軌道車輛轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件故障分析研究

徐曉靈 王瑜琳 牟剛 盧德林

摘 要：軌道車輛機(jī)械故障在影響車輛運營安全的諸多因素中比例最高，達(dá)到故障總數(shù)的30%～40%。轉(zhuǎn)向架作為軌道車輛機(jī)械系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，支撐整個車體，承受并傳遞車體與軌道之間的各載荷，緩和車體與軌道之間的各作用力，其機(jī)械性能直接影響到列車運行的安全性。隨著軌道列車運行速度的不斷提高，軌道車輛轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)亦趨于復(fù)雜化，加之軌道列車的運行狀態(tài)始終處于不斷變化之中，若無法及時發(fā)現(xiàn)并排除轉(zhuǎn)向架機(jī)械故障，將給列車運行帶來嚴(yán)重的安全隱患。因此本文重點分析軌道列車轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件的故障識別，為軌道列車早期機(jī)械故障狀態(tài)識別提供參考。

關(guān)鍵詞：機(jī)械故障;轉(zhuǎn)向架;安全隱患;故障識別

1 概述

作為交通運輸體系中一種非常重要的陸地運輸方式，軌道交通憑借其運輸量大、成本低、速度快等特點，逐步在交通運輸體系中占據(jù)舉足輕重的地位。目前全國各大城市都在進(jìn)行軌道交通建設(shè)規(guī)劃，據(jù)中國軌道交通網(wǎng)統(tǒng)計，截至2019年12底，上海、北京、廣州、南京、重慶等40座城市的210條線路已開通運營，總里程達(dá)6386.9公里，新增運營里程數(shù)968公里[1]，見圖1。

從圖示可看出，隨著我國軌道交通的跨越式發(fā)展，運營里程急劇增長，可以說我國進(jìn)入了軌道交通發(fā)展的黃金時段，為有效緩解城市交通壓力，推進(jìn)城市化建設(shè)進(jìn)程，解決其他公共交通所帶來的能源緊張、環(huán)境污染等問題起到了極大的推動作用。但由于軌道列車具有車輛負(fù)荷強、車速變化頻繁、停站時間短、行車密度大等特性，加之軌道列車的運行狀態(tài)始終處于不斷變化之中，使得運行過程中存在一定的安全隱患，這些都對軌道交通提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。

軌道交通最基本、最核心的要求是安全可靠，然而軌道列車是一個復(fù)雜而龐大的系統(tǒng)，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都有可能造成車毀人亡的嚴(yán)重事故，給國家和個人帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人身財產(chǎn)損失。調(diào)研最近20年來的軌道交通重大安全事故，發(fā)現(xiàn)軌道車輛機(jī)械故障在影響車輛運營安全的諸多因素中比例最高，達(dá)到故障總數(shù)的30%～40%[2]，在這一系列故障中，轉(zhuǎn)向架故障占據(jù)了很大一部分比例，且一旦轉(zhuǎn)向架出現(xiàn)故障，列車發(fā)生故障的概率及危害程度均明顯提高。因此確保轉(zhuǎn)向架安全、無故障是近年來軌道列車故障診斷領(lǐng)域的研究熱點。

2 軌道車輛轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件故障分析

作為軌道車輛機(jī)械系統(tǒng)的重要組成部分，轉(zhuǎn)向架主要承擔(dān)牽引和引導(dǎo)軌道列車行駛，支撐整個車體，承受并傳遞車體與軌道之間的各載荷，緩和車體與軌道之間的各沖擊力等功能，是保證軌道列車正常運行的關(guān)鍵部件。從結(jié)構(gòu)上來看，轉(zhuǎn)向架主要包括構(gòu)架、輪對、軸箱裝置、懸掛裝置、牽引裝置、制動裝置、齒輪傳動裝置等。當(dāng)軌道列車在大負(fù)荷、變速環(huán)境下工作時，轉(zhuǎn)向架各零部件之間反復(fù)作用，極易出現(xiàn)疲勞損傷，降低其使用性能及壽命，造成嚴(yán)重的安全事故，可以說轉(zhuǎn)向架各零部件機(jī)械性能的好壞直接影響著軌道列車運行的安全性。結(jié)合轉(zhuǎn)向架的故障發(fā)生頻率及所帶來的危害程度，本文重點選取了軸箱軸承以及齒輪箱兩個關(guān)鍵的零部件，來分析其故障類型及常見的故障診斷方法，為后期故障檢測提供理論支撐。

