車輛走行部車載故障診斷系統(tǒng)應(yīng)用與實(shí)踐

王鵬宇，王 峻

(蘭州市軌道交通有限公司，甘肅 蘭州 719300)

根據(jù)地鐵、鐵路等輪軌行業(yè)歷年來運(yùn)營(yíng)狀況，走行部機(jī)械故障直接決定列車運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性，現(xiàn)階段輪軌行業(yè)車輛走行部關(guān)鍵部件依靠人耳聽、目視等常規(guī)的方法進(jìn)行巡視檢查。一旦走行部關(guān)鍵部件故障，輕則抽線、清客、救援、停運(yùn)，重則導(dǎo)致災(zāi)難性事故。輪軌行業(yè)鋼軌波磨是普遍性的，且出現(xiàn)早、范圍大、數(shù)量多、發(fā)展快，通常采用常規(guī)養(yǎng)護(hù)維修手段無法徹底解決，嚴(yán)重影響并制約運(yùn)營(yíng)安全、服務(wù)質(zhì)量及維修養(yǎng)護(hù)。本文以某地鐵電動(dòng)客車車輛走行部車載故障診斷系統(tǒng)應(yīng)用為例，通過數(shù)據(jù)分析、趨勢(shì)研判優(yōu)化修制修程，改善輪軌匹配關(guān)系，降低維修成本，提高車輛穩(wěn)定性的嘗試，闡述盡快開展走行部關(guān)鍵部件安全監(jiān)測(cè)、輪軌關(guān)系狀態(tài)監(jiān)測(cè)的必要性。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

走行部故障診斷系統(tǒng)由車載在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)、地面信息分析管理系統(tǒng)組成[1]。其主要實(shí)現(xiàn)功能如下：走行部關(guān)鍵部件在線診斷，實(shí)現(xiàn)故障早期預(yù)警和分級(jí)報(bào)警；數(shù)據(jù)在地面實(shí)現(xiàn)詳細(xì)分析、歷史趨勢(shì)分析、統(tǒng)計(jì)分析、橫向?qū)Ρ确治龅?，為走行部維護(hù)提供決策；輪軌振動(dòng)、沖擊信息的實(shí)時(shí)連續(xù)采集與運(yùn)行位置公里標(biāo)自動(dòng)定位，數(shù)據(jù)在地面可實(shí)現(xiàn)輪軌振動(dòng)、波磨等詳細(xì)分析，通過對(duì)線路狀態(tài)的監(jiān)測(cè)、跟蹤，掌握線路狀態(tài)，為軌道維護(hù)提供決策；從輪軌振動(dòng)、沖擊數(shù)據(jù)，線路振動(dòng)，線路波磨區(qū)間綜合統(tǒng)計(jì)分析。

1.1 系統(tǒng)介紹

走行部與輪軌狀態(tài)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一種走行部安全監(jiān)測(cè)裝備，通過安裝在走行部關(guān)鍵部件上的復(fù)合傳感器，同時(shí)監(jiān)測(cè)沖擊、振動(dòng)、溫度等物理量，并通過基于廣義共振與共振解調(diào)的故障診斷技術(shù)，實(shí)現(xiàn)走行部關(guān)鍵部件的車載在線實(shí)時(shí)診斷，對(duì)于故障實(shí)現(xiàn)早期預(yù)警和分級(jí)報(bào)警，準(zhǔn)確指導(dǎo)車輛的運(yùn)用和維修[2]。

1.2 系統(tǒng)方案

某地鐵電動(dòng)客車為A 型車；

編組形式：-Tc*Mp*M-M*Mp*Tc-；

a) Tc：帶司機(jī)室拖車；

b) Mp：帶受電弓動(dòng)車；

c) M：不帶受電弓動(dòng)車；

d)-：半自動(dòng)車鉤；

e) *：半永久牽引桿。

最高運(yùn)營(yíng)速度：80km/h

1.3 系統(tǒng)構(gòu)成

1.3.1 車載系統(tǒng)

車載系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)走行部關(guān)鍵部件的沖擊、振動(dòng)、溫度3 個(gè)物理量，采用“一主六分”的控制形式，由1 臺(tái)列車主機(jī)、1 臺(tái)移動(dòng)通信模塊、6 臺(tái)車輛分機(jī)、28 臺(tái)前置處理器與80 只復(fù)合傳感器組成本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，全列車由貫通的屏蔽雙絞電纜組成總線通信網(wǎng)絡(luò)，形成數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)和轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)，列車主機(jī)可通過MVB 將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息和診斷報(bào)警信息傳輸給列車TCMS，車載系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 車載系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.3.2 地面系統(tǒng)

