淺談共振解調技術在鐵道機車走行部故障診斷的應用

文/王敬

走行部作為機車的機械部分，承擔著承重、導向、傳力、緩沖的作用，在列車運行過程中，機車走行部可能出現齒輪斷裂、軸承故障、輪對擦傷等故障，嚴重影響鐵道機車的安全平穩運行，機車走行部在運動過程中會產生大量的振動信號，而故障會通過各種振動展現表現出來，并且反應出走行部故障的嚴重程度，通過振動信號去判斷分析機車走行部是否故障并作出決策是保證機車安全運行的重要方式，本文根據共振解調技術對機車走行部進行故障診斷分析，并給出解決措施，從而確保機車走行部運行平穩與安全。

1.概述

鐵道機車走行部承擔著支撐車體并沿鋼軌走行的關鍵作用，直接決定列車的運行安全。機車走行部主要由構架、輪對軸箱裝置、彈性懸掛裝置、牽引裝置、制動裝置、附屬裝置等部件組成[1]。其中構架是機車轉向架的安裝基礎，同時承受、傳遞車體與軌道間的作用力，主要由牽引梁、后梁、側梁、中梁組成。輪對軸箱裝置由車輪、車軸、軸箱裝置組成，其中車輪是車輛最終受力配件，它把機車的載荷傳給鋼軌，并在鋼軌上轉動，實現機車在鋼軌上的走行，其性能的好壞，直接影響行車安全。軸箱裝置用來安裝輪對并與構架連接在一起，用來傳遞機車的垂向力，實現列車的直線運動。彈性懸掛裝置分別安裝在軸箱裝置與構架之間（一系懸掛）和構架與車體之間（二系懸掛），用于緩和并減少車輛行駛時的振動和沖擊，提高機車運行的平穩性和舒適性。綜上所述，機車走行部是由各功能不同的關鍵部件組合而成的整體，而各個部件的運用狀態的是否良好直接關乎機車的運用安全。由于機車走行部在運動過程中會產生大量的振動信號，因此利用共振解調技術，研究機車走行部的各部件運行狀態與故障診斷信號之間的聯系，通過車載檢測裝置地面數據分析管理軟件對機車各關鍵振動部件進行影像分析和研判，監測設備運行狀態并對故障進行報警，以達到實時掌握機車走行部運行狀態，從而有效降低機車走行部機械故障帶來的運行安全風險[1]。本文詳細介紹了共振解調技術的原理，并將技術運用于機車走行部故障檢測中，根據預警級別給出決策依據，確保機車運行安全。

2.問題提出

目前，機車乘務員出乘前，需要利用檢點錘對機車走行部進行檢查，對于14mm以上的緊固螺栓、一系圓簧裝置以及容易發生斷裂的部件，利用檢查錘對零部件進行敲擊，通過發出的聲音或者依靠錘柄振動大小的經驗感覺來判斷螺栓是否緊固或部件是否有斷紋，對于一些較細的管子和卡子、14mm及其以下的螺栓、螺釘則依靠錘觸來判斷[2]。通過錘擊和錘觸的檢查方法，確保機車走行部的運用狀態，以此作為機車是否具備出庫的依據。但是細微的裂紋、故障難以直接通過以上方法依靠經驗直接判斷，可能導致機車在線路上高速運行發生較為嚴重的事故。因此，如何加強對機車走行部關鍵部件的實時故障診斷，科學指導機車乘務員途運行中發生故障后提供決策依據及機車回庫后對故障部件進行精準檢修是有待研究的問題。

3.共振解調的原理及特征

機械部件在載荷的反復作用下，會出現比較復雜的振動，不管是轉子不平衡或機械的振動信號都有不同的沖擊信息，而旋轉的機械設備故障產生的沖擊是較為集中的沖擊脈沖，這種沖擊脈沖較多是幅值小、寬度窄的信號，這些信號受干擾導致不能準確捕捉，因此不能直接提取故障信息。通過在檢測裝置中設置一個高頻振動與之相互作用產生共振現象，使頻譜出現較高的幅值，利用帶通濾波器將低頻信號濾除，得到含有故障的高頻共振固有信號，運用包絡信號解調法除去干擾或者沒用的信號，把得到的包絡信號通過傅里葉變換獲取頻譜，結合走行部關鍵部件的故障頻率與計算得到的頻譜進行比對分析，從而判斷出走行部的故障類型和故障位置。借助共振解調僅對異常沖擊選擇性、共振現象信號放大波及軸承等故障體現出對應性、放大性、比例性、低頻性、多階性等物理特性，通過共振解調波就能精確識別軸承運轉異常、齒輪運轉異常、焊接軌道接頭（墊片）的強力沖擊等，并且能夠消除“干擾信號”，通過車載檢測裝置地面數據分析管理軟件進行影響分析，構建一套數據圖表，以量和質兩個維度對設備進行故障定性，從而提供檢修決策。

4.機車走行部常見故障類型

由于機車走行部在設計上結構和作用基本相同，根據從事現場多年鐵道機車駕駛的經驗來分析，常見機車走行部故障包括輪對踏面故障、軸承故障、傳動齒輪故障等類型。下面對幾種常見故障現象進行判斷及運行中機車乘務員的應急辦法進行闡述。

4.1輪對踏面故障。輪對作為機車走行部的最終受力部件，承受著來自機車的垂向載荷與鋼軌接觸產生的雙重沖擊，因此車輪故障常見的故障表現形式是擦傷和剝離。出現輪對故障后，會出現走行部有異音，產生非正常振動，從而打傷鋼軌，導致行車事故。

