CN105527104A - 一种轴承跑合异音检测系统 - Google Patents

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Abstract

一种轴承跑合异音检测系统，包括信号采集模块，包括用于检测跑合过程中轴承发出的声音信号的声音传感器，与所述声音传感器电连接的发射装置，用于将检测到的原始声音信号通过有线或无线方式传给判定模块和数据存储模块；判定模块包括声音判定模块，所述声音判定模块包括时域判定子模块和频域判定子模块；将声音判定模块判定为故障轴承的故障声音频谱图传给专家系统模块判定故障类型；若无法判断，检查确定故障类型，将故障声音频谱图存储于专家系统数据库中用于更新专数据库；数据存储模块用于储存试验基本信息、原始数据信息和声音频谱图。该系统有助于工作人员直观、简单地掌握轴承跑合试验的异音状况，快速准确地判断跑合试验结果。

Description

一种轴承跑合异音检测系统
技术领域
本发明涉及一种用于轴承跑合试验中检测轴承生产及组装质量的轴承跑合异音检测系统，属于轨道交通安全检测领域。
背景技术
随着我国轨道车辆向高速重载方向的发展，车辆产品的制造质量越来越受到车辆制造厂、车辆运用部门，甚至社会各界的广泛关注。轴箱装置作为车辆的关键部件，其制造、组装质量直接关系到车辆高速运行时的安全性，其核心为轴箱轴承。轴箱轴承主要结构由外圈、内圈、滚子和保持架四部分组成。内圈通过液压过应力与轴径进行过盈装配，运行时与轮轴同步旋转；外圈被安装在轴箱或轴承座孔内，起支撑车体的作用；滚子位于内圈、外圈之间，当内圈与轮对一同旋转时，外圈保持不动，滚子与外圈、内圈产生滚动摩擦，使其一方面绕其轴心自转，另一方面绕内、外圈滚道滚转。滚子的尺寸与个数决定了轴承承载力，保持架通过分割滚子使其各自位于均匀间隔的位置上，防止相互碰撞摩擦，能够确保各滚动体独立运动。铁路客车轴箱轴承为分体式轴承，在组装前为分体状态，组装时依次进行内圈组装、外组件组装、注脂、轴箱体密封等工作，其组装作业相对于整体轴承较为复杂，若组装状态不良，或产品自身质量存在缺陷，极易造成轴承故障。
轴承跑合试验是按照国家标准《铁路货车轮轴组装、检修及管理规则》，模拟轮对运转情况的试验。在一定条件(转速和时间)下，对使装车前的货车轮对进行跑合，使润滑脂涂布均匀，并检测轴承的温升、振动或异音情况，以此来检验轴承的生产及组装质量。轴承跑和试验有助于防止因轴承生产及组装质量问题，而引发的轮对运行早期的热轴、燃轴事故，进一步完善了对轴承生产及组装质量的检测，对于铁道车辆的安全运行有着重要的意义。
分体式轴承的最终组装工作由轴箱组装单位完成，而非轴承生产厂家进行，为验证轴承自身及组装质量，分体式轴承组装后须进行跑合试验。轴承在跑合的过程中主要有四种特征频率段的声音，主要是保持架特征频率、外圈的特征频率、内圈的特征频率和滚子的特征频率，当轴承的上述的某一地方发生故障时，会导致其频率幅值发生变化，产生异音。异音信号为轴承的故障声音信号，包含轴承的缺陷信息，通过对异音信号的检测和分析，可以直观地判断轴承的生产和组装质量。
对于跑合过程中的轴承异音检测，目前的方法是人工倾听检测，结果判定具有一定的主观性，检测数据没有准确的量化评价结果。另外轴承跑合现场不可避免地存在外界声音干扰，且跑合试验台运行及合格轴承跑合本身也不可避免地产生一定声音，因此人工分辨轴承异音也有一定的难度，需有一定经验的工作人员才能胜任。另外，人工检测的原始数据不能保存，对单个工件检测结果不能进行准确的数据记录。轴承作为车辆的核心部件，目前的异音检测是其组装过程中质量控制的瓶颈环节之一，迫切需要开展相关检测技术的研究工作。
发明内容
本发明的目的是提供一种轴承跑合异音检测系统，该系统有助于工作人员直观、简单地掌握轴承跑合试验的异音状况和其他安全状况，快速准确地判断跑合试验结果。
