走行部車載故障診斷系統(tǒng)在深圳地鐵的應(yīng)用

謝述武

（深圳地鐵運營總部車輛中心）

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，實現(xiàn)了走行部的狀態(tài)監(jiān)測，故障診斷，運用評估，為車輛的檢修和維護提供了便利。

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。城軌車輛運行區(qū)間短，車輛啟動、加速、減速和制動頻繁的特點， 使得城軌車輛機械運轉(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)。通過長期運用跟蹤，能實時有效地對走行部的軸箱軸承狀態(tài)、電機軸承狀態(tài)、齒輪箱軸承及齒輪狀態(tài)、車輪踏面進行狀態(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、列車主機等組成，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、小齒輪箱上，實現(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)向架各測點的傳感器，實現(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，實現(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，同時與列車主機交互通信；每列車1臺列車主機，實現(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、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”、“變速運轉(zhuǎn)機械故障診斷的轉(zhuǎn)速跟蹤采樣及固化譜號分析方法”?；谏鲜鋈N專利技術(shù)，實施轉(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，對其進行非周期信息的周期變換，固化理論抽象譜，Z終實現(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行狀態(tài)，指導(dǎo)車輛運營及維修。

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車速下的運行狀態(tài)，也引入了走行部車載故障診斷系統(tǒng)，實現(xiàn)對走行部關(guān)鍵的狀態(tài)評估，進而實現(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現(xiàn)對軸承狀態(tài)的綜合判定。

系統(tǒng)通過對圖譜進行分析，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。在車輛分機每次和前置處理器通信時，車輛分機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 電機軸承狀態(tài)監(jiān)測

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

系統(tǒng)依據(jù)機械的結(jié)構(gòu)幾何學(xué)及運動學(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軸承進行故障監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)電機軸承存在故障信息，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月開通運營，走行部車載故障診斷系統(tǒng)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)電機普遍存在電機軸承的早期故障信息，以1116車為例，該車多個電機存在早期保持架故障沖擊信息，通過對這些故障軸承進行機理分析電機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車電機缺油狀況，深圳地鐵對故障電機進行注油，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）