高速列車轉向架振動特性分析

顏秀珍　何發勝

關鍵詞： 數據采集和診斷系統 高速列車 特性分析 轉向架

中圖分類號： U453 文獻標識碼： A 文章編號： 1672-3791（2023）15-0076-04

安全是軌道交通在發展過程中時刻要謹記的第一要義。如何兼顧安全性與高速化、智能化與經濟性，是軌道交通發展中的永恒課題。目前，國內外的主流檢修方式是定期檢修，即按一定的時間（或里程）對列車進行規定的不同程度的檢修（以先到為準）。以CRH380A 為例，一共分為一級修、二級修、三級修、四級修和五級修共5 種不同程度的檢修。其中：一級修的間隔為里程達5 000±500 km 或時間達48 h；二級修的間隔為3 萬km 或30 d；三級修的間隔為60 萬km 或1.5 年；四級修的間隔為120 萬km 或3 年；五級修的間隔為240 萬km 或6 年。一方面，這種檢修方式容易管理，容易操作，對員工的要求也不高；另一方面，由于其發生在零部件未發生故障的階段，所以經濟性較差，容易造成場地、人員和資源浪費。

在列車上的某些位置安裝傳感器，對列車進行實時監控，可以及時發現運行中的故障，不僅可以提高列車運行的安全性，減少運行中的突發安全事故，還可以對現有的定期修提出一定的優化建議。對原始振動數據進行深入有效挖掘，還可以找到零部件的退化規律，進一步指導列車的設計和生產。因此，此監測方法在軌道交通現場和科研領域均有廣泛的適用性。

1 研究意義

軌道交通正朝著高速、智能化和輕量化發展，各種新材料和智能技術的出現，使高速列車設備越來越智能。為保證列車運行的安全性，每隔一段時間或運行一段里程就要對列車進行一定程度的檢修。目前，國內外的檢修方式主要是以計劃修為主，即在列車發生故障前就對其進行檢修，這種檢修方式容易實現，對技術的要求低，可以很好地保障列車的安全運行。由于這種檢修是零部件未發生故障時的定期日常檢修，勢必會造成很大的人力資源和場地浪費。除此之外，由于線路狀況、零部件自身性能差異與實際運行時長的不同，有些零部件狀態還很好就被檢修換下，也就造成了很大的設備浪費。由于以上因素，國內外一直在研究一種更科學、更合理的檢修方式——狀態修。這種檢修方式基于對零部件的實時監測，能及時發現零部件的病變過程，在其影響列車安全運行前就將其更換，具有更大的靈活性和經濟性，但同時也對檢修基地和監測手段提出了更高的要求。

列車上有成千上萬個零部件，不同的零部件安裝位置不同、功能不同，重要程度也各不相同。列車上最應該注意的是能夠直接影響行車安全的零部件。

車體下的轉向架在列車行車安全中起到非常重要的作用，尤其是齒輪箱、電機、軸箱等關鍵部件，其狀態是否良好直接決定行車是否安全。而齒輪箱、電機、軸箱等關鍵部件的振動加速度可以很好地表征其自身的狀態，因此，在不影響行車安全的前提下，通過在轉向架的關鍵部件上安裝振動傳感器，獲取部件的振動數據，可以很好地實現對其狀態的監測。通過對海量的振動數據進行特征分析和數據處理，挖掘其隱藏的退化規律，從而實現對列車的安全評估。

目前，國內外大部分針對轉向架的狀態評估都是在仿真軟件上進行，如ANSYS 和SIMPACK。這種評估方法容易實現，但是無法很好地模擬線路的實際路況和轉向架各個零部件的真實運行情況和各自影響關系，導致最好的模擬結果在實際現場并無多大用處。在此情況下，基于車載振動數據進行高速列車轉向架的安全評估，并進一步反演識別，進行高速列車的實時故障診斷，具有非常重要的現實意義。

2 國內外研究現狀

隨著軌道交通在世界范圍內的快速發展，高速列車服役過程的安全評估、故障診斷、行車安全監測和列車PHM 等安全相關的研究引起了各國的廣泛重視。特別是進入21 世紀，隨著高速列車運行速度的不斷提高，國內外高鐵廠商、科研人員及學者進行了很多關于列車安全性的模擬仿真、試驗和分析研究。在高速列車運行里程最長、高鐵發展速度最快的我國和世界上第一條高速鐵路所在地的日本，都有各種安全保障體系來保障列車的行車安全，包括線路監測預警系統、自然災害監測預警系統、行車監測預警系統、高速列車修程修制、防脫軌和耐碰撞技術[1-2]，以上這些安全保障體系可以對列車行車中的各種故障進行數據采集、分析、報警，以保障行車安全[3]。

目前，主流的監測方法是在關鍵部位上安裝振動傳感器，實時采集、傳輸列車在正常運營過程中的振動數據、速度數據、溫度數據和加速度數據等[4]。傳感器源源不斷地采集列車運行數據，基于此，進行數據分析，特征提取，挖掘隱含在海量數據中的有用信息，從而分析出列車目前的安全狀態。但是，此類安全監測系統仍存在自成一體的問題[5]，且監測對象僅包括軸箱等重點零部件，未能實現全方位、360 度監測，包括對檢測數據的特征提取的準確度等問題。

