城軌交通車輛走行部故障自動(dòng)診斷技術(shù)應(yīng)用

許艷華 黃貴發(fā) 唐德堯

(1.北京市地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司 北京 100044;2.北京唐智科技發(fā)展有限公司 北京 100097)

城軌車輛走行部的機(jī)械故障關(guān)系到列車運(yùn)行安全，常規(guī)手段的日常檢查無(wú)法準(zhǔn)確掌握走行部的狀態(tài)，維修效率更難以提高。城軌車輛走行部車載故障診斷系統(tǒng)，采用了自主創(chuàng)新的廣義共振與共振解調(diào)的機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù)，能自動(dòng)診斷車輛走行部軸承、傳動(dòng)齒輪、車輪踏面等關(guān)鍵部件的早期故障，并在線實(shí)時(shí)發(fā)出預(yù)警信息，準(zhǔn)確指導(dǎo)車輛的運(yùn)用和走行部的狀態(tài)檢修。該系統(tǒng)在北京地鐵獲得了成功應(yīng)用，對(duì)于提高走行部檢修效率和實(shí)現(xiàn)軌道交通運(yùn)營(yíng)主動(dòng)安全保障具有重要意義［1］。

1 走行部故障分析

城軌車輛走行部的機(jī)械故障主要發(fā)生在軸承(含軸箱、齒輪箱和牽引電機(jī)軸承)、傳動(dòng)齒輪、車輪踏面等處，在缺乏有效的在線自動(dòng)診斷技術(shù)之前，即使依靠人工耳聽(tīng)目視進(jìn)行大量的普查，投入大量的人力物力進(jìn)行高密度的“死看死守”式的計(jì)劃性維修和預(yù)防性維修，也難以避免故障的發(fā)生，而且一旦發(fā)生故障就會(huì)危及行車安全。例如，圖1所示的軸箱軸承故障就對(duì)車輛的安全運(yùn)行帶來(lái)了極大的威脅。

圖1 軸箱軸承故障

另外，由于車輛設(shè)計(jì)或材質(zhì)缺陷等原因?qū)е碌淖咝胁抗收喜粫r(shí)出現(xiàn)于運(yùn)營(yíng)車輛上，而此時(shí)不在預(yù)定修程中，短期內(nèi)又不能全部在修程外安排大量的停修時(shí)間予以更換，都會(huì)使運(yùn)營(yíng)管理部門(mén)陷入既要保證正常運(yùn)營(yíng)又無(wú)法確保走行部安全的窘境。

例如，北京地鐵2號(hào)線2008年投入運(yùn)營(yíng)的新車曾經(jīng)出現(xiàn)齒輪箱軸承保持架破損的系列故障，如圖2所示。為此，北京地鐵不得不在3年內(nèi)先后對(duì)齒輪箱軸承進(jìn)行了兩次大批量的改型、更換和維修，并且在此過(guò)程中投入了大量的人力、物力和財(cái)力，進(jìn)行了普查并安排了臨修。這樣做，既降低了車輛出庫(kù)率，延長(zhǎng)了車輛維修庫(kù)停時(shí)間，又無(wú)法完全保障安全，實(shí)際上仍然存在著隱患。

圖2 齒輪箱軸承故障

以上例子說(shuō)明，走行部故障的存在是無(wú)法回避的客觀事實(shí)。設(shè)計(jì)者雖然考慮到了應(yīng)力集中、線路存在波磨或不平順導(dǎo)致車輛運(yùn)行振動(dòng)大等因素，但車輛制造過(guò)程中的質(zhì)量和工藝難以控制，還有地鐵車輛頻繁啟動(dòng)和停車等工況及其他因素，都是造成故障發(fā)生的原因。由于多數(shù)列車不能因?yàn)樽咝胁看嬖诠收隙艞夁\(yùn)營(yíng)，這就迫切需要高效、精確的車載在線監(jiān)測(cè)和故障自動(dòng)診斷設(shè)備，具備早期的故障預(yù)警和嚴(yán)重故障分級(jí)報(bào)警功能，在掌握走行部故障狀態(tài)的前提下實(shí)現(xiàn)車輛的狀態(tài)修，既保證安全又保證車輛出勤和運(yùn)營(yíng)效率。

