基于振動能量及傳遞函數分析的轉向架故障診斷應用

曾 華，吳赟松，吳學杰，鐘知原

（西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031）

0 引 言

振動測試作為一種有效的分析手段在轉向架結構設計、系統動態特性分析以及故障診斷等方面有廣泛的應用[1]。近年來，國內外各鐵路科研單位對轉向架故障診斷相關技術研究主要集中在特征提取方法和模式識別等方面[2-4]。這些故障診斷方法都是在軟件仿真或實驗環境下模擬相關設備各種類型故障，通過特定的方法提取轉向架上相關信號特征值，最后通過對比正常和故障情況下的特征值，從而識別出相應故障。但是實際運用過程中，由于實際線路工況與實驗或仿真環境有不小差別，因此通過仿真或實驗模擬研究的故障識別方法在實際應用中其結果的準確性將降低[5-7]。本文針對故障診斷方法在實際應用中的不足，通過分析試驗數據，提出了切實可行的轉向架故障特征分析方法。

考慮到大部分轉向架故障會引起振動信號劇烈變化，本文以振動能量和傳遞過程分析作為轉向架故障研究切入點。針對轉向架設備故障，開展了國內某廠某型軌道車輛的電機故障診斷測試、分析和研究試驗工作。

1 故障特征分析方法

目前轉向架故障主要有：輪對疲勞裂紋、軸箱振動異常、構架橫向失穩、一系懸掛失效引起的橫向垂向振動異常、二系懸掛失效引起的橫向垂向振動異常、輪踏面圓周不平順引起的垂向振動異常、電機設備內部故障引起構架振動異常等[8]。在上述轉向架的故障模式中，除了輪對疲勞裂紋引起的轉向架振動特征不明顯外，其他故障模式均會有比較大的振動特征變化[9]。因此，本文以適用于大多數故障模式作為出發點，分析轉向架故障特征提取方法。試驗方法為：利用某條線路上實際運營的同類型不同車輛公司生產的車輛，該兩列車輛轉向架的設計結構一致，參數近似，在相同位置布置加速度傳感器，并對所獲信號進行振動相關的對比分析處理，最后根據提取出的特征值運用專家系統識別出故障源。

基于轉向架振動加速度城軌車輛運行異常故障的方法很多，但絕大多數的處理手段都是先提取正常和異常故障的特征值，然后用模式識別等方法訓練出一個穩定的判定系統[10]。其中最重要的環節就是獲得正常和故障狀態下轉向架差異最明顯的特征。由于城軌車輛行車距離短，停車頻繁，若以各運行區間為識別單元，則提取出的特征在各區間下也應具有較好重復性。本文從列車轉向架各位置的振動能量大小、頻次分布和傳遞過程3個角度出發，以振動均方根值、功率譜密度和振動傳遞函數作為標準，分析獲取上述特征值。

1.1 加速度均方根值

在測試振動加速度過程中，由于各轉向架有個體差異，即使軌道條件和行車速度范圍正常時，加速度的最大值也會存在較大的差異，其安裝圖如圖1所示。計算某一時間段內均方根值（RMS）既能消除最大值異常帶來的干擾，又能反應出轉向架運行過程中振動能量幅值大小。此外，根據國際鐵路聯盟鐵道車輛動態性能安全性標準（UIC_518）和車輛設備沖擊和振動試驗標準（EN_61373）對轉向架各部位振動加速度信號均方根值評價方法的陳述，測試均方根值作為安全評價計算方法具有比較成熟的理論基礎[11]。

圖1 電機傳動端加速度傳感器安裝圖

均方值根的定義為

表1 轉向架各部位垂向加速度均方根值 m/s2

表1所示為故障和正常轉向架車輛通過某區間時，各部位的垂向振動加速度均方根值。從表中可以看出，故障轉向架各部位振動過程均比正常狀態下劇烈，說明該轉向架已處于故障狀態。其中軸箱處垂向加速度均方根值接近，說明兩種轉向架從輪軌耦合處獲得的振動激勵是一致的。相應地，在電機非傳動側端兩種轉向架均方根值差異最大，因此，可以初步判定電機非傳動側是引起故障轉向架振動更為劇烈的疑似故障源，最終的故障定論還需下文的其他分析方法予以確認。