本发明实现其发明目的所采取的技术方案是：一种轴承跑合异音检测系统，包括信号采集模块，所述信号采集模块包括用于检测跑合过程中轴承发出的声音信号的声音传感器，其结构特点是：所述信号采集模块还包括与所述声音传感器电连接的发射装置，用于将检测到的原始声音信号通过有线或无线方式传给判定模块和数据存储模块；
所述判定模块包括声音判定模块，所述声音判定模块包括时域判定子模块和频域判定子模块；所述时域判定子模块用于对原始声音信号的峰值因子、峭度和偏度进行判定，若所述峰值因子、偏度、峭度三个值都不在设定的阈值范围内，则判定轴承出现故障，发出警报并将所述故障声音信号转化为故障声音频谱图传给专家系统模块；所述频域判定子模块用于对原始声音信号转化得到的声音频谱图进行判定，若声音频谱图的特征频率段和非特征频率段的声压均大于设定的声压阈值，则判定轴承出现故障，发出警报并将所述故障声音频谱图传给专家系统模块；
所述专家系统模块中包含专家系统数据库，所述专家系统数据库中储存有不同轴承故障类型的标准声音频谱图；专家系统模块对判定模块传过来的故障声音频谱图进行扫描，与专家系统数据库中各种故障类型的标准声音频谱图进行对比，判定故障类型；若没有对应的标准声音频谱图，无法确定故障类型，则工作人员对存在故障的轴承进行检查确定故障类型，将故障声音频谱图作为该故障类型的标准声音频谱图存储于专家系统数据库中，更新专家系统数据库数据；
所述数据存储模块用于储存试验基本信息和信号采集模块采集到的原始数据信息。
本发明中所述原始声音信号的峰值因子、峭度、偏度可由式(1)、(2)、(3)计算而得：
式中xi为原始声音信号，i＝1～N，i为声音采样点序号，N为声音采样总点数，ximax为原始声音信号的声压最大值，ximin为原始声音信号的声压最小值；E(xi)为原始声音信号xi的数学期望值； E ( x i ) = Σ i = 1 N x i p i , 式中 p i = 1 N , 则 E ( x i ) = 1 N Σ i = 1 N x i , 即E(xi)为原始声音信号xi的平均声压值；RMS为原始声音信号xi的均方根，指是对N个采样点的原始声音信号xi的平方均值求二次根，即 R M S = Σ i = 1 N x i 2 n = x 1 2 + x 2 2 + ... + x N 2 n .
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、系统通过分析时域和频域特征来诊断轴承是否故障，比人工判定的准确性更加高，且对工人技能水平的要求不高，方便易操作。
二、系统可以将采集到数据存入数据库中，并通过数据不断提高专家系统判定轴承故障类型的准确度，同时数据还可以导入其他分析软件，方便二次利用数据。进一步，本发明所述时域判定子模块设定的峰值因子阈值范围为2～5，峭度阈值范围为2.5～3.5，偏度阈值范围为-0.02～0.02。
进一步，本发明所述频域判定子模块设定的特征频率段和非特征频率段的声压阈值分别为0.067pa和0.014pa。
上述声压阈值和阈值范围的设置有助于准确判断轴承是否出现故障。
进一步，本发明所述专家系统模块对判定模块传过来的故障声音频谱图进行扫描，与专家系统数据库中各种故障类型的标准声音频谱图进行对比，判定故障类型的具体做法是：专家系统模块对判定模块传过来的故障声音频谱图进行扫描，与专家系统数据库中各种故障类型的标准声音频谱图进行逐点一一对比，若频谱图中所有对应点的整体重合度达到设定值(对应点的误差在0.1％以内，则判定对应点重合)，则判定故障类型即为所述标准声音频谱图对应的故障类型，若故障声音频谱图与多个标准声音频谱图的重合度均达到设定值，则判定故障类型为与所述故障声音频谱图重合度最高的标准声音频谱图对应的故障类型；若没有与所述故障轴承的声音频谱图重合度达到设定值的标准声音频谱图，则判定没有对应的故障类型，无法确定故障类型。