下面介紹北京地鐵的JK10450型城軌車輛走行部車載故障診斷系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱“JK10450系統(tǒng)”)。該系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)率先引進(jìn)鐵路領(lǐng)域成熟應(yīng)用的廣義共振與共振解調(diào)技術(shù)，通過(guò)針對(duì)性的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用加以實(shí)現(xiàn)，為保障城軌車輛走行部的安全運(yùn)行和實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修奠定了基礎(chǔ)。

2 車載故障診斷系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

JK10450系統(tǒng)由前端信號(hào)采集和傳輸設(shè)備、信號(hào)處理和診斷分析設(shè)備、系統(tǒng)管理和信息輸出設(shè)備以及地面數(shù)據(jù)分析管理設(shè)備組成［2-4］，其組成如圖3所示。

前端信號(hào)采集和傳輸設(shè)備包含了復(fù)合傳感器、雙坐標(biāo)傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器以及前置處理器，并嵌入了信號(hào)調(diào)理軟件、傳感器管理軟件和數(shù)字模擬混合總線控制軟件，負(fù)責(zé)采集走行部的振動(dòng)、沖擊、溫度信息和輪對(duì)轉(zhuǎn)速信息，經(jīng)模擬數(shù)字混合總線來(lái)實(shí)現(xiàn)抗干擾遠(yuǎn)傳。

從總線傳輸來(lái)走行部的相關(guān)信息，先進(jìn)入到信號(hào)處理和診斷分析設(shè)備，再由信號(hào)濾波模塊、共振解調(diào)模塊、跟蹤采樣模塊和數(shù)據(jù)采集控制軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行變換處理和采樣，隨后進(jìn)入嵌入式診斷計(jì)算機(jī)，由在線自動(dòng)診斷專家系統(tǒng)軟件進(jìn)行分析診斷，并通過(guò)系統(tǒng)管理及信息輸出設(shè)備，將診斷結(jié)論信息輸出到車載和地面的人機(jī)界面。同時(shí)，可通過(guò)外置擴(kuò)展的無(wú)線以太網(wǎng)或?qū)Ｓ玫南螺d接口，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛?，由集成了地面故障診斷專家系統(tǒng)軟件、地面數(shù)據(jù)管理軟件和運(yùn)用維修管理軟件的地面數(shù)據(jù)分析管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)精密分析診斷、歷史趨勢(shì)分析，并輸出運(yùn)用和維修指導(dǎo)信息，用來(lái)科學(xué)指導(dǎo)車輛走行部的運(yùn)用和狀態(tài)維修。

圖3 JK10450走行部車載故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 技術(shù)特點(diǎn)

2.2.1 采用廣義共振與共振解調(diào)技術(shù)

“共振”是人們耳熟能詳?shù)奈锢韺W(xué)術(shù)語(yǔ)。經(jīng)典物理學(xué)所說(shuō)的“共振”，是指在“作用力的頻率與物體的固有頻率相同”時(shí)發(fā)生的持久過(guò)程，是指機(jī)械振動(dòng)的幅度達(dá)到和接近最大值時(shí)的狀態(tài)。人們將包括外部作用的激勵(lì)接入時(shí)機(jī)械振動(dòng)建立、達(dá)到最大值和激勵(lì)斷開(kāi)時(shí)機(jī)械從振幅最大值衰減的全過(guò)程稱為“廣義共振”［5］，這是一切事物不可避免的內(nèi)在規(guī)律。微小的機(jī)械沖擊也能激起系統(tǒng)產(chǎn)生廣義共振現(xiàn)象，因此可以利用這種現(xiàn)象來(lái)幫助識(shí)別機(jī)械設(shè)備的微小故障。

共振解調(diào)技術(shù)是一種用于檢測(cè)機(jī)械設(shè)備故障的信號(hào)變換技術(shù)，與其他常規(guī)振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)相比，特別適合檢測(cè)機(jī)械設(shè)備因早期故障所產(chǎn)生的沖擊信息。利用共振解調(diào)技術(shù)處理振動(dòng)沖擊信號(hào)，可達(dá)到剔除常規(guī)振動(dòng)和提取故障沖擊的目的［5-6］。

