城軌車載走行部故障檢測系統研究與設計

馬慶杰，程佳，王國慶

（1.中車青島四方車輛研究所有限公司電子事業部；2.青島鴻普電氣科技有限公司，山東 青島 266000）

根據中國城市軌道交通協會的統計，截至2020年底，中國內地開通城市軌道交通的城市共45座，運營里程達7978.19km。軌道交通已成為全國各大城市綜合交通體系中不可或缺的一部分。在影響城市軌道交通運營安全的諸多因素中，城市軌道交通車輛的關鍵機械部件（輪對、軸承、齒輪和轉向架等）的安全是重中之重。傳統的檢修模式難以適應列車安全運行的要求，檢修人員通常智能檢查到走行部部件的表面安裝狀態，且僅依靠檢修人員經驗的模式難以真正及時地排除可能存在的隱患。目前，中國城軌列車因保障運行安全的需要，配備了大量具備單一監測功能的獨立安全監測設備。軸溫檢測裝置就是目前主流的走行部安全監測設備，但是該方法檢測參數單一，且軸承故障惡化到一定程度后，才會產生明顯溫升現象，無法實現故障的早期預警。研究并設計出對走行部狀態實時監測并進行早期預警，進而指導走行部關鍵部件維修維護的故障檢測設備是非常必要的。

列車走行部作為一個復雜的機械系統，其固有特性決定了軸承故障發生早期即有明顯的振動信號變化。本系統結合現代傳感、電子信息、無線通信與振動信號故障診斷技術，提高了對走行部故障檢測的實時性、準確性和穩定性。

1 系統介紹

1．1 系統概述

在走行部關鍵部位（軸箱、電機、齒輪箱等）安裝復合傳感器，實現對振動、沖擊和溫度多物理量實時采集，前置處理器對多物理量進行預處理，診斷儀實現早期預警和分級報警策略，并通過以太網將分析結果傳至車輛TCMS系統和地面智能分析系統，指導走行部的運用和維修。

1．2 系統構成

以6編組地鐵列車為例，車載走行部故障檢測系統由6臺診斷儀（每節車1臺）、前置數據處理器（每節動車4臺，每節拖車2臺）、無線傳輸終端（頭車1臺）及溫度振動復合傳感器組成。前置處理器、診斷儀、列車控制網絡之間采用以太網通訊，復合傳感器向處理設備輸出模擬信號。車載走行部故障檢測系組成見圖1。

圖1 走行部故障檢測系統架構

1．3 工作流程

走行部故障檢測系統對于信號、信息的處理流程如下：又部署在走行部關鍵部位的復合傳感器感知溫度、振動、沖擊多個物理狀態量，轉換輸出模擬信號；模擬信號經前置處理器匯集、切換后，進一步傳輸至診斷儀；診斷儀對信號的處理以嵌入式軟件為主，模擬信號首先由FPGA模塊完成AD轉換和分離濾波，隨后由ARM模塊進行分析計算、實時診斷，并輸出診斷結果，實現走行部故障的早期預警和分級報警，為列車安全運營提供保障；實時診斷結果由診斷儀通過列車總線和無線模塊，分別向網絡控制系統和地面數據分析中心進行上報，構建科學、立體、全面的故障檢測系統。

1．4 實現功能

（1）實現多物理量感知與處理；（2）具備軸承故障早期預警與分級報警功能。實時診斷，綜合判斷，實時輸出告警結果；（3）完善的自診斷機制。在上電運行過程中，診斷儀對自身、前置處理器、復合傳感器等進行故障實時判斷；（4）覆蓋多種列車網絡通信接口。兼容主流應用的TRDP、MVB等列車專用總線，另外支持標準以太網等通信接口；（5）數據集中存儲，并支持以太網快速下載接口；（6）具備車地無線傳輸接口，支持4G/WIFI等多種無線傳輸方式。

2 診斷原理及判據

2．1 信號分析處理流程

本系統信號處理主要以振動沖擊為主。對數據樣本進行預處理后，采用時域分析與包絡解調方法，提取機械故障沖擊特征、進行廣義共振解調變換，通過時域、頻率特征的綜合分析，實現精密診斷。診斷流程見圖2。

圖2 診斷流程

目前，其它行業針對滾動軸承等旋轉部件故障診斷研究方法多種多樣，技術也日益成熟，其中，共振解調是滾動軸承故障檢測中常用的方法之一。利用帶通濾波器在故障沖擊引起的固有頻率附近進行濾波，可將含有故障沖擊信息的信號進行有效提取，最后通過頻譜分析判斷故障發生的位置。

2．2 振動判據

對軸承內環故障、外環故障、滾動體故障和保持架故障檢測告警判定參照TG/JW225-2010機車走行部車載監測裝置檢修規范（暫行）。軸承、齒輪、踏面沖擊強度報警限制值標準如表1。

表1 振動報警限制值標準

沖擊振動報警方式分三級預報警：故障預警、Ⅰ級故障報警 和Ⅱ級故障報警。評定各類故障級差（dB）的量值，其計算公式為：

式中，SV為沖擊值；N為軸承、齒輪、踏面所在軸的轉速，r/min；D為軸承、齒輪、踏面所在軸的軸徑，mm。

2．3 溫度判據

溫度報警方式分兩級報警：溫升預警和超溫報警，溫度測量范圍：-40～215℃；

溫度測量精度：在-15～85℃范圍內，系統測量誤差不大于±2℃；在小于-15℃或大于85℃時，系統測量誤差不大于±4℃。

軸承溫度預警標準參照大于同側溫度均值40K或絕對溫度80℃；軸承溫度報警標準參照大于同側溫度均值48K或絕對溫度90℃。

3 裝車應用

本文走行部故障檢測系統部署于國內某條地鐵線路。圖3為部分復合傳感器實際安裝位置。

圖3 復合傳感器裝車位置

通過實時數據進行分析，本系統實現了采集振動數據功能，并獲取轉速脈沖信號，提高了數據樣本的有效利用。轉速信號與振動沖擊信號見圖4。

圖4 轉速與振動沖擊信號采集

某軸承溫度沒有異常變化，但如圖5所示，某軸承報出振動二級故障。進一步分析時域波形、包絡譜，得到圖6與圖7，可以發現本文走行部故障檢測系統輸出的故障頻率與振動幅值均符合內圈故障特征。經現場拆解后，發現內圈存在明顯劃傷故障。本系統實現了走行部早期故障的及時告警，為提高檢修效率，提高列車運營安全水平，保障人民平安出行提供了有力保障。

圖5 振動值趨勢

圖6 振動沖擊時域圖

圖7 振動沖擊頻域圖

4 結語

以振動沖擊信號分析為主的走行部故障檢測系統，不僅能夠準確感知走行部關鍵部位的物理狀態，還能對軸承等走行部關鍵部件的故障實現早期預警與分級報警。在常規檢查和單一軸溫檢測方式中，不易被發掘的早期異常故障，能夠被本系統及時提取并分析，避免更大程度的風險和損失，能夠為城軌列車在正線運營提供及時、有效的技術支持與安全保障。

圖8 拆卸清洗后軸承內圈表面