謝述武

（深圳地鐵運營總部車輛中心）

摘　要：本文介紹了走行部車載故障診斷係統的組成及監測原理，並通（tōng）過在深圳地鐵的應（yīng）用，實（shí）現了走行部的（de）狀態（tài）監測，故障診斷（duàn），運（yùn）用評估，為車輛的檢修和維護提供了（le）便利。

關鍵詞（cí）：走行部（bù）；狀態監測；故障（zhàng）診斷

隨著城市的發展，城（chéng）軌車輛已成為重要的公共交通工具。城軌車輛運行區間短，車輛啟（qǐ）動、加速、減速和製動頻繁（fán）的特點， 使得城軌車輛機（jī）械運（yùn）轉時的動（dòng）態載荷變化範圍與頻度變大。而走行部故（gù）障（zhàng）對（duì）於城軌車輛的運（yùn）營安全尤為（wéi）重要。雖然城軌車輛基本上每天（tiān）被安排回（huí）庫檢修，但僅（jǐn）憑常規檢查和日常檢修手段對於軸承內部故障、車（chē）輪踏麵等（děng）問題很難提（tí）前和及時發現。因此，深圳地鐵從（cóng）2016年開始在深圳（zhèn）1、5、11號線上應用走行部車載故障診斷係統。通過長期運用跟（gēn）蹤，能實時有效地對走行部的軸箱軸（zhóu）承狀態、電機軸承狀態、齒輪箱軸承及齒輪狀態、車輪踏麵進行狀態監測（cè）與故障診斷，為車輛走行部（bù）關鍵部件（jiàn）的檢修和維護提供了便利。

1　走行部車載故（gù）障診斷係統組（zǔ）成及監測原理

走行部車載故障針對係統主要有複（fù）合傳感器、前置處理器、車輛分機、列車主機等組（zǔ）成，結構組成如圖1所示。

複合傳感（gǎn）器安裝在軸箱體、電機、小齒輪箱上，實現溫度（dù）、振動（dòng）、衝擊等多個物理量（liàng）的檢測、處理和傳（chuán）輸；前置處理器安裝在轉向架上，動車2個（gè）/轉向架（jià），拖車（chē）1個/轉向架，管理本轉向架各測點的傳感器，實現振動、衝（chōng）擊模擬通道（dào）切換以及溫度、模擬（nǐ）信號總線方式傳輸；每節車一個車輛分機（jī），實現本車前置處理器管理、信號采集、數據存（cún）儲（chǔ）和故障診斷，同時與列車主機交互通信；每列車1台列車主機，實現車載係統集中管理，包括：接收轉速信號並判別、管理（lǐ）協（xié）同（tóng）車輛分機、顯示診斷和報警、數據集中儲存和下載、係統更新及維護等。

圖1 走行部車（chē）載故障診新係（xì）統組（zǔ）成示意圖

走行部車載故障診斷係統主要采用我國（guó）專利技術“一種機械故障（zhàng）衝擊的共振解調檢測方法”、“同類（lèi）、有序動信（xìn）息（組）群（qún）中各信息源時域樣本的跟蹤采集”、“變速運轉（zhuǎn）機械故障診斷（duàn）的（de）轉速跟蹤采樣及固（gù）化譜號分析方法”。基於上述三種專利技術，實施轉速跟蹤采樣與振動（dòng）、衝擊信號的濾波處理，目的是提取微弱的走行部故障衝擊信息，對（duì）其進行非周期信息的周期變換，固化理論抽象譜，Z終實現監測對象的早期預警、分級報警、精確（què）診斷。

2　係統應用情況

深（shēn）圳地鐵首先結合車輛架大修，在深圳1、5號線既有車加裝了走行部車載故障診斷係統，針對架大（dà）修（xiū）後的走（zǒu）行部的狀態監測，深入研究車輛走行部運行狀（zhuàng）態，指（zhǐ）導車輛運營及維（wéi）修（xiū）。

另外，考慮到深圳11號線為深圳首條120km/h車輛的線路，為了研究（jiū）車輛在120km/h車速下的（de）運行狀態，也引入了（le）走行（háng）部車載故（gù）障診斷係統，實現對走行部關鍵的（de）狀態評估，進而實現車輛的狀態維修。

