關(guān)于走行部車載監(jiān)測裝置在機車數(shù)據(jù)分析應(yīng)用中常見問題的探討

蔣福才,康等連

（中國鐵路蘭州局集團有限公司蘭州車輛段，甘肅 蘭州 730000）

關(guān)鍵字:機車；走行部車載監(jiān)測裝置；牽引電機；共振解調(diào)；數(shù)據(jù)分析

1 概述

牽引電機是機車傳動裝置驅(qū)動單元的重要部件之一，為機車運行提供動力的裝置。牽引電機的轉(zhuǎn)子通過軸承支撐進行轉(zhuǎn)動，牽引電機傳動系統(tǒng)在機車上將牽引電機的扭轉(zhuǎn)力矩通過齒輪裝置傳遞到車軸上，使機車實現(xiàn)加減速。牽引電機軸承的安全關(guān)系到整個列車的安全運行。牽引電機軸承在長時間轉(zhuǎn)動的情況下由于震動因素產(chǎn)生軸承故障沖擊，直接威脅著機車走行部安全，是機車走行部常見的故障之一。

2 JK11430 機車走行部車載監(jiān)測裝置及共振解調(diào)技術(shù)原理

JK11430 機車走行部車載監(jiān)測裝置是一種車載安全監(jiān)測及保障設(shè)備，它能夠?qū)C車走行部的輪對踏面、齒輪、軸承的狀態(tài)及其質(zhì)量和軸溫進行在線監(jiān)測與自動分析診斷。

2.1 JK11430 機車走行部車載監(jiān)測裝置

JK11430 機車走行部車載監(jiān)測裝置是JK00430機車走行部車載裝置的換代產(chǎn)品，是為了保障鐵路機車及車輛（和諧型機車、高鐵、動車組、CR200J 型動車組等）安全運營而研制的在線車載動態(tài)實時監(jiān)測裝置，可對走行部軸承、齒輪、踏面等故障進行診斷和預(yù)警。該裝置由主機、復(fù)合傳感器、前置處理器、傳輸線纜等組成，能夠?qū)_擊振動信息和溫度信息由復(fù)合傳感器轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)傳輸線纜、前置處理器傳輸?shù)窖b置主機，并將信息進行儲存和自動分析。若有故障，則通過機車6A 顯示屏向司乘人員進行報警提示。另外，裝置儲存的數(shù)據(jù)還可通過主機的數(shù)據(jù)下載端口或通過網(wǎng)絡(luò)無線傳輸?shù)綑C務(wù)段地面管理計算機上進行故障分析，為檢修提供依據(jù)[1]。

2.2 共振解調(diào)技術(shù)原理

JK11430 機車走行部車載監(jiān)測裝置工作原理的核心技術(shù)是共振解調(diào)技術(shù)。通過傳感器及電路的諧振，使故障的沖擊振動與諧振器發(fā)生共振，以便將故障沖擊引起的諧振器自由衰減振動放大，并利用解調(diào)技術(shù)將故障信息提取出來后進行頻譜分析。用以診斷機車輪對踏面、軸承、齒輪故障。對牽引電機軸承進行實時監(jiān)測，當軸承內(nèi)環(huán)、外環(huán)、滾子、保持架等有故障或者缺陷時能夠發(fā)出預(yù)報警信息，能對軸承溫度進行實時監(jiān)測。

機車輪對踏面、軸承、齒輪出現(xiàn)故障后，其引起的沖擊振動所含的頻率很高且幅度較小、寬度較窄，故障通過多個部件傳遞后，振動能量損失很大，且由于其他機械振動的干擾，直接做沖擊振動頻譜分析將不能成功監(jiān)測到故障，甚至可能會導(dǎo)致漏診。共振解調(diào)技術(shù)不是直接分析振動信號的頻譜，而是設(shè)置一個諧振頻率遠遠高于常規(guī)振動頻率的“共振器”，去處理振動信號；常規(guī)的、不危害機器安全的振動（如鋼軌的高低起伏引起的機車振動）是柔和的，不含有“共振器”頻帶內(nèi)的頻譜分量，共振器沒有與之相關(guān)的輸出；而故障沖擊不論多么小，也含有幾乎無限豐富的高頻能量，能夠被共振器吸收發(fā)生共振，就像搖晃車輪不響，而輕輕敲擊車輪卻能發(fā)出很大的聲響一樣，“共振器”能夠敏銳地提取、變換沖擊信息[2]。

故障沖擊振動信息經(jīng)傳感器檢測及電路諧振，得到放大的周期性高頻衰減振動。而這些周期性沖擊正是解調(diào)技術(shù)尋找和測量的目標，通過解調(diào)技術(shù)獲得沖擊的幅度和頻率（沖擊間的周期），并將故障引起的沖擊加以放大和展寬，再將放大后的高頻信號還原到低頻信號以利于分析，同時濾掉其他振動和干擾。這樣，獲得的時域波形中就只有故障沖擊振動信息，對其作頻譜分析就可得到與故障沖擊周期相對應(yīng)的頻率成分及其高次諧波。

