鐵路機車車輛運行故障診斷技術的應用研究

張省偉 劉瑤

摘要：中國鐵路建設規模穩居世界前沿，其主要功能為便利人員及貨物的運輸。鐵路機車在進行一段時間工作后，由于工作強度大、工作時間長，往往容易出現某些部件磨損、老化等現象。隨之而來的是鐵路機車車輛運行中的各種風向。因此，文章基于中國現有鐵路機車運行技術，從車輛故障診斷和安全監測入手，對故障監測和診斷技術的系列產品、軌道交通運載設備故障診斷和安全監測的技術特點進行了綜合研究，最后以JK00430型機車走行部車載監測裝置的推廣應用為例進行了鐵路機車車輛運行故障診斷技術的實證分析。研究可作為鐵路機車故障診斷工作人員的理論參考依據。

關鍵詞：鐵路機車;運行故障;故障診斷

中圖分類號：U279

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）09-0173-03

0 引言

隨著國家對鐵路交通建設的深入探究，中國鐵路在運行速度以及車載量方面尤其獲取了傲人的成績，并在質量提升的同時，對鐵路的安全系數也同樣加強了重視[1-2]。鐵路修建過程中，應在提高機械裝配耐用度的基礎上，增強對鐵路故障的預估、預警監測系統，對存在的隱患進行實時監控，這樣才能在鐵路運行過程中，給予列車安全運行的保障。安全性能的完善、應用是決定鐵路機車能否正常運行的重要因素[4]。

1 故障診斷和安全監測的技術基礎

以提高列車的運輸效率為前提，加強運輸速度和運輸質量是鐵路技術發展的根本任務，其提速的戰略性目標需要依靠列車安全運行來作為保障。因此，列車能否在規定范圍內加大運輸速度，需對鐵路機車控制系統的實用性進行研究探討[5-6]。通過對機械故障的振動檢測（頻域及時域），可以有效的提取到設備在運行過程中存在的異常物理信號，使檢測的目的更具效果性，振動檢測是最早應用于機械故障排查領域的科技之一[7]。在實際操作環境中，鐵路機械裝備會產生多樣化振動，如，在列車運行過程中，與軌道摩擦所產生的物理震動，雖振動幅度較大，但不會產生實質性的安全問題。但這種噪聲往往會掩蓋齒輪、軸承等精密部件發生故障所引發振動。為了解決這一困境，共振解調技術的問世在原有的振動檢測系統中融合了聲音檢測技術，對鐵路故障排查的服務范圍進行了拓展。共振解調技術可自動排查常規的振動，只捕捉細微的故障沖擊，使鐵路設備的物理信息收集更加具備有效性，從而更為精準的分析判斷故障內容以及所處部位，得出更為詳盡的結論[8]。

2 鐵路機車子系統的故障診斷

2.1 轉向架式走行部的故障診斷

現下的鐵路列車車輛走行部多為轉向架式構造，可將這類走行部統稱為轉向架。本文主要研究轉向架式走行部，所以對二者不再區別稱謂。構成轉向架式走行部的重要組成部分為：輪對及輪軸，齒輪箱，軸承等。以中國北車集團生產制造的天津地鐵轉向架為例，如圖1所示。

列車車輛走行部主要由輪對構成基礎框架，因輪對直接接觸于鋼軌，且列車的重量完全壓制于輪對，所以車輪踏面和車軸軸頸的摩擦損耗程度是維系列車安全的關鍵因素之一。

2.2 齒輪箱的故障診斷

列車車輛轉動系統的重要組成機械部件為齒輪箱，齒輪箱作為列車牽引的動力源頭，因其所處的工作環境對其系統磨損較為嚴重，所以極易造成輪齒齒面的腐蝕、裂變、脫落等現象的發生。所以，鐵路列車車輛齒輪箱故障的排查主體多為齒輪箱軸承，如圖2所示[9]。

2.1.1 軸承

在鐵路軸承的故障檢測中，共振解調技術的應用對其來說是相得益彰的。共振解調技術主要是對滾動軸承內部的故障零部件所產生的細微沖擊進行捕捉，此種方法的特征是獨具敏感性，尤其針對早期不易發現的轉動裝置中承載部件進行排查。

2.1.2 走行部整體

鐵路機車的各部分機械（齒輪箱、轉向架軸向、電動機）振動都會順借構架引起共振，這就可以表明構架的異常振動就可代表部分機械的異動。所以，在故障排查系統中可對多個部件同時進行實時監測及預警。中國的列車安全系數較高，突發的緊急事件較少，雖對不通列車型號建立的故障預警數據庫，卻也難以得到完整的的真實數據。所以在列車的日常運行中，著重對不同工況（極特殊天氣狀況也包含在內）下的數據進行統計研究，作為參考依據，才可在后續的實踐工作中通過參數及時判斷列車的走行部是否發生故障[10]。

2.3 牽引電動機的故障診斷

牽引電動機作為鐵路機車車輛的動力核心裝置，可將能量轉化為供機車運作的機械能，因其工作環境會受到風沙雨水的侵蝕，以及車輛的加速及制動，都會導致其軸承、端部線圈極易發生故障，鐵路轉向架上牽引電動機軸承經常會發生故障的機械部位分為以下3種：滾動體、內圈、外圈，就此，對于其故障診斷專門研發了針對性系統。系統中的關鍵性診斷元素為小波包（通過對小波包的構成系數更換，可對電動機振動信號進行降噪處理），最終通過實踐的測試信號模型進行分類診斷思維構建[11]。

2.4 電氣設備的故障診斷

交流牽引電動機主要功能構建為逆變器、受力弓和接地裝置。電動機設備則主要保障鐵路機車整體電力的合理分配，尤其對電力機車而言更是動力的來源，在對列車整體的故障研究中也處于主體地位。

在交流牽引電動機中，對逆變器、受電弓的故障排查是關鍵環節，在實際應用中這兩大機械裝配極易出現故障。由于影響鐵路機車運行的元素復雜多樣，所以應基于自適應網絡模糊邏輯推理理論建立對交流遷移電動機的故障排查體系[12]。

2.5 自動門系統的故障診斷

鐵路客運列車自動門發生故障次數約占列車系統總故障的35%左右，而列車的自動門又在整體系統中占有主導地位，它決定著列車能否正常進行功能性的裝載和卸載。基于尼康公司MK0408塞拉門電控系統創新研究了MS730CP5氣動塞拉門[13]。

3JK00430型機車走行部車載監測裝置實證分析JK00430型機車走行部車載監測裝置在中國的鐵路發展進程中占有推進的先導作用，并在全國范圍內得以應用，為中國鐵路安全增添了新的“保護屏障”。北京鐵路局與上海鐵路局分別于2002年、2003年基于鐵道部六大干線標準化建設的要求接連啟動對走行部車載監測裝置的研究工作，以下將對其研究成果進行進一步論述分析[14]。