關(guān)于走行部車載監(jiān)測(cè)裝置在機(jī)車數(shù)據(jù)分析應(yīng)用中常見問題的探討

蔣福才,康等連

（中國(guó)鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司蘭州車輛段，甘肅 蘭州 730000）

關(guān)鍵字:機(jī)車；走行部車載監(jiān)測(cè)裝置；牽引電機(jī)；共振解調(diào)；數(shù)據(jù)分析

1 概述

牽引電機(jī)是機(jī)車傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)單元的重要部件之一，為機(jī)車運(yùn)行提供動(dòng)力的裝置。牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)子通過軸承支撐進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，牽引電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)在機(jī)車上將牽引電機(jī)的扭轉(zhuǎn)力矩通過齒輪裝置傳遞到車軸上，使機(jī)車實(shí)現(xiàn)加減速。牽引電機(jī)軸承的安全關(guān)系到整個(gè)列車的安全運(yùn)行。牽引電機(jī)軸承在長(zhǎng)時(shí)間轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下由于震動(dòng)因素產(chǎn)生軸承故障沖擊，直接威脅著機(jī)車走行部安全，是機(jī)車走行部常見的故障之一。

2 JK11430 機(jī)車走行部車載監(jiān)測(cè)裝置及共振解調(diào)技術(shù)原理

JK11430 機(jī)車走行部車載監(jiān)測(cè)裝置是一種車載安全監(jiān)測(cè)及保障設(shè)備，它能夠?qū)C(jī)車走行部的輪對(duì)踏面、齒輪、軸承的狀態(tài)及其質(zhì)量和軸溫進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)與自動(dòng)分析診斷。

2.1 JK11430 機(jī)車走行部車載監(jiān)測(cè)裝置

JK11430 機(jī)車走行部車載監(jiān)測(cè)裝置是JK00430機(jī)車走行部車載裝置的換代產(chǎn)品，是為了保障鐵路機(jī)車及車輛（和諧型機(jī)車、高鐵、動(dòng)車組、CR200J 型動(dòng)車組等）安全運(yùn)營(yíng)而研制的在線車載動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置，可對(duì)走行部軸承、齒輪、踏面等故障進(jìn)行診斷和預(yù)警。該裝置由主機(jī)、復(fù)合傳感器、前置處理器、傳輸線纜等組成，能夠?qū)_擊振動(dòng)信息和溫度信息由復(fù)合傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)傳輸線纜、前置處理器傳輸?shù)窖b置主機(jī)，并將信息進(jìn)行儲(chǔ)存和自動(dòng)分析。若有故障，則通過機(jī)車6A 顯示屏向司乘人員進(jìn)行報(bào)警提示。另外，裝置儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)還可通過主機(jī)的數(shù)據(jù)下載端口或通過網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳輸?shù)綑C(jī)務(wù)段地面管理計(jì)算機(jī)上進(jìn)行故障分析，為檢修提供依據(jù)[1]。

2.2 共振解調(diào)技術(shù)原理

JK11430 機(jī)車走行部車載監(jiān)測(cè)裝置工作原理的核心技術(shù)是共振解調(diào)技術(shù)。通過傳感器及電路的諧振，使故障的沖擊振動(dòng)與諧振器發(fā)生共振，以便將故障沖擊引起的諧振器自由衰減振動(dòng)放大，并利用解調(diào)技術(shù)將故障信息提取出來后進(jìn)行頻譜分析。用以診斷機(jī)車輪對(duì)踏面、軸承、齒輪故障。對(duì)牽引電機(jī)軸承進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)軸承內(nèi)環(huán)、外環(huán)、滾子、保持架等有故障或者缺陷時(shí)能夠發(fā)出預(yù)報(bào)警信息，能對(duì)軸承溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

