基于振動能量及傳遞函數(shù)分析的轉(zhuǎn)向架故障診斷應(yīng)用

曾 華，吳赟松，吳學(xué)杰，鐘知原

（西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031）

0 引 言

振動測試作為一種有效的分析手段在轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)動態(tài)特性分析以及故障診斷等方面有廣泛的應(yīng)用[1]。近年來，國內(nèi)外各鐵路科研單位對轉(zhuǎn)向架故障診斷相關(guān)技術(shù)研究主要集中在特征提取方法和模式識別等方面[2-4]。這些故障診斷方法都是在軟件仿真或?qū)嶒灜h(huán)境下模擬相關(guān)設(shè)備各種類型故障，通過特定的方法提取轉(zhuǎn)向架上相關(guān)信號特征值，最后通過對比正常和故障情況下的特征值，從而識別出相應(yīng)故障。但是實際運用過程中，由于實際線路工況與實驗或仿真環(huán)境有不小差別，因此通過仿真或?qū)嶒災(zāi)M研究的故障識別方法在實際應(yīng)用中其結(jié)果的準(zhǔn)確性將降低[5-7]。本文針對故障診斷方法在實際應(yīng)用中的不足，通過分析試驗數(shù)據(jù)，提出了切實可行的轉(zhuǎn)向架故障特征分析方法。

考慮到大部分轉(zhuǎn)向架故障會引起振動信號劇烈變化，本文以振動能量和傳遞過程分析作為轉(zhuǎn)向架故障研究切入點。針對轉(zhuǎn)向架設(shè)備故障，開展了國內(nèi)某廠某型軌道車輛的電機故障診斷測試、分析和研究試驗工作。

1 故障特征分析方法

目前轉(zhuǎn)向架故障主要有：輪對疲勞裂紋、軸箱振動異常、構(gòu)架橫向失穩(wěn)、一系懸掛失效引起的橫向垂向振動異常、二系懸掛失效引起的橫向垂向振動異常、輪踏面圓周不平順引起的垂向振動異常、電機設(shè)備內(nèi)部故障引起構(gòu)架振動異常等[8]。在上述轉(zhuǎn)向架的故障模式中，除了輪對疲勞裂紋引起的轉(zhuǎn)向架振動特征不明顯外，其他故障模式均會有比較大的振動特征變化[9]。因此，本文以適用于大多數(shù)故障模式作為出發(fā)點，分析轉(zhuǎn)向架故障特征提取方法。試驗方法為：利用某條線路上實際運營的同類型不同車輛公司生產(chǎn)的車輛，該兩列車輛轉(zhuǎn)向架的設(shè)計結(jié)構(gòu)一致，參數(shù)近似，在相同位置布置加速度傳感器，并對所獲信號進行振動相關(guān)的對比分析處理，最后根據(jù)提取出的特征值運用專家系統(tǒng)識別出故障源。

基于轉(zhuǎn)向架振動加速度城軌車輛運行異常故障的方法很多，但絕大多數(shù)的處理手段都是先提取正常和異常故障的特征值，然后用模式識別等方法訓(xùn)練出一個穩(wěn)定的判定系統(tǒng)[10]。其中最重要的環(huán)節(jié)就是獲得正常和故障狀態(tài)下轉(zhuǎn)向架差異最明顯的特征。由于城軌車輛行車距離短，停車頻繁，若以各運行區(qū)間為識別單元，則提取出的特征在各區(qū)間下也應(yīng)具有較好重復(fù)性。本文從列車轉(zhuǎn)向架各位置的振動能量大小、頻次分布和傳遞過程3個角度出發(fā)，以振動均方根值、功率譜密度和振動傳遞函數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)，分析獲取上述特征值。

1.1 加速度均方根值

在測試振動加速度過程中，由于各轉(zhuǎn)向架有個體差異，即使軌道條件和行車速度范圍正常時，加速度的最大值也會存在較大的差異，其安裝圖如圖1所示。計算某一時間段內(nèi)均方根值（RMS）既能消除最大值異常帶來的干擾，又能反應(yīng)出轉(zhuǎn)向架運行過程中振動能量幅值大小。此外，根據(jù)國際鐵路聯(lián)盟鐵道車輛動態(tài)性能安全性標(biāo)準(zhǔn)（UIC_518）和車輛設(shè)備沖擊和振動試驗標(biāo)準(zhǔn)（EN_61373）對轉(zhuǎn)向架各部位振動加速度信號均方根值評價方法的陳述，測試均方根值作為安全評價計算方法具有比較成熟的理論基礎(chǔ)[11]。

圖1 電機傳動端加速度傳感器安裝圖

均方值根的定義為

表1 轉(zhuǎn)向架各部位垂向加速度均方根值 m/s2

表1所示為故障和正常轉(zhuǎn)向架車輛通過某區(qū)間時，各部位的垂向振動加速度均方根值。從表中可以看出，故障轉(zhuǎn)向架各部位振動過程均比正常狀態(tài)下劇烈，說明該轉(zhuǎn)向架已處于故障狀態(tài)。其中軸箱處垂向加速度均方根值接近，說明兩種轉(zhuǎn)向架從輪軌耦合處獲得的振動激勵是一致的。相應(yīng)地，在電機非傳動側(cè)端兩種轉(zhuǎn)向架均方根值差異最大，因此，可以初步判定電機非傳動側(cè)是引起故障轉(zhuǎn)向架振動更為劇烈的疑似故障源，最終的故障定論還需下文的其他分析方法予以確認。