地面系統(tǒng)由數(shù)據(jù)庫(kù)、后臺(tái)應(yīng)用程序及城軌車輛走行部在線監(jiān)測(cè)與健康評(píng)估系統(tǒng)組成。用于對(duì)走行部車載故障診斷系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、導(dǎo)入、分析、評(píng)估。車載系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過下載及轉(zhuǎn)儲(chǔ)方式進(jìn)入到地面系統(tǒng)（如圖2 所示）。

圖2 地面系統(tǒng)應(yīng)用示意圖

1.4 走行部故障診斷系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)配置及安裝

理論上電動(dòng)客車屬多剛體運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，其振動(dòng)主要受輪軌耦合產(chǎn)生的沖擊造成[3]，某地鐵A 型電客車轉(zhuǎn)向架為無搖枕結(jié)構(gòu)，采用傳統(tǒng)的H 型構(gòu)架，每個(gè)轉(zhuǎn)向架的兩個(gè)空氣彈簧支承著車體的重量，一系懸掛由一對(duì)圓錐形金屬橡膠彈簧組成，在車體和轉(zhuǎn)向架之間采用單牽引拉桿傳遞牽引力和制動(dòng)力。根據(jù)安裝設(shè)備的不同，轉(zhuǎn)向架主要分為動(dòng)車轉(zhuǎn)向架和拖車轉(zhuǎn)向架，結(jié)合該型轉(zhuǎn)向架的特點(diǎn)如下：輪軌耦合產(chǎn)生的沖擊、一系彈簧的剛度、垂向、橫向、抗蛇形減震器阻尼、空氣彈簧的阻尼、牽引桿彈性節(jié)點(diǎn)剛度等等。結(jié)合上述特點(diǎn)科學(xué)合理的在轉(zhuǎn)向架上設(shè)置測(cè)點(diǎn)，采用沖擊、振動(dòng)、溫度復(fù)合傳感器，具體測(cè)點(diǎn)設(shè)置見表1。

表1 測(cè)點(diǎn)配置

2 走行部與輪軌狀態(tài)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用

為實(shí)時(shí)、高效、同步地安全監(jiān)測(cè)走行部和輪軌狀態(tài)，降低工作人員的檢測(cè)和維保強(qiáng)度，某地電動(dòng)客車的走行部故障診斷系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)為軌道、車輛提供維修支持[4]。某地鐵技術(shù)人員通過定期的數(shù)據(jù)分析及評(píng)估，在走行部車載故障診斷、軌道狀態(tài)診斷方面取得一定的效果，為后期智能運(yùn)維提供可行性的決策建議[5]。

診斷案例1：走行部故障診斷系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)新增亞健康踏面2 處。

每列車走行部在線監(jiān)測(cè)評(píng)估通48 個(gè)軸箱監(jiān)測(cè)點(diǎn)、16 個(gè)齒輪箱監(jiān)測(cè)點(diǎn)、16 個(gè)電機(jī)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集分析，結(jié)合歷史趨勢(shì)、專家案例庫(kù)數(shù)據(jù)，對(duì)車輛走行部運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行綜合判斷與評(píng)估，以車輪踏面評(píng)估為例，對(duì)車輪踏面健康評(píng)估檢測(cè)，本次檢測(cè)共檢測(cè)踏面192 個(gè)，新增2 個(gè)亞健康踏面見表2。

表2 車輪踏面健康評(píng)估檢測(cè)

圖3 為該車輪時(shí)域波形圖、頻譜圖、診斷抽象譜圖所示為A0071 車4 軸8 輪踏面亞健康波形圖，采樣點(diǎn)轉(zhuǎn)速為305r/min，10dT=4.8309ms 時(shí)域波形圖,dF-2.5269Hz 電機(jī)頻率（3653.7306.109.59Hz）頻譜圖，對(duì)該輪監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示均值-1.59g，失圓量0.50mm。

圖3 車輪踏面亞健康波形圖

圖4 所示跳動(dòng)量峰值為3.38mm 的跳動(dòng)量。結(jié)合圖1、圖2 數(shù)據(jù)綜合分析得出A0071 車4 軸8 輪輪徑測(cè)量橫斷面的最大值和最小值的差值達(dá)到0.50mm，踏面失圓波形明顯。