機(jī)車輪對(duì)踏面、軸承、齒輪出現(xiàn)故障后，其引起的沖擊振動(dòng)所含的頻率很高且幅度較小、寬度較窄，故障通過多個(gè)部件傳遞后，振動(dòng)能量損失很大，且由于其他機(jī)械振動(dòng)的干擾，直接做沖擊振動(dòng)頻譜分析將不能成功監(jiān)測(cè)到故障，甚至可能會(huì)導(dǎo)致漏診。共振解調(diào)技術(shù)不是直接分析振動(dòng)信號(hào)的頻譜，而是設(shè)置一個(gè)諧振頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)振動(dòng)頻率的“共振器”，去處理振動(dòng)信號(hào)；常規(guī)的、不危害機(jī)器安全的振動(dòng)（如鋼軌的高低起伏引起的機(jī)車振動(dòng)）是柔和的，不含有“共振器”頻帶內(nèi)的頻譜分量，共振器沒有與之相關(guān)的輸出；而故障沖擊不論多么小，也含有幾乎無(wú)限豐富的高頻能量，能夠被共振器吸收發(fā)生共振，就像搖晃車輪不響，而輕輕敲擊車輪卻能發(fā)出很大的聲響一樣，“共振器”能夠敏銳地提取、變換沖擊信息[2]。

故障沖擊振動(dòng)信息經(jīng)傳感器檢測(cè)及電路諧振，得到放大的周期性高頻衰減振動(dòng)。而這些周期性沖擊正是解調(diào)技術(shù)尋找和測(cè)量的目標(biāo)，通過解調(diào)技術(shù)獲得沖擊的幅度和頻率（沖擊間的周期），并將故障引起的沖擊加以放大和展寬，再將放大后的高頻信號(hào)還原到低頻信號(hào)以利于分析，同時(shí)濾掉其他振動(dòng)和干擾。這樣，獲得的時(shí)域波形中就只有故障沖擊振動(dòng)信息，對(duì)其作頻譜分析就可得到與故障沖擊周期相對(duì)應(yīng)的頻率成分及其高次諧波。

共振解調(diào)技術(shù)能有效地剔除“干擾”，提取走行部的故障沖擊信號(hào)，且由于走行部部件特定的故障對(duì)應(yīng)著特定的頻率，可通過對(duì)共振解調(diào)波及其頻譜的分析，就能方便地識(shí)別走行部各部件的故障。

3 牽引電機(jī)軸承常見故障及在JK11430裝置中的特征波形

軸承常見的故障有軸承內(nèi)外環(huán)剝離，軸承保持架磨損、變形、斷裂，軸承滾子剝離等。軸承故障對(duì)機(jī)車走行部的安全構(gòu)成直接危害，當(dāng)機(jī)車牽引電機(jī)軸承故障時(shí)如果處理不及時(shí)，極大可能會(huì)造成軸承固死。HXD1D、FXD1-J 型機(jī)車自配屬上線運(yùn)行后，分析JK11430 數(shù)據(jù)存在多起牽引電機(jī)軸承波形異常信息，通過解體檢查發(fā)現(xiàn)牽引電機(jī)軸承存在真實(shí)故障，對(duì)機(jī)車、CR200J 型動(dòng)車組的正常使用、生產(chǎn)組織等帶來了極大困難，嚴(yán)重影響生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)。

3.1 HXD1D 型機(jī)車牽引電機(jī)傳動(dòng)端軸承常見故障及特征波形

HXD1D 型機(jī)車牽引電機(jī)傳動(dòng)端軸承故障主要表現(xiàn)在軸承滾子剝離、內(nèi)外環(huán)剝離等，下面以HXD1 D0600 機(jī)車12 位軸承為例。

HXD1D0600 機(jī)車回段分析JK11430 數(shù)據(jù)12位存在軸承故障波形，由于該型機(jī)車配屬以來未產(chǎn)生過2 位軸承故障信息，在蘭州車輛段的數(shù)據(jù)分析史上始終是一項(xiàng)空白，為了更好地驗(yàn)證此次故障的真實(shí)性，故對(duì)該機(jī)車的第一齒輪箱油及2 位的傳感器進(jìn)行更換后調(diào)整機(jī)車交路進(jìn)行盯控運(yùn)行。

該機(jī)車前期12 位的故障波形表現(xiàn)為軸承滾子故障，如圖1、圖2 所示。

圖1 軸承滾雙、滾單故障三階譜

圖2 軸承、軸承滾子故障三階譜

根據(jù)軸承滾單、滾雙沖擊數(shù)據(jù)可知，軸承滾單沖擊在46 dB 左右且呈連續(xù)沖擊趨勢(shì)，軸承滾雙在40 dB 左右呈間斷性沖擊趨勢(shì)，沖擊數(shù)據(jù)如圖3 所示。

