走行部在線監測系統在貴陽地鐵2 號線的應用

胡瀚文

（貴陽市城市軌道交通運營有限公司，貴州 貴陽 550081）

0 引言

城市化不斷推進，地鐵成為市民的重要公共交通工具。由于地鐵各個車站之間的間距較短，列車在運行中啟動、加速、減速、制動的工況切換較為頻繁，車輛在運行中受到頻繁變化的動態載荷，走行部可靠性隨運行時間延長而下降。目前大多數走行部的檢修維護工作主要通過人工檢查來實現，維護成本高、效率低，且人工檢修過程中不易發現早期故障隱患點。基于此，貴陽2 號線車輛裝備了JK450 型走行部在線監測系統，通過長時間的運用和跟蹤監測，實現了走行部在線監測和故障診斷，便于技術人員在故障初期制定相應維保措施。

1 維保走行部存在的問題

按設備故障浴盆曲線規律，隨著地鐵車輛走行部運行時間、里程數不斷增加，走行部運行達到一定里程后，部件故障率開始出現浴盆效應向上的拐點，運行安全性能逐漸降低，造成系列維護問題：

（1）走行部關鍵部件如軸承、齒輪、車輪踏面質量狀態無法實時掌控，特別是軸承，傳統維保手段是通過貼溫度試紙的方法進行跟蹤，但是這種方法只能在列車回庫后檢查，具有滯后性且不能完全反映軸承的實際狀況。

（2）車輛廠家給出的走行部軸承的維修周期較為保守，不同的運用條件應具有不同的維修要求，欠修容易引起安全事件，過修則增加維修成本，應根據軸承的實際狀態來確定具體的維修周期。

（3）地鐵線路個別區間存在或輕或重的鋼軌波磨問題，鋼軌波磨加劇了輪軌之間的動力學作用，既加速了走形部各部件的機械損傷，又引發輪軌之間的異常嘯叫噪聲，降低運營服務質量。傳統對軌道波磨的維護僅通過在運營收車后的沿線檢查來實現，這樣的檢查具有滯后性，且并不能完全發現問題。

鑒于此，有必要引入走行部在線監測系統，實時監測走行部關鍵部件的數據，掌握走行部關鍵部件的質量狀態和輪軌間的實際振動情況，并提供科學的運用和維修指導意見。

2 走行部在線監測系統

目前，國內北京、上海、廣州、深圳等城市地鐵已開始在新線安裝或老線改造安裝應用走行部在線監測系統，該系統在地鐵車輛運行中能夠及時發現軸承異常、齒輪磨損、踏面擦傷等故障，并實時監測輪軌關系狀態，在保障車輛安全運行過程中起到重大作用。

2.1 監測系統原理

貴陽地鐵2 號線車輛走行部在線監測系統功能基于“廣義共振與共振解調的機械設備故障診斷技術”原理，主要通過在車輛走行部關鍵部件（如電機、齒輪箱、軸箱）貼近軸承位置安裝復合傳感器（安裝位置如圖1 所示），由傳感器對所安裝部件的各物理量（如振動、沖擊、溫度）進行實時探測感知，以車載方式實時監測采集軸承、傳動齒輪、輪對踏面等部件的數據，采用周期性監測獲取輪軌振動數據樣本，采用“機械沖擊故障的共振解調檢測”“變速運轉機械故障診斷及譜號固化分析”等先進檢測技術，實現車輛速度、振動、沖擊等信號的跟蹤采樣與濾波處置，并提取出微弱的周期性的故障信號，對其非周期信號進行周期性轉換，最終通過頻譜計算分析，完成對車輛走行部在運行過程中實時的精確監測及診斷[1]。

圖1 走行部安裝復合傳感器位置示意圖

該系統可實現線路軌道公里標自動定位，在輪軌檢測工作模式下對輪軌狀態進行實時監測，提取車輪運行過程中輪軌關系作用下的振動、沖擊信號，通過配套的地面系統實現各區間輪軌振動、波磨等詳細分析功能，作為掌握軌道狀態的參考依據[2]。系統實時、在線、連續監測走行部運行狀態，對多項行車的數據做綜合計算分析才形成故障的準確識別和早期預警，并實現并對關鍵部件故障進行分級診斷及報警，通過MVB 總線將報警信息輸出到車輛TCMS，指導行車。

2.2 監測系統組成

貴陽地鐵2 號線車輛走行部在線監測系統為固定式車載故障診斷系統，主要由車載診斷儀（6 臺）、前置處理器（20 臺）、復合傳感器（80 支）、無線數據傳輸終端（1 臺）組成，全列車由貫通的屏蔽雙絞電纜組成總線通信，形成數據通信網絡和轉速脈沖信號實時通信網絡，系統具備報警信息通過網絡（MVB 或以太網）傳輸至TCMS 的功能，并由列車TC 車車載診斷儀匯總所有數據及信息，再通過無線數據傳輸終端將數據傳送至地面服務器，實現對電機軸承、齒輪箱軸承、齒輪箱齒輪、軸箱軸承、車輪踏面、輪軌沖擊等數據的實時在線監測及故障診斷。其系統結構拓撲圖如圖2所示。

