軌道車輛走行部機(jī)械故障預(yù)警方案研究

吳 誤，沈 鋼

（同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，上海201804）

鐵路在現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展中有著舉足輕重的作用，也給人們帶來(lái)了巨大便利。與此同時(shí)由列車故障引發(fā)的事故也帶來(lái)了巨大人員和經(jīng)濟(jì)損失，如德國(guó)ICE884次高速列車脫軌事故，當(dāng)時(shí)一節(jié)拖車的輪轂發(fā)生破裂，發(fā)出劇烈的摩擦聲，但司機(jī)毫不知情，最后導(dǎo)致101人死亡，88人重傷[1]。鐵路運(yùn)輸?shù)目旖菖c安全需要一種有效的故障預(yù)警系統(tǒng)能及時(shí)將列車運(yùn)行狀態(tài)反饋給司機(jī)。

軌道車輛振動(dòng)系統(tǒng)的故障檢測(cè)屬于機(jī)械振動(dòng)故障檢測(cè)范疇，但兩者又有明顯區(qū)別，主要如下：

1）傳統(tǒng)的機(jī)械故障模式是固定的，而軌道車輛的故障是難以預(yù)知的；

2）傳統(tǒng)的機(jī)械振動(dòng)故障診斷系統(tǒng)是針對(duì)單一故障系統(tǒng)，而軌道車輛不需要確切的故障信息，更重要的是能預(yù)判重大故障，并將信息反饋給司機(jī)；

3）傳統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)工況相當(dāng)穩(wěn)定，而軌道車輛的振動(dòng)隨運(yùn)行速度及線路條件的變化很大，并且軌道和車輛還存在耦合作用[2]；

4）傳統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)沒(méi)有相當(dāng)運(yùn)動(dòng)的軌道，而軌道車輛的軌道是隨著運(yùn)行地點(diǎn)和時(shí)間而變化的。

基于以上軌道車輛振動(dòng)的特殊性分析可知，軌道車輛故障診斷嚴(yán)格意義上不是故障診斷，而是振動(dòng)異常預(yù)警，并及時(shí)將信息反饋給司機(jī)。因此，故障檢測(cè)方法也不同于傳統(tǒng)的機(jī)械故障診斷方法，而需要根據(jù)實(shí)際對(duì)象、振動(dòng)特點(diǎn)和相應(yīng)的信息處理方法，同時(shí)還要考慮到不同的運(yùn)行速度和線路條件，研究出適合軌道車輛的故障預(yù)警系統(tǒng)。

目前軌道車輛的機(jī)械故障診斷系統(tǒng)主要分為地面和車載兩大類。地面的檢測(cè)系統(tǒng)只針對(duì)輪對(duì)或車軸故障，而且只限于局部固定區(qū)域，不具備列車運(yùn)行過(guò)程中的實(shí)時(shí)預(yù)警功能，而實(shí)時(shí)預(yù)警功能正是故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要要求[3-4]。目前道旁探測(cè)系統(tǒng)包含了熱軸探測(cè)器、熱輪探測(cè)器、軸承聲學(xué)探測(cè)器、車輪沖擊載荷探測(cè)器、貨車性能探測(cè)器等。技術(shù)最成熟的車載機(jī)械故障診斷系統(tǒng)是軸溫監(jiān)測(cè)，已得到大量應(yīng)用[5-6]。西方國(guó)家還有應(yīng)用聲納探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行軸承振動(dòng)噪聲監(jiān)測(cè)[7]。戴津等[8]利用絕對(duì)評(píng)判與相對(duì)評(píng)判方法結(jié)合，對(duì)轉(zhuǎn)向架性能采用整列車橫向?qū)Ρ群蛦诬嚉v史對(duì)比的方式，直觀有效地分析了轉(zhuǎn)向架運(yùn)行的振動(dòng)情況和性能的變化趨勢(shì)，屬于理論研究。影響列車走行部故障診斷最大的是監(jiān)測(cè)環(huán)境千變?nèi)f化，不同的線路、不同的運(yùn)行速度、不同的工況，這使得故障信息極易被掩蓋。為此，提出了基于振動(dòng)信息的、采用自學(xué)習(xí)特性的模糊控制診斷概念（SLFD），并且考慮不同線路及不同速度來(lái)進(jìn)行軌道車輛走行部機(jī)械故障預(yù)警。