这样可以简单准确地判断故障声音的故障类型。
更进一步，本发明所述专家系统模块对判定模块传过来的故障声音频谱图进行扫描，与专家系统数据库中各种故障类型的标准声音频谱图进行逐点一一对比判定故障类型的重合度设定值为90％～95％。
上述重合度设定值有助于准确判断轴承故障类型。
更进一步，本发明所述信号采集模块还包括分布于跑合轮对左右两个轴承箱的上表面，用于检测跑合过程中轴承箱表面的实时温度的温度传感器，所述温度传感器与发射装置电连接，发射装置将检测到的原始温度信号通过有线或无线方式传给判定模块和数据存储模块；所述判定模块还包括温度判定模块，所述温度判定模块用于对原始温度信号进行判定，若温度超过设定的温升阈值，则判定轴承出现故障并将故障声音信号转化为故障声音频谱图传给专家系统模块；所述数据存储模块储存的原始数据信息包括原始声音信号和原始温度信号。
再进一步，本发明所述温度判定模块设定的温升阈值为40℃。
通过温度的监测有助于整体判断轴承的安全状况。
更进一步，本发明所述信号采集模块还包括分布于跑合轮对左右两个轴承箱的上表面，用于检测跑合过程中轴承箱表面的环境湿度的湿度传感器，所述湿度传感器与发射装置电连接，发射装置将检测到的原始湿度信号通过有线或无线方式传给数据存储模块；所述数据存储模块储存的原始数据信息包括原始声音信号和原始湿度信号。
通过湿度的监测有助于整体判断轴承的安全状况。
进一步，本发明所述数据存储模块储存的试验基本信息包括检测时间、跑合轮对型号、跑合时长。
附图说明
图1为本发明实施例一的整体系统整体结构框图。
图2为本发明实施例一的系统传感器布设状态示意图。
具体实施方式
实施例一
图1，2示出，本发明的一种具体实施方式是：一种轴承跑合异音检测系统，包括信号采集模块，所述信号采集模块包括用于检测跑合过程中轴承发出的声音信号的声音传感器，所述信号采集模块还包括与所述声音传感器电连接的发射装置，用于将检测到的原始声音信号通过有线或无线方式传给判定模块和数据存储模块；
所述判定模块包括声音判定模块，所述声音判定模块包括时域判定子模块和频域判定子模块；所述时域判定子模块用于对原始声音信号的峰值因子、峭度和偏度进行判定，若所述峰值因子、偏度、峭度三个值都不在设定的阈值范围内，则判定轴承出现故障，发出警报并将所述故障声音信号转化为故障声音频谱图传给专家系统模块；所述频域判定子模块用于对原始声音信号转化得到的声音频谱图进行判定，若声音频谱图的特征频率段和非特征频率段的声压均大于设定的声压阈值，则判定轴承出现故障，发出警报并将所述故障声音频谱图传给专家系统模块；本例中声音信号的采样率48000，采样点数4096，转化为频谱图为11.73hz一个点。
所述专家系统模块中包含专家系统数据库，所述专家系统数据库中储存有不同轴承故障类型的标准声音频谱图；专家系统模块对判定模块传过来的故障声音频谱图进行扫描，与专家系统数据库中各种故障类型的标准声音频谱图进行逐点一一对比，若频谱图中所有对应点的整体重合度达到设定值，则判定故障类型即为所述标准声音频谱图对应的故障类型，若故障声音频谱图与多个标准声音频谱图的重合度均达到设定值，则判定故障类型为与所述故障声音频谱图重合度最高的标准声音频谱图对应的故障类型；若没有与所述故障轴承的声音频谱图重合度达到设定值的标准声音频谱图，则判定没有对应的故障类型，无法确定故障类型，则工作人员对存在故障的轴承进行检查确定故障类型，将故障声音频谱图作为该故障类型的标准声音频谱图存储于专家系统数据库中，更新专家系统数据库数据；本例中所述专家系统模块对判定模块传过来的故障声音频谱图进行扫描，与专家系统数据库中各种故障类型的标准声音频谱图进行逐点一一对比判定故障类型的重合度设定值为90％～95％。
所述数据存储模块用于储存试验基本信息和信号采集模块采集到的原始数据信息。