圖2 走行部在線監測系統設備拓結構

（1）復合傳感器：對安裝部件多個物理量（如溫度、振動、沖擊等）進行實時監測、處理和傳輸。

（2）前置處理器：實現沖擊、振動、溫度模擬通道切換以及模擬信號總線方式傳輸。

（3）綜合診斷儀：對接收到的模擬信號進行解析、診斷和報警，并可以實現監測數據儲存、下載、系統數據更新等功能。

（4）無線數據傳輸終端：通過5G 無線網絡將列車設備數據實時傳輸到地面服務器上。

3 系統的應用情況

貴陽地鐵2 號線全長40.6 km，區間最大坡度30‰、最小曲線半徑350 m。車輛為六節編組，編組形式：=Tc-Mp-M+M-Mp-Tc=。該線有4 列車安裝了走行部在線監測系統，實現了走行部關鍵部件的振動、沖擊、溫度3 個物理量實時在線監測和診斷，保障了列車運營安全。截止至2023 年8 月30 日，裝備系統的列車最大運行里程已達2.84×106km，統計近兩年來的整體應用情況如下：

1）軸箱軸承：監測軸箱軸承測點192 個，存在1處軸承（02029 車5 車41 位軸箱）外環故障特征，該軸承位置存在沖擊趨勢較為連續，溫度處于正常范圍，建議車輛正常運營；

2）電機軸承：監測電機軸承測點64 個，軸承全部正常，電機軸承位置振動、溫度均在正常范圍內；

3）齒輪箱：監測齒輪箱測點64 個，傳動齒輪、軸承全部正常，齒輪箱振動、溫度均在正常范圍內；

4）車輪踏面：監測車輪踏面測點192 個，踏面全部正常，振動在正常范圍內；

5）輪軌振動：貴陽2 號線上行、下行62 個區間均正常，未見明顯波磨和振動偏大區間。在列車ATO 自動駕駛模式運行工況下，上行全區間平均振動有效值0.72g，最大區間平均振動有效值為“金陽醫院站-興筑路站”1.32g，最小輸出區間為“噴水池站-紫林庵站0.42g”；下行全區間平均振動有效值0.65g，最大區間平均振動有效值為“興筑路站-金陽醫院站”1.26g，最小輸區間為“噴水池站-紫林庵站0.44g”。

從走行部在線監測系統投入運用至今，系統持續對關鍵部件進行在線監測和健康評估，結合車輛運營及檢修要求，在密切跟蹤故障數據的前提下，系統輸出維修建議為車輛繼續正常運營。

4 軸箱軸承故障詳情

2021 年9 月8 號，02295 車41 位軸箱軸承在正線工作過程中持續輸出軸承二級報警，通過對該軸承圖譜進行分析，軸承類故障信息其時域波形成細窄梳狀脈沖，每個脈沖等距，且在頻譜圖上，故障譜與外環理論譜對應，判斷軸承存在外環故障特征，如圖3 所示。

圖3 02295 車41 位軸承故障報警輸出圖

結合分析軸承沖擊趨勢數據，發現該軸承沖擊趨勢在9 月8 日11 點40 分突變，系統實時主動診斷輸出軸承報警，軸承沖擊趨勢如圖4 所示。通過結合該軸承歷史趨勢數據評估軸承外環存在輕微剝離，外環沖擊dB 值增大，健康評估為亞健康輕微故障，基于走行部監測系統的實時監測與車輛檢修結合，建議車輛繼續運營，實時跟蹤軸承狀態。

圖4 02295 車41 位軸承沖擊趨勢圖

為確保正線運營安全并驗證系統報警是否準確，2021 年10 月初對該報警故障軸承進行預防性更換，并對故障軸承進行拆檢查看，檢查情況如下：

（1）外圈滾道：承載區域有明顯等間距軸向痕跡，有觸感，分布范圍約120°，與系統監測診斷相符，是報故障的主要原因，故障特征如下圖5。經軸承廠家確認，該軸承滾道表面的軸向痕跡源于軸承安裝后在運輸過程中車輛上下顛簸和振動，滾子和內外圈表面不斷沖擊摩擦產生。

圖5 02295 車41 位軸承外圈壓痕

（2）內圈滾道：承載區域有輕微等間距軸向痕跡，無觸感，分布范圍約120°，不是報故障的主要原因。

（3）滾子：部分滾子有輕微軸向痕跡，痕跡處圓周加工紋路被破壞，邊緣材料有輕微凸起，不是報故障的主要原因。

（4）保持架及密封蓋：正常。

更換02295 車故障軸承后正常運行至今，通過對02295 車41 位軸承持續跟蹤，軸承外環沖擊故障特征消失，監測系統再未輸出報警信息，更換后的軸承健康評估為正常。

5 結語

貴陽地鐵2 號線通過應用走行部在線監測系統，實現了對車輛走行部電機軸承、齒輪箱軸承、軸箱軸承、車輪踏面在線監測與持續跟蹤，實時掌握車輛走行部關鍵部件的質量狀態，為走行部運營維保提供了準確的監測數據和故障預警，有效提升了列車的運營安全質量。同時該系統進一步推進貴陽地鐵車輛維保工作從傳統計劃維修發展到狀態維修的進程，提高維修效率，降低維護成本，為地鐵行業智能運維技術運用和檢修維護提供借鑒。