機車車輛輪對動不平衡狀態監測、故障診斷及檢修技術研究

摘" 要：通過聯調聯試試驗數據得知機車車輛輪對不平衡問題是常見的機車故障問題之一，為提高機車的運行效率，降低機車的車輛輪對不平衡導致其他振動問題，將對現階段常見的機車輪對不平衡狀態監測技術進行闡述，然后結合已有研究數據對此故障及其導致的其他設備振動問題進行分析，明確造成此類故障的直接原因，并提出相應的解決方案。

關鍵詞：機車車輪；動態不平衡；故障診斷；檢測技術；運行效率

中圖分類號：U279" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）06-0189-04

Abstract： Through the joint debugging and testing test data， it is learned that the imbalance of locomotive and vehicle wheelsets is one of the common locomotive faults. In order to improve the operating efficiency of the locomotive and reduce other vibration problems caused by the imbalance of locomotive wheelsets， the common locomotive wheelset imbalance status monitoring technology at this stage will be elaborated; then， this fault and the vibration problems caused by other equipment are analyzed based on existing research data to clarify the direct cause of such faults; and finally， corresponding solutions are proposed.

Keywords： locomotive wheel; dynamic imbalance; fault diagnosis; detection technology; operating efficiency

機車車輛輪對動不平衡是影響列車運行安全和穩定性的常見問題。為了解決這一問題，本文對輪對動不平衡狀態的監測、故障診斷及檢修技術進行了系統研究，通過傳感器技術、數據采集與傳輸以及數據處理與分析，能夠實現對輪對動態信息的實時監測和精確分析。本文將結合現有研究數據，探討動不平衡狀態的特征及其成因，提出有效的故障診斷方法，并提供相應的檢修對策，以提高機車運行效率，減少由此引發的振動問題。

1" 輪對動不平衡狀態監測技術

輪對動不平衡狀態監測技術是確保機車車輛運行安全和可靠性的關鍵。通過對輪對的動不平衡狀態進行實時監測，可以提前發現潛在故障，避免事故發生。監測技術主要包括傳感器技術、數據采集與傳輸、數據處理與分析。這些技術的應用能夠提供精準的狀態信息，支持及時的故障診斷和檢修決策，提升鐵路運輸系統的整體效能。以下將詳細介紹各個技術環節的內容和應用。

1.1" 傳感器技術

1.1.1" 加速度傳感器

加速度傳感器在輪對動不平衡監測中起到關鍵作用，它通過測量輪對在運行過程中產生的加速度變化，識別動不平衡狀態。加速度傳感器通常安裝在輪對的軸箱或其他關鍵部位，能夠捕捉高頻振動信號。現代加速度傳感器具有高靈敏度和寬頻帶特性，能夠精準檢測微小的加速度變化。此外，先進的加速度傳感器還具備抗干擾能力，確保信號的準確性和可靠性。這些特點使得加速度傳感器成為輪對動不平衡監測的首選設備。車體垂向震動加速度變化情況如圖1所示。

1.1.2nbsp; 振動傳感器

振動傳感器是另一種常用的監測設備，通過測量輪對振動信號來檢測動不平衡狀態。振動傳感器能夠捕捉輪對在運行過程中產生的各種振動特征，并將這些特征轉化為電信號。振動傳感器安裝位置靈活，可以放置在輪對軸箱、懸掛系統等部位，以獲得不同位置的振動數據。現代振動傳感器具有高精度、高分辨率的特點，能夠有效識別微小的振動變化。通過與其他傳感器配合使用，可以實現多維度的輪對狀態監測，提供全面的故障信息。由震動傳感器檢測到的數據如圖2所示。

1.2 數據采集與傳輸

1.2.1" 無線傳輸技術

無線傳輸技術在輪對動不平衡監測中具有重要作用，它能夠將傳感器采集到的信號通過無線網絡傳輸到遠程監控中心，避免了有線傳輸的限制和麻煩?，F代無線傳輸技術包括Wi-Fi、藍牙、ZigBee等，不僅傳輸速率高，而且覆蓋范圍廣，適用于各種復雜環境。此外，無線傳輸技術還具有靈活性高、易于擴展的優點，可以根據需求進行節點的增加或調整。應用無線傳輸技術，可以實現輪對狀態的實時監控和遠程診斷，提高監測效率。