圖4 A0071 車4 軸8 輪失圓徑向跳動(dòng)量

輪對(duì)踏面失圓量直接影響車輛運(yùn)行穩(wěn)定性，在正常運(yùn)行中促使車輛的橫向、縱向和垂直振動(dòng)不在三分之一范圍的倍頻帶、跨越1～40Hz 范圍的加速度值，超越ISO2631 中關(guān)于1h 乘坐舒適度邊界條件的規(guī)定[6]。踏面失圓致使車輪跳動(dòng)值較大，失圓車輪等同于多邊體車輪，該多邊體車輪的每一個(gè)邊與鋼軌接觸，均發(fā)生一次沖擊，鋼軌受到下沖力，車輪受到上沖力，多邊體車輪不斷前進(jìn)滾動(dòng)，就會(huì)與鋼軌產(chǎn)生周期性的沖擊，嚴(yán)重?fù)p害車輪及線路，降低車輛運(yùn)營(yíng)品質(zhì)?；谏鲜鰷y(cè)量結(jié)果，回廠后要進(jìn)行復(fù)測(cè)，測(cè)量結(jié)果與走行部與輪軌狀態(tài)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相一致，做跟蹤觀察處理，防止失圓進(jìn)一步惡化而影響車輛運(yùn)營(yíng)品質(zhì)。

診斷案例2：軌道線路狀態(tài)變化趨勢(shì)分析評(píng)估。

本案例針對(duì)某地鐵K8km+192m 至K33km+720.566m 區(qū)間的輪軌振動(dòng)、沖擊數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集分析，從而給出軌道狀態(tài)的評(píng)估。本次振動(dòng)輸出門限值亞健康判定標(biāo)準(zhǔn)為5g，不健康標(biāo)準(zhǔn)為6.33g。通過數(shù)據(jù)分析判斷：本次監(jiān)測(cè)區(qū)段的數(shù)據(jù)反映某地鐵無振動(dòng)突變或異常區(qū)間，亦無波磨區(qū)間，線路狀態(tài)評(píng)估良好。針對(duì)選取的行車數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，反映線路中的輪軌振動(dòng)狀態(tài)。

圖5 所示為K8km+192m 至K33km+720.566m 區(qū)間上行左軌振動(dòng)有效值的趨勢(shì)圖，直接反應(yīng)了該區(qū)間線路振動(dòng)情況，區(qū)間最大有效值，所有區(qū)間最大有效值為2.29g，出現(xiàn)在K17km+146.692m-K18km+054.171m區(qū)間內(nèi)，按照本次振動(dòng)輸出門限值亞健康判定標(biāo)準(zhǔn)為5g，不健康標(biāo)準(zhǔn)為6.33g，上行左軌狀態(tài)良好。

圖5 上行左軌振動(dòng)有效值趨勢(shì)圖

圖6 所示為某地鐵K8km+192m 至K33km+720.566m 區(qū)間上行右軌振動(dòng)有效值的趨勢(shì)圖，振動(dòng)加速度有效值最大的路段處于K24km+060.445m 至K25km+029.800m 區(qū)間，振動(dòng)加速度有效值為6.19g，次之為K9km+772.000m 至K12km+111.547m 區(qū)間，振動(dòng)加速度有效值為5.78g，第三為K15km+140.063m 至K17km+146.692m 區(qū)間，振動(dòng)加速度有效值為5.1g。按照本次輸出門限值的標(biāo)準(zhǔn)，K9km+772.000m 至K12km+111.547m 區(qū)間，K15km+140.063m 至K17km+146.692m 區(qū)間為亞健康狀態(tài)，K24km+060.445m 至K25km+029.800m 區(qū)間接近不健康狀態(tài)。

圖6 上行右軌振動(dòng)有效值趨勢(shì)圖

圖7 為本次上行左軌-振動(dòng)有效值趨勢(shì)對(duì)比圖，從圖中可以明發(fā)現(xiàn)K24km+060.445m 至K25km+029.800m 區(qū)間站由上次亞健康狀態(tài)振動(dòng)加速度有效值5.56g，變?yōu)榻咏唤】禒顟B(tài)振動(dòng)加速度有效值6.19g；K9km+772.000m 至K12km+111.547m區(qū)間由上次健康狀態(tài)振動(dòng)加速度有效值4.75g 突變?yōu)閬喗】禒顟B(tài)振動(dòng)加速度有效值為5.78g；K15km+140.063m 至K17km+146.692m 區(qū)間由上次上次健康狀態(tài)振動(dòng)加速度有效值4.74g 突變?yōu)閬喗】禒顟B(tài)振動(dòng)加速度有效值為5.1g。

