車輛走行部車載故障診斷系統應用與實踐

王鵬宇，王 峻

(蘭州市軌道交通有限公司，甘肅 蘭州 719300)

根據地鐵、鐵路等輪軌行業歷年來運營狀況，走行部機械故障直接決定列車運行的安全性與穩定性，現階段輪軌行業車輛走行部關鍵部件依靠人耳聽、目視等常規的方法進行巡視檢查。一旦走行部關鍵部件故障，輕則抽線、清客、救援、停運，重則導致災難性事故。輪軌行業鋼軌波磨是普遍性的，且出現早、范圍大、數量多、發展快，通常采用常規養護維修手段無法徹底解決，嚴重影響并制約運營安全、服務質量及維修養護。本文以某地鐵電動客車車輛走行部車載故障診斷系統應用為例，通過數據分析、趨勢研判優化修制修程，改善輪軌匹配關系，降低維修成本，提高車輛穩定性的嘗試，闡述盡快開展走行部關鍵部件安全監測、輪軌關系狀態監測的必要性。

1 系統方案設計

走行部故障診斷系統由車載在線實時監測診斷系統、地面信息分析管理系統組成[1]。其主要實現功能如下：走行部關鍵部件在線診斷，實現故障早期預警和分級報警；數據在地面實現詳細分析、歷史趨勢分析、統計分析、橫向對比分析等，為走行部維護提供決策；輪軌振動、沖擊信息的實時連續采集與運行位置公里標自動定位，數據在地面可實現輪軌振動、波磨等詳細分析，通過對線路狀態的監測、跟蹤，掌握線路狀態，為軌道維護提供決策；從輪軌振動、沖擊數據，線路振動，線路波磨區間綜合統計分析。

1.1 系統介紹

走行部與輪軌狀態安全監測系統是一種走行部安全監測裝備，通過安裝在走行部關鍵部件上的復合傳感器，同時監測沖擊、振動、溫度等物理量，并通過基于廣義共振與共振解調的故障診斷技術，實現走行部關鍵部件的車載在線實時診斷，對于故障實現早期預警和分級報警，準確指導車輛的運用和維修[2]。

1.2 系統方案

某地鐵電動客車為A 型車；

編組形式：-Tc*Mp*M-M*Mp*Tc-；

a) Tc：帶司機室拖車；

b) Mp：帶受電弓動車；

c) M：不帶受電弓動車；

d)-：半自動車鉤；

e) *：半永久牽引桿。

最高運營速度：80km/h

1.3 系統構成

1.3.1 車載系統

車載系統實時監測走行部關鍵部件的沖擊、振動、溫度3 個物理量，采用“一主六分”的控制形式，由1 臺列車主機、1 臺移動通信模塊、6 臺車輛分機、28 臺前置處理器與80 只復合傳感器組成本監測系統，全列車由貫通的屏蔽雙絞電纜組成總線通信網絡，形成數據通信網絡和轉速脈沖信號實時通信網絡，列車主機可通過MVB 將實時監測信息和診斷報警信息傳輸給列車TCMS，車載系統拓撲結構如圖1 所示。

圖1 車載系統拓撲結構

1.3.2 地面系統

地面系統由數據庫、后臺應用程序及城軌車輛走行部在線監測與健康評估系統組成。用于對走行部車載故障診斷系統采集的數據進行接收、導入、分析、評估。車載系統的監測數據通過下載及轉儲方式進入到地面系統（如圖2 所示）。

圖2 地面系統應用示意圖

1.4 走行部故障診斷系統測點配置及安裝

理論上電動客車屬多剛體運動系統，其振動主要受輪軌耦合產生的沖擊造成[3]，某地鐵A 型電客車轉向架為無搖枕結構，采用傳統的H 型構架，每個轉向架的兩個空氣彈簧支承著車體的重量，一系懸掛由一對圓錐形金屬橡膠彈簧組成，在車體和轉向架之間采用單牽引拉桿傳遞牽引力和制動力。根據安裝設備的不同，轉向架主要分為動車轉向架和拖車轉向架，結合該型轉向架的特點如下：輪軌耦合產生的沖擊、一系彈簧的剛度、垂向、橫向、抗蛇形減震器阻尼、空氣彈簧的阻尼、牽引桿彈性節點剛度等等。結合上述特點科學合理的在轉向架上設置測點，采用沖擊、振動、溫度復合傳感器，具體測點設置見表1。