機(jī)械故障具有如下所述的一般性發(fā)展規(guī)律:無(wú)論是環(huán)境、材質(zhì)、裝配工藝還是載荷等原因引起的故障，在最初階段，一定是在某些部件的局部產(chǎn)生周期性的、短促的應(yīng)力集中現(xiàn)象。應(yīng)力集中的頻繁發(fā)生最終會(huì)導(dǎo)致這部分材質(zhì)發(fā)生疲勞，隨后產(chǎn)生諸如點(diǎn)蝕、剝離、裂紋、斷裂、破碎等較為明顯的故障。不管是在應(yīng)力集中階段、材質(zhì)疲勞階段還是在部件出現(xiàn)破損后，都會(huì)有相應(yīng)的力或振動(dòng)發(fā)生。因此，在故障發(fā)生的初期、早期、中期和晚期，實(shí)際上都會(huì)體現(xiàn)出相應(yīng)的特征信號(hào)。

然而，當(dāng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中存在憑借人眼都能發(fā)現(xiàn)的故障端倪時(shí)，傳統(tǒng)振動(dòng)檢測(cè)手段的若干分析診斷算法卻無(wú)法判斷出來(lái)。具體原因是:設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，本身就存在著大量幅度很大卻并無(wú)害處的常規(guī)振動(dòng)信息，掩蓋了故障沖擊信息。有人試圖找到新的信號(hào)處理算法，在振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中提取出故障信息。例如，采用峭度算法，試圖從振動(dòng)信號(hào)斜率的變化中發(fā)現(xiàn)故障信息，但收效不大。

圖4為共振解調(diào)技術(shù)與常規(guī)振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的對(duì)比，將傳感器輸出的、具有機(jī)械故障的振動(dòng)沖擊信號(hào)，用帶有廣義共振機(jī)制的振動(dòng)、沖擊、溫度復(fù)合傳感器接收，其振動(dòng)和沖擊廣義共振信息經(jīng)過(guò)電子變換技術(shù)處理，剔除其他機(jī)械振動(dòng)或干擾，解調(diào)出傳感器信號(hào)中存在的、由機(jī)械故障沖擊激發(fā)的廣義共振信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)在車輛強(qiáng)烈的機(jī)械振動(dòng)干擾和電磁干擾中微弱故障信息的提取。

共振解調(diào)技術(shù)的優(yōu)越性:有可能在故障還沒(méi)有導(dǎo)致宏觀破損時(shí)就能發(fā)現(xiàn)異常的應(yīng)力集中現(xiàn)象，這使得偵測(cè)到故障的時(shí)間大大提前，為故障早期預(yù)警和設(shè)備性能評(píng)估提供了有效的技術(shù)手段，而這是振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

2.2.2 具備完整的故障診斷方法論體系

圖4 共振解調(diào)技術(shù)與振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)對(duì)比

城軌車輛走行部關(guān)鍵部件的故障診斷，主要體現(xiàn)在如何對(duì)信息去偽存真，確定是否存在故障，以及發(fā)生故障的零件(如軸承內(nèi)外環(huán)、滾動(dòng)體等)、部件(如軸承、齒輪、車輪)的損壞程度和最小安全門(mén)限。

基于廣義共振和共振解調(diào)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷理論，包括依據(jù)機(jī)械的結(jié)構(gòu)幾何學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律而建立的診斷軸承、齒輪、踏面等故障的一系列數(shù)學(xué)模型，可從定量和定性兩個(gè)角度對(duì)故障進(jìn)行確定性的精密診斷。該理論還包括多因素、多參數(shù)的聯(lián)合診斷決策，基于模糊數(shù)學(xué)、數(shù)值分析和統(tǒng)計(jì)學(xué)的多參量相關(guān)加權(quán)決策，多個(gè)同類故障的歸類診斷準(zhǔn)則，信號(hào)定常性準(zhǔn)則，規(guī)則抽取準(zhǔn)則和不規(guī)則抽取準(zhǔn)則［5］等。

