冶金特种车辆轮对轴承智能检测系统

摘要

一种冶金特种车辆轮对轴承智能检测系统，系统包括：转动平台、液压泵、触摸显示器、个人电脑及机柜、信号转接板及信号采集卡、8路继电器输出模块、振动传感器、转速传感器、液压传感器和各部分连接线，信号通讯模块、驱动控制模块、数据采集与处理模块、数据报警及报表生成模块。将轮对放置在转动平台上，电脑控制将轮对提升至指定位置，在轮对两边轴承水平位置放置振动加速度传感器，再由电机带动皮带轮与车轮产生摩擦，当转速保持恒定时，车轮处于匀速转动状态，开始采集振动信号，采集完成以后，保存测试数据，将轮对放回原位。软件可以通过转速、当前轴承型号和振动信号，分析出此轮对是否存在轴承故障。本检测系统有效地提到了准确率和实时性，减少了检测时间，降低了检验成本。

说明书

技术领域

本发明属于检测技术领域，监测的对象是马钢厂区冶金特种车辆轮对轴承。 通过测试平台将轮对提升后，采集轮对轴承在恒定转速下的振动信号，并通过 上位机进行信号分析。此技术同样适用于铁路系统客货车车轮轴承检测。

背景技术

大型工厂厂区内的轨道运输车辆，其轮对轴承在经过长年累月的运行后， 部分轴承出现故障是必然的。一般情况下，出现故障的轴承可以回维修车间更 换，当然，这势必影响正常的运输生产，严重时，因轴承被卡死而造成铁路交 通事故，尤其是冶金运输车辆，因其运载的是液态金属，极有可能扩大为安全 事故。所以有必要将轨道车辆的轮对轴承定期进行检测，将有缺陷和潜在故障 的轴承找出来进行更换。

近年来，马钢铁运公司车辆段一直定期更换冶金特种车辆的轴承，特别是 对320t混铁水车，共有880副轴承。一次性更换不仅拆装工作量大费用高，而 且造成对车轴的损伤，由此更换车轴会造成严重的资源浪费。因此需要一种快 速准确的检测手段，掌握所有轴承的运行状态，仅针对有故障的轴承做到及时 维修或更换，达到预测性维修(Predictive Maintenance)的目的。

发明内容

为了检测判别一副轮对左右两侧轴承是否存在故障缺陷，本发明提出了一 种车轮轴承缺陷智能诊断方法和报警系统。

本发明解决其技术问题所采用的检测方法的技术方案是：如图1所示，将 轮对放置在转动平台上，电脑控制将轮对提升至指定位置，在轮对两边轴承水 平位置放置振动加速度传感器，再由电机带动皮带轮与车轮产生摩擦，当转速 保持恒定时，车轮处于匀速转动状态，开始采集振动信号，采集完成以后，保 存测试数据，将轮对放回原位。软件可以通过转速、当前轴承型号和振动信号， 分析出此轮对是否存在轴承故障。

冶金特种车辆轴承只有四种型号，针对每一种轴承根据式(1)(2)(3)(4) 可以计算出故障频率：

内圈故障特征频率$f_i=\frac{1}{2}{f}_n(1+\frac{d}{D}\cos \alpha )Z---\left(1\right)$

外圈故障特征频率$f_o=\frac{1}{2}{f}_n(1-\frac{d}{D}\cos \alpha )Z---\left(2\right)$

保持架故障特征频率$f_b=\frac{1}{2}{f}_n(1-\frac{d}{D}\cos \alpha )---\left(3\right)$

滚动体故障特征频率$f_{\mathrm{RS}}=\frac{1}{2}{f}_n(1-\frac{d^2}{D^2}{\cos }^2\alpha )\frac{D}{d}---\left(4\right)$

f_n——车轮轴的转频

d——滚动体的直径

D——轴承滚道的直径

α——接触角

Z——滚动体个数

系统具有以下功能：

1)建立检测轴承的数据库，对所测轴承数据进行管理；

2)显示并分析检测轴承的振动信号；

3)对轴承故障智能诊断并进行报警；

4)对一周期内测试轴承的检测结果生成报表。

根据检测原理及系统要达到的功能，确定的检测过程步骤是：

1)启动检测系统，选择轴承型号，输入轮对编号；

2)将轮对推至转动平台上，提升并固定稳当，将传感器放置左右轴承的水 平位置；

3)控制电机运行，当转速稳定后，开始采集振动数据，车轮转速由皮带轮 附近的转速传感器自动采集并上传至计算机；

4)系统根据选择的轴承型号、采集的转速和振动信号，显示出当前轴承的 振动波形及频谱，并且根据计算出的故障频率、振动总值、峰值包络值、 波形指标等参数判定是否需要报警；

