轨道车辆的轴轴承和状态监测

轴承及其失效行为

铁路与其他运输工具的主要区别是一对车轮(通常连接在轮对上)，它们围绕一个共同的轴旋转，并通过一对轨道支撑和引导。轴轴承是连接从轮对到车辆非旋转部件的设计元素。它们必须将车辆的重量传递给轮对，同时为轮对提供平稳的滚动运动。结合显著的相对运动和高强度的力，会产生磨损风险。最近的车辆都配备了润滑滚子轴承——而在过去，这些轴承都是需要维护(重新润滑)和监测(手动传感)的滑动轴承。

一个特定应用的轴轴承的寿命受许多因素的影响。当对运行条件的设计假设全部满足时，轴轴承将统计达到其计算寿命。但如果不是这样，实际运行条件和设计假设之间的偏差导致轴轴承在其计算寿命结束前损坏。一旦损坏过程开始，它往往会加速:预先损坏的轴承是局部振动和热的来源，这两者都代表额外的负荷，随后是损伤增加的来源。

标准ISO 15243根据轴承功能表面上可见的特征，将轴承失效模式分为六个主要组和各种子组。

状态监测技术综述

铁路运营商遵循不同的维修策略;分布最广的是:

• 预防性-根据寿命(以年或公里为单位)，独立于部件的精确状态，在“故障发生之前”对部件进行维护/更换
• Reactive -当组件只在“故障后”进行维护/更换时
• 基于状态的监控(CBM)——根据组件的状态对其进行维护/更换，目的是“在即将发生的故障之前”。

CBM战略提供了利用每个单个组件的最大寿命，前提是其剩余寿命可以估计：

• 存在一个可测量的参数来描述即将发生的故障的状态
• 失效遵循稳定的特征，即它不会突然变化
• 即将到来的故障可以在死亡发生之前就被监控和识别。

给出了轴承座失效特征模式的先决条件。在所有情况下，可测量参数代表从轴承向环境耗散的能量。在轴承堵塞或损坏发生事故之前，这包括:

• 振动-在非常早期的故障阶段，轴轴承激发结构振动
• 噪音-随着滚子路径的机械损伤的增加，轴承成为越来越多的噪声源;虽然其水平比环境噪声低得多，但由于其特征频率可以被检测到

• 热-在最后阶段，轴轴承变热，这可以从轨侧(热轴箱检测，HABD)或车载(来自TSI高速的要求)。

因此，基于状态的轴轴承监测可以基于机械振动、噪声、热量或这些技术的组合的评估。用来描述即将发生的问题的能量越低，可疑的轴轴承就能越早被检测到，确保有足够的时间来建立维护行动。另一方面，预后大于维持期是没有实际好处的。

在讨论轴承状态监测时，必须注意能量收集。乍一看，避免从轴箱到车身控制器的电缆看起来很吸引人;但这需要无线数据传输加上传感器的本地数据压缩，这只允许由于有限的数据传输带宽而收集有限的数据。

监控策略

在不考虑成本的情况下，最好的方法是对每一个单个轴轴承进行永久监测。为了支持维护决策的实际目的，没有必要达到这些最大值。有一组监控策略存在，它是由车辆操作员(和维护人员)选择的方法，以最佳成本效益比为他们的车队。

永久船上监测(POM)

一个众所周知的技术策略是永久车载监测（POM），其中所有车轴轴承均配备专用传感器。然后在控制器单元中收集数据，控制器单元提供轴承健康状况的永久监控。这一战略提供了最大限度的信息；它甚至可以检测突然发生的损坏，例如来自强烈机械冲击的损坏。可以应用一组不同的数据处理程序，将可用数据简化为每个轴轴承的状态信息标志。几个供应商提供了类似的POM监测系统，尽管在设计和数据处理细节上彼此略有不同。

从商业角度来看，POM具有一些特征。这项投资意义重大，因为要监测的每个轴承都必须配备传感器。在最好的情况下，POM系统可以集成到车辆设计中，这需要从一开始就进行投资（即使在大多数情况下可以进行改装）以及POM系统的定期维护工作。如果轴轴承设计坚固且无系列缺陷，则监控设备的投资回报率可能较低，尤其是在涉及维护分组的情况下（对于车轮、轮对和轴齿轮箱），轴轴承必须在任何情况下更换，它们的剩余寿命不能被专门利用。因此，从工程师的角度来看，而不是从股东的角度来看，POM对车主来说尤其有趣。

临时船上监测（TOM）

临时车载监控(TOM)是一种只在车辆上兼职安装状态监控系统的策略。在内部，该技术基本上与POM类似。TOM的成本效益来自于共享一台设备用于多个轴轴承，这将与TOM设备的处理努力和列车的停用成本相平衡。这就推动了对监测间隔时间很长或有必要进行监测的合理预先指示的病例应用TOM。

在一定程度上，专用测量也可以归类为TOM。

永久轨道旁监察(PTM)

对于永久轨旁监测（PTM），传感器布置在轨道沿线的特定位置。控制器收集传感器数据以及每辆经过车辆的标识。在封闭网络中，车辆以高频率返回该轨旁车站，例如每小时一次。因此，可以为每个轴轴承收集和跟踪准永久性的状态信息流。一些供应商提供PTM监控系统。

从本质上讲，PTM无法提供POM那样的精度和连续性。但是，这些缺点实际上与实际目的(支持轴轴承的维护决策)无关。一些商业方面强烈支持PTM而不是POM。基本上，PTM系统与车辆没有关联，也可以将在状态监测系统上的投资与新车上的投资“分离”。

庞巴迪最近和未来的活动

庞巴迪已经开发了广泛的技术解决方案，以便为每个铁路运营商提供高效和可靠的系统和服务。

高速列车配备了互操作性技术规范(TSI)所要求的安全系统。通过执行额外的分析例程，为安全目的收集的数据也被用来报告轴承状况。POM系统的一个应用实例是V300 CBM系统中的轴轴承状态监测功能庞巴迪^1.ZEFIRO^1.-ETR1000是与意大利日立铁路公司合作为Trenitalia开发的。

为了临时监测目的，庞巴迪开发了一种“移动”工具包，主要设计用于易于安装，并专门用于自动轴承评估，而不影响车辆的运行。一个简单的颜色刻度表明潜在轴承问题的严重程度，这提供了剩余寿命和随后的最佳干预时间的联系。

目前，对轨道旁监测进行了深入的现场试验。关于最佳麦克风布置和可靠检测算法的研究正在进行中。此外，庞巴迪正在仔细研究进一步商业改进的潜力，例如通过不同的方法，最大限度地增加可以用单一监测系统监测的轴承(不仅是轴承，还有车轮)的数量。

在不久的将来，将进行更多的现场测试，以进一步评估正在开发的监测系统。从长远来看，车载和轨旁监控系统应作为组件集成到系统中庞巴迪^1.眼眶^1.-预测性资产管理系统。

参考

1. 庞巴迪,庞巴迪ZEFIRO和庞巴迪专是庞巴迪公司及其子公司的商标。