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摘要：动车组滚动轴承故障轨边声学诊断系统（Trackside Acoustic Detection System ， TADS），该系统的主要功能是，利用轨边声学检测装置对通过该设备的动车组进行噪声的采集与分析，发现滚动轴承的早期故障。TADS系统利用轨边声学检测及计算机诊断技术，对运行列车滚动轴承的振动声音信号进行采集分析，并根据轴承不同部位的故障预先建立复杂的数学模型，判断轴承内套、外套、滚柱等主要部位的裂纹、剥离、磨损、侵蚀等故障，从而实现滚动轴承早期故障的在线诊断。
关键字：TADS；动车组；声学；轴承
中图分类号：U270 文献标识码：A
1.动车组TADS简介
随着中国动车组保有量的不断增加及动车使用年限的不断增长，高速铁路的行车安全成为影响动车事业发展的关键问题。然而，在国内，对于动车组动态监测的设备依然十分匮乏。动车组滚动轴承故障轨边声学诊断系统正是在多年货车滚动轴承故障轨边声学诊断系统研发及应用经验的经验上，针对动车组设备运行及机械特点创新发展而来。
动车组TADS安装于动车组运行正线，利用轨边声学采集装置，对高速通过的动车组滚动轴承进行动态实时检测，发现滚动轴承常见的内圈、外圈、滚子可能存在的麻点、剥离、划伤、变色等轴承故障，并根据故障严重情况进行分级预报。
2.动车组TADS必要性
在动车组高速运行情况中，轮对轴承一旦发生故障就会迅速发展，若没有及时进行发现，会导致热轴、燃轴、切轴事故的发生，因此需要对轮对轴承进行在线检测与故障诊断，以减少或杜绝事故的发生，最大限度地发挥轴承的潜力，节约开支，保障正常运行秩序。
当前对动车组滚动轴承故障的故障检测主要依靠车载轴温报警装置和随车机械师人工检查。车载轴温报警装置主要检测的是轴承晚期故障，一旦出现轴温报警必须立即停车检查，严重影响行车秩序，造成巨大的社会影响和经济损失。随车机械师作为人工检查的主体，由于人为因素的干扰，诊断结果存在很大的随机性和偶然性。动车组TADS，能够在轴承故障早期发现故障，减小风险，同时通过先进的计算机技术和智能判别功能，降低随车机械师人工判别的随机性，确保行车安全。
3、TADS监控系统工作原理
动车组滚动轴承故障轨边声学诊断系统（Trackside Acoustic Detection System，TADS），是在全路车辆安全防范、预警系统（“5T”系统）之一的货车TADS系统基础上创新发展而来，该系统的主要功能是，利用轨边声学检测装置对通过该设备的动车组进行噪声的采集与分析，发现滚动轴承的早期故障，TADS即为判断滚动轴承早期故障设备与通信网络的总成。
TADS系统利用轨边声學检测及计算机诊断技术，对运行列车滚动轴承的振动声音信号进行采集分析，并根据轴承不同部位的故障预先建立复杂的数学模型，判断轴承内套、外套、滚柱等主要部位的裂纹、剥离、磨损、侵蚀等故障，从而实现滚动轴承早期故障的在线诊断。
3.1轴承声学诊断原理
滚动轴承发生故障时，当滚子运动到故障点时，存在冲击脉冲，导致轴承共振，从而发出特定的“噪声”。通过噪声的频率可以判断故障部位，通过噪声振幅的大小，可以判断故障的严重程度。
滚动轴承的主要结构有，内圈、外圈、保持架、滚子等。轴承转动时，外圈不动，内圈转动，滚子在绕内滚道公转的同时，绕其自身中心自转。内圈相对保持架及滚子转动速度会快一些，保持架转动一圈，内圈基本上要转动两圈，同时滚子则以更高的转速自转。