圖7 上行左軌-振動(dòng)有效值趨勢(shì)對(duì)比圖

上述案例可以看出，監(jiān)測(cè)輪軌情況，根據(jù)輪軌振動(dòng)檢測(cè)數(shù)據(jù)來判斷輪軌的狀態(tài)，并進(jìn)行輪軌健康狀態(tài)評(píng)估，通過變化趨勢(shì)將原有的計(jì)劃修變?yōu)闋顟B(tài)修，可以提高維修效率，延長(zhǎng)鋼軌、輪對(duì)壽命，對(duì)跳動(dòng)量的狀態(tài)變化監(jiān)測(cè)，地鐵技術(shù)人員有效的結(jié)合走行部振動(dòng)檢測(cè)數(shù)據(jù)，依據(jù)該系統(tǒng)給出的維修指導(dǎo)意見實(shí)施經(jīng)濟(jì)鏇，延長(zhǎng)車輪壽命。

3 結(jié)語

城市軌道交通行業(yè)實(shí)現(xiàn)走行部故障診斷系統(tǒng)與車輛的組網(wǎng)融合[7]；實(shí)現(xiàn)走行部地面分析與管理系統(tǒng)與車輛故障管理系統(tǒng)的組網(wǎng)融合需求十分迫切[8]。對(duì)振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)用實(shí)踐分析及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用研究，走行部地面分析與管理系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)，基本可以達(dá)到診斷準(zhǔn)確、軟件易用、圖形界面合理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)輸出便利的目標(biāo)。結(jié)果表明：

（1）通過預(yù)定的振動(dòng)、沖擊、溫度參數(shù)指標(biāo)實(shí)時(shí)在線診斷走行部狀態(tài)，根據(jù)采集數(shù)據(jù)的提取特征、故障診斷、趨勢(shì)分析及健康狀態(tài)評(píng)估，結(jié)合評(píng)估結(jié)果給出相應(yīng)的維修建議，技術(shù)人員根據(jù)建議實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛走行部及軌道不良狀態(tài)精準(zhǔn)維修施策。

（2）通過數(shù)據(jù)分析運(yùn)算，預(yù)測(cè)壽命，結(jié)合修程修制、維修方式等信息，為合理安排生產(chǎn)任務(wù)和維修計(jì)劃提供信息支撐。

（3）走行部振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)輪軌振動(dòng)實(shí)時(shí)檢測(cè)功能可客觀地反映輪軌適配狀態(tài)，為車輛和工務(wù)兩個(gè)專業(yè)提供關(guān)聯(lián)分析的參考數(shù)據(jù)。

（4）由于維修天窗有限，維修人、機(jī)、物有限，系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集分析有助于對(duì)維修資源的統(tǒng)籌安排，按照區(qū)段超限點(diǎn)健康狀態(tài)及其峰值，研判趨勢(shì)變化程度確定維修順序，并針對(duì)性的制定施工維修計(jì)劃。

（5）電動(dòng)客車配置牽引電機(jī)輸出端軸承、齒輪箱軸承、軸箱軸承的在線檢測(cè)裝置，該裝置不僅能檢測(cè)軸承溫升，還能檢測(cè)軸承的振動(dòng)和沖擊，實(shí)現(xiàn)早期預(yù)警、分級(jí)報(bào)警。對(duì)走行部軸承、齒輪、踏面故障的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，減少損傷累積，讓走行部狀態(tài)及輪軌關(guān)系可控、受控、再控[9]。

（6）系統(tǒng)建立的列車走行部故障診斷與安全監(jiān)測(cè)的歷史及趨勢(shì)數(shù)據(jù)庫(kù)，管理車載系統(tǒng)的行車數(shù)據(jù)，通過車輛走行部在線監(jiān)測(cè)與健康評(píng)估系統(tǒng)進(jìn)行歷史檔案管理和趨勢(shì)分析，便于運(yùn)用和檢修人員掌握列車走行部故障發(fā)生發(fā)展的過程，并根據(jù)系統(tǒng)給出的維修指導(dǎo)建議來實(shí)施維護(hù)和維修作業(yè)。