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謝述武

（深圳地鐵運(yùn)營總部車輛中心）

摘　要：本文介紹了走行部車載故障診斷系統(tǒng)的組成及監(jiān)測原理，并通過在深圳地鐵的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了走行部的狀態(tài)監(jiān)測，故障診斷，運(yùn)用評估，為車輛的檢修和維護(hù)提供了便利。

關(guān)鍵詞：走行部；狀態(tài)監(jiān)測；故障診斷

隨著城市的發(fā)展，城軌車輛已成為重要的公共交通工具。城軌車輛運(yùn)行區(qū)間短，車輛啟動、加速、減速和制動頻繁的特點(diǎn)， 使得城軌車輛機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)時的動態(tài)載荷變化范圍與頻度變大。而走行部故障對于城軌車輛的運(yùn)營安全尤為重要。雖然城軌車輛基本上每天被安排回庫檢修，但僅憑常規(guī)檢查和日常檢修手段對于軸承內(nèi)部故障、車輪踏面等問題很難提前和及時發(fā)現(xiàn)。因此，深圳地鐵從2016年開始在深圳1、5、11號線上應(yīng)用走行部車載故障診斷系統(tǒng)。通過長期運(yùn)用跟蹤，能實(shí)時有效地對走行部的軸箱軸承狀態(tài)、電機(jī)軸承狀態(tài)、齒輪箱軸承及齒輪狀態(tài)、車輪踏面進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷，為車輛走行部關(guān)鍵部件的檢修和維護(hù)提供了便利。

1　走行部車載故障診斷系統(tǒng)組成及監(jiān)測原理

走行部車載故障針對系統(tǒng)主要有復(fù)合傳感器、前置處理器、車輛分機(jī)、列車主機(jī)等組成，結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

復(fù)合傳感器安裝在軸箱體、電機(jī)、小齒輪箱上，實(shí)現(xiàn)溫度、振動、沖擊等多個物理量的檢測、處理和傳輸；前置處理器安裝在轉(zhuǎn)向架上，動車2個/轉(zhuǎn)向架，拖車1個/轉(zhuǎn)向架，管理本轉(zhuǎn)向架各測點(diǎn)的傳感器，實(shí)現(xiàn)振動、沖擊模擬通道切換以及溫度、模擬信號總線方式傳輸；每節(jié)車一個車輛分機(jī)，實(shí)現(xiàn)本車前置處理器管理、信號采集、數(shù)據(jù)存儲和故障診斷，同時與列車主機(jī)交互通信；每列車1臺列車主機(jī)，實(shí)現(xiàn)車載系統(tǒng)集中管理，包括：接收轉(zhuǎn)速信號并判別、管理協(xié)同車輛分機(jī)、顯示診斷和報警、數(shù)據(jù)集中儲存和下載、系統(tǒng)更新及維護(hù)等。

圖1 走行部車載故障診新系統(tǒng)組成示意圖

走行部車載故障診斷系統(tǒng)主要采用我國專利技術(shù)“一種機(jī)械故障沖擊的共振解調(diào)檢測方法”、“同類、有序動信息（組）群中各信息源時域樣本的跟蹤采集”、“變速運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷的轉(zhuǎn)速跟蹤采樣及固化譜號分析方法”。基于上述三種專利技術(shù)，實(shí)施轉(zhuǎn)速跟蹤采樣與振動、沖擊信號的濾波處理，目的是提取微弱的走行部故障沖擊信息，對其進(jìn)行非周期信息的周期變換，固化理論抽象譜，Z終實(shí)現(xiàn)監(jiān)測對象的早期預(yù)警、分級報警、精確診斷。

2　系統(tǒng)應(yīng)用情況

深圳地鐵首先結(jié)合車輛架大修，在深圳1、5號線既有車加裝了走行部車載故障診斷系統(tǒng)，針對架大修后的走行部的狀態(tài)監(jiān)測，深入研究車輛走行部運(yùn)行狀態(tài)，指導(dǎo)車輛運(yùn)營及維修。

另外，考慮到深圳11號線為深圳首條120km/h車輛的線路，為了研究車輛在120km/h車速下的運(yùn)行狀態(tài)，也引入了走行部車載故障診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對走行部關(guān)鍵的狀態(tài)評估，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)車輛的狀態(tài)維修。