1.2.2" 數據采集系統

數據采集系統是將傳感器信號轉化為可用數據的關鍵環節，它包括信號采集、處理和存儲模塊。數據采集系統通過高速數據采集卡，將傳感器輸出的模擬信號轉化為數字信號，并進行預處理，如濾波、放大等，以提高信號質量?，F代數據采集系統具有多通道、高速率、寬動態范圍等特點，能夠同時處理多個傳感器信號，確保數據的同步性和準確性。數據采集系統還具有數據存儲和傳輸功能，支持實時數據傳輸和歷史數據查詢，為后續的數據分析和故障診斷提供可靠的數據支持。

1.3" 數據處理與分析

數據處理與分析是從采集到的數據中提取有用信息的關鍵步驟，直接影響故障診斷的準確性和有效性。

1.3.1" 信號處理技術

信號處理技術在輪對動不平衡監測中至關重要。常用的信號處理技術包括傅里葉變換、小波變換等，通過這些技術可以將時域信號轉化為頻域信號，提取出輪對振動的特征頻率。傅里葉變換能夠揭示信號的頻譜特性，適用于平穩信號的處理；而小波變換則能夠處理非平穩信號，提供時頻聯合分析能力。此外，現代信號處理技術還包括濾波、去噪等方法，進一步提升信號質量和分析精度。這些技術為動不平衡狀態的識別和故障診斷奠定基礎[1]。

1.3.2" 時頻分析方法

時頻分析方法是一種能夠同時在時間和頻率上對信號進行分析的技術。常用的時頻分析方法包括短時傅里葉變換（STFT）、小波變換和希爾伯特-黃變換（HHT）等。這些方法可以揭示信號在不同時間點上的頻率成分變化，適用于非平穩信號的分析。時頻分析方法能夠提供更加豐富的信號特征，幫助識別輪對在不同運行狀態下的動不平衡特性。此外，時頻分析方法還可以用于故障特征的提取和分類，提高故障診斷的準確性和可靠性。

2" 特征分析

選擇我國鐵路聯調聯試公開數據可知，車輪動不平衡問題是常見的問題之一，且此故障是導致運行列車出現明顯振動的主要原因[2]。對此，本研究將從眾多使用上述技術得到的機車車輪動不平衡數據中選擇最具代表性的案例進行分析，整理已有車體、構架以及軸箱等垂向振動加速度數據以及經過傅里葉變換處理后的頻譜圖（圖3—圖4），得到機車車輪動不平衡的車體垂向平穩性數據（圖5）以及輪軌垂向力及其經過傅里葉變換后得到的頻譜圖（圖6），以上述數據為基礎進行研究。

若機車的運行速度處于310 km/h時，車體會出現明顯的垂向平穩性指數變化的情況，即垂向平穩性指數大于3.0，此時機車車體的垂向、構架垂向、軸箱垂向以及輪軌垂向等結構的振動加速度均會出現32.2 Hz的主頻。結合根據機車測試時的速度與主頻，得到振動波長λ的值，即

λ=v/（3.6f）=310/（3.6×32.2）=2.67 m。 （1）

通過實際測量的方式得到測試機車的車輪直徑為0.85 m，則可以獲得車輪的周長為2.67 m。由此可知機車的震動波長與車輪的周長一致，將此數據與其他運行速度下各個設備的振動數據進行比較可知，導致機車出現震動的主要原因在于車輛輪。在已有研究中通過優化機車車輛輪動不平衡的方式，可提高車體的穩定性，使其運行穩定性可提升至優秀[3]。

3" 機車車輛輪動不平衡的成因分析與故障診斷

3.1" 成因分析

在進行成因分析時，通過詳細的分析信號特征、試驗過程以及現場檢查結果，逐步揭示了問題的根源。信號特征分析表明，車體在行駛過程中，動不平衡引起的振動波長與車輪周長相對應，這一現象成為識別動不平衡問題的關鍵指標。具體來說，當車輪存在動不平衡時，車體振動的頻率會與車輪的轉動頻率保持一致，導致振動波長與車輪周長相吻合，通過這一特征，能夠精準地判斷車輪是否存在動不平衡問題[4]。在試驗過程中，進行為期多天的試驗，以監測車體垂向平穩性指數W的變化情況，試驗結果顯示，第一天車體垂向平穩性指數W正常，但隨著試驗的進行，平穩性指數逐漸變差，車體垂向平穩性逐漸惡化，進一步的分析發現，車輪上的塵土可能是導致這一問題的主要因素，為了驗證這一猜測，在第4天開始對車輪進行清潔，結果發現車輪清潔后平穩性指數逐漸恢復正常，這一變化表明，施工遺留的塵土確實是影響車體垂向平穩性的關鍵因素，現場檢查結果進一步驗證了這一結論。檢查發現，車輪輻板上積聚了大量塵土，這些塵土在縫隙中難以脫落，特別是在制動過程中，塵土在車輪上分布不均勻，導致車輪動不平衡，動不平衡是引起車體振動的直接原因，而這種振動又進一步影響了車體的垂向平穩性[5]。具體來說，當車輪在制動時，由于塵土分布不均，車輪的質量分布發生改變，產生不平衡的離心力，進而引起車體的振動。機車車體垂向平穩性隨著時間變化而變化的數據如圖7所示。