2.1 軸（zhóu）箱軸承狀態監測（cè）情況

走行部車載故障診（zhěn）斷係統實時采（cǎi）集（jí）數據，通過衝擊樣本（běn）分析、衝擊趨（qū）勢（shì）分析及溫度趨勢分析實現對軸承狀態的綜合（hé）判定。

係統通過對圖（tú）譜進行（háng）分析（xī），軸承類故（gù）障信息其時（shí）域波形成細窄梳狀脈衝，每個（gè）脈衝等距（jù），且在頻譜圖上，故（gù）障譜與外環理論譜對應。並通過（guò）對曆史趨勢分析，判斷出故障曆史發生發展狀態，指導運用維修。

圖2 軸示外環故障特征衝擊樣本圖譜

溫度信息的監測（cè）是保（bǎo）障列（liè）車安全的Z後一道（dào）屏障，走行部車載故（gù）障診斷係統的溫度信（xìn）息分（fèn）為2級處（chù）理，在前置處理器，MCU的常規方式分（fèn）為5s對所（suǒ）接所有傳（chuán）感器溫度信息以常規（guī）精度讀取一次。

圖3 軸承外環做障特征衝擊趨勢

必要時，走行部車載故（gù）障診斷係統將啟用箱密測溫模式（shì）。在車輛分機每（měi）次和前置處理器通信時，車輛分（fèn）機以前置處理（lǐ）器為單位獲取前置處理器及其所屬傳感器溫度信息，從而實現（xiàn）溫度信息的並行快速采集。

圖4 溫度趨勢（shì）圖譜（pǔ）

2.2 電機軸承狀（zhuàng）態（tài）監測

深圳（zhèn）地鐵電機軸承在近（jìn）幾年頻繁出現各類問題：西門子電（diàn）機滾珠（zhū）電（diàn）蝕問題、軸承過熱卡死問題等。為實時掌握電（diàn）機在運營過程的狀態（tài），應用走行（háng）部（bù）車載故障診（zhěn）斷係統對電機軸承進行了跟蹤、監測，分析其在運營過程（chéng）中的健康狀態。

係統依據機械的結構幾何學及運動學規律，共振解調、轉速跟蹤（zōng）診斷（duàn）技術建立了診（zhěn）斷（duàn）滾動軸承故障的經典數（shù）學模型，可從定量和（hé）定性兩（liǎng）個角度對故障進行（háng）確定性的精密診斷。

2013年（nián），通過走行部車載故障診斷係統對西門子的牽引電機軸承進行故障監測，發現電機軸承存在故障信（xìn）息，如圖5所示；對故障軸承的（de）現場拆解發現（xiàn）軸承保持（chí）架存在故障（zhàng），如圖6所示。

圖5 是行部車能（néng）故隱詩新係統提示輸示薦在故障（zhàng）信息

圖6 故障軸示現場拆解跟（gēn）蹤

深圳11號線（xiàn）2016年6月開通運營，走行部車載故障診斷係統監測發現（xiàn）電機普遍存在電機軸承的（de）早期故（gù）障信息，以1116車為例，該車多（duō）個電機存在早期保持架故障衝擊信息，通過對這些故障軸承進行機理分析電機軸承傳動端存（cún）在缺油問題；如圖7所示。

圖7 走行部車載故障診斷（duàn）係統提示該軸承存在保（bǎo）持（chí）架故障信息（xī）

針對深圳（zhèn）1116車電機缺油狀況，深圳地鐵對故障電機進行注油，注油後通過數據反映故障（zhàng）信息明顯減弱，注油前後對比如表1所示：

表1 注油（yóu）前後保持架故障信息對比情況

2.3 齒輪箱狀態監（jiān）測

齒輪箱監測包含小齒輪箱軸承、齒輪的監測，小齒（chǐ）輪箱軸承的監測，其原理、譜線與軸箱軸承的監測相同。

分析全（quán）國各城市地鐵，齒輪故障時有發（fā）生，齒輪故障顯示特征主要有以下幾種：

①在一個小齒輪轉動周期中（zhōng）有多次衝擊，意味著有不止一個齒（chǐ）發（fā）生故障衝擊。

②如果隻有單個齒故障（zhàng），則衝擊波在一個齒輪周期的時城波形中脈衝（chōng）占空比很窄，頻域將具有豐（fēng）富的多階譜特征。高速時（shí）衝擊比低速時寬，在相同牽引力下，高速時的衝擊值（初（chū）級診斷（duàn）值）也會明顯增大。