轴承不同部位由于转速的不同所发出的噪声频率不相同。发生故障时，故障的特征频率将被调制在这些频点上，再加上故障的一些其他频率特征，计算机就可以根据声学频率特征识别出发生故障的部位。故障越严重，则噪声的振幅相应地就更大，即噪声振幅的大小，反映了故障的严重程度。
声学信号的拾取采用麦克风阵列实现。从轴承结构可以看出，必须在车轮至少转动两圈的距离内连续采集声音信息，才能实现所有故障的声学诊断。以车轮直径840毫米计算，探测区域为5-6米。
麦克风阵列一般包括8个以上的高品质麦克风。麦克风阵列有两种工作方式，决定阵列在轨边的分布：
一种是在探测区域内均匀分布8个麦克风。当车轮通过探测区域时，不同时间内几个麦克风轮流工作，分别采集，最终由软件合成该轴承的声学信号。这种方式轨边麦克风阵列的分布较长，安装工作量稍微大一些。
另一种工作方式是使用波束成形技术，8个麦克风相对集中地安装在轨边，当车轮进入探测区域时，所有麦克风同时工作，软件根据不同麦克风采集的声音信号的相位的不同，追踪轴箱所处的探测位置，从而实现轴箱的定位。这种方式虽然探测区域仍然不变（5-6米左右），但麦克风阵列的安装相对集中一些，室外安装工作量小很多。
3.2 列车速度的测量原理
列车的运行速度及轴距测量是所有动车组监控设备都必须具备的基本功能之一。使用电磁感应原理的3个车轮传感器，一个用于系统开机，另外两个用于速度测量。
目前动车组TADS系统在必须传感器的基础上，设计冗余电磁车轮传感器，在下雪、灰尘等恶劣条件下自动使用冗余电磁车轮传感器的数据，提高测量精度。
4.动车组TADS报警平台
动车组TADS报警平台由设备开发部门研发，软件具有“过车监控”、“过车查询”、“换轴录入”、“重点轴承”、“用户管理”等功能。
4.1“过车监控”能实时监控过车数据，当动车组通过探测站时，报警平台软件自动更新过车信息。当动车组存在故障时，软件进行声光报警，提醒值班员该动车组轴承存在异音。报警信息包括：过车时间、探测站名、轴数、车辆数、运行速度、车组号、车组配属、故障车辆号、故障轴位、故障等级、故障类型。
4.2“过车查询”能记录查询数据库服务器保存的过车数据，查询条件包括配属段、车组号、故障等级、起始时间、截止时间等。
4.3“换轴录入”数据记录轴承更换历史数据，记录故障轴承退卸时间、退卸配属局、退卸人等信息。
4.4“重点轴承”列示达到重点预报标准的轴承信息
5.图像车号识别模块
针对动车组暂时没有安装AEI射频识别车号的现状，动车组TADS采用图像车号识别模块获取车组号信息。动车组TADS图像车辆号识别模块，采用1K像素线阵相机配合激光补偿光源采集动车组车辆号信息，通过自动识别算法识别车辆号信息，并录入数据库实现车号和轴承的自匹配。动车组TADS通过车号信息跟踪车辆的历史过车数据，实现对特定轴承的趋势分析，大大提高系统预报准确率。
6.总结
TADS监控系统自投入使用以来多次发现动车组轴承故障，为动车组安全运行提供了有力保障，同时该系统能够准确的判断各型CRH动车组轴承故障，并预报轴承故障等级、故障车辆及轴位信息。极大的增加高铁动车组运用所针对动车组轴承早期故障的发现能力与诊断能力，成为了中国高铁“地对车”监控又一个重要手段。
参考文献：
[1]胡炜.TADS报警轴承故障与TPDS检测结果关联性分析.中国铁路.2011
[2]陈曦.姚剑博.动车组滚动轴承早期故障轨边声学诊断系统“TADS-H”运用情况.北京康拓红外有限公司