圖3 軸承滾單、滾雙沖擊數(shù)據(jù)

經(jīng)過跟蹤，機(jī)車運(yùn)行回段后分析JK11430 數(shù)據(jù)，該點(diǎn)位發(fā)生了報(bào)警信息。為了更好地驗(yàn)證軸承故障是否存在，為以后的故障判斷奠定基礎(chǔ)，在考慮行車安全的前提下，通過解體電機(jī)軸承發(fā)現(xiàn)軸承滾子表面磨損、外環(huán)滾道磨損如圖4 所示。

圖4 軸承滾子表面磨損、外環(huán)滾道磨損

3.2 HXD1D 型機(jī)車牽引電機(jī)非傳動(dòng)端軸承常見故障及特征波形

HXD1D 型機(jī)車牽引電機(jī)非傳動(dòng)端軸承故障主要表現(xiàn)在軸承內(nèi)外環(huán)剝離、保持架、球形滾子表面磨損等，下面以HXD1D0319 機(jī)車35 位軸承為例。

HXD1D0319 機(jī)車運(yùn)行回段分析JK11430 數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，該機(jī)車存在35 位軸承預(yù)警信息。從數(shù)據(jù)波形上可以判斷出是保持架對(duì)外環(huán)的沖擊，但保持架對(duì)外環(huán)的沖擊在數(shù)據(jù)分析史上是很少見的故障。由于該型機(jī)車牽引電機(jī)非傳動(dòng)端軸承采用的是深溝球形軸承，對(duì)數(shù)據(jù)分析人員的判斷較為困難，為了驗(yàn)證軸承故障的存在，對(duì)該機(jī)車35 位進(jìn)行了補(bǔ)油處理后短交路盯控運(yùn)行。當(dāng)機(jī)車運(yùn)行回段后產(chǎn)生了更多的軸承預(yù)警信息，同時(shí)分析沖擊趨勢(shì)和溫度[3]，有明顯的上升趨勢(shì)，將該機(jī)車牽引電機(jī)非傳動(dòng)端軸承解體發(fā)現(xiàn)軸承保持架嚴(yán)重磨損，保持架兜孔變大，軸承滾子磨損且油脂變色。

HXD1D0319 機(jī)車3 軸5 位故障波形如圖5 所示。

圖5 保持架故障三階譜

根據(jù)軸承保持架沖擊數(shù)據(jù)可知，軸承滾單沖擊超過44 dB 且呈連續(xù)沖擊趨勢(shì)，沖擊數(shù)據(jù)如圖6 所示。

圖6 保持架沖擊數(shù)據(jù)

同位溫差對(duì)比，3 軸5 位溫度明顯高于其他軸位，比1 軸5 位、2 軸5 位、4 軸5 位均高20 ℃且有溫度持續(xù)偏高現(xiàn)象，溫度進(jìn)一步證實(shí)了該軸軸承故障的存在。

3.3 FXD1-J 型機(jī)車牽引電機(jī)傳動(dòng)端軸承常見故障及特征波形

與HXD1D 型機(jī)車相似，F(xiàn)XD1-J 型機(jī)車牽引電機(jī)傳動(dòng)端軸承故障主要表現(xiàn)在軸承滾子剝離、內(nèi)外環(huán)剝離等，下面以FXD1-J0023 機(jī)車3 軸2 位、2 軸2 位軸承為例。

2019 年6 月7 日，CR200J1-2005 動(dòng)車組（動(dòng)力車：FXD1-J0023）入庫(kù)檢修，數(shù)據(jù)分析人員分析動(dòng)力車走行數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)3 軸2 位內(nèi)環(huán)故障波形明顯、三階譜呈現(xiàn)。基于此類故障在CR200J 型動(dòng)車組上首次發(fā)生，且為了運(yùn)行安全考慮，將此車調(diào)入庫(kù)更換第3軸驅(qū)動(dòng)，故障電機(jī)發(fā)送回廠進(jìn)行拆解檢查，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)3 軸2 位內(nèi)環(huán)有1 處較大剝離。同時(shí)2020 年2月7 日，此車入庫(kù)后，JK11430 數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)動(dòng)力車2 軸2 位同樣出現(xiàn)內(nèi)環(huán)故障波形明顯、三階呈現(xiàn)，故障波形與前期3 軸2 位相似。為了更好地驗(yàn)證故障的真實(shí)性，更換第2 軸驅(qū)動(dòng)，將故障電機(jī)發(fā)送回廠進(jìn)行拆解檢查，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)2 軸2 位軸承內(nèi)環(huán)剝離嚴(yán)重，存在斷裂脫落風(fēng)險(xiǎn)。