1 走行部機(jī)械故障預(yù)警方案

已知被檢測(cè)的車輛數(shù)為n，在每一車輛上軸箱、構(gòu)架、車體上設(shè)置的測(cè)點(diǎn)信號(hào)為N個(gè)，在機(jī)車或第一節(jié)車輛上安裝一套測(cè)速定位裝置。在每一被測(cè)車輛上設(shè)一從機(jī)及采樣分析系統(tǒng)，控制信號(hào)的采樣、數(shù)據(jù)分析和特征量的提取，并將特征等參數(shù)提交列車數(shù)據(jù)交換總線。在每一列車上設(shè)一列車層次的分析報(bào)警系統(tǒng)，能根據(jù)列車的速度、運(yùn)行地點(diǎn)和各被測(cè)車輛上傳的特征信息及時(shí)作出最終的判斷及故障識(shí)別。同時(shí)在每一車廂還設(shè)置了顯示模塊，供乘客和技術(shù)人員了解本車廂狀況，且在司機(jī)室還有主顯示模塊，可以顯示整列車的運(yùn)行狀態(tài)，如速度、位置、各車廂運(yùn)行狀態(tài)等。當(dāng)列車有重大故障隱患時(shí)，能進(jìn)行文字、語(yǔ)言提示。視故障預(yù)警級(jí)別而定，特別嚴(yán)重情況下，甚至可以采取緊急停車。方案示意圖如圖1所示。

圖1 走行部機(jī)械故障預(yù)警方案示意圖Fig.1 Schematic diagram of mechanical fault forecast system for the running gear

2SLFD系統(tǒng)介紹

SLFD系統(tǒng)是一種不需要針對(duì)具體故障建立復(fù)雜模態(tài)來(lái)識(shí)別故障的方法，具有自學(xué)習(xí)特性，特別適用于機(jī)械結(jié)構(gòu)及運(yùn)行狀況及其復(fù)雜的軌道車輛走行部機(jī)械故障診斷，可以運(yùn)用成本低、運(yùn)算速度快的單片機(jī)有效及時(shí)地反饋信息。利用系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)特性，在不同速度、特定線路長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行下記錄正常狀態(tài)下應(yīng)有的特征參數(shù)，并以此作為判斷故障與否的依據(jù)。

考慮速度及線路的數(shù)據(jù)庫(kù)建立示意圖如圖2所示。設(shè)時(shí)刻t第w節(jié)車輛的m維的特征參數(shù)向量u(t)已知，對(duì)應(yīng)的車速為v，對(duì)應(yīng)的線路公里數(shù)為s。設(shè)已將速度分為若干個(gè)段，標(biāo)記為：(vi，vi+1)，i=1.…，I；設(shè)線路里程已分為若干區(qū)段，標(biāo)記為：(sj，sj+1)，j=1，…，J。根據(jù)v和s確定所落速度區(qū)間號(hào)i和里程區(qū)段號(hào)j。如圖2所示，i=3；j=4。即可依據(jù)速度、里程區(qū)建立特征信息矩陣。

圖2 關(guān)于速度及線路的特征信息矩陣形成示意圖Fig.2 Formation schematic diagram of feature information matrix concerning speed and road

因此定義關(guān)注的檢測(cè)特征量的值域U為圖2所示范圍內(nèi)。U由許多集合Pij組成，每一集合Pij對(duì)應(yīng)特定的速度和里程區(qū)間(i，j)，集合中的元素u是檢測(cè)特征向量。根據(jù)以上的分類，首先應(yīng)建立一原始的數(shù)據(jù)庫(kù)U0，并使其各個(gè)集合具有足夠的元素集{u0w}∈(i，j)，然后根據(jù)元素集提取特征向量的統(tǒng)計(jì)參數(shù)u1w∈(i，j)。因此得到含有特征向量的統(tǒng)計(jì)參數(shù)的原始數(shù)據(jù)庫(kù)U1，其中的元素是統(tǒng)計(jì)參數(shù)u1w，仍對(duì)應(yīng)特定的速度和里程區(qū)間(i，j)。

數(shù)據(jù)庫(kù)的記錄項(xiàng)有車輛號(hào)，速度段號(hào)，里程段號(hào)，特征向量，記錄時(shí)間等。車輛號(hào)是列車的唯一代碼，每種型號(hào)的列車對(duì)應(yīng)唯一的車輛號(hào)，它們有共同或類似的機(jī)械結(jié)構(gòu)，可以認(rèn)為在正常工況下具有相同的特征量。根據(jù)車載速度傳感器可以實(shí)時(shí)掌握列車當(dāng)前運(yùn)用速度，并歸入指定的速度區(qū)間。利用計(jì)時(shí)器結(jié)合速度信息或者道旁裝置可以知道車輛運(yùn)行區(qū)間。從而車載主機(jī)運(yùn)算得到的特征量就可以唯一確定，形成原始數(shù)據(jù)庫(kù)。