我國在保障列車的行車安全上做了很多工作。從大的方面來說，我國的安全保障體系分成3 個部分：（1）既有線上鐵道車輛的安全保障體系；（2）高速動車組安全保障體系；（3）城軌交通安全保障體系。

既有線上的保障體系主要包括地對車安全保障體系、車對車安全保障體系、行車人員安全保障體系、自然災害報警體系、行車安全救急等部分組成。城軌車輛的安全保障體系指的是地鐵在運行全過程中的實時保障。高速動車組的安全保障體系主要包括：（1）列車網絡安全監測系統，通過TCN 列車通信網絡，經過MVB、WTB 將傳感器等采集的信息匯總到司機室，并進行處理分析、顯示、報警；（2）動車組行車安全監控系統、重要裝備傷損安全監測與報警系統、信號、調車安全保障系統、針對地面，線路、隧道的行車安全保障系統，還有自然災害監測與報警系統，應急故障處理系統等，這些系統可以實時監測列車的安全狀態，預警危險情況，并實時報警；（3）針對修程修制的質量保障系統。這些安全體系的建立，確保了列車的安全運營，為我國鐵路事業的發展提供了基本保障。然而，還是存在一些可以繼續改進提高的地方。例如：現存的保障手段很少是針對列車上關鍵零部件的在線實時監測，無法做到隨時了解、分析和評估高速列車的運行狀態，地對車的安全監測設備數量有限等問題。

總體來說，目前國內外針對列車行車安全數據的分析還比較零散，且無系統性、通用型的處理方法和技術。同時，許多工作在電腦軟件上通過虛擬仿真完成，實際運用中發現對實際行車幾乎無指導意義。實際上，利用大數據分析方法，對海量數據進行分析處理，在此基礎上完成的數據分析才有真實意義[6]。

3 研究方法

3.1 研究目標和內容

本研究的主要工作是基于車載檢測數據，對高速列車轉向架進行安全評估和故障診斷。

擬選取一列CRH1A 型動車組和一列CRH1A-A 型動車組作為跟蹤試驗動車組（以下簡稱跟蹤動車組），在跟蹤動車組軸箱、齒輪箱和牽引電機上加裝振動、溫度一體式傳感器，車廂內加裝數據采集和診斷系統。

擬通過采集跟蹤動車組在運行工況下，重軸承、輪對、齒輪箱和牽引電機的車載振動數據、靜態檢測數據、檢修數據、溫度數據，基于信號分析和數據驅動算法，分析轉向架不同部件間振動加速度的相互關系。

擬通過采集動車組在運行工況下，軸承、齒輪箱和牽引電機溫度數據，研究列車在不同工況、線路條件、環境溫度下的溫度趨勢變化曲線，預期建立基于LSTM模型的溫度預測算法，提出與部件實際運用工況匹配的溫度報警閾值和報警策略。

3.2 試驗方案

擬在車廂內加裝數據采集和診斷系統，系統的車載檢測處理部件主要是由車載主機、前置處理器和各種傳感器組成。各檢測處理部件主要安裝在車下設備艙與各部件的檢測點上，具體的安裝方案如下。頭車Mc 的主機與1 號轉向架的前置處理器，安裝在頭車底架的設備艙中，2 號轉向架的前置處理器安裝在轉向架二位端的端部設備艙中。另外，因為餐車的端部設備艙已放沙箱，所以餐車上的主機和前置處理器都安裝在車下設備艙內。除此以外，其余所有車輛的車載主機與前置處理器均安裝在本節車車底架的端部設備艙內。為固定主機，安裝時采用專用安裝支架。同時，1 號轉向架與2 號轉向架的前置處理器分別安裝在一位端與二位端底架端部設備艙中。主機只需安裝在其中一個設備艙中，具體安裝位置需根據車輛設備艙內布置進行確定。

項目轉向架在線監測系統拓撲及具體裝車方案如圖1、圖2、圖3 所示。

該系統為單獨系統，不接入動車組已有的系統，不會影響列車的正常運行。各個設備分別安裝在1～8 號車上，并且各個車輛自成小系統，車輛之間不增加跨接電纜，需要給各個車輛提供單獨的轉速信號。

除了車載主機和處理器，系統里還有起到數據檢測的傳感器，傳感器均分布在轉向架的監測點上。其中動車上1 號和2 號轉向架上各有8 個軸箱復合傳感器、2 個齒輪箱復合傳感器、2 個電機復合傳感器，除此以外，還有個三向加速度振動傳感器。另外，1 號轉向架上還有1 個軸端速度傳感器，2 號轉向架沒有。

拖車上的傳感器數量比動車數量少很多，其每節車廂傳感器的分布情況為：車廂上各有2 個轉向架，每個轉向架各有8 個軸箱復合傳感器和1 個三向加速度振動傳感器。除此以外，1 號轉向架還有個軸端速度傳感器。

每個轉向架配置一個前置處理器，一個失穩三向加速度振動傳感器。

每節車廂需安裝的設備類型、數量和位置匯總如表1 所示。

4 結語

本文試圖在對現有轉向架振動特性研究現狀進行分析總結的基礎上，歸納、總結，試圖提出更適合高速列車的振動特性分析方案和系統布局方法，希望能在不影響列車正常運行的基礎上找到一種更優的方案。在后續進一步的研究中，可以基于此方案獲取的檢測數據對其進行數據分析、特征提取，從而進一步找到轉向架關鍵部件的退化規律，進一步對現有檢修制度提出相應的優化建議。