表1 測點配置

2 走行部與輪軌狀態安全監測系統應用

為實時、高效、同步地安全監測走行部和輪軌狀態，降低工作人員的檢測和維保強度，某地電動客車的走行部故障診斷系統采集數據為軌道、車輛提供維修支持[4]。某地鐵技術人員通過定期的數據分析及評估，在走行部車載故障診斷、軌道狀態診斷方面取得一定的效果，為后期智能運維提供可行性的決策建議[5]。

診斷案例1：走行部故障診斷系統發現新增亞健康踏面2 處。

每列車走行部在線監測評估通48 個軸箱監測點、16 個齒輪箱監測點、16 個電機監測點的數據采集分析，結合歷史趨勢、專家案例庫數據，對車輛走行部運行狀態進行綜合判斷與評估，以車輪踏面評估為例，對車輪踏面健康評估檢測，本次檢測共檢測踏面192 個，新增2 個亞健康踏面見表2。

表2 車輪踏面健康評估檢測

圖3 為該車輪時域波形圖、頻譜圖、診斷抽象譜圖所示為A0071 車4 軸8 輪踏面亞健康波形圖，采樣點轉速為305r/min，10dT=4.8309ms 時域波形圖,dF-2.5269Hz 電機頻率（3653.7306.109.59Hz）頻譜圖，對該輪監測數據顯示均值-1.59g，失圓量0.50mm。

圖3 車輪踏面亞健康波形圖

圖4 所示跳動量峰值為3.38mm 的跳動量。結合圖1、圖2 數據綜合分析得出A0071 車4 軸8 輪輪徑測量橫斷面的最大值和最小值的差值達到0.50mm，踏面失圓波形明顯。

圖4 A0071 車4 軸8 輪失圓徑向跳動量

輪對踏面失圓量直接影響車輛運行穩定性，在正常運行中促使車輛的橫向、縱向和垂直振動不在三分之一范圍的倍頻帶、跨越1～40Hz 范圍的加速度值，超越ISO2631 中關于1h 乘坐舒適度邊界條件的規定[6]。踏面失圓致使車輪跳動值較大，失圓車輪等同于多邊體車輪，該多邊體車輪的每一個邊與鋼軌接觸，均發生一次沖擊，鋼軌受到下沖力，車輪受到上沖力，多邊體車輪不斷前進滾動，就會與鋼軌產生周期性的沖擊，嚴重損害車輪及線路，降低車輛運營品質。基于上述測量結果，回廠后要進行復測，測量結果與走行部與輪軌狀態安全監測系統監測數據相一致，做跟蹤觀察處理，防止失圓進一步惡化而影響車輛運營品質。

診斷案例2：軌道線路狀態變化趨勢分析評估。

本案例針對某地鐵K8km+192m 至K33km+720.566m 區間的輪軌振動、沖擊數據進行了數據采集分析，從而給出軌道狀態的評估。本次振動輸出門限值亞健康判定標準為5g，不健康標準為6.33g。通過數據分析判斷：本次監測區段的數據反映某地鐵無振動突變或異常區間，亦無波磨區間，線路狀態評估良好。針對選取的行車數據進行統計分析，反映線路中的輪軌振動狀態。

圖5 所示為K8km+192m 至K33km+720.566m 區間上行左軌振動有效值的趨勢圖，直接反應了該區間線路振動情況，區間最大有效值，所有區間最大有效值為2.29g，出現在K17km+146.692m-K18km+054.171m區間內，按照本次振動輸出門限值亞健康判定標準為5g，不健康標準為6.33g，上行左軌狀態良好。