2.1 軸承軸箱故障分析

軸箱軸承是軌道列車的關(guān)鍵旋轉(zhuǎn)支撐部件，具有使用壽命長、精度高、可靠性強等特性。在列車運行過程中，軸承持續(xù)的承受車體與軌道的各載荷和沖擊振動的作用，因此發(fā)生故障的概率較高，具體故障分析見表1所示[3-4]。

目前針對軸箱軸承的故障診斷方法主要有聲學(xué)診斷法、溫度診斷法、振動診斷法等，結(jié)合軸承軸箱的故障類型及特點，基于振動信號的分析檢測方法是目前使用最為廣泛的軸承故障診斷方法。該方法通過信號的時域分析簡單判斷軸承是否存在故障，再進(jìn)一步通過信號的頻域分析定位故障點，可在故障萌芽期準(zhǔn)確實現(xiàn)故障類型的診斷。

2.2 齒輪箱故障分析

齒輪箱是軌道列車的傳動機(jī)構(gòu)，通過多對齒輪的嚙合轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)動力及運動狀態(tài)的傳遞，協(xié)助列車平穩(wěn)的沿軌道行駛，為列車的安全運行提供保證。由于齒輪箱的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其加工工藝及裝配要求較高，同時該部件自身容易產(chǎn)生不平穩(wěn)振動等特性，使得其極易發(fā)生故障，而齒輪箱任何細(xì)小的故障都可能引發(fā)安全事故，具體故障見表2[5]。

齒輪箱系統(tǒng)的故障診斷方法主要有噪聲診斷法、沖擊脈沖診斷法以及振動診斷法，結(jié)合齒輪系統(tǒng)的故障類型及特點，最常用的是振動診斷法。在列車運行過程中，齒輪箱系統(tǒng)在內(nèi)部激振力和外部激振力的作用下產(chǎn)生振動和噪聲，振動的傳遞過程如圖2所示。振動信號可實時反應(yīng)齒輪系統(tǒng)的運行狀態(tài)，對振動信號進(jìn)行采集、分析，可實時監(jiān)測齒輪系統(tǒng)的狀態(tài)，實現(xiàn)對故障的早期、中期以及晚期的檢測與記錄。

3 總結(jié)

為了確保軌道列車的安全運行，必須實時監(jiān)測軌道列車的運行狀態(tài)，已實現(xiàn)對列車早期機(jī)械故障的狀態(tài)識別。因此本文通過調(diào)研了近年來軌道列車的重大安全事故，從故障率及危害程度的角度出發(fā)，選取了軸箱軸承和齒輪箱這兩個關(guān)鍵的轉(zhuǎn)向架部件，深入研究了故障的類型、成因及危害程度，為列車的早期故障識別研究奠定理論基礎(chǔ)。確保列車故障處于萌芽階段或故障程度尚輕微時，能夠及時準(zhǔn)確地予以狀態(tài)評估和識別，并適時給出故障預(yù)警信息，以及指導(dǎo)故障發(fā)生后列車的保養(yǎng)和維修，最終實現(xiàn)降低事故風(fēng)險和維修、維護(hù)成本。

參考文獻(xiàn)：

[1]2019年中國鐵路、高鐵和城市軌道交通運營里程、運營線路及運營里程排行榜.

[2]李熙.城市軌道車輛行走部安全評估方法研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2011.

[3]劉霄.城市軌道車輛軸箱軸承離線故障診斷及狀態(tài)評估方法[D].上海：上海工程技術(shù)大學(xué)，2015.

[4]趙治博.地鐵車輛轉(zhuǎn)向架軸承故障診斷方法研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2015.

[5]金子博.城市軌道車輛轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件在線安全監(jiān)測技術(shù)研究[D].上海：上海工程技術(shù)大學(xué)，2014.

基金項目：重慶公共運輸職業(yè)學(xué)院院級科研項目，“軌道車輛轉(zhuǎn)向架振動形態(tài)譜分析及故障診斷方法研究”（項目編號：YSKY2018-09）;重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究計劃項目“軌道車輛運行穩(wěn)定性分析與故障診斷”（項目編號：KJQN201905803）

*通訊作者：王瑜琳（1988—），女，碩士，講師，研究方向：為信號檢測與處理、故障診斷。