城軌車輛轉向架裂紋的廣義共振診斷技術

王 智 黃貴發 陳 湘 唐德堯

(北京唐智科技發展有限公司 北京100097)

裂紋是轉向架的常見故障之一，而轉向架是車輛最重要的部件之一，轉向架裂紋如不能及時發現和處理，將導致脫軌等大型事故，后果不堪設想。但是，對于轉向架這種大型的不轉動的運動機械，當工作時既有低頻的、大幅的、小加速度的非周期性的整體振動，又有寬頻的、小幅的、大加速度的局部振動，甚至在有局部或整體的斷裂、裂損時，在振動的誘發下會產生沖擊，這種分散的故障信息給檢測帶來了很大的困難。

目前國內外還沒有比較有效的在線監測方式來及時發現這類故障，僅依靠探傷、人工目測等靜態方式定期檢測。韓國2011年5月份的“KTX-山川”列車召回事件［1］，起因就是因為在定期檢修時發現轉向架存在裂紋，導致“現代Rotem”方面對此類型列車全部實施召回。而在國內也出現了大面積構架裂紋故障，北京就曾出現橫梁漏氣后發現構架裂紋的重大安全隱患，后續經過磁粉探傷檢測出大批構架存在裂紋故障。

1 基于廣義共振的構架裂紋動態識別技術

我國在轉向架等大型不轉運動機械裂紋的在線自動診斷方面進行了長期的探索，取得了一定的成果，但大部分不能實現在線檢測［2-3］，即使有的能實現在線功能，也需要對模型進行訓練，屬于模糊診斷，對故障程度不敏感;同時訓練模型是否具有代表性、廣泛性，將直接影響故障決策的結果［4-8］。本研究提出了基于廣義共振的構架裂紋動態識別技術，其檢測原理主要是利用振動與沖擊對積函數，檢測轉向架梁的彎曲等振動，引發已有裂紋發生與振動頻率(特別是中梁的廣義共振頻率)相同、波形對應的開、閉沖擊的現象，借以識別裂紋，并根據故障程度實現在線分級報警。

1.1 故障表現

如果機械上沒有斷裂部件，則呈現出整體(隨機低頻)振動的特征。它們的主要表現是:不同部位在同一方向的振動是同步的、不分離的，或者說，在任何時刻，它們的振動方向相同。

如果機械上出現了斷裂部件，則裂開的兩部分就有條件產生異步運動，斷裂處就會出現沖擊。在斷裂部件一側的振動與沖擊就具有同步性(因為沖擊是振動誘發的);而斷裂部位兩邊的振動信號，就有條件出現相位異步(反相)［9］。

利用這種特征，就可以通過同/異步分析來識別故障。

1.2 對積函數

對于同步、隨機、非周期振動信號，將其轉化成幾乎全部樣本長度都等于1、-1，或大多數等于1、-1的分析結果，來大幅度地提高同步、反相等信息的識別可靠性，這就是對積函數。

假設兩個時間函數為A(t)、B(t)，則對積的結果C(t)為

對積是對于兩個函數在同步采樣的特殊條件下的相關性的考察。為了方便統計，可以將對積數組量化為1、0、-1的“量化對積”，便于歸一化統計

其中LC(t)表示“量化對積”。可見:同一信號的對積結果等同于絕對值檢波，而量化對積結果幾乎全是1;同步信號的對積為正向脈沖群，量化對積結果幾乎全是1;異步信號的對積為正負隨機交替脈沖群，量化對積結果為1、0和-1。

斷裂部位兩邊的振動信號的對積為突發的負脈沖群，表示突然出現反方向振動特征，而對應量化對積結果幾乎全是-1。同樣，用對積考察振動信號與沖擊信號的同步性，加上轉向架的結構模態分析，能夠判斷出轉向架是否存在裂紋［10］。

某型城軌車輛轉向架的中梁存在一端相對另一端的彎曲振動模態(見圖1)，模態頻率為36.4 Hz。該模態對應的振型是左右縱梁呈現剪刀差式振動，尤其在車輛運行于彎道時，該振型是軌道產生波浪紋磨耗的原因之一。該振型與軌道波浪紋磨耗相互作用，可使橫梁振動加劇，增大橫梁下方出現裂紋的幾率。