本例中所述时域判定子模块设定的峰值因子阈值范围为2～5，峭度阈值范围为2.5～3.5，偏度阈值范围为-0.02～0.02。所述频域判定子模块设定的特征频率段和非特征频率段的声压阈值分别为0.067pa和0.014pa。
本例中所述信号采集模块还包括分布于跑合轮对左右两个轴承箱的上表面，用于检测跑合过程中轴承箱表面的实时温度的温度传感器，所述温度传感器与发射装置电连接，发射装置将检测到的原始温度信号通过有线或无线方式传给判定模块和数据存储模块；所述判定模块还包括温度判定模块，所述温度判定模块用于对原始温度信号进行判定，若温度超过设定的温升阈值，则判定轴承出现故障并将所述故障声音信号转化为故障声音频谱图传给专家系统模块；所述数据存储模块储存的原始数据信息包括原始声音信号和原始温度信号。本例中所述温度判定模块设定的温升阈值为40℃。
本例中所述信号采集模块还包括分布于跑合轮对左右两个轴承箱的上表面，用于检测跑合过程中轴承箱表面的环境湿度的湿度传感器，所述湿度传感器与发射装置电连接，发射装置将检测到的原始湿度信号通过有线或无线方式传给数据存储模块；所述数据存储模块储存的原始数据信息包括原始声音信号和原始湿度信号。
本例中所述数据存储模块储存的试验基本信息包括检测时间、跑合轮对型号、跑合时长。
实施例二
本发明的一种具体实施方式是：一种轴承跑合异音检测系统，包括信号采集模块，所述信号采集模块包括用于检测跑合过程中轴承发出的声音信号的声音传感器，所述信号采集模块还包括与所述声音传感器电连接的发射装置，用于将检测到的原始声音信号通过有线或无线方式传给判定模块和数据存储模块；
所述判定模块包括声音判定模块，所述声音判定模块包括时域判定子模块和频域判定子模块；所述时域判定子模块用于对原始声音信号的峰值因子、峭度和偏度进行判定，若所述峰值因子、偏度、峭度三个值都不在设定的阈值范围内，则判定轴承出现故障，发出警报并将所述故障声音信号转化为故障声音频谱图传给专家系统模块；所述频域判定子模块用于对原始声音信号转化得到声音频谱图进行判定，若声音频谱图的特征频率段和非特征频率段的声压均大于设定的声压阈值，则判定轴承出现故障，发出警报并将所述故障声音频谱图传给专家系统模块；
所述专家系统模块中包含专家系统数据库，所述专家系统数据库中储存有不同轴承故障类型的标准声音频谱图；专家系统模块对判定模块传过来的故障声音频谱图进行扫描，与专家系统数据库中各种故障类型的标准声音频谱图进行逐点一一对比，若频谱图中所有对应点的整体重合度达到90％，则判定故障类型即为所述标准声音频谱图对应的故障类型，若故障声音频谱图与多个标准声音频谱图的重合度均达到90％，则判定故障类型为与所述故障声音频谱图重合度最高的标准声音频谱图对应的故障类型；若没有与所述故障轴承的声音频谱图重合度达到90％的标准声音频谱图，则判定没有对应的故障类型，无法确定故障类型，则工作人员对存在故障的轴承进行检查确定故障类型，将故障声音频谱图作为该故障类型的标准声音频谱图存储于专家系统数据库中，更新专家系统数据库数据；
所述数据存储模块用于储存试验基本信息和信号采集模块采集到的原始数据信息。
本例中所述时域判定子模块设定的峰值因子阈值范围为2～5，峭度阈值范围为2.5～3.5，偏度阈值范围为-0.02～0.02。所述频域判定子模块设定的特征频率段和非特征频率段的声压阈值分别为0.067pa和0.014pa。
本例中所述数据存储模块储存的试验基本信息包括检测时间、跑合轮对型号、跑合时长。

Claims (9)

1.一种轴承跑合异音检测系统，包括信号采集模块，所述信号采集模块包括用于检测跑合过程中轴承发出的声音信号的声音传感器，其特征在于：所述信号采集模块还包括与所述声音传感器电连接的发射装置，用于将检测到的原始声音信号通过有线或无线方式传给判定模块和数据存储模块；
