謝述武
（深圳地鐵運營總部車輛中心）
摘 要：本文介紹了走行部車載故障診斷系統的組成及監測原理，并通過在深圳地鐵的應用，實現了走行部的狀態監測，故障診斷，運用評估，為車輛的檢修和維護提供了便利。
關鍵詞：走行部；狀態監測；故障診斷
隨著城市的發展，城軌車輛已成為重要的公共交通工具。城軌車輛運行區間短，車輛啟動、加速、減速和制動頻繁的特點， 使得城軌車輛機械運轉時的動態載荷變化范圍與頻度變大。而走行部故障對于城軌車輛的運營安全尤為重要。雖然城軌車輛基本上每天被安排回庫檢修，但僅憑常規檢查和日常檢修手段對于軸承內部故障、車輪踏面等問題很難提前和及時發現。因此，深圳地鐵從2016年開始在深圳1、5、11號線上應用走行部車載故障診斷系統。通過長期運用跟蹤，能實時有效地對走行部的軸箱軸承狀態、電機軸承狀態、齒輪箱軸承及齒輪狀態、車輪踏面進行狀態監測與故障診斷，為車輛走行部關鍵部件的檢修和維護提供了便利。
1 走行部車載故障診斷系統組成及監測原理
走行部車載故障針對系統主要有復合傳感器、前置處理器、車輛分機、列車主機等組成，結構組成如圖1所示。
復合傳感器安裝在軸箱體、電機、小齒輪箱上，實現溫度、振動、沖擊等多個物理量的檢測、處理和傳輸；前置處理器安裝在轉向架上，動車2個/轉向架，拖車1個/轉向架，管理本轉向架各測點的傳感器，實現振動、沖擊模擬通道切換以及溫度、模擬信號總線方式傳輸；每節車一個車輛分機，實現本車前置處理器管理、信號采集、數據存儲和故障診斷，同時與列車主機交互通信；每列車1臺列車主機，實現車載系統集中管理，包括：接收轉速信號并判別、管理協同車輛分機、顯示診斷和報警、數據集中儲存和下載、系統更新及維護等。
圖1 走行部車載故障診新系統組成示意圖
走行部車載故障診斷系統主要采用我國專利技術“一種機械故障沖擊的共振解調檢測方法”、“同類、有序動信息（組）群中各信息源時域樣本的跟蹤采集”、“變速運轉機械故障診斷的轉速跟蹤采樣及固化譜號分析方法”。基于上述三種專利技術，實施轉速跟蹤采樣與振動、沖擊信號的濾波處理，目的是提取微弱的走行部故障沖擊信息，對其進行非周期信息的周期變換，固化理論抽象譜，Z終實現監測對象的早期預警、分級報警、精確診斷。
2 系統應用情況
深圳地鐵首先結合車輛架大修，在深圳1、5號線既有車加裝了走行部車載故障診斷系統，針對架大修后的走行部的狀態監測，深入研究車輛走行部運行狀態，指導車輛運營及維修。
另外，考慮到深圳11號線為深圳首條120km/h車輛的線路，為了研究車輛在120km/h車速下的運行狀態，也引入了走行部車載故障診斷系統，實現對走行部關鍵的狀態評估，進而實現車輛的狀態維修。
2.1 軸箱軸承狀態監測情況
走行部車載故障診斷系統實時采集數據，通過沖擊樣本分析、沖擊趨勢分析及溫度趨勢分析實現對軸承狀態的綜合判定。
系統通過對圖譜進行分析，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。并通過對歷史趨勢分析，判斷出故障歷史發生發展狀態，指導運用維修。
圖2 軸示外環故障特征沖擊樣本圖譜
溫度信息的監測是保障列車安全的Z后一道屏障，走行部車載故障診斷系統的溫度信息分為2級處理，在前置處理器，MCU的常規方式分為5s對所接所有傳感器溫度信息以常規精度讀取一次。
圖3 軸承外環做障特征沖擊趨勢
必要時，走行部車載故障診斷系統將啟用箱密測溫模式。在車輛分機每次和前置處理器通信時，車輛分機以前置處理器為單位獲取前置處理器及其所屬傳感器溫度信息，從而實現溫度信息的并行快速采集。
圖4 溫度趨勢圖譜
2.2 電機軸承狀態監測
深圳地鐵電機軸承在近幾年頻繁出現各類問題：西門子電機滾珠電蝕問題、軸承過熱卡死問題等。為實時掌握電機在運營過程的狀態，應用走行部車載故障診斷系統對電機軸承進行了跟蹤、監測，分析其在運營過程中的健康狀態。
系統依據機械的結構幾何學及運動學規律，共振解調、轉速跟蹤診斷技術建立了診斷滾動軸承故障的經典數學模型，可從定量和定性兩個角度對故障進行確定性的精密診斷。
