地铁车辆转向架轴承故障诊断方法研究

故 障 特 征 频 率 ｆｂ，其 值 为
（ ） ｆｂ
＝ ｆｓ
＝ ２Ｄｄ（ｆａ
－ｆｒ
）１－
ｄ２ Ｄ２
ｃｏｓ２α
（９ ）
由于ｆａ－ｆｒ 有可能出现负值，导 致 ｆｂ 也 为 负 值。
负号的出现是由于此时滚动体的自转角速度取向与实
际 旋 转 方 向 相 反 造 成 的 ，因 此 取 绝 对 值 ，即
城市轨道交通在 中 国 迅 猛 发 展，其 运 营 安 全 越 来 越受到关注。转向架轴承是地铁车辆中的重要部件， 一旦出现故障将影响 地 铁 列 车 的 行 车 安 全，如 何 对 其 进行在线智能故障诊断是一个值得研究的重要问题。
滚 动 轴 承 故 障 诊 断 主 要 方 法 有 ：振 动 诊 断 方 法 、温 度诊断方法、声学诊断方法等 。 ［１］ 由于振动信号特征
第１期
刘 建 强 等 ：地 铁 车 辆 转 向 架 轴 承 故 障 诊 断 方 法 研 究
３１
人工神经网络应用于 轴 承 故 障 识 别 作 了 研 究，该 方 法 具有自适应、自组 织 和 自 学 习 等 优 点。 虽 然 整 个 诊 断 过 程 可 以 实 现 无 人 参 与 ，智 能 化 程 度 高 ，但 由 于 必 须 要 有 故 障 训 练 样 本 ，加 上 应 用 环 境 恶 劣 ，诊 断 准 确 率 不 够 高 ，工 程 应 用 难 以 普 及 。
＋ｆｒ
１－Ｄｄｃｏｓα
（８）
１．１ 滚 动 体 故 障 特 征 频 率 当滚动体上存在一个缺陷并刚好处于图１的横截
面 上 时 ，滚 动 体 每 自 转 一 周 ，将 对 内 外 圈 滚 道 各 冲 击 一
次 ，且 随 故 障 的 加 重 ，冲 击 程 度 也 越 明 显 。 由 于 此 冲 击
频率与滚动体的一个 缺 陷 相 对 应，因 而 称 为 滚 动 体 的
度，ｗｓ＝２πｆｓ 为 滚 动 体 的 自 转 角 速 度。 其 中，ｆｒ、ｆａ、
ｆｃ、ｆｓ 分别为内圈旋 转 频 率、外 圈 旋 转 频 率、滚 动 体 质
心公转频率和滚动体自转频率。假设滚道与滚动体之
间 为 纯 滚 动 接 触 ，则
ｒＡｗｃ ＋ １２ｄｗｓ ＝ｒＡｗａ
（３ ）
ｒＢｗｃ － １２ｄｗｓ ＝ｒＢｗｒ 由式（３ ）和式（４ ）可得
琢 wc wa d
wr
琢
d 琢
2rB D 2rA 2rA
D 2rB
B
B
A
A
图 1 滚动轴承典型结构图
根据滚动轴承典型结构图１可得
（ ） ｒＡ
＝
Ｄ ２
１＋Ｄｄｃｏｓα
（１ ）
（ ） ｒＢ
＝
Ｄ ２
１－Ｄｄｃｏｓα
（２ ）
令 ｗｒ＝２πｆｒ 为内 圈 旋 转 角 速 度，ｗａ ＝２πｆａ 为 外
圈旋转角速 度，ｗｃ ＝２πｆｃ 为 滚 动 体 质 心 的 公 转 角 速
明显、检测手段成熟且易于实现在线监测［２］，基于 振 动 信号的诊断方法是目前应用最广泛的轴承故障诊断方 法。一般情况下，可从 时 域 和 频 域 ２ 个 方 面 对 振 动 信 号进行分析。时域分析法可以简单判断轴承是否发生 故 障 ，但 不 能 确 定 轴 承 的 哪 个 元 件 出 现 故 障 ，而 频 域 分 析法可以解决该问题。传统频域分析法主要是人通过 观察频谱图中故障特征频率处有无谱峰来诊断故障， 智能化程度低。近年 来，人 工 神 经 网 络 等 智 能 故 障 识 别方法被提出 并 应 用 于 轴 承 故 障 诊 断。 文 献 ［３－６］对
（４ ）
ｗｓ
＝
２ ｒＡｒＢ ｄｒＡ ＋ｒＢ
（ｗａ
－ｗｒ ）
（５ ）
ｗｃ
＝ｒＡｗｒＡａ
＋ｒＢｗｒ ＋ｒＢ
将 角 速 度 表 示 成 圆 频 率 的 形 式 ，可 得
（ ） ｆｓ
＝
２Ｄｄ（ｆａ
－ｆｒ
）１－
ｄ２ Ｄ２
ｃｏｓ２α
（６ ） （７ ）
［ （ ） （ ）］ ｆｃ
＝
１ ２
ｆａ
１＋Ｄｄｃｏｓα
收 稿 日 期 ：２０１３－１１－３０；修 回 日 期 ：２０１４－０２－２０ 基金项目：国家高技术研 究 发 展 计 划 （８６３ 计 划）（２０１２ＡＡ１１２００１－
０６） 作 者 简 介 ：刘 建 强 （１９８１— ），男 ，江 苏 江 都 人 ，副 教 授 ，博 士 。 Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｕｊｉａｎｑｉａｎｇ＠ｂｊｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
１ 转 向 架 轴 承 故 障 模 型 ［７］
当 滚 动 轴 承 出 现 局 部 损 伤 时 ，在 运 转 过 程 中 ，轴 承 的其他零件会周期地 撞 击 损 伤 点，产 生 的 冲 击 力 激 励 轴箱及其支撑结构，形 成 一 系 列 由 冲 击 激 励 产 生 的 减 幅 振 荡 ，减 幅 振 荡 发 生 的 频 率 称 为 故 障 特 征 频 率 ，它 由 轴 的 转 速 、轴 承 几 何 尺 寸 及 损 伤 点 的 位 置 （外 圈 、内 圈 、 滚 动 体 ）确 定 ，根 据 故 障 特 征 频 率 可 以 检 测 轴 承 是 否 出 现故障并确定故障位置。