4.2軸箱軸承故障。機車走行部采用滾動軸承，可以降低車輛起動阻力和運行阻力，改善走行部工作條件，降低運行成本。而軸承故障后會出現軸箱變色、生煙，嚴重時會導致軸承固死，直接影響行車安全，機車乘務員常用的判斷方法是停車后根據手背觸摸部件的持續停留時間去判斷部件溫度。

4.3傳動齒輪故障。機車的動力產生是利用牽引電機，通過齒輪傳遞到車軸，從而使輪對旋轉，因此傳動齒輪直接關乎列車的運行安全，傳動齒輪發生故障后，會出現異音、抖動現象，因此，需要機車乘務員獨立去判斷是否有故障。

5.共振解調技術的運用

5.1 JK00430型機車走行部監測裝置。機車在出庫前或者在運行過程中，往往是根據機車乘務員自身經驗去檢查判斷機車走行部是否存在故障或者是對已經發生的故障進行研判處置，具有很強的專業性，并且是出現故障后才能發現，難以通過細微故障進行提前干預，不利于行車安全。因此，北京唐智公司開發的JK00430走行部監測裝置，利用共振解調技術對振動信號的特性，研究共振解調波及其頻譜，判斷機械旋轉設備是否產生非正常振動沖擊，從而精準識別故障。

5.1.1信號采集。確保精準對走行部故障進行分析，必須對故障進行精密診斷，需要利用復合傳感器，復合傳感器集成了多個物理量檢測單元，可以對溫度和振動進行循環采集。溫度敏感器件是美國公司生產，檢測溫度在-55～125℃，誤差較小，在設備運行溫度的檢測范圍內。振動檢測采用振動傳感器，故障沖擊檢測范圍為100-10000SV，靈敏度為1uA/10SV，能檢測到微小振動。檢測傳感器安裝在密封的金屬圓柱體內，通過M 12的螺栓體安裝在檢測孔內，實現信息的傳輸。

5.1.2故障監測及處置。JK00430將共振解調波和頻譜利用包絡信號對其進行分析，對達到相應的警示級別進行故障警報，通過預警對機車乘務人員或者檢修人員提供決策建議。（1）一級報警。在運行過程中，針對出現軸承、齒輪、踏面的沖擊故障達到一級報警標準時，在車載顯示屏上有報警信息顯示，機車乘務員發現后，可按照規定速度繼續運行，加強監測，觀察是否有報警升級，回段后，不需要提票處理。（2）二級報警。二級報警屬于嚴重的在線警告，針對齒輪、踏面、軸承的在線振動達到二級報警的標準或者軸承溫度（超溫、溫升）達到或者超過設定的規定值，進行在線二級報警。①踏面二級報警。出現踏面二級報警時，觀察振動現象是否加劇，由于踏面的擦傷、剝離、異物以及凹陷等影響因素，會加劇輪對與鋼軌間的非正常接觸，因此在線運行時，機車乘務員需要時刻注意報警信息，掌握報警位置，待停車后對報警位置進行檢查。②齒輪二級報警。在正常運行過程中，出現齒輪二級報警時，需要及時確認是否存在異音異狀，確認后維持運行，回庫提票處理。在檢修決策時，應該對對應的報警點位結合車載檢測裝置軟件進行重點分析檢查。③軸承二級報警。行車過程中出現軸承二級報警時，說明軸承此時出現較為嚴重的沖擊振動，機車乘務員應立即進行后部瞭望，確認是否出現異音異味，并立即匯報前方站請求停車，停車后對故障點進行溫度及狀態檢查，如無異狀，回段處理，若出現持續報警且判斷不能繼續運行，應立即請求救援。回段后應下載分析數據，結合之前報警的次數分析報警軸位的共振解調波，通過其曲線的運動規律，判斷軸承的內外環、滾動體的狀態，并對軸承進行解體檢修，發現故障及時更換。因此，JK00430通過振動沖擊以及所產生的溫度，以共振解調技術為理論基礎,重構診斷軸承、齒輪、輪對踏面等故障的頻譜數據模型，動態監控和記錄機車走行部關鍵部件的運用狀態，并根據數據進行分析，提前診斷早期故障并消除故障，確保機車走行部的運行安全。

5.1.3測點位置。JK00430裝置的檢測點代號是用軸號和位號組成的兩位數表示，其中十位數代表走行部的軸號，個位數表示位號，位號的設置是以齒輪箱為測1位，一根軸上設置了5個或者6個檢測點，對于雙邊齒輪傳動的機車，以I端為參考，行車方向左邊為測點1位，以此類推。位號為“0”代表環境溫度檢測點。對于采用電機半懸掛的機車每根軸設置6個檢測點，每個測點代號代表不同位置，如圖2所示[4]。

圖2 電機半懸掛車軸測點位置

6.結語

通過共振解調技術在JK00430裝置上的應用，結合車載檢測裝置的地面數據分析和管理軟件，提前發現故障信息并給出故障報警，不斷結合實踐基礎，逐步形成了一套實用的故障案例。一種可行的分析方法，借助對列車運行狀態的檢測、故障報警診斷，以及發現設備的故障規律和常見問題，從而準確診斷故障，進一步提升維修作業點的效率。參照結合故障報警的類型和故障等級，標準化、科學地做到機車運行部分故障預警與維修決策的有機結合，進一步提升機車運行安全性。C

引用出處

[1]張成新.和諧機車走行部關鍵部件故障診斷技術研究[D].中國鐵道科學研究院,2021.

[2]閆永革.機車乘務員通用知識[M].北京：中國鐵道出版社，2001.

[3]杜宗照,賀慧玲,周麗霞.加強機車走行部監測裝置的運用管理確保重載提速機車運用安全[C]//.第十屆中國科協年會論文集（一）.,2008:724-730.

[4]劉暢，楊翠青.列車行車安全裝置操作與故障處理[M].成都：西南交通大學出版社，2015.2