2013年，通過走行部車載故障診斷系統對西門子的牽引電機軸承進行故障監測，發現電機軸承存在故障信息，如圖5所示；對故障軸承的現場拆解發現軸承保持架存在故障，如圖6所示。
圖5 是行部車能故隱詩新系統提示輸示薦在故障信息
圖6 故障軸示現場拆解跟蹤
深圳11號線2016年6月開通運營，走行部車載故障診斷系統監測發現電機普遍存在電機軸承的早期故障信息，以1116車為例，該車多個電機存在早期保持架故障沖擊信息，通過對這些故障軸承進行機理分析電機軸承傳動端存在缺油問題；如圖7所示。
圖7 走行部車載故障診斷系統提示該軸承存在保持架故障信息
針對深圳1116車電機缺油狀況，深圳地鐵對故障電機進行注油，注油后通過數據反映故障信息明顯減弱，注油前后對比如表1所示：
表1 注油前后保持架故障信息對比情況
2.3 齒輪箱狀態監測
齒輪箱監測包含小齒輪箱軸承、齒輪的監測，小齒輪箱軸承的監測，其原理、譜線與軸箱軸承的監測相同。
分析全國各城市地鐵，齒輪故障時有發生，齒輪故障顯示特征主要有以下幾種：
①在一個小齒輪轉動周期中有多次沖擊，意味著有不止一個齒發生故障沖擊。
②如果只有單個齒故障，則沖擊波在一個齒輪周期的時城波形中脈沖占空比很窄，頻域將具有豐富的多階譜特征。高速時沖擊比低速時寬，在相同牽引力下，高速時的沖擊值（初級診斷值）也會明顯增大。
③由于多故障同時存在，時域沖擊脈沖在齒輪周期中的脈沖占空比比較寬，呈現多簇沖擊；由此導致頻域高階譜線不鮮明。
下圖為典型的單齒裂紋故障及齒輪多處故障的圖譜。
比較以上故障的圖譜可知：齒輪存在單個齒的（如裂紋）故障時，在齒輪周期采樣點內會出現一簇定位性很好且尖銳陡峭的沖擊波，頻域譜線突出且高階豐富；齒輪多處故障時，在齒輪周期采樣點內有多簇沖擊，且高階不如單齒（裂紋）故障豐富。
圖8 單齒裂紋故障，時城被形占空比小，顛譜高階譜豐富
圖9 齒輪多處故障，時城被形占空比大，頻譜高階譜減少
齒輪在運轉過程中，當發生故障的齒與相鄰齒嚙合時會產生沖擊，齒輪所在軸每轉一周都會在故障處產生這樣的沖擊，該沖擊被走行部車載故障診斷系統接收。走行部車載故障診斷系統通過自動診斷分析，輸出齒輪報警。對于單個齒的故障，齒輪所在軸轉一周產生一次沖擊，而在齒輪存在多處故障時，轉軸一周會產生多次的沖擊。所以，當齒輪多處故障時，會在齒輪周期中出現多簇的沖擊脈沖。
2.4 車輪踏面狀態監測
車輪踏面故障一般包括踏面擦傷、踏面剝離和車輪失圓等情況，深圳地鐵在運營過程中，經常出現車輪失圓及擦傷剝離故障特征，其中車輪失圓多表現為圓跳動過高，而車輪失圓將導致車輛運行過程中與鋼軌產生有規律的周期性撞擊聲，不僅造成輪軌異常振動和沖擊，引起輪軌關系惡化，還影響乘坐舒適性。為此，深圳地鐵應用走行部車載故障診斷系統針對振動、沖擊兩個物理量對踏面進行綜合診斷，分析車輪失圓的發展趨勢，指導車輪鏈修。
走行部車載故障診斷系統通過對存在失圓的車輪振動圖譜分析，其數據樣本中的沖擊圖譜表現為車輪每轉動十圈的踏面沖擊狀態，當車輪出現圓跳動特征后，車輪每轉一圈將會產?一簇沖擊信號，其引發共振解調波形將具有周期重復性，數據樣本中沖擊圖譜將呈現十簇間隔均等的沖擊信號。通過這種理論方式，可判斷車輪存在失圓的故障特征。
以深圳1號線112車為例，2016年11月份走行部車載故障診斷系統發現1124車1軸右側存在踏面失圓故障特征信息，并持續跟蹤，系統于2017年2月建議對該位置進行鍍修，監測情況如圖10所示。
根據現場跟蹤1124車1軸右側的鏈修，發現該位置圓跳動達0.91mm，嚴重超標，如圖11所示。
圖10 1124車1軸右側的沖擊圖譜
3 結束語
通過走行部車載故障監測系統的應用，及時監測車輛走行部的狀態，對隱患位置的挖掘和及時維修，減少損傷的累積，改善車輛走行部運行狀態，減少行車事故障的發生具有重要意義。
（來源：高速鐵路與軌道交通專享版，2017年6月）