[3]刘瑞扬.铁路货车滚动轴承早期故障轨边声学诊断系统（TADS）原理及应用.中国铁道出版社
作者简介：张磊、（男-1989）、天津市、汉族、职称（助理工程师）、学历（大学本科）、研究方向（科技、动车组）、单位名称（北京铁路局北京动车段）、单位所在省市（北京市）、单位邮编（102600）
关键字：TADS；动车组；声学；轴承
中图分类号：U270 文献标识码：A
1.动车组TADS简介
随着中国动车组保有量的不断增加及动车使用年限的不断增长，高速铁路的行车安全成为影响动车事业发展的关键问题。然而，在国内，对于动车组动态监测的设备依然十分匮乏。动车组滚动轴承故障轨边声学诊断系统正是在多年货车滚动轴承故障轨边声学诊断系统研发及应用经验的经验上，针对动车组设备运行及机械特点创新发展而来。
动车组TADS安装于动车组运行正线，利用轨边声学采集装置，对高速通过的动车组滚动轴承进行动态实时检测，发现滚动轴承常见的内圈、外圈、滚子可能存在的麻点、剥离、划伤、变色等轴承故障，并根据故障严重情况进行分级预报。
2.动车组TADS必要性
在动车组高速运行情况中，轮对轴承一旦发生故障就会迅速发展，若没有及时进行发现，会导致热轴、燃轴、切轴事故的发生，因此需要对轮对轴承进行在线检测与故障诊断，以减少或杜绝事故的发生，最大限度地发挥轴承的潜力，节约开支，保障正常运行秩序。
当前对动车组滚动轴承故障的故障检测主要依靠车载轴温报警装置和随车机械师人工检查。车载轴温报警装置主要检测的是轴承晚期故障，一旦出现轴温报警必须立即停车检查，严重影响行车秩序，造成巨大的社会影响和经济损失。随车机械师作为人工检查的主体，由于人为因素的干扰，诊断结果存在很大的随机性和偶然性。动车组TADS，能够在轴承故障早期发现故障，减小风险，同时通过先进的计算机技术和智能判别功能，降低随车机械师人工判别的随机性，确保行车安全。
3、TADS监控系统工作原理
动车组滚动轴承故障轨边声学诊断系统（Trackside Acoustic Detection System，TADS），是在全路车辆安全防范、预警系统（“5T”系统）之一的货车TADS系统基础上创新发展而来，该系统的主要功能是，利用轨边声学检测装置对通过该设备的动车组进行噪声的采集与分析，发现滚动轴承的早期故障，TADS即为判断滚动轴承早期故障设备与通信网络的总成。
TADS系统利用轨边声學检测及计算机诊断技术，对运行列车滚动轴承的振动声音信号进行采集分析，并根据轴承不同部位的故障预先建立复杂的数学模型，判断轴承内套、外套、滚柱等主要部位的裂纹、剥离、磨损、侵蚀等故障，从而实现滚动轴承早期故障的在线诊断。
3.1轴承声学诊断原理
滚动轴承发生故障时，当滚子运动到故障点时，存在冲击脉冲，导致轴承共振，从而发出特定的“噪声”。通过噪声的频率可以判断故障部位，通过噪声振幅的大小，可以判断故障的严重程度。
滚动轴承的主要结构有，内圈、外圈、保持架、滚子等。轴承转动时，外圈不动，内圈转动，滚子在绕内滚道公转的同时，绕其自身中心自转。内圈相对保持架及滚子转动速度会快一些，保持架转动一圈，内圈基本上要转动两圈，同时滚子则以更高的转速自转。
轴承不同部位由于转速的不同所发出的噪声频率不相同。发生故障时，故障的特征频率将被调制在这些频点上，再加上故障的一些其他频率特征，计算机就可以根据声学频率特征识别出发生故障的部位。故障越严重，则噪声的振幅相应地就更大，即噪声振幅的大小，反映了故障的严重程度。