圖1某型城軌車輛轉向架振動模態

圖2 是該型號某輛車的中梁振動與沖擊同步檢測的信息(傳感器安裝在梁下方)，負振幅對應加速度為正時的下彎，裂紋張開，為正對積。正振幅對應加速度為負時的上彎，裂紋閉合，為負對積。

圖2 中梁振動與沖擊同步檢測信息

對積的這一鮮明特征為轉向架裂紋的在線診斷提供了有效的自動判斷方法。

2 應用效果

針對北京地鐵1號線SFM04車輛構架出現的電機吊掛裂紋現象，在四惠車輛段試車線進行了轉向架裂紋監測試驗，對某構架3、4軸同時檢測，圖3、圖4分別為3軸和4軸數據的自動分析結果。各圖中中間部分為相對積分析結果:藍色為x模態，36.39 Hz;綠色為y模態，52.72 Hz;紫色為z模態，59.43 Hz。各圖下半部分為報警結果:紅色區域為二級報警，黃色區域為一級報警，棕色為預警。圖3、圖4的分析結果表明:圖3(a)(3軸橫梁電機傳動端)存在一級報警和二級報警，裂紋特征較為明顯，裂紋沖擊主要集中在x模態(36.39 Hz)和y模態(52.72 Hz)。

對于上述自動分析統計的歸納如表1所示。

表1 3、4軸報警情況統計 次

圖5是3軸(167號樣本)預警原始數據，數據點在700到1 100的區間內出現了一簇強沖擊，且振動很強。圖6是3軸167號樣本的局部展開圖，沖擊與振動具有很好的對應關系。從圖5、圖6的波形特征及上面自動診斷的統計歸納可以確認3軸橫梁存在裂紋，而車輛段人工核查的結果與診斷發現的故障位置相符，進一步確認故障位于3軸橫梁的傳動端。

圖3 3軸裂紋監測試驗結果分析

圖4 4軸裂紋監測試驗結果分析

圖5 3軸167號預警樣本

圖6 3軸167號樣本的局部展開數據

3 結語

基于廣義共振的構架裂紋動態識別技術，通過識別廣義共振與它所引發的裂紋開閉沖擊之間的關聯性來實現故障報警，可以避免學習型診斷技術對訓練模型的依賴，有效地豐富了大型非旋轉運動部件的在線診斷技術。同時，該技術的在線分級報警能力允許車輛在不危及行車安全的前提下跟蹤和研究裂紋故障的發生、發展過程，可以為運用部門合理調度、修程安排等提供依據，具有廣泛的應用推廣前景。

［1］韓國產列車事故頻發 韓鐵路當局要求制造商實施召回［EB/OL］.(2011-05-12)http://world.huanqiu.com/roll/2011-05/1686945.html.

［2］唐德堯.廣義共振、共振解調故障診斷與安全工程——鐵路篇［M］.北京:中國鐵道出版社，2006:37-114.

［3］趙玉其.客車轉向架故障監測地面綜合診斷的研究［C］.第八屆中國國際現代化鐵路裝備技術交流會暨中國鐵道學會年會論文集.北京:China Academic Journal Electronic Publishing House.2007:219-224.

［4］徐禮，賈萬青.X1K型集裝箱專用平車轉向架故障原因分析及建議［J］.鐵道車輛，2009(11):41-42.

［5］申宇燕，康熊，劉峰.基于HMM的客車轉向架故障診斷與應用［J］.鐵道機車車輛，2006(4):24-25.

［6］孫惠琴.基于粗集的轉向架故障診斷研究［J］.鐵道機車車輛，2007(4):4-5.

［7］劉峰，黃強.基于旅客列車安全監測系統與神經網絡的走行部狀態監測研究［J］.鐵道機車車輛，2003，23(2):57-59.

［8］趙福軍.轉K2型轉向架側架立柱磨耗板裂紋的原因分析及改進建議［J］.鐵道機車車輛.2007(5):60-61.

［9］唐德堯.廣義共振、共振解調故障診斷與安全工程:城軌交通篇［M］.北京:中國鐵道出版社，2013:372-375.

［10］唐德堯，黃貴發，王智，等.一種構架裂紋監測方法及其監測裝置［P］.中國專利，CN201110026708，2012-09-12.