摘　要：通过对车辆轮对故障和既有监测技术的分析，针对性地开展复合传感技术的研究，并对其车载监控装置进行了试验和扩大试验，证实了复合传感技术对车辆轮对轴承故障信息的采集、分析和监控体系覆盖了热传感技术，做到了对车辆轮对轴承故障的实时在线监测，是既有轴温报警器的Z佳替代装备，它为列车安全运行提供了强有力的支持。
　　关键词：铁路车辆；轴承故障；预报；监控技术
　　多年来全铁路为防止车辆轮对轴承故障引发行车事故而提出许多防燃切轴的方法和技术，并进行了深入的研究和探索，取得了可喜的成就。但是，在第6次大提速的形势下，进一步有效防止车辆轮对故障的发生并可靠地做到早期预报就成为急迫研究解决的一个极其重要的课题。
　　1　问题的提出
　　铁路车辆轮对轴承质量对车辆运行安全起着非常重要的作用，因此，在车辆的定期检修和运用工作中必须予以高度重视。目前，车辆轮对轴承故障的动态监测方法主要有热传感技术、红外传感技术以及振动传感技术，它们都有各自的特点。
　　（1）热传感技术和红外传感技术。这两种技术都是对有热源信息进行采集、分析、判断和提出定性或定量依据的。车辆轮对故障发生概率较大的部位在轴承部位，而轴承的故障大部分是由机械故障的机械能转变为热能表现出来的，这也恰恰是热传感技术和红外传感技术适用的范围。不论是从轮对轴承故障原理分析也好，还是从车辆运用反映出的故障统计情况以及检车人员的经验来看都证明了由轮对轴箱温度的变化来了解轴承的技术状况是一种重要的故障判别法。
　　（2）振动传感技术。这种技术是对物体固有频率和受迫振动频率信息进行采集、分析、判断和提出定性或定量依据的。车辆轮对、轴承的运动与其他旋转机械的运动原理是一样的，在其运动过程中由内外部因素产生振动，这个振动是实时发生的，它包括了谐振、共振和各种受迫振动。通过对振动信号的筛选、放大、共振解调及滤波处理等，找出故障处所并及时提示，达到故障诊断预测的目的。
　　从以上简要分析可以看出，这两种技术都有各自的特点和长处。但是，问题在于①轴承故障出现后以热的形式表现出来的情况比较多，也有没有以热形式表现的；②轮对轴承故障的出现其振动传感信息先于热传感信息，但振动传感技术还未在车辆轮对故障预测方面广泛应用；③车辆轮对踏面故障越来越引起人们的高度重视，而热传感技术对此无能为力，则不得不再增加一套监测系统。机械故障的时效性对监控手段提出了与之对应的适应性。在既有技术条件下，我们提出进行研究开发“复合传感技术”，将热传感技术和振动传感技术有机结合起来，即在同一时刻对同一组件的热信息和振动信息同时采集、快速分析、提出结论、实施对策。
　　2　监控装置研制方案
　　根据前面对车辆轮对轴承各种故障的分析以及目前所采取的相应对策手段，研究确定监控装置由复合传感器、速度传感器、车载监控分机及主机、地面分析管理系统等部分组成。
　　复合传感器中有数字式热敏器件安装在传感器螺钉头部，保障可靠采集轴承内部温度；振动冲击纵波通过传感器螺钉锥面传到振动冲击敏感元件，所测量到的信号经过电子调理器处理，经电缆输送到接线盒至主机。振动分析的关键即共振解调技术，研制用复合传感技术进行车辆轮对故障早期预报的装置中需攻克的难点就在于此。该装置设置一个谐振频率远远高于常规振动频率的共振器去处理振动信号，使故障冲击激发共振器发生共振，从而进行FFT分析。共振解调技术为故障振动分析提供了充分条件。
　　在振动的数学模型中振动频率与振动冲击和轴承运转速度及轴承轴径乘积之比的对数成比例，所以，运转速度信息的采集由速度传感器来完成。