利用SLFD系統(tǒng)，在列車正常情況下采用系統(tǒng)自記憶方式記錄。假設(shè)各轉(zhuǎn)向架及其車體處于正常狀態(tài)。當(dāng)線路有異常時(shí)，數(shù)據(jù)中將包含線路的影響；當(dāng)車輛異常時(shí)，可以采用適當(dāng)?shù)姆椒▽?shù)據(jù)篩選掉。

當(dāng)U0中子集的元素量達(dá)到最低要求時(shí)，可以生成一個(gè)統(tǒng)計(jì)參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)U1。每一個(gè)特征量可以有一組統(tǒng)計(jì)參數(shù)，各個(gè)特征量的統(tǒng)計(jì)參數(shù)個(gè)數(shù)可以不同。比如可以有均值、方差、標(biāo)準(zhǔn)差等。判斷不同的故障需要提取不同的特征值參量，可以是一個(gè)，也可以是一組。

3 軟件算法實(shí)現(xiàn)

機(jī)械振動(dòng)的實(shí)質(zhì)是能量的傳遞，而為了獲得良好的乘坐舒適度，振動(dòng)需要經(jīng)過(guò)多層過(guò)濾，即彈簧和阻尼元件，能量也就得到消耗。將機(jī)車結(jié)構(gòu)視為一個(gè)輸入為軌道不平順性，輸出為乘客感知到的舒適度的系統(tǒng)，設(shè)想如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障，能量的傳遞規(guī)律勢(shì)必將發(fā)生變化，從而可依次判斷故障。根據(jù)文獻(xiàn)[9]，振動(dòng)能量特征可以用速度均方差來(lái)表示。由安裝在軸箱、構(gòu)架、車體上的加速度傳感器獲取加速度模擬信號(hào)，經(jīng)A/D電路輸入DSP處理器，將加速度譜裝換為速度譜。經(jīng)軟件處理得到輪對(duì)、轉(zhuǎn)向架、車體的振動(dòng)速度方差向量，并保存為參考向量，引入能量傳遞參數(shù)，軟件記錄，并綜合此參數(shù)進(jìn)行故障預(yù)警。

4 仿真分析

在Simuliink中建立17自由度的軌道車輛，以實(shí)測(cè)軌道數(shù)據(jù)作為激勵(lì)。車輛仿真速度為80 km·h-1，工況如下正常車輛，正常軌道不平順性正常車輛，較差軌道不平順性空氣彈簧故障，正常軌道不平順性。仿真分析結(jié)果如圖3。利用Matlab計(jì)算振動(dòng)均方差及傳遞參數(shù)結(jié)果如表1。

圖3 不同情況下車體垂向振動(dòng)速度譜Fig.3 Velocity spectrum of body under normal conditions

從表1中可知，在較差路況下，因軌道輸入加大，車輛輪對(duì)、構(gòu)架和車體的振動(dòng)明顯增加，甚至輪對(duì)的振動(dòng)超過(guò)了發(fā)生空氣彈簧故障時(shí)的振動(dòng)，但傳遞參數(shù)并沒(méi)有發(fā)生顯著變化，說(shuō)明能量傳遞規(guī)律并沒(méi)有改變，這是因?yàn)檐囕v結(jié)構(gòu)完好無(wú)損，仍然保持原有的能量傳遞特性。而當(dāng)車輛發(fā)生空氣彈簧故障時(shí)，系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，必然導(dǎo)致能量傳遞規(guī)律相應(yīng)隨之改變，從表中明顯發(fā)現(xiàn)構(gòu)架與車體間的傳遞參數(shù)發(fā)生了較大的變化。故能量傳遞參數(shù)可以很好體現(xiàn)軌道車輛走行部懸掛系統(tǒng)機(jī)械故障，并且可以排除由單純線路條件變化引起的振動(dòng)異常誤報(bào)為故障的情況，是一種有效可行的故障診斷方法。

表1 不同工況下速度方差及傳遞參數(shù)Tab.1 Velocity mean square deviation and transfer parameters under different modes

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

前期已經(jīng)完成仿真分析，并提出了故障診斷的算法，即基于能量特征傳遞參數(shù)，利用SLFD系統(tǒng)生成特征參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)?，F(xiàn)階段需要做實(shí)驗(yàn)對(duì)以上算法的有效性和可行性加以驗(yàn)證，并對(duì)算法進(jìn)行相應(yīng)的改善。目前已初步完成試驗(yàn)裝置方案設(shè)計(jì)，如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)裝置三維效果圖Fig.4 3D effect graph of test bed