故障沖擊信息提取技術(shù)結(jié)合故障診斷理論體系及其軟件實(shí)現(xiàn)，使得JK10450系統(tǒng)相對(duì)于其他技術(shù)來(lái)說(shuō)具有應(yīng)用上的明顯優(yōu)勢(shì)，表1列出了診斷覆蓋部件和故障模式的對(duì)比。

表1 不同診斷技術(shù)所覆蓋的故障部件和故障模式比較

2.2.3 車載實(shí)時(shí)診斷和地面趨勢(shì)分析相結(jié)合指導(dǎo)運(yùn)用和維修

JK10450系統(tǒng)安裝在運(yùn)營(yíng)車輛上，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)診斷，共振解調(diào)技術(shù)的比例性使得系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確反映故障沖擊量值的大小，進(jìn)而反映故障的危害程度并實(shí)現(xiàn)分級(jí)報(bào)警，以便指導(dǎo)車輛運(yùn)用，可確保走行部運(yùn)營(yíng)安全。數(shù)學(xué)和邏輯推理模型實(shí)現(xiàn)了故障診斷方法論體系的程序化、自動(dòng)化和主動(dòng)化，即裝即用，行車途中可自動(dòng)輸出診斷結(jié)論，無(wú)需學(xué)習(xí)也無(wú)需人工參與，同時(shí)實(shí)現(xiàn)精確診斷，準(zhǔn)確識(shí)別軸承保持架碰外環(huán)、保持架碰內(nèi)環(huán)、外環(huán)滾道、內(nèi)環(huán)滾道、滾子、傳動(dòng)齒輪和車輪踏面的故障，節(jié)約維修成本。共振解調(diào)技術(shù)敏感早期故障信息的特性，使得系統(tǒng)能夠發(fā)現(xiàn)早期故障并提前預(yù)警，以便指導(dǎo)狀態(tài)維修。表2列出了JK10450系統(tǒng)相對(duì)于純粹溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)和常規(guī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

表2 JK10450系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

3 應(yīng)用效果

JK10450系統(tǒng)已在北京地鐵的多條線路實(shí)現(xiàn)列裝，并隨著列車的交付運(yùn)營(yíng)逐步投入使用。

迄今為止，投入使用的JK10450系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)了40多起走行部軸承、齒輪、踏面等的機(jī)械故障，并得到拆解驗(yàn)證。結(jié)果表明，系統(tǒng)診斷準(zhǔn)確，為走行部的狀態(tài)檢修提供了幫助。

以下用幾個(gè)典型的軸承故障案例來(lái)進(jìn)行分析［2，7］。

3.1 分級(jí)報(bào)警對(duì)于車輛運(yùn)用和維修的指導(dǎo)

某車在正線載客運(yùn)營(yíng)，車載故障診斷系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出某車3軸齒輪箱小軸軸承保持架“二級(jí)報(bào)警”信息，車輛按規(guī)程退出運(yùn)營(yíng)、回庫(kù)檢查，發(fā)現(xiàn)齒輪箱潤(rùn)滑油發(fā)黑，小軸定位間隙偏大，車載監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在地面系統(tǒng)的回放分析如圖5所示。隨后進(jìn)行分解檢查，發(fā)現(xiàn)了3軸傳動(dòng)端軸承保持架破碎，如圖6所示。車載故障診斷系統(tǒng)具有分級(jí)報(bào)警功能，使得該故障得到了及時(shí)處理，保障了運(yùn)營(yíng)安全。

圖5 某車3軸小軸軸承二級(jí)報(bào)警詳細(xì)分析譜圖

圖6 某車3軸小軸軸承二級(jí)報(bào)警故障分解

另一個(gè)同類案例，某車在正線載客運(yùn)營(yíng)，車載故障診斷系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出某車1軸齒輪箱小軸軸承保持架“一級(jí)報(bào)警”，車輛回庫(kù)后檢查齒輪箱潤(rùn)滑油正常，但車載監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在地面系統(tǒng)的回放分析表明，該軸承存在典型的保持架碰外環(huán)故障譜線(如圖7所示)，并且故障沖擊量級(jí)達(dá)到54.3 dB，已經(jīng)超過(guò)一級(jí)報(bào)警的標(biāo)準(zhǔn)，按規(guī)程扣車分解檢查，發(fā)現(xiàn)小軸軸承保持架已有3處斷裂，但還未失去對(duì)滾子的約束，如圖8所示。