③由於多故障同時（shí）存在，時域衝擊脈（mò）衝在齒輪周期中的脈衝占空比比較寬，呈現多簇衝擊（jī）；由此導致頻域（yù）高階譜線不鮮明。

下圖為典型的單齒裂紋故障及齒輪多處故障的圖譜。

比較以上故障的圖譜可知：齒輪存在單個齒的（如裂紋）故障時，在齒輪周期采樣點內會出現一簇定位性很好且尖銳陡峭的衝擊波，頻（pín）域譜線突出且高階（jiē）豐富；齒輪多處故障時，在齒輪周期采樣點內有（yǒu）多（duō）簇衝擊，且高階不如單齒（裂紋）故障豐富。

圖8 單齒裂紋故障，時城被形占空比小，顛譜高階譜豐富

圖（tú）9 齒輪多處故（gù）障，時城被形占空比大，頻譜（pǔ）高階譜減少

齒輪在運轉過程中，當發生（shēng）故障的齒與相（xiàng）鄰齒齧合（hé）時會產生衝擊，齒輪所在軸每轉一周都會在故障處（chù）產生這樣的衝擊，該衝擊被走行部車載故障診斷係統接收（shōu）。走行部車載故（gù）障診斷係統通過自動診斷分析，輸出（chū）齒輪報警。對於單個齒（chǐ）的故障（zhàng），齒輪所在軸轉一周產生一次（cì）衝（chōng）擊，而在齒輪存在多處故障時，轉軸一（yī）周會（huì）產生多次的衝（chōng）擊。所以，當齒輪多（duō）處故障時，會在（zài）齒輪周期中出現多簇的衝擊脈衝。

2.4 車輪踏麵狀態監測

車輪（lún）踏（tà）麵故障一般包括踏麵擦傷、踏麵剝離（lí）和車（chē）輪失圓（yuán）等情況（kuàng），深圳地鐵在運營過程（chéng）中（zhōng），經常出現車（chē）輪失（shī）圓及擦傷剝離故障特征，其中車輪（lún）失圓（yuán）多表現為圓跳動過高（gāo），而車輪失圓將導致車（chē）輛運行（háng）過程中（zhōng）與鋼軌產生有規律的周期性撞擊聲，不僅造成輪軌異常振動和衝擊，引起輪軌關係惡化，還影響乘坐舒適性（xìng）。為此，深圳（zhèn）地鐵應用走行部車載故（gù）障診斷係統針對振（zhèn）動、衝擊兩個物理量對踏麵進行（háng）綜合診斷，分析車（chē）輪失（shī）圓的發展趨勢，指導車輪鏈修。

走行部車載故障診斷係統通過對存在失圓的車輪振動圖譜分析，其數據樣本中的衝擊圖譜表現為車輪每轉動十圈的踏麵衝擊（jī）狀（zhuàng）態，當車輪出現（xiàn）圓（yuán）跳動特征後，車輪每轉一圈將會產?一（yī）簇衝擊信號，其引（yǐn）發共振（zhèn）解調波形將具有周期重複性，數據樣本（běn）中衝擊圖譜將呈現十簇間隔均等的衝擊信號。通過這種理論方（fāng）式，可判斷車輪存在失圓（yuán）的故障特征。

以深圳1號線112車為例，2016年11月份走行部（bù）車載故障診斷係統發現（xiàn）1124車1軸右側存在踏麵失圓（yuán）故障特征信息，並持續跟蹤，係統於2017年2月建議對該位置進行鍍修，監測情況如圖10所示。

根據現場（chǎng）跟蹤1124車1軸右（yòu）側的鏈修，發現該（gāi）位置（zhì）圓跳動達0.91mm，嚴（yán）重超標，如圖11所（suǒ）示。

圖10 1124車（chē）1軸右（yòu）側的衝擊圖譜

3　結束語

通（tōng）過（guò）走行部車載故障監測係統的應用，及時監測（cè）車輛走（zǒu）行部的狀（zhuàng）態，對隱患位置的挖掘和及時維（wéi）修，減少（shǎo）損（sǔn）傷的累積，改（gǎi）善車輛（liàng）走行部運行狀態，減（jiǎn）少行車事故障的發生具有重要意義。

（來源：高速鐵路與軌道交通專享（xiǎng）版（bǎn），2017年6月）