試驗(yàn)裝置由安置基座、軸承座、滾動(dòng)軸承、搖臂、搖臂支撐彈簧、振動(dòng)電機(jī)、彈簧、質(zhì)量塊等構(gòu)成。4臺(tái)振動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)后，帶動(dòng)搖臂振動(dòng)，從而將激勵(lì)傳遞給彈簧質(zhì)量系統(tǒng)。振動(dòng)電機(jī)可以用來(lái)模擬軌道的不平順，左右兩橫向質(zhì)量塊可以用來(lái)模擬輪對(duì)，H型質(zhì)量塊則可以看作構(gòu)架。通過(guò)控制振動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以對(duì)彈簧質(zhì)量系統(tǒng)輸入不同頻率、不同振幅的外激勵(lì)，從而研究輪對(duì)及構(gòu)架的振動(dòng)特性。

通過(guò)合理布置加速度傳感器，經(jīng)過(guò)一系列信號(hào)處理，最終獲得需要的特征參數(shù)值。根據(jù)振動(dòng)電機(jī)不同的轉(zhuǎn)速、不同的激振力劃分不同的區(qū)間，然后將獲得的參數(shù)值填入相應(yīng)的矩陣，不斷的循環(huán)試驗(yàn)，已獲得正常狀態(tài)下系統(tǒng)應(yīng)有的特征量，這一過(guò)程就是系統(tǒng)自學(xué)習(xí)過(guò)程。然后人為設(shè)置機(jī)械故障，如彈簧故障，重新試驗(yàn)，以驗(yàn)證該系統(tǒng)能否準(zhǔn)確及時(shí)地預(yù)報(bào)。

6 結(jié)論

1）提出了基于振動(dòng)信息，利用SLFD系統(tǒng)進(jìn)行軌道車輛機(jī)械故障預(yù)警的方案。具有自學(xué)習(xí)特性的SLFD系統(tǒng)可以記錄車輛在特定線路、不同速度長(zhǎng)期正常運(yùn)行下應(yīng)具有的特征信息，并按預(yù)先設(shè)定好的速度區(qū)間和線路區(qū)間存入相應(yīng)的矩陣，從而構(gòu)成參考數(shù)據(jù)庫(kù)。

2）利用Simulink建立17自由度軌道車輛，模擬3種不同工況，并分析統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)特征，得出能量特征傳遞參數(shù)能較好的表征軌道車輛走行部懸掛系統(tǒng)機(jī)械故障，并且可以排除由單純線路條件變化引起的振動(dòng)異常誤報(bào)為故障的情況，是一種有效可行的故障診斷方法。

3）設(shè)計(jì)了與軌道車輛走行部等效的機(jī)械試驗(yàn)裝置，能對(duì)走行部的輪對(duì)、構(gòu)架和懸掛系統(tǒng)進(jìn)行振動(dòng)分析。在后期工作中，需要進(jìn)行各零部件選型、參數(shù)優(yōu)化等，并進(jìn)行不斷調(diào)試和試驗(yàn)，以驗(yàn)算故障預(yù)警的有效性。

4）需要做更多的試驗(yàn)驗(yàn)證，并結(jié)合現(xiàn)實(shí)軌道車輛和線路做進(jìn)一步的研究，以改進(jìn)故障預(yù)警理論，形成具體、高效、可行的技術(shù)方案。

[1]丁福焰，杜永平.機(jī)車車輛故障診斷技術(shù)的發(fā)展[J].鐵道機(jī)車車輛，2004（4）：23-26.

[2]陳松，雷曉燕，房建，等.客運(yùn)專線車-線-橋垂向耦合系統(tǒng)振動(dòng)的特性[J].華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，28（5）：41-45.

[3]馮庚斌，王瀾，許慰平，等.機(jī)車車輛滾動(dòng)軸承故障振動(dòng)診斷技術(shù)[J].中國(guó)鐵道科學(xué)，1994，15（3）：41-55.

[4]張兵.列車關(guān)鍵部件安全監(jiān)測(cè)理論與分析研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2008.

[5]TSUNASHIMA H.Condition monitoring and fault detection of railway vehicle suspension using multiple-model approach[R].Seoul：IFAC，2007.

[6]WILLIAM C V.故障探測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)[J].國(guó)外鐵道車輛，1999（3）：16-20.

[7]JOSEPH E B.采用聲學(xué)技術(shù)檢測(cè)損傷的滾柱軸承[J].國(guó)外鐵道車輛，1990（4）：33-37.

[8]戴津，劉峰，董孝卿，等.基于同一轉(zhuǎn)向架歷史對(duì)比與同一列車橫向?qū)Ρ鹊霓D(zhuǎn)向架狀態(tài)監(jiān)測(cè)[J].鐵道機(jī)車車輛，2010（2）：32-35.

[9]李杰，陳建兵.隨機(jī)振動(dòng)理論與應(yīng)用新進(jìn)展[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2009：18-34.