　　监控装置结构原理图如图1所示。 　　车载故障监控装置能够实时在线监测对车辆轮对的所有振动信息和温度信息进行采集，并在屏幕上显示定量和定性的数据，同时在必要时给出提示报警。但是，详尽的分析和规律预测在车载装置上不便进行，一是分析系统软件占用硬件很大空间，装置必然做得很大；二是信息分析需专业技术人员进行并对可能发生故障的趋势提出对策。所以，建立地面管理支持系统对故障监控装置在车载条件下采集到的信息进行充分利用，从中分析出轮对轴承的有关状况，得出是否需要维修的结论。同时也对建立车辆轮对轴承运行状况的相关档案提供了条件。地面管理支持系统主要包括温度信息处理模块；振动故障信息处理模块；有关数据档案管理模块；远程诊断支持系统模块等。
　　3　研制和试验
　　我们将铁路车辆轮对轴承故障早期预报系统的研究定名为“铁路客车轮对轴承故障监控装置”，重点对铁路客车轮对轴承的故障进行实时在线监测及其发展趋势的研究。
　　（1）关键点的突破。即第1阶段研究复合传感器的可行性和可靠性问题。在研究温度传感器和振动传感器的特性之后，研制了温度、振动合一的复合传感器，应用共振解调技术，在固定式轮对磨合机上反复试验改进，实现了温度信息和冲击振动信息的准确采集。
　　（2）代表性试验。即第2阶段将监控装置装车单车试验。在铁路局管内运行的列车中选两辆车，其中将1条故障轮对装车进行对比试验，准确捕获了故障在跨铁路局车的两辆车上安装，进行了长时间、长距离运行试验；同时，对监测装置的通信功能进行了现车试验，实现了可靠的抗干扰功能。
　　（3）扩大试验。即第3阶段将监控装置整列装车试验。在此期间仅累计发现故障40余起，其中轴承故障由振动分析出的有17起，轴承电腐蚀的1起，见图2，甩车换轮；轮对踏面故障12起，其中轮对严重剥离的2起，见图3，甩车换轮；由温度分析出的轴承故障12起，经综合分析，属轴承故障的2起，甩车换轮，其余不属于轴承故障继续运行。在这一期间，还对监测装置的外形结构、安装方式、主机电源、数据下载方式以及远距离传输进行了完善改进，达到了跨铁路局运行实时在线监测故障早期预报的要求。 　　通过对铁路客车轮对轴承故障监控装置的研制、试验，我们从其过程及效果可对复合传感技术和热传感技术在轮对轴承故障早期预报特点作如下分析：
　　（1）适用范围。温度传感技术只有当机械故障发生后转变为热能释放后才能采集到，而且，在轮对故障中也仅局限于对轴承故障的监测；复合传感技术可在进行温度监测的同时对振动信息进行监测，而且，振动信息往往超前于温度信息获悉。因此，它对轮对踏面故障、轴承故障均能做到同步采集、监测和分析。
　　（2）监测时差。轴承故障由机械能转化为热能是有一个时间过程的，而这一过程在高速运行的列车中又是非常短暂的，也就是故障信息的采集时间过程被分为故障→热能→信息这样3个阶段，等待故障转化为热能这个阶段延长了故障信息的采集时间，而热传感技术也只有在热信息产生时才能得以发挥作用；复合传感技术对轮对轴承故障的冲击脉冲信号是非常敏感的，能在时间对故障信息进行捕获，经调制解调处理迅速得到监测结果，它与故障隐患的产生同步进行，准确地做到实时在线监测。
　　（3）性能扩展。列车在运行中使用非常制动的情况是时有发生的，仅靠检车人员在停车的短时间内对各车辆轮对踏面进行详细检查是做不到的，往往会留下隐患。复合传感技术则可对轮对踏面故障信息进行及时捕捉，使检车人员在车上就可以通过车载监控装置准确地了解到某车某位故障处所。这一性能的扩展大大提高了检车人员的检车效率和技能；复合传感技术的主机控制系统采用了无线信息传输技术，列车运行轮对的故障信息可及时传送到地面调度指挥系统，提供决策依据。
　　4　结论
　　经研制、试验和扩大试验，作为铁路车辆轮对故障早期预报的监测装置“铁路车辆轮对轴承故障监控装置”的功能和性能达到了设计要求，其复合传感技术的信息采集、分析和监控体系覆盖了温度传感技术，准确做到了对车辆轮对轴承故障的实时在线监测，为铁路提速提供了强有力的列车安全运行监控技术支持。