圖5 上行左軌振動有效值趨勢圖

圖6 所示為某地鐵K8km+192m 至K33km+720.566m 區間上行右軌振動有效值的趨勢圖，振動加速度有效值最大的路段處于K24km+060.445m 至K25km+029.800m 區間，振動加速度有效值為6.19g，次之為K9km+772.000m 至K12km+111.547m 區間，振動加速度有效值為5.78g，第三為K15km+140.063m 至K17km+146.692m 區間，振動加速度有效值為5.1g。按照本次輸出門限值的標準，K9km+772.000m 至K12km+111.547m 區間，K15km+140.063m 至K17km+146.692m 區間為亞健康狀態，K24km+060.445m 至K25km+029.800m 區間接近不健康狀態。

圖6 上行右軌振動有效值趨勢圖

圖7 為本次上行左軌-振動有效值趨勢對比圖，從圖中可以明發現K24km+060.445m 至K25km+029.800m 區間站由上次亞健康狀態振動加速度有效值5.56g，變為接近不健康狀態振動加速度有效值6.19g；K9km+772.000m 至K12km+111.547m區間由上次健康狀態振動加速度有效值4.75g 突變為亞健康狀態振動加速度有效值為5.78g；K15km+140.063m 至K17km+146.692m 區間由上次上次健康狀態振動加速度有效值4.74g 突變為亞健康狀態振動加速度有效值為5.1g。

圖7 上行左軌-振動有效值趨勢對比圖

上述案例可以看出，監測輪軌情況，根據輪軌振動檢測數據來判斷輪軌的狀態，并進行輪軌健康狀態評估，通過變化趨勢將原有的計劃修變為狀態修，可以提高維修效率，延長鋼軌、輪對壽命，對跳動量的狀態變化監測，地鐵技術人員有效的結合走行部振動檢測數據，依據該系統給出的維修指導意見實施經濟鏇，延長車輪壽命。

3 結語

城市軌道交通行業實現走行部故障診斷系統與車輛的組網融合[7]；實現走行部地面分析與管理系統與車輛故障管理系統的組網融合需求十分迫切[8]。對振動檢測系統的運用實踐分析及現場應用研究，走行部地面分析與管理系統的應用設計，基本可以達到診斷準確、軟件易用、圖形界面合理、數據統計輸出便利的目標。結果表明：

（1）通過預定的振動、沖擊、溫度參數指標實時在線診斷走行部狀態，根據采集數據的提取特征、故障診斷、趨勢分析及健康狀態評估，結合評估結果給出相應的維修建議，技術人員根據建議實現對車輛走行部及軌道不良狀態精準維修施策。

（2）通過數據分析運算，預測壽命，結合修程修制、維修方式等信息，為合理安排生產任務和維修計劃提供信息支撐。

（3）走行部振動檢測系統對輪軌振動實時檢測功能可客觀地反映輪軌適配狀態，為車輛和工務兩個專業提供關聯分析的參考數據。

（4）由于維修天窗有限，維修人、機、物有限，系統數據的采集分析有助于對維修資源的統籌安排，按照區段超限點健康狀態及其峰值，研判趨勢變化程度確定維修順序，并針對性的制定施工維修計劃。

（5）電動客車配置牽引電機輸出端軸承、齒輪箱軸承、軸箱軸承的在線檢測裝置，該裝置不僅能檢測軸承溫升，還能檢測軸承的振動和沖擊，實現早期預警、分級報警。對走行部軸承、齒輪、踏面故障的實時監測，減少損傷累積，讓走行部狀態及輪軌關系可控、受控、再控[9]。

（6）系統建立的列車走行部故障診斷與安全監測的歷史及趨勢數據庫，管理車載系統的行車數據，通過車輛走行部在線監測與健康評估系統進行歷史檔案管理和趨勢分析，便于運用和檢修人員掌握列車走行部故障發生發展的過程，并根據系統給出的維修指導建議來實施維護和維修作業。