共振解調(diào)技術(shù)能有效地剔除“干擾”，提取走行部的故障沖擊信號，且由于走行部部件特定的故障對應(yīng)著特定的頻率，可通過對共振解調(diào)波及其頻譜的分析，就能方便地識別走行部各部件的故障。

3 牽引電機軸承常見故障及在JK11430裝置中的特征波形

軸承常見的故障有軸承內(nèi)外環(huán)剝離，軸承保持架磨損、變形、斷裂，軸承滾子剝離等。軸承故障對機車走行部的安全構(gòu)成直接危害，當機車牽引電機軸承故障時如果處理不及時，極大可能會造成軸承固死。HXD1D、FXD1-J 型機車自配屬上線運行后，分析JK11430 數(shù)據(jù)存在多起牽引電機軸承波形異常信息，通過解體檢查發(fā)現(xiàn)牽引電機軸承存在真實故障，對機車、CR200J 型動車組的正常使用、生產(chǎn)組織等帶來了極大困難，嚴重影響生產(chǎn)運營。

3.1 HXD1D 型機車牽引電機傳動端軸承常見故障及特征波形

HXD1D 型機車牽引電機傳動端軸承故障主要表現(xiàn)在軸承滾子剝離、內(nèi)外環(huán)剝離等，下面以HXD1 D0600 機車12 位軸承為例。

HXD1D0600 機車回段分析JK11430 數(shù)據(jù)12位存在軸承故障波形，由于該型機車配屬以來未產(chǎn)生過2 位軸承故障信息，在蘭州車輛段的數(shù)據(jù)分析史上始終是一項空白，為了更好地驗證此次故障的真實性，故對該機車的第一齒輪箱油及2 位的傳感器進行更換后調(diào)整機車交路進行盯控運行。

該機車前期12 位的故障波形表現(xiàn)為軸承滾子故障，如圖1、圖2 所示。

圖1 軸承滾雙、滾單故障三階譜

圖2 軸承、軸承滾子故障三階譜

根據(jù)軸承滾單、滾雙沖擊數(shù)據(jù)可知，軸承滾單沖擊在46 dB 左右且呈連續(xù)沖擊趨勢，軸承滾雙在40 dB 左右呈間斷性沖擊趨勢，沖擊數(shù)據(jù)如圖3 所示。

圖3 軸承滾單、滾雙沖擊數(shù)據(jù)

經(jīng)過跟蹤，機車運行回段后分析JK11430 數(shù)據(jù)，該點位發(fā)生了報警信息。為了更好地驗證軸承故障是否存在，為以后的故障判斷奠定基礎(chǔ)，在考慮行車安全的前提下，通過解體電機軸承發(fā)現(xiàn)軸承滾子表面磨損、外環(huán)滾道磨損如圖4 所示。

圖4 軸承滾子表面磨損、外環(huán)滾道磨損

3.2 HXD1D 型機車牽引電機非傳動端軸承常見故障及特征波形

HXD1D 型機車牽引電機非傳動端軸承故障主要表現(xiàn)在軸承內(nèi)外環(huán)剝離、保持架、球形滾子表面磨損等，下面以HXD1D0319 機車35 位軸承為例。

HXD1D0319 機車運行回段分析JK11430 數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，該機車存在35 位軸承預(yù)警信息。從數(shù)據(jù)波形上可以判斷出是保持架對外環(huán)的沖擊，但保持架對外環(huán)的沖擊在數(shù)據(jù)分析史上是很少見的故障。由于該型機車牽引電機非傳動端軸承采用的是深溝球形軸承，對數(shù)據(jù)分析人員的判斷較為困難，為了驗證軸承故障的存在，對該機車35 位進行了補油處理后短交路盯控運行。當機車運行回段后產(chǎn)生了更多的軸承預(yù)警信息，同時分析沖擊趨勢和溫度[3]，有明顯的上升趨勢，將該機車牽引電機非傳動端軸承解體發(fā)現(xiàn)軸承保持架嚴重磨損，保持架兜孔變大，軸承滾子磨損且油脂變色。

HXD1D0319 機車3 軸5 位故障波形如圖5 所示。

圖5 保持架故障三階譜

根據(jù)軸承保持架沖擊數(shù)據(jù)可知，軸承滾單沖擊超過44 dB 且呈連續(xù)沖擊趨勢，沖擊數(shù)據(jù)如圖6 所示。

圖6 保持架沖擊數(shù)據(jù)