所述判定模块包括声音判定模块，所述声音判定模块包括时域判定子模块和频域判定子模块；所述时域判定子模块用于对原始声音信号的峰值因子、峭度和偏度进行判定，若所述峰值因子、偏度、峭度三个值都不在设定的阈值范围内，则判定轴承出现故障，发出警报并将所述故障声音信号转化为故障声音频谱图传给专家系统模块；所述频域判定子模块用于对原始声音信号转化得到的声音频谱图进行判定，若声音频谱图的特征频率段和非特征频率段的声压均大于设定声压阈值，则判定轴承出现故障，发出警报并将所述故障声音频谱图传给专家系统模块；
所述专家系统模块中包含专家系统数据库，所述专家系统数据库中储存有不同轴承故障类型的标准声音频谱图；专家系统模块对所述判定模块传过来的故障声音频谱图进行扫描，与专家系统数据库中各种故障类型的标准声音频谱图进行对比，判定故障类型；若没有对应的标准声音频谱图，则工作人员对存在故障的轴承进行检查确定故障类型，将故障声音频谱图作为该故障类型的标准声音频谱图存储于专家系统数据库中，更新专家系统数据库数据；
所述数据存储模块用于储存试验基本信息、信号采集模块采集到的原始数据信息。
2.根据权利要求1所述的一种轴承跑合异音检测系统，其特征在于：所述时域判定子模块设定的峰值因子阈值范围为2～5，峭度阈值范围为2.5～3.5，偏度阈值范围为-0.02～0.02。
3.根据权利要求1所述的一种轴承跑合异音检测系统，其特征在于：所述频域判定子模块设定的特征频率段和非特征频率段的声压阈值分别为0.067pa和0.014pa。
4.根据权利要求1所述的一种轴承跑合异音检测系统，其特征在于：专家系统模块对判定模块传过来的故障声音频谱图进行扫描，与专家系统数据库中各种故障类型的标准声音频谱图进行对比，判定故障类型的具体做法是：专家系统模块对判定模块传过来的故障声音频谱图进行扫描，与专家系统数据库中各种故障类型的标准声音频谱图进行逐点一一对比，若重合度达到设定值，则判定故障类型即为所述标准声音频谱图对应的故障类型，若故障声音频谱图与多个标准声音频谱图的重合度均达到设定值，则判定故障类型为与所述故障声音频谱图重合度最高的标准声音频谱图对应的故障类型；若没有与所述故障声音频谱图重合度达到设定值的标准声音频谱图，则判定没有对应的故障类型，无法确定故障类型。
5.根据权利要求4所述的一种轴承跑合异音检测系统，其特征在于：所述专家系统模块对判定模块传过来的故障声音频谱图进行扫描，与专家系统数据库中各种故障类型的标准声音频谱图进行逐点一一对比判定故障类型的重合度设定值为90％～95％。
6.根据权利要求1-5中任一所述的一种轴承跑合异音检测系统，其特征在于：所述信号采集模块还包括分布于跑合轮对左右两个轴承箱的上表面，用于检测跑合过程中轴承箱表面实时温度的温度传感器，所述温度传感器与发射装置电连接，发射装置将检测到的原始温度信号通过有线或无线方式传给判定模块和数据存储模块；所述判定模块还包括温度判定模块，所述温度判定模块用于对原始温度信号进行判定，若温度超过设定的温升阈值，则判定轴承出现故障并将所述故障声音信号转化为故障声音频谱图传给专家系统模块；所述数据存储模块储存的原始数据信息包括原始声音信号和原始温度信号。
7.根据权利要求6所述的一种轴承跑合异音检测系统，其特征在于：所述温度判定模块设定的温升阈值为40℃。
8.根据权利要求1-5中任一所述的一种轴承跑合异音检测系统，其特征在于：所述信号采集模块还包括分布于跑合轮对左右两个轴承箱的上表面，用于检测跑合过程中轴承箱表面的环境湿度的湿度传感器，所述湿度传感器与发射装置电连接，发射装置将检测到的原始湿度信号通过有线或无线方式传给数据存储模块；所述数据存储模块储存的原始数据信息包括原始声音信号和原始湿度信号。
9.根据权利要求1-5中任一所述的一种轴承跑合异音检测系统，其特征在于：所述数据存储模块储存的试验基本信息包括检测时间、跑合轮对型号、跑合时长。
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