2.1 軸箱軸承狀態(tài)監(jiān)測情況

走行部車載故障診斷系統(tǒng)實(shí)時采集數(shù)據(jù)，通過沖擊樣本分析、沖擊趨勢分析及溫度趨勢分析實(shí)現(xiàn)對軸承狀態(tài)的綜合判定。

系統(tǒng)通過對圖譜進(jìn)行分析，軸承類故障信息其時域波形成細(xì)窄梳狀脈沖，每個脈沖等距，且在頻譜圖上，故障譜與外環(huán)理論譜對應(yīng)。并通過對歷史趨勢分析，判斷出故障歷史發(fā)生發(fā)展?fàn)顟B(tài)，指導(dǎo)運(yùn)用維修。

圖2 軸示外環(huán)故障特征沖擊樣本圖譜

溫度信息的監(jiān)測是保障列車安全的Z后一道屏障，走行部車載故障診斷系統(tǒng)的溫度信息分為2級處理，在前置處理器，MCU的常規(guī)方式分為5s對所接所有傳感器溫度信息以常規(guī)精度讀取一次。

圖3 軸承外環(huán)做障特征沖擊趨勢

必要時，走行部車載故障診斷系統(tǒng)將啟用箱密測溫模式。在車輛分機(jī)每次和前置處理器通信時，車輛分機(jī)以前置處理器為單位獲取前置處理器及其所屬傳感器溫度信息，從而實(shí)現(xiàn)溫度信息的并行快速采集。

圖4 溫度趨勢圖譜

2.2 電機(jī)軸承狀態(tài)監(jiān)測

深圳地鐵電機(jī)軸承在近幾年頻繁出現(xiàn)各類問題：西門子電機(jī)滾珠電蝕問題、軸承過熱卡死問題等。為實(shí)時掌握電機(jī)在運(yùn)營過程的狀態(tài)，應(yīng)用走行部車載故障診斷系統(tǒng)對電機(jī)軸承進(jìn)行了跟蹤、監(jiān)測，分析其在運(yùn)營過程中的健康狀態(tài)。

系統(tǒng)依據(jù)機(jī)械的結(jié)構(gòu)幾何學(xué)及運(yùn)動學(xué)規(guī)律，共振解調(diào)、轉(zhuǎn)速跟蹤診斷技術(shù)建立了診斷滾動軸承故障的經(jīng)典數(shù)學(xué)模型，可從定量和定性兩個角度對故障進(jìn)行確定性的精密診斷。

2013年，通過走行部車載故障診斷系統(tǒng)對西門子的牽引電機(jī)軸承進(jìn)行故障監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)電機(jī)軸承存在故障信息，如圖5所示；對故障軸承的現(xiàn)場拆解發(fā)現(xiàn)軸承保持架存在故障，如圖6所示。

圖5 是行部車能故隱詩新系統(tǒng)提示輸示薦在故障信息

圖6 故障軸示現(xiàn)場拆解跟蹤

深圳11號線2016年6月開通運(yùn)營，走行部車載故障診斷系統(tǒng)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)電機(jī)普遍存在電機(jī)軸承的早期故障信息，以1116車為例，該車多個電機(jī)存在早期保持架故障沖擊信息，通過對這些故障軸承進(jìn)行機(jī)理分析電機(jī)軸承傳動端存在缺油問題；如圖7所示。

圖7 走行部車載故障診斷系統(tǒng)提示該軸承存在保持架故障信息

針對深圳1116車電機(jī)缺油狀況，深圳地鐵對故障電機(jī)進(jìn)行注油，注油后通過數(shù)據(jù)反映故障信息明顯減弱，注油前后對比如表1所示：

表1 注油前后保持架故障信息對比情況

2.3 齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測

齒輪箱監(jiān)測包含小齒輪箱軸承、齒輪的監(jiān)測，小齒輪箱軸承的監(jiān)測，其原理、譜線與軸箱軸承的監(jiān)測相同。

分析全國各城市地鐵，齒輪故障時有發(fā)生，齒輪故障顯示特征主要有以下幾種：

①在一個小齒輪轉(zhuǎn)動周期中有多次沖擊，意味著有不止一個齒發(fā)生故障沖擊。

②如果只有單個齒故障，則沖擊波在一個齒輪周期的時城波形中脈沖占空比很窄，頻域?qū)⒕哂胸S富的多階譜特征。高速時沖擊比低速時寬，在相同牽引力下，高速時的沖擊值（初級診斷值）也會明顯增大。