FXD1-J0023 機(jī)車3 軸2 位、2 軸2 位故障波形及解體檢查如圖7-10 所示。

圖7 3 軸2 位三階譜

圖8 2 軸2 位三階譜

圖9 3 軸2 位軸承內(nèi)環(huán)剝離

圖10 2 軸2 位軸承內(nèi)環(huán)剝離

4 牽引電機(jī)軸承故障處理方法的探討

由于牽引電機(jī)使用的是交流電機(jī)，在運(yùn)行中產(chǎn)生較大的電磁干擾，對(duì)JK113430 機(jī)車走行部車載監(jiān)測(cè)裝置數(shù)據(jù)采集干擾較嚴(yán)重，在數(shù)據(jù)分析過程中不容易分辨故障波形，給現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)帶來了極大的困擾，經(jīng)過大量數(shù)據(jù)分析及現(xiàn)場(chǎng)解體情況來看，當(dāng)機(jī)車牽引電機(jī)發(fā)生報(bào)警信息時(shí)，可以借鑒以下處理方法。

4.1 牽引電機(jī)傳動(dòng)端軸承報(bào)警

當(dāng)牽引電機(jī)傳動(dòng)端軸承發(fā)生預(yù)報(bào)警信息或者有故障波形時(shí)，一是通過數(shù)據(jù)判斷是否存在干擾，如有干擾，更換傳感器后短交路盯控運(yùn)行。故障未消除時(shí)建議更換齒輪箱潤(rùn)滑油后繼續(xù)短交路盯控運(yùn)行，若出現(xiàn)沖擊報(bào)警且沖擊趨勢(shì)連續(xù)，軸承故障波形清晰，則更換牽引電機(jī)傳動(dòng)端軸承。二是如若無(wú)干擾，分析數(shù)據(jù)沖擊趨勢(shì)連續(xù)，軸承故障波形清晰，則更換牽引電機(jī)傳動(dòng)端軸承。

4.2 牽引電機(jī)非傳動(dòng)端軸承報(bào)警

當(dāng)牽引電機(jī)非傳動(dòng)端軸承發(fā)生預(yù)報(bào)警信息或者故障波形時(shí)，一是對(duì)該牽引電機(jī)非傳動(dòng)端軸承進(jìn)行補(bǔ)油處理，調(diào)整機(jī)車短交路盯控。若后續(xù)產(chǎn)生沖擊報(bào)警信息，則建議更換電機(jī)軸承。二是對(duì)電機(jī)軸承補(bǔ)油處理盯控完畢后未產(chǎn)生報(bào)警信息，則繼續(xù)盯控溫度及沖擊變化趨勢(shì)，后續(xù)如若出現(xiàn)軸承溫度升高并故障沖擊趨勢(shì)上升，則建議更換電機(jī)軸承。

5 小結(jié)

隨著國(guó)家鐵路建設(shè)的迅速發(fā)展，生產(chǎn)力布局調(diào)整，“長(zhǎng)交路、輪乘制”成為我國(guó)鐵路機(jī)車、動(dòng)車組運(yùn)用的普遍趨勢(shì)，單程不停車長(zhǎng)交路運(yùn)行距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了3 000km，以前的機(jī)車、動(dòng)車組檢修方式已經(jīng)不適應(yīng)于當(dāng)前運(yùn)用方式的需求，需要更高的科技手段來保駕護(hù)航。JK11430 機(jī)車走行部車載監(jiān)測(cè)裝置對(duì)不易診斷、測(cè)量、檢查的故障能夠?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，這是對(duì)走行部故障進(jìn)行預(yù)防維修、提前維修的有力支持，在避免漏修失修的同時(shí)也避免了過度維修，為機(jī)車、動(dòng)車組狀態(tài)維修創(chuàng)造了條件，運(yùn)行安全得到了有效保障，對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)秩序的穩(wěn)定提供了有力的保證。