声学信号的拾取采用麦克风阵列实现。从轴承结构可以看出，必须在车轮至少转动两圈的距离内连续采集声音信息，才能实现所有故障的声学诊断。以车轮直径840毫米计算，探测区域为5-6米。
麦克风阵列一般包括8个以上的高品质麦克风。麦克风阵列有两种工作方式，决定阵列在轨边的分布：
一种是在探测区域内均匀分布8个麦克风。当车轮通过探测区域时，不同时间内几个麦克风轮流工作，分别采集，最终由软件合成该轴承的声学信号。这种方式轨边麦克风阵列的分布较长，安装工作量稍微大一些。
另一种工作方式是使用波束成形技术，8个麦克风相对集中地安装在轨边，当车轮进入探测区域时，所有麦克风同时工作，软件根据不同麦克风采集的声音信号的相位的不同，追踪轴箱所处的探测位置，从而实现轴箱的定位。这种方式虽然探测区域仍然不变（5-6米左右），但麦克风阵列的安装相对集中一些，室外安装工作量小很多。
3.2 列车速度的测量原理
列车的运行速度及轴距测量是所有动车组监控设备都必须具备的基本功能之一。使用电磁感应原理的3个车轮传感器，一个用于系统开机，另外两个用于速度测量。
目前动车组TADS系统在必须传感器的基础上，设计冗余电磁车轮传感器，在下雪、灰尘等恶劣条件下自动使用冗余电磁车轮传感器的数据，提高测量精度。
4.动车组TADS报警平台
动车组TADS报警平台由设备开发部门研发，软件具有“过车监控”、“过车查询”、“换轴录入”、“重点轴承”、“用户管理”等功能。
4.1“过车监控”能实时监控过车数据，当动车组通过探测站时，报警平台软件自动更新过车信息。当动车组存在故障时，软件进行声光报警，提醒值班员该动车组轴承存在异音。报警信息包括：过车时间、探测站名、轴数、车辆数、运行速度、车组号、车组配属、故障车辆号、故障轴位、故障等级、故障类型。
4.2“过车查询”能记录查询数据库服务器保存的过车数据，查询条件包括配属段、车组号、故障等级、起始时间、截止时间等。
4.3“换轴录入”数据记录轴承更换历史数据，记录故障轴承退卸时间、退卸配属局、退卸人等信息。
4.4“重点轴承”列示达到重点预报标准的轴承信息
5.图像车号识别模块
针对动车组暂时没有安装AEI射频识别车号的现状，动车组TADS采用图像车号识别模块获取车组号信息。动车组TADS图像车辆号识别模块，采用1K像素线阵相机配合激光补偿光源采集动车组车辆号信息，通过自动识别算法识别车辆号信息，并录入数据库实现车号和轴承的自匹配。动车组TADS通过车号信息跟踪车辆的历史过车数据，实现对特定轴承的趋势分析，大大提高系统预报准确率。
6.总结
TADS监控系统自投入使用以来多次发现动车组轴承故障，为动车组安全运行提供了有力保障，同时该系统能够准确的判断各型CRH动车组轴承故障，并预报轴承故障等级、故障车辆及轴位信息。极大的增加高铁动车组运用所针对动车组轴承早期故障的发现能力与诊断能力，成为了中国高铁“地对车”监控又一个重要手段。
参考文献：
[1]胡炜.TADS报警轴承故障与TPDS检测结果关联性分析.中国铁路.2011
[2]陈曦.姚剑博.动车组滚动轴承早期故障轨边声学诊断系统“TADS-H”运用情况.北京康拓红外有限公司
[3]刘瑞扬.铁路货车滚动轴承早期故障轨边声学诊断系统（TADS）原理及应用.中国铁道出版社
作者简介：张磊、（男-1989）、天津市、汉族、职称（助理工程师）、学历（大学本科）、研究方向（科技、动车组）、单位名称（北京铁路局北京动车段）、单位所在省市（北京市）、单位邮编（102600）