1.2 功率譜分析

功率譜密度函數定義為：若自相關函數Rx（τ）的傅里葉變換存在，則定義Rx（τ）的傅里葉變換：

定義 Sx（f）為 x（t）的自功率譜密度函數，簡稱功率譜密度函數、功率譜或自譜。

通常把在（-∞，∞）頻率范圍內定義的功率譜Sx（f）稱為雙邊功率譜，而把只在（0，∞）頻率范圍內定義的功率譜Gx（f）稱為單邊功率譜，二者之間的關系為

功率譜的應用范圍很廣，在故障判斷和分析方面，可根據功率譜的變化（是否有額外譜峰）來判斷故障發生的機理。本文采用welch方法對比分析正常和故障狀態下轉向架各部分功率譜密度。

圖2～圖4為正常和故障轉向架各部位振動加速度功率譜密度分布部分對比圖。從對比圖中可以明顯看出轉向架軸箱（見圖2）上在振動信號功率譜密度非常近似，譜峰基本一致。電機非傳動端（見圖3）、電機傳動端（見圖4）正常狀態與故障狀態下的功率譜差別較大，特別是電機非傳動端，振動加速度功率譜密度差異非常明顯，故障狀態下的額外譜峰很多。因此，根據上述功率譜分析可以對前一節均方根值判定的可能故障狀態和電機非傳動端疑似故障源結論作進一步的確定。

1.3 振動傳遞特性

振動傳遞關系用頻率響應函數（頻響函數）表示，隨機信號的頻響特性函數表示為互功率譜密度函數和自功率譜密度函數的商，即：

圖2 軸箱功率譜密度對比

圖3 電機非傳動端功率譜密度對比

圖4 電機傳動端功率譜密度對比

式中Sx（f）和 Sxy（f）分別為隨機振動激勵信號的自功率譜密度函數和激勵與響應信號的互功率譜密度函數。

圖5～圖7所示為正常和故障狀態下轉向架各部位之間部分傳遞函數頻率響應對比圖。從圖中可以看出，電機傳動端與軸箱（見圖5）的傳遞函數基本沒有發生變化，說明轉向架構架系統穩定。電機與安裝座之間（見圖7）傳遞函數變化稍明顯，相比電機傳動端與非傳動端之間（見圖6）傳遞函數變化更為顯著。因此，通過總結均方根值、功率譜密度和傳遞函數計算結果可得出該轉向架處于故障狀態并且電機非傳動端是轉向架振動加劇的故障源。

圖5 電機傳動端與軸箱之間傳函對比

圖6 傳動與非傳動端之間傳函對比

圖7 傳動端與電機安裝座之間傳函對比

2 結果討論

通過對比分析兩列車輛轉向架各位置的上均方根值，可得出初步結論：構架上均方根值偏大的車輛轉向架可能處于故障狀態。進一步對各位置測點均方根值差異程度分析，電機非傳動端是該可能故障狀態的疑似故障源。再通過各位置功率譜密度分析以及各位置之間傳遞函數兩種特征值結果比較，最終確認轉向架故障狀態并判定出電機內部異常是引起轉向架振動加劇的誘因。

將上述故障分析方法應用于國內另一城市地鐵二期線路某改進型轉向架相關試驗中，在兩列同型列車軸箱、構架、電機等相關位置布置加速度傳感器。參照上述故障分析方法，第1、第2列車轉向架軸箱振動均方根值分別是39.1，17.7m/s2，功率譜密度和構架與軸箱之間傳遞函數都表現出較大差異。根據3種特征結果，識別出第1列車軸箱存在異常狀態，車輛維修部門后期通過更換軸箱后，整個轉向架動力學性能得到很大改善，乘坐舒適性也有了大幅提高。通過另一轉向架故障試驗測試結果驗證了所述方法的可靠性。

3 結束語

一般地，本文所述方法在軌道車輛轉向架故障狀態識別和故障源分析領域內的應用可總結為：運行初期通過時域統計方法提取出各位置振動均方根值，然后分析該振動信號的功率譜密度分布特征，再對各位置之間的振動傳遞函數進行頻率響應特征分析，最后將上述3種特征值進行量化并錄入專家分析系統作為正常狀態數據。后期運行過程中，經相同數據采集和處理方法，將獲得信號與正常狀態數據作實時對比分析，可準確識別轉向架狀態并判定故障源。

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