③由于多故障同時存在，時域沖擊脈沖在齒輪周期中的脈沖占空比比較寬，呈現(xiàn)多簇沖擊；由此導(dǎo)致頻域高階譜線不鮮明。

下圖為典型的單齒裂紋故障及齒輪多處故障的圖譜。

比較以上故障的圖譜可知：齒輪存在單個齒的（如裂紋）故障時，在齒輪周期采樣點(diǎn)內(nèi)會出現(xiàn)一簇定位性很好且尖銳陡峭的沖擊波，頻域譜線突出且高階豐富；齒輪多處故障時，在齒輪周期采樣點(diǎn)內(nèi)有多簇沖擊，且高階不如單齒（裂紋）故障豐富。

圖8 單齒裂紋故障，時城被形占空比小，顛譜高階譜豐富

圖9 齒輪多處故障，時城被形占空比大，頻譜高階譜減少

齒輪在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，當(dāng)發(fā)生故障的齒與相鄰齒嚙合時會產(chǎn)生沖擊，齒輪所在軸每轉(zhuǎn)一周都會在故障處產(chǎn)生這樣的沖擊，該沖擊被走行部車載故障診斷系統(tǒng)接收。走行部車載故障診斷系統(tǒng)通過自動診斷分析，輸出齒輪報警。對于單個齒的故障，齒輪所在軸轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生一次沖擊，而在齒輪存在多處故障時，轉(zhuǎn)軸一周會產(chǎn)生多次的沖擊。所以，當(dāng)齒輪多處故障時，會在齒輪周期中出現(xiàn)多簇的沖擊脈沖。

2.4 車輪踏面狀態(tài)監(jiān)測

車輪踏面故障一般包括踏面擦傷、踏面剝離和車輪失圓等情況，深圳地鐵在運(yùn)營過程中，經(jīng)常出現(xiàn)車輪失圓及擦傷剝離故障特征，其中車輪失圓多表現(xiàn)為圓跳動過高，而車輪失圓將導(dǎo)致車輛運(yùn)行過程中與鋼軌產(chǎn)生有規(guī)律的周期性撞擊聲，不僅造成輪軌異常振動和沖擊，引起輪軌關(guān)系惡化，還影響乘坐舒適性。為此，深圳地鐵應(yīng)用走行部車載故障診斷系統(tǒng)針對振動、沖擊兩個物理量對踏面進(jìn)行綜合診斷，分析車輪失圓的發(fā)展趨勢，指導(dǎo)車輪鏈修。

走行部車載故障診斷系統(tǒng)通過對存在失圓的車輪振動圖譜分析，其數(shù)據(jù)樣本中的沖擊圖譜表現(xiàn)為車輪每轉(zhuǎn)動十圈的踏面沖擊狀態(tài)，當(dāng)車輪出現(xiàn)圓跳動特征后，車輪每轉(zhuǎn)一圈將會產(chǎn)?一簇沖擊信號，其引發(fā)共振解調(diào)波形將具有周期重復(fù)性，數(shù)據(jù)樣本中沖擊圖譜將呈現(xiàn)十簇間隔均等的沖擊信號。通過這種理論方式，可判斷車輪存在失圓的故障特征。

以深圳1號線112車為例，2016年11月份走行部車載故障診斷系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)1124車1軸右側(cè)存在踏面失圓故障特征信息，并持續(xù)跟蹤，系統(tǒng)于2017年2月建議對該位置進(jìn)行鍍修，監(jiān)測情況如圖10所示。

根據(jù)現(xiàn)場跟蹤1124車1軸右側(cè)的鏈修，發(fā)現(xiàn)該位置圓跳動達(dá)0.91mm，嚴(yán)重超標(biāo)，如圖11所示。

圖10 1124車1軸右側(cè)的沖擊圖譜

3　結(jié)束語

通過走行部車載故障監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用，及時監(jiān)測車輛走行部的狀態(tài)，對隱患位置的挖掘和及時維修，減少損傷的累積，改善車輛走行部運(yùn)行狀態(tài)，減少行車事故障的發(fā)生具有重要意義。

（來源：高速鐵路與軌道交通專享版，2017年6月）