圖7 某車1軸小軸軸承一級(jí)報(bào)警詳細(xì)分析譜圖

以上兩個(gè)案例鮮明地體現(xiàn)了JK10450系統(tǒng)故障早期預(yù)警和分級(jí)報(bào)警功能的優(yōu)越性，對(duì)于不同程度的故障給出不同級(jí)別的報(bào)警，準(zhǔn)確指導(dǎo)車輛的運(yùn)用和走行部的狀態(tài)維修。

3.2 準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)并不產(chǎn)生溫升的軸承故障

車載故障診斷系統(tǒng)發(fā)出某車2軸軸承外環(huán)故障二級(jí)報(bào)警，但此時(shí)系統(tǒng)并未發(fā)出軸承超溫或溫升報(bào)警，按規(guī)程退出運(yùn)營(yíng)，下載數(shù)據(jù)在地面系統(tǒng)的回放分析如圖9所示?？梢?jiàn)，外環(huán)故障譜線清晰，故障沖擊量值達(dá)到70 dB，已超過(guò)二級(jí)報(bào)警標(biāo)準(zhǔn)，但此時(shí)軸承并無(wú)明顯溫升，其溫度曲線與其他軸相同位置幾乎重合。隨后的扣車分解檢查發(fā)現(xiàn)了軸承外環(huán)故障(如圖10所示)，說(shuō)明軸承故障并不一定會(huì)伴隨著溫升。

圖8 某車1軸小軸軸承一級(jí)報(bào)警故障分解

4 結(jié)語(yǔ)

在JK10450城軌車輛走行部車載故障系統(tǒng)中，首次將廣義共振和共振解調(diào)的機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù)應(yīng)用于在線安全監(jiān)測(cè)和故障診斷，并進(jìn)行了應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新;針對(duì)城軌車輛的運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)，制定了分級(jí)診斷標(biāo)準(zhǔn)，為走行部運(yùn)營(yíng)安全和狀態(tài)維修提供了有效的技術(shù)手段，填補(bǔ)了地鐵行業(yè)的空白。

北京地鐵針對(duì)該系統(tǒng)制定了運(yùn)用維修指導(dǎo)規(guī)范，保證系統(tǒng)較好地發(fā)揮作用，能及早地發(fā)現(xiàn)走行部可能釀成事故的機(jī)械故障，并合理安排維修，保障車輛安全、正點(diǎn)運(yùn)行，避免引發(fā)車輛安全事故而造成乘客重大人身和財(cái)產(chǎn)損失，避免打亂運(yùn)行秩序，從而提高城市軌道交通的服務(wù)水平和質(zhì)量。

［1］北京市地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司，北京唐智科技發(fā)展有限公司.地鐵車輛走行部故障診斷與安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)項(xiàng)目驗(yàn)收資料:工作報(bào)告［R］.北京，2011:6-8.

［2］北京市地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司，北京唐智科技發(fā)展有限公司.地鐵車輛走行部故障診斷與安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)項(xiàng)目驗(yàn)收資料:技術(shù)研究報(bào)告［R］.北京，2011:6-8.

［3］Q/HDTZ F001—2010地鐵車輛走行部車載故障診斷系統(tǒng)［S］.北京:北京唐智科技發(fā)展有限公司，2010:1-10.

［4］唐德堯，黃貴發(fā)，等，一種軌道交通車輛走行部及鋼軌故障車載在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)［G］.北京，2009:2-13.

［5］唐德堯.廣義共振、共振解調(diào)故障診斷與安全工程:鐵路篇［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2006:37-114.

［6］唐德堯.軸承齒輪故障的在線診斷［R］.北京:航空工業(yè)部第608研究所，1986:1-39.

［7］唐德堯，李輝，宋辛琿，等.識(shí)別軸承保持架故障的共振解調(diào)外孤譜診斷技術(shù)［J］.中國(guó)設(shè)備工程，2009(10):34-36.