5)分析完成后，停止轮对旋转，保存所测轴承的振动数据及诊断结果。

根据检测原理及系统要达到的功能构建检测系统如图2、图3所示，检测系 统包括硬件部分和软件部分，硬件部分主要由转动平台、液压泵、触摸显示器、 个人电脑及机柜、信号转接板及信号采集卡、8路继电器输出模块、振动传感器、 转速传感器、液压传感器和各部分连接线等组成；软件部分主要由信号通讯模 块、驱动控制模块、数据采集与处理模块、数据报警及报表生成模块等组成。

电气系统中，机柜电源220V，电机及液压泵电源380V，机柜中安装有触摸 显示器、电脑机箱、信号转接板(5V)及信号采集卡(USB)、8路继电器输出模块 (24V)及连接线路等电器元件，安全可靠。

整个检测系统运行流程如图4所示，系统对轮径为760mm和840mm的轮对 都能进行检测，并可以对352132、3628、3624、197726等轴承均可进行检测， 只需更换转动平台上相应的压头即可。由于安装在不同轮径的轴承转速不一样， 即所对应的工频也不一样，在分析数据时需要加以注意，具体数值如下表所示：

本发明的有益效果是，检测系统能在线自动采集放置在转动平台上的轮对 轴承的振动信号，并且可以及时地发现存在轴承缺陷的轮对，对判定为报废的 轴承立即进行更换处理，对判定为重点监测的轮对打上标记，对判定为正常的 轮对进行下一道检测工序。所有的测试数据都可以保存并生成报表，以方便检 测人员维护和管理。本系统在马钢铁运公司原有的检测基础上，有效地提到了 准确率和实时性，减少了检测时间，降低了检验成本。

附图说明

图1是本发明车辆轮对智能检测系统现场组成图；

图2是本发明控制系统硬件组成图；

图3是本发明控制采集系统硬件逻辑示意图；

图4是检测系统运行流程图

图中：1.转动平台2.驱动电机3.摩擦轮4.传感器5.提升装置6.轮对7. 显示器及机柜8.液压泵

具体实施方法

一种用于轮径为760mm和840mm的冶金特种车辆轮对轴承缺陷智能检测系统 (图1、图2)，由硬件部分和软件部分组成，硬件部分主要由转动平台(1)、液 压泵(8)、触摸显示器(7)、个人电脑及机柜(7)、信号转接板及信号采集卡、 8路继电器输出模块、振动传感器(4)、转速传感器、液压传感器和各部分连接 线等组成；软件部分主要由信号通讯模块、驱动控制模块、数据采集与处理模 块、数据报警及报表生成模块等组成。

本系统所用的2个振动传感器是美国威尔康芯公司的加速度传感器780A， 分别用来检测两个车轮轴承的振动情况，通过对测得的振动信号进行计算分析 得出被检测轮对的运行情况。传感器屏蔽线沿机架上面走线，走线通过金属软 管进行保护。传感器通过两芯美军标航空插头与弹簧线相连。弹簧线通过三芯 连接器与屏蔽线连接，走线的另一端连接到机柜里的信号转接板上。

转速传感器采用的是电涡流传感器。摩擦轮每转一圈传感器与磁铁对准一 次产生一个高电平，软件通过记数上升沿数得出相应转速。转速传感器通过两 块角铁焊接在转动平台机架上，磁铁部分通过样板铁固定在转轮上。转速传感 器的连接线从铁架上面走线，走线通过金属软管保护。走线的另一端接到机柜 里的信号采集板上。

压力传感器采用的是北京航宇华科测控技术有限公司的压力/液位传感器 HK-613。系统通过一个比例系数将采集到的电压值转换为压力值。

检测系统的工作过程是：

(1)将轮对推动到指定的位置。在计算机触摸屏上，输入轮对编号，系统 根据编号自动选择轴承的型号；

(2)调出电机控制界面，按顺序操作，油泵电机开→轮对提升→停止操作 →主动电机开；

(3)等轮对转速平稳时按下采集键，计算机将自动采集转速信号和振动信 号并提示保存。

(4)采集完毕后，调出电机控制界面，按顺序操作，主动电机关→轮对下 降→停止操作；

(5)进入软件的分析界面，系统对本次测试的数据进行分析及判断；

(6)根据检测结果，确定是否需要再次测试或进行下一副轮对测试。