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(cè)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(cè)，故障診斷，運(yùn)用評(píng)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(cè)；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(dòng)、加速、減速和制動(dòng)頻繁的特點(diǎn)， 使得城軌車輛機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的動(dòng)態(tài)載荷變化范圍與頻度變大。而走行部故障對(duì)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(duì)于軸承內(nèi)部故障、車輪踏面等問題很難提前和及時(shí)發(fā)現(xiàn)。因此，深圳地鐵從2016年開始在深圳1、5、11號(hào)線上應(yīng)用走行部車載故障診斷系統(tǒng)。通過長(zhǎng)期運(yùn)用跟蹤，能實(shí)時(shí)有效地對(duì)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(cè)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(cè)原理
走行部車載故障針對(duì)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(dòng)、沖擊等多個(gè)物理量的檢測(cè)、處理和傳輸；前置處理器安裝在轉(zhuǎn)向架上，動(dòng)車2個(gè)/轉(zhuǎn)向架，拖車1個(gè)/轉(zhuǎn)向架，管理本轉(zhuǎn)向架各測(cè)點(diǎn)的傳感器，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)、沖擊模擬通道切換以及溫度、模擬信號(hào)總線方式傳輸；每節(jié)車一個(gè)車輛分機(jī)，實(shí)現(xiàn)本車前置處理器管理、信號(hào)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和故障診斷，同時(shí)與列車主機(jī)交互通信；每列車1臺(tái)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(hào)并判別、管理協(xié)同車輛分機(jī)、顯示診斷和報(bào)警、數(shù)據(jù)集中儲(chǔ)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(cè)方法”、“同類、有序動(dòng)信息（組）群中各信息源時(shí)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(hào)分析方法”�；谏鲜鋈N專利技術(shù)，實(shí)施轉(zhuǎn)速跟蹤采樣與振動(dòng)、沖擊信號(hào)的濾波處理，目的是提取微弱的走行部故障沖擊信息，對(duì)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(cè)對(duì)象的早期預(yù)警、分級(jí)報(bào)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(hào)線既有車加裝了走行部車載故障診斷系統(tǒng)，針對(duì)架大修后的走行部的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，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(hào)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(duì)走行部關(guān)鍵的狀態(tài)評(píng)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(cè)情況
走行部車載故障診斷系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，通過沖擊樣本分析、沖擊趨勢(shì)分析及溫度趨勢(shì)分析實(shí)現(xiàn)對(duì)軸承狀態(tài)的綜合判定。
系統(tǒng)通過對(duì)圖譜進(jìn)行分析，軸承類故障信息其時(shí)域波形成細(xì)窄梳狀脈沖，每個(gè)脈沖等距，且在頻譜圖上，故障譜與外環(huán)理論譜對(duì)應(yīng)。并通過對(duì)歷史趨勢(shì)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(cè)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(jí)處理，在前置處理器，MCU的常規(guī)方式分為5s對(duì)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(shì)
必要時(shí)，走行部車載故障診斷系統(tǒng)將啟用箱密測(cè)溫模式。在車輛分機(jī)每次和前置處理器通信時(shí)，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(shì)圖譜
2.2 電機(jī)軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)
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(shí)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(duì)電機(jī)軸承進(jìn)行了跟蹤、監(jiān)測(cè)，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(dòng)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(dòng)軸承故障的經(jīng)典數(shù)學(xué)模型，可從定量和定性兩個(gè)角度對(duì)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(duì)西門子的牽引電機(jī)軸承進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)電機(jī)軸承存在故障信息，如圖5所示；對(duì)故障軸承的現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)拆解跟蹤
深圳11號(hào)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(cè)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(gè)電機(jī)存在早期保持架故障沖擊信息，通過對(duì)這些故障軸承進(jìn)行機(jī)理分析電機(jī)軸承傳動(dòng)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(duì)深圳1116車電機(jī)缺油狀況，深圳地鐵對(duì)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(duì)比如表1所示：
表1 注油前后保持架故障信息對(duì)比情況
2.3 齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測(cè)
齒輪箱監(jiān)測(cè)包含小齒輪箱軸承、齒輪的監(jiān)測(cè)，小齒輪箱軸承的監(jiān)測(cè)，其原理、譜線與軸箱軸承的監(jiān)測(cè)相同。
分析全國各城市地鐵，齒輪故障時(shí)有發(fā)生，齒輪故障顯示特征主要有以下幾種：
①在一個(gè)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)周期中有多次沖擊，意味著有不止一個(gè)齒發(fā)生故障沖擊。
②如果只有單個(gè)齒故障，則沖擊波在一個(gè)齒輪周期的時(shí)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(shí)沖擊比低速時(shí)寬，在相同牽引力下，高速時(shí)的沖擊值（初級(jí)診斷值）也會(huì)明顯增大。
③由于多故障同時(shí)存在，時(shí)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(gè)齒的（如裂紋）故障時(shí)，在齒輪周期采樣點(diǎn)內(nèi)會(huì)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(shí)，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(shí)城被形占空比小，顛譜高階譜豐富
圖9 齒輪多處故障，時(shí)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(shí)會(huì)產(chǎn)生沖擊，齒輪所在軸每轉(zhuǎn)一周都會(huì)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(dòng)診斷分析，輸出齒輪報(bào)警。對(duì)于單個(gè)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(shí)，轉(zhuǎn)軸一周會(huì)產(chǎn)生多次的沖擊。所以，當(dāng)齒輪多處故障時(shí)，會(huì)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(cè)
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(dòng)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(dòng)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(duì)振動(dòng)、沖擊兩個(gè)物理量對(duì)踏面進(jìn)行綜合診斷，分析車輪失圓的發(fā)展趨勢(shì)，指導(dǎo)車輪鏈修。
走行部車載故障診斷系統(tǒng)通過對(duì)存在失圓的車輪振動(dòng)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(dòng)十圈的踏面沖擊狀態(tài)，當(dāng)車輪出現(xiàn)圓跳動(dòng)特征后，車輪每轉(zhuǎn)一圈將會(huì)產(chǎn)?一簇沖擊信號(hào)，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(hào)。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(hào)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(duì)該位置進(jìn)行鍍修，監(jiān)測(cè)情況如圖10所示。
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)跟蹤1124車1軸右側(cè)的鏈修，發(fā)現(xiàn)該位置圓跳動(dòng)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(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用，及時(shí)監(jiān)測(cè)車輛走行部的狀態(tài)，對(duì)隱患位置的挖掘和及時(shí)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）