滚动轴承按其滚动体的种类分为球轴承和滚子轴 承。滚子轴承按滚子种类又分为圆柱滚子轴承和圆锥 滚子轴承等。图 １ 为 滚 动 轴 承 典 型 结 构 图［８］，图 中 ｄ 为滚动体直径（对于圆锥滚子轴承，ｄ 为滚动体中部直 径或称平均直径），Ｄ 为轴承节径，α 为 接 触 角（对 于 圆 锥滚 子 轴 承，α 为 外 圈 滚 道 接 触 角 与 内 圈 滚 道 接 触 角 的平均值），ｒＡ 为 Ａ 点 的 回 转 半 径，ｒＢ 为 Ｂ 点 的 回 转 半径。Ａ 点 为 滚 动 体 与 外 圈 滚 道 的 接 触 点，Ｂ 点 为 滚 动体与内圈滚道的接触点。
本文首先推导了地铁车辆转向架轴承故障模型， 对 小 波 包 －包 络 分 析 原 理 进 行 了 论 述 ，提 出 了 一 种 故 障 识 别 搜 索 算 法 ，与 人 工 神 经 网 络 方 法 不 同 ，该 搜 索 算 法 完全采用计算机模拟 人 “观 察”频 谱 图，判 断 故 障 特 征 频率及其高次谐波频 率 处 是 否 存 在 谱 峰，进 而 诊 断 出 故障类型，摆脱了人的参与。 在此基础上将小波包－包 络分析和故障识别搜 索 算 法 结 合 在 一 起，给 出 了 一 种 基于振动信号 小 波 包－包 络 分 析 的 转 向 架 轴 承 故 障 智 能诊断方法，并搭建 了 轴 承 故 障 诊 断 试 验 台 对 该 方 法 进行了验证。试验结 果 表 明，该 方 法 能 够 准 确 识 别 出 转向架轴承故障，为 地 铁 车 辆 转 向 架 轴 承 故 障 诊 断 的 智能化提供了新思路。
第 ３７ 卷 第 １ 期 ２ ０ １ ５ 年 １ 月
铁 道 学 报 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＴＨＥ ＣＨＩＮＡ ＲＡＩＬＷＡＹ ＳＯＣＩＥＴＹ
Ｖｏｌ．３７ Ｎｏ．１ Ｊａｎｕａｒｙ ２０１５
文 章 编 号 ：１００１－８３６１（２０１５）０１－００３０－０７
地铁车辆转向架轴承故障诊断方法研究
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｆａｕｌｔ Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｂｏｇｉｅ Ｂｅａｒｉｎｇｓ ｏｆ Ｍｅｔｒｏ Ｖｅｈｉｃｌｅ
ＬＩＵ Ｊｉａｎ－ｑｉａｎｇ１， ＺＨＡＯ Ｚｈｉ－ｂｏ１， ＺＨＡＮＧ Ｇｕｏ－ｐｉｎｇ２， ＷＡＮＧ Ｇｕａｎｇ－ｍｉｎｇ２， ＭＥＮＧ Ｓｈｕａｎｇ２， ＲＥＮ Ｇａｎｇ２
（１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００４４，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｔａｎｇｓｈａｎ Ｒａｉｌｗａｙ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｔａｎｇｓｈａｎ，０６３０３５，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｂｏｇｉｅ ｂｅａｒｉｎｇｓ ｏｆ ｍｅｔｒｏ ｖｅｈｉｃｌｅ ｉｓ ｈｉｇｈｌｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｔｏ ｔｈｅ ｓａｆｅ ａｎｄ ｎｏｒｍａｌ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｅｔｒｏ ｖｅｈｉｃｌｅｓ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｓｈｏｒｔｃｏｍｉｎｇｓ，ｓｕｃｈ ａｓ ａ ｌｏｗ ｌｅｖｅｌ ｏｆ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ ａｎｄ ｐｏｏｒ ａｃｃｕｒａｃｙ，ｅｘｉｓｔ ｉｎ ｃｕｒ－ ｒｅｎｔ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｂｏｇｉｅ ｂｅａｒｉｎｇｓ ｏｆ ｍｅｔｒｏ ｖｅｈｉｃｌｅ．Ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｉｓ ｐｒｏｂｌｅｍ，ａ ｆａｕｌｔ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｂｏｇｉｅ ｂｅａｒｉｎｇｓ ｏｆ ｍｅｔｒｏ ｖｅｈｉｃｌｅ ｉｓ ｄｅｒｉｖｅｄ ａｎｄ ａｎ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｂｏｇｉｅ ｂｅａｒｉｎｇｓ ｏｆ ｍｅｔ－ ｒｏ ｖｅｈｉｃｌｅ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ，ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｒａｄｉａｌ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌ ｏｆ ｂｏｇｉｅ ｂｅａｒｉｎｇｓ，ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｗａｖｅｌｅｔ ｐａｃｋｅｔ－ｅｎｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｅａｒｃｈ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ｆａｕｌｔ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｄｉａｇｎｏｓｅｓ ｂｅａｒｉｎｇ ｆａｕｌｔｓ ａｎｄ ｆｉｎｄｓ ｏｕｔ ｔｈｅ ｆａｕｌｔ ｔｙｐｅ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｖｅｒｉｆｙ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｍｅｔｈｏｄ，ａ ｔｅｓｔ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｆｏｒ ｂｅａｒｉｎｇ ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ｂｕｉｌｔ，ａｎｄ ｔｈｅ ｆａｕｌｔ ｂｏｇｉｅ ｂｅａｒｉｎｇｓ ｕｓｅｄ ｉｎ Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｍｅｔｒｏ ｗｅｒｅ ｔｅｓｔｅｄ ｏｎ ｔｈｉｓ ｔｅｓｔ ｐｌａｔｆｏｒｍ．Ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｂｏｇｉｅ ｂｅａｒｉｎｇｓ ｃａｎ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ｉｄｅｎｔｉｆｙ ｂｅａｒｉｎｇ ｆａｕｌｔｓ，ａｎｄ ｐｒｏｖｉｄｅ ａ ｎｅｗ ｉｄｅａ ｆｏｒ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ａｎｄ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｏｎ ｂｏｇｉｅ ｂｅａｒｉｎｇｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｂｏｇｉｅ ｂｅａｒｉｎｇ；ｆａｕｌｔ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ；ｗａｖｅｌｅｔ ｐａｃｋｅｔ ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ；Ｈｉｌｂｅｒｔ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ；ｐｅａｋ ｓｅａｒｃｈ
刘 建 强１， 赵 治 博１， 章 国 平２， 王 广 明２， 孟 wenku.baidu.com 双２， 任 刚２
（１．北京交通大学 电气工程学院，北京 １０００４４；２．唐山轨道客车有限责任公司，唐山 ０６３０３５）
摘 要：地铁车辆转向架轴承状态对车辆的安全运行至关重要。现有地铁车辆转向架轴承 的 监 测 与 诊 断 存 在 智 能化程度低、准确性差等不足。针对此不足，对地铁车辆转 向 架 轴 承 故 障 模 型 进 行 推 导 ，提 出 一 种 地 铁 车 辆 转 向 架轴承故障智能诊断方法。该方法根据转向架轴承径向振动加速度信号，采用小波包－包络 分 析 和 故 障 识 别 搜 索 算法，诊断轴承故障及故障类型。为了验证所提出方法的 有 效 性，设 计 并 搭 建 了 轴 承 故 障 诊 断 试 验 台 ，基 于 此 试 验台对广州地铁车辆转向架故障轴承进行了测试。试验 结 果 表 明：所 提 出 的 转 向 架 轴 承 故 障 诊 断 方 法 能 够 准 确 识 别 轴 承 故 障 ，为 地 铁 车 辆 转 向 架 轴 承 故 障 诊 断 的 自 动 化 、智 能 化 提 供 了 新 思 路 。 关 键 词 ：转 向 架 轴 承 ；故 障 诊 断 ；小 波 包 分 解 ；Ｈｉｌｂｅｒｔ变 换 ；峰 值 搜 索 中 图 分 类 号 ：Ｕ２６９．６；ＴＨ１３３．３３ 文 献 标 志 码 ：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－８３６１．２０１５．０１．００５