距離（lí）運行試驗；同時，對監測裝置的（de）通信功能進行（háng）了現車試驗，實現了可（kě）靠的抗幹擾功能。
　　（3）擴大試驗。即第3階段將監控裝置整列裝車試驗。在此期間僅（jǐn）累計發現（xiàn）故障40餘起，其中軸承故障由振動分析出的有17起，軸承（chéng）電腐蝕的1起，見圖2，甩車換輪；輪對（duì）踏麵故障12起，其中輪（lún）對嚴（yán）重剝離（lí）的2起，見圖3，甩車換輪；由溫度分析出（chū）的軸承故（gù）障12起（qǐ），經綜合分析，屬軸承故障的2起（qǐ），甩車（chē）換輪，其餘不屬於軸承故障繼（jì）續運（yùn）行（háng）。在這一期間，還對監測裝置（zhì）的外（wài）形結構、安裝方式、主機電源、數據下載方式（shì）以及遠距離傳輸進行了完善改（gǎi）進，達到了跨鐵路（lù）局運行實時在線監（jiān）測故障早期預報的要求。 　　通（tōng）過對鐵路客車輪對軸承故障監控裝置的研製、試（shì）驗，我們從其過程及效果可對複合傳感技術和熱傳感技術在輪（lún）對軸承故障早期預報特點作如（rú）下（xià）分析（xī）：
　　（1）適用範圍。溫度傳感技術隻有當機械故障發生後轉（zhuǎn）變為熱能釋放後（hòu）才能采集到，而且，在（zài）輪對故（gù）障中也僅（jǐn）局限於對軸（zhóu）承故（gù）障的監測；複合傳感技術（shù）可在進行溫度（dù）監（jiān）測的（de）同時對振動信息（xī）進（jìn）行監測，而且，振動信息往（wǎng）往超前於溫度信息獲悉。因此，它對輪對（duì）踏麵故障、軸承故（gù）障均能做到同步采集、監（jiān）測和分析。
　　（2）監測時差。軸承（chéng）故障（zhàng）由機械能（néng）轉化為熱能是有一個（gè）時間過程的，而這一過程（chéng）在高速運行的列車中又是非常（cháng）短暫（zàn）的，也就是故障信（xìn）息（xī）的采（cǎi）集時間過程被分為故障→熱能（néng）→信息這樣3個階段，等待故障轉（zhuǎn）化為熱能這（zhè）個階段延長（zhǎng）了故障信息的采（cǎi）集時間，而熱傳（chuán）感技術也隻有在熱信息產生時才能得以發揮作用；複合傳感技術對輪對軸承故（gù）障的衝（chōng）擊脈衝信號是非常敏感的，能在時間對故（gù）障信息（xī）進行捕獲，經調製解調處理迅速得到監測結果，它與故障隱患的（de）產生同步進行，準確地做到實時在線監測。
　　（3）性能擴（kuò）展。列車在運行中使用非常製（zhì）動的情況是時有發生的，僅靠（kào）檢車人員在停車（chē）的短時間內對各車輛輪對踏麵進行詳細（xì）檢查是做不到的（de），往往會留下隱患。複合傳感技術則可對輪對踏麵故障信息進行（háng）及（jí）時捕捉，使檢車人員在車上（shàng）就可以通過車（chē）載監控裝置準確（què）地了解到某車某位故障處所。這（zhè）一性能的擴展（zhǎn）大大提高了檢車人員的檢（jiǎn）車效率（lǜ）和技能；複合傳感技術（shù）的主機控製係統采用（yòng）了無線信息傳（chuán）輸技術，列車（chē）運行（háng）輪對的故障信息可及時傳送到地麵調度指揮係統，提供決策依據。
　　4　結論
　　經研製（zhì）、試驗和擴大試驗（yàn），作為鐵路車輛輪對故障早期預報的監（jiān）測裝置（zhì）“鐵路車輛輪對軸承故障監（jiān）控裝置”的功能和性能達到了設計要（yào）求，其複合傳感技術的信息采集、分析和監控體係覆蓋了溫度傳感技術，準確做到了對車（chē）輛輪對軸（zhóu）承故障的實時在線監測，為鐵路提速提（tí）供了強有力的列車安全運行監控技術支（zhī）持。