同位溫差對比，3 軸5 位溫度明顯高于其他軸位，比1 軸5 位、2 軸5 位、4 軸5 位均高20 ℃且有溫度持續(xù)偏高現(xiàn)象，溫度進一步證實了該軸軸承故障的存在。

3.3 FXD1-J 型機車牽引電機傳動端軸承常見故障及特征波形

與HXD1D 型機車相似，F(xiàn)XD1-J 型機車牽引電機傳動端軸承故障主要表現(xiàn)在軸承滾子剝離、內(nèi)外環(huán)剝離等，下面以FXD1-J0023 機車3 軸2 位、2 軸2 位軸承為例。

2019 年6 月7 日，CR200J1-2005 動車組（動力車：FXD1-J0023）入庫檢修，數(shù)據(jù)分析人員分析動力車走行數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)3 軸2 位內(nèi)環(huán)故障波形明顯、三階譜呈現(xiàn)。基于此類故障在CR200J 型動車組上首次發(fā)生，且為了運行安全考慮，將此車調(diào)入庫更換第3軸驅(qū)動，故障電機發(fā)送回廠進行拆解檢查，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)3 軸2 位內(nèi)環(huán)有1 處較大剝離。同時2020 年2月7 日，此車入庫后，JK11430 數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)動力車2 軸2 位同樣出現(xiàn)內(nèi)環(huán)故障波形明顯、三階呈現(xiàn)，故障波形與前期3 軸2 位相似。為了更好地驗證故障的真實性，更換第2 軸驅(qū)動，將故障電機發(fā)送回廠進行拆解檢查，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)2 軸2 位軸承內(nèi)環(huán)剝離嚴重，存在斷裂脫落風(fēng)險。

FXD1-J0023 機車3 軸2 位、2 軸2 位故障波形及解體檢查如圖7-10 所示。

圖7 3 軸2 位三階譜

圖8 2 軸2 位三階譜

圖9 3 軸2 位軸承內(nèi)環(huán)剝離

圖10 2 軸2 位軸承內(nèi)環(huán)剝離

4 牽引電機軸承故障處理方法的探討

由于牽引電機使用的是交流電機，在運行中產(chǎn)生較大的電磁干擾，對JK113430 機車走行部車載監(jiān)測裝置數(shù)據(jù)采集干擾較嚴重，在數(shù)據(jù)分析過程中不容易分辨故障波形，給現(xiàn)場作業(yè)帶來了極大的困擾，經(jīng)過大量數(shù)據(jù)分析及現(xiàn)場解體情況來看，當機車牽引電機發(fā)生報警信息時，可以借鑒以下處理方法。

4.1 牽引電機傳動端軸承報警

當牽引電機傳動端軸承發(fā)生預(yù)報警信息或者有故障波形時，一是通過數(shù)據(jù)判斷是否存在干擾，如有干擾，更換傳感器后短交路盯控運行。故障未消除時建議更換齒輪箱潤滑油后繼續(xù)短交路盯控運行，若出現(xiàn)沖擊報警且沖擊趨勢連續(xù)，軸承故障波形清晰，則更換牽引電機傳動端軸承。二是如若無干擾，分析數(shù)據(jù)沖擊趨勢連續(xù)，軸承故障波形清晰，則更換牽引電機傳動端軸承。

4.2 牽引電機非傳動端軸承報警

當牽引電機非傳動端軸承發(fā)生預(yù)報警信息或者故障波形時，一是對該牽引電機非傳動端軸承進行補油處理，調(diào)整機車短交路盯控。若后續(xù)產(chǎn)生沖擊報警信息，則建議更換電機軸承。二是對電機軸承補油處理盯控完畢后未產(chǎn)生報警信息，則繼續(xù)盯控溫度及沖擊變化趨勢，后續(xù)如若出現(xiàn)軸承溫度升高并故障沖擊趨勢上升，則建議更換電機軸承。

5 小結(jié)

隨著國家鐵路建設(shè)的迅速發(fā)展，生產(chǎn)力布局調(diào)整，“長交路、輪乘制”成為我國鐵路機車、動車組運用的普遍趨勢，單程不停車長交路運行距離遠遠超過了3 000km，以前的機車、動車組檢修方式已經(jīng)不適應(yīng)于當前運用方式的需求，需要更高的科技手段來保駕護航。JK11430 機車走行部車載監(jiān)測裝置對不易診斷、測量、檢查的故障能夠?qū)崟r動態(tài)監(jiān)測，這是對走行部故障進行預(yù)防維修、提前維修的有力支持，在避免漏修失修的同時也避免了過度維修，為機車、動車組狀態(tài)維修創(chuàng)造了條件，運行安全得到了有效保障，對鐵路運營秩序的穩(wěn)定提供了有力的保證。