軌道車輛轉向架關鍵部件故障分析研究

徐曉靈 王瑜琳 牟剛 盧德林

摘 要：軌道車輛機械故障在影響車輛運營安全的諸多因素中比例最高，達到故障總數的30%～40%。轉向架作為軌道車輛機械系統的關鍵部分，支撐整個車體，承受并傳遞車體與軌道之間的各載荷，緩和車體與軌道之間的各作用力，其機械性能直接影響到列車運行的安全性。隨著軌道列車運行速度的不斷提高，軌道車輛轉向架的結構亦趨于復雜化，加之軌道列車的運行狀態始終處于不斷變化之中，若無法及時發現并排除轉向架機械故障，將給列車運行帶來嚴重的安全隱患。因此本文重點分析軌道列車轉向架關鍵部件的故障識別，為軌道列車早期機械故障狀態識別提供參考。

關鍵詞：機械故障;轉向架;安全隱患;故障識別

1 概述

作為交通運輸體系中一種非常重要的陸地運輸方式，軌道交通憑借其運輸量大、成本低、速度快等特點，逐步在交通運輸體系中占據舉足輕重的地位。目前全國各大城市都在進行軌道交通建設規劃，據中國軌道交通網統計，截至2019年12底，上海、北京、廣州、南京、重慶等40座城市的210條線路已開通運營，總里程達6386.9公里，新增運營里程數968公里[1]，見圖1。

從圖示可看出，隨著我國軌道交通的跨越式發展，運營里程急劇增長，可以說我國進入了軌道交通發展的黃金時段，為有效緩解城市交通壓力，推進城市化建設進程，解決其他公共交通所帶來的能源緊張、環境污染等問題起到了極大的推動作用。但由于軌道列車具有車輛負荷強、車速變化頻繁、停站時間短、行車密度大等特性，加之軌道列車的運行狀態始終處于不斷變化之中，使得運行過程中存在一定的安全隱患，這些都對軌道交通提出了更高的要求和挑戰。

軌道交通最基本、最核心的要求是安全可靠，然而軌道列車是一個復雜而龐大的系統，任何一個環節出現問題，都有可能造成車毀人亡的嚴重事故，給國家和個人帶來巨大的經濟損失和人身財產損失。調研最近20年來的軌道交通重大安全事故，發現軌道車輛機械故障在影響車輛運營安全的諸多因素中比例最高，達到故障總數的30%～40%[2]，在這一系列故障中，轉向架故障占據了很大一部分比例，且一旦轉向架出現故障，列車發生故障的概率及危害程度均明顯提高。因此確保轉向架安全、無故障是近年來軌道列車故障診斷領域的研究熱點。

2 軌道車輛轉向架關鍵部件故障分析

作為軌道車輛機械系統的重要組成部分，轉向架主要承擔牽引和引導軌道列車行駛，支撐整個車體，承受并傳遞車體與軌道之間的各載荷，緩和車體與軌道之間的各沖擊力等功能，是保證軌道列車正常運行的關鍵部件。從結構上來看，轉向架主要包括構架、輪對、軸箱裝置、懸掛裝置、牽引裝置、制動裝置、齒輪傳動裝置等。當軌道列車在大負荷、變速環境下工作時，轉向架各零部件之間反復作用，極易出現疲勞損傷，降低其使用性能及壽命，造成嚴重的安全事故，可以說轉向架各零部件機械性能的好壞直接影響著軌道列車運行的安全性。結合轉向架的故障發生頻率及所帶來的危害程度，本文重點選取了軸箱軸承以及齒輪箱兩個關鍵的零部件，來分析其故障類型及常見的故障診斷方法，為后期故障檢測提供理論支撐。

2.1 軸承軸箱故障分析

軸箱軸承是軌道列車的關鍵旋轉支撐部件，具有使用壽命長、精度高、可靠性強等特性。在列車運行過程中，軸承持續的承受車體與軌道的各載荷和沖擊振動的作用，因此發生故障的概率較高，具體故障分析見表1所示[3-4]。

目前針對軸箱軸承的故障診斷方法主要有聲學診斷法、溫度診斷法、振動診斷法等，結合軸承軸箱的故障類型及特點，基于振動信號的分析檢測方法是目前使用最為廣泛的軸承故障診斷方法。該方法通過信號的時域分析簡單判斷軸承是否存在故障，再進一步通過信號的頻域分析定位故障點，可在故障萌芽期準確實現故障類型的診斷。

2.2 齒輪箱故障分析

齒輪箱是軌道列車的傳動機構，通過多對齒輪的嚙合轉動來實現動力及運動狀態的傳遞，協助列車平穩的沿軌道行駛，為列車的安全運行提供保證。由于齒輪箱的結構復雜，其加工工藝及裝配要求較高，同時該部件自身容易產生不平穩振動等特性，使得其極易發生故障，而齒輪箱任何細小的故障都可能引發安全事故，具體故障見表2[5]。

齒輪箱系統的故障診斷方法主要有噪聲診斷法、沖擊脈沖診斷法以及振動診斷法，結合齒輪系統的故障類型及特點，最常用的是振動診斷法。在列車運行過程中，齒輪箱系統在內部激振力和外部激振力的作用下產生振動和噪聲，振動的傳遞過程如圖2所示。振動信號可實時反應齒輪系統的運行狀態，對振動信號進行采集、分析，可實時監測齒輪系統的狀態，實現對故障的早期、中期以及晚期的檢測與記錄。

3 總結

為了確保軌道列車的安全運行，必須實時監測軌道列車的運行狀態，已實現對列車早期機械故障的狀態識別。因此本文通過調研了近年來軌道列車的重大安全事故，從故障率及危害程度的角度出發，選取了軸箱軸承和齒輪箱這兩個關鍵的轉向架部件，深入研究了故障的類型、成因及危害程度，為列車的早期故障識別研究奠定理論基礎。確保列車故障處于萌芽階段或故障程度尚輕微時，能夠及時準確地予以狀態評估和識別，并適時給出故障預警信息，以及指導故障發生后列車的保養和維修，最終實現降低事故風險和維修、維護成本。

參考文獻：

[1]2019年中國鐵路、高鐵和城市軌道交通運營里程、運營線路及運營里程排行榜.

[2]李熙.城市軌道車輛行走部安全評估方法研究[D].北京：北京交通大學，2011.

[3]劉霄.城市軌道車輛軸箱軸承離線故障診斷及狀態評估方法[D].上海：上海工程技術大學，2015.

[4]趙治博.地鐵車輛轉向架軸承故障診斷方法研究[D].北京：北京交通大學，2015.

[5]金子博.城市軌道車輛轉向架關鍵部件在線安全監測技術研究[D].上海：上海工程技術大學，2014.

基金項目：重慶公共運輸職業學院院級科研項目，“軌道車輛轉向架振動形態譜分析及故障診斷方法研究”（項目編號：YSKY2018-09）;重慶市教委科學技術研究計劃項目“軌道車輛運行穩定性分析與故障診斷”（項目編號：KJQN201905803）

*通訊作者：王瑜琳（1988—），女，碩士，講師，研究方向：為信號檢測與處理、故障診斷。