3.2" 故障診斷

故障診斷在機車車輛輪對動不平衡監測技術中占據關鍵地位，有效的故障診斷能夠及時準確地確定輪對動不平衡的具體原因和嚴重程度，為后續的檢修工作提供有力支持。首先，故障診斷依賴于先進的傳感技術和數據采集系統，如車體垂向振動加速度傳感器和振動信號采集裝置，這些設備能夠實時監測和記錄車輛運行時的振動數據，通過對這些數據進行分析，可以識別出異常振動的頻率、幅值以及與車速的關系，從而初步判斷是否存在輪對動不平衡問題[6]。其次，故障診斷過程中重要的一環是頻譜分析和信號處理技術的應用。頻譜分析能夠將復雜的振動信號轉化為頻域信息，明確振動的主頻率和諧波成分，通過比對分析得到的頻譜圖與已知的輪對動不平衡特征，可以進一步確認問題所在，確定具體的輪對或軸箱存在動不平衡的可能性，并初步估計其嚴重程度[7]。

4" 檢修方法

結合上述分析可知，導致機車車輛輪對動不平衡問題的主要原因之一在于縫隙內的異物，多數以塵土為主，此部分問題可以在動車所里進行檢修處理。現階段動車車輛輪對不平衡問題的檢修流程可分為3個環節。

環節一，將待檢車輛停放至操作區域內，使用高壓風槍的方式將車輪輻板及其輪裝制動盤上附著的塵土吹走，若車輪設置有軸盤，還需要將可以吹到范圍內的塵土進行處理。

環節二，記錄清理后的區域，并對所有車輪進行操作。通常情況下，使用高壓風槍的方式無法一次性將車輪對上附著的灰塵完全吹走，因此需要環節三進行進一步的處理。

環節三，通過地面引導的方式指揮駕駛員緩慢向前開進，將上述環節受到遮擋的灰塵附著區域暴露出來，再次使用風槍吹走灰塵，重復上述操作直到肉眼觀察不到車輪對上附著的灰塵后為止。結合現階段機車管理方案可知，通常情況下機車及其牽引車廂在3～4次處理后便可以實現吹飛處理的全覆蓋，通過連續3天的全面清理能夠達到完全消除機車車輛輪對動不平衡的問題[8]。

5" 結束語

綜上所述，通過對機車車輛輪對動不平衡狀態監測技術的詳細分析和研究，本文系統地介紹傳感器技術、數據采集與傳輸及數據處理與分析的具體應用。結合實際案例，深入探討動不平衡的成因及其對列車運行的影響，并提出有效的故障診斷和檢修方法。研究表明，采用先進的監測和診斷技術可以顯著提高輪對的運行穩定性和安全性，確保鐵路運輸系統的高效運行，為機車車輛的維護和管理提供重要參考。

參考文獻：

[1] 陳升鵬，胡敏.車輛跑偏問題及數據處理方法研究[J].鹽城工學院學報（自然科學版），2021，34（3）：49-52，78.

[2] 王欣，郭彥偉，張文元.機車車輛高壓電器狀態智能監測診斷系統[J].鐵道機車與動車，2023（6）：32-35.

[3] 徐猛，石計紅，李建，等.系統級不平衡量引起的車內轟鳴噪聲分析與控制[J].公路與汽運，2022（6）：6-10.

[4] 陳雙喜.軌道車輛車輪不圓度檢測裝置動力學仿真[J].鐵道機車車輛，2023，43（3）：91-96.

[5] 莫炎燕，鐘漢平，覃唐超.基于圖像識別技術全自動機車車輛輪對內距尺檢具校準結果的驗證[J].計量與測試技術，2023，50

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[6] 韓立峰，李敏，常建英.機車車輛輪對外形尺寸在線檢測問題研究[J].科學技術創新，2023（2）：15-18.

[7] 蔣宇航.機車車輛輪對內距尺檢具測量結果不確定度評定對比分析[J].鐵道技術監督，2022，50（6）：15-20.

[8] 鐘漢平，牙爽東.一種適用于歐洲鐵路機車車輛輪對多參數測量裝置的設計[J].計量與測試技術，2022，49（6）：41-43，47.

作者簡介：張涵林（1996-），男，助理工程師。研究方向為機車車輛檢修。