1.2 功率譜分析

功率譜密度函數(shù)定義為：若自相關(guān)函數(shù)Rx（τ）的傅里葉變換存在，則定義Rx（τ）的傅里葉變換：

定義 Sx（f）為 x（t）的自功率譜密度函數(shù)，簡稱功率譜密度函數(shù)、功率譜或自譜。

通常把在（-∞，∞）頻率范圍內(nèi)定義的功率譜Sx（f）稱為雙邊功率譜，而把只在（0，∞）頻率范圍內(nèi)定義的功率譜Gx（f）稱為單邊功率譜，二者之間的關(guān)系為

功率譜的應(yīng)用范圍很廣，在故障判斷和分析方面，可根據(jù)功率譜的變化（是否有額外譜峰）來判斷故障發(fā)生的機理。本文采用welch方法對比分析正常和故障狀態(tài)下轉(zhuǎn)向架各部分功率譜密度。

圖2～圖4為正常和故障轉(zhuǎn)向架各部位振動加速度功率譜密度分布部分對比圖。從對比圖中可以明顯看出轉(zhuǎn)向架軸箱（見圖2）上在振動信號功率譜密度非常近似，譜峰基本一致。電機非傳動端（見圖3）、電機傳動端（見圖4）正常狀態(tài)與故障狀態(tài)下的功率譜差別較大，特別是電機非傳動端，振動加速度功率譜密度差異非常明顯，故障狀態(tài)下的額外譜峰很多。因此，根據(jù)上述功率譜分析可以對前一節(jié)均方根值判定的可能故障狀態(tài)和電機非傳動端疑似故障源結(jié)論作進一步的確定。

1.3 振動傳遞特性

振動傳遞關(guān)系用頻率響應(yīng)函數(shù)（頻響函數(shù)）表示，隨機信號的頻響特性函數(shù)表示為互功率譜密度函數(shù)和自功率譜密度函數(shù)的商，即：

圖2 軸箱功率譜密度對比

圖3 電機非傳動端功率譜密度對比

圖4 電機傳動端功率譜密度對比

式中Sx（f）和 Sxy（f）分別為隨機振動激勵信號的自功率譜密度函數(shù)和激勵與響應(yīng)信號的互功率譜密度函數(shù)。

圖5～圖7所示為正常和故障狀態(tài)下轉(zhuǎn)向架各部位之間部分傳遞函數(shù)頻率響應(yīng)對比圖。從圖中可以看出，電機傳動端與軸箱（見圖5）的傳遞函數(shù)基本沒有發(fā)生變化，說明轉(zhuǎn)向架構(gòu)架系統(tǒng)穩(wěn)定。電機與安裝座之間（見圖7）傳遞函數(shù)變化稍明顯，相比電機傳動端與非傳動端之間（見圖6）傳遞函數(shù)變化更為顯著。因此，通過總結(jié)均方根值、功率譜密度和傳遞函數(shù)計算結(jié)果可得出該轉(zhuǎn)向架處于故障狀態(tài)并且電機非傳動端是轉(zhuǎn)向架振動加劇的故障源。

圖5 電機傳動端與軸箱之間傳函對比

圖6 傳動與非傳動端之間傳函對比

圖7 傳動端與電機安裝座之間傳函對比

2 結(jié)果討論

通過對比分析兩列車輛轉(zhuǎn)向架各位置的上均方根值，可得出初步結(jié)論：構(gòu)架上均方根值偏大的車輛轉(zhuǎn)向架可能處于故障狀態(tài)。進一步對各位置測點均方根值差異程度分析，電機非傳動端是該可能故障狀態(tài)的疑似故障源。再通過各位置功率譜密度分析以及各位置之間傳遞函數(shù)兩種特征值結(jié)果比較，最終確認轉(zhuǎn)向架故障狀態(tài)并判定出電機內(nèi)部異常是引起轉(zhuǎn)向架振動加劇的誘因。

將上述故障分析方法應(yīng)用于國內(nèi)另一城市地鐵二期線路某改進型轉(zhuǎn)向架相關(guān)試驗中，在兩列同型列車軸箱、構(gòu)架、電機等相關(guān)位置布置加速度傳感器。參照上述故障分析方法，第1、第2列車轉(zhuǎn)向架軸箱振動均方根值分別是39.1，17.7m/s2，功率譜密度和構(gòu)架與軸箱之間傳遞函數(shù)都表現(xiàn)出較大差異。根據(jù)3種特征結(jié)果，識別出第1列車軸箱存在異常狀態(tài)，車輛維修部門后期通過更換軸箱后，整個轉(zhuǎn)向架動力學(xué)性能得到很大改善，乘坐舒適性也有了大幅提高。通過另一轉(zhuǎn)向架故障試驗測試結(jié)果驗證了所述方法的可靠性。

3 結(jié)束語

一般地，本文所述方法在軌道車輛轉(zhuǎn)向架故障狀態(tài)識別和故障源分析領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用可總結(jié)為：運行初期通過時域統(tǒng)計方法提取出各位置振動均方根值，然后分析該振動信號的功率譜密度分布特征，再對各位置之間的振動傳遞函數(shù)進行頻率響應(yīng)特征分析，最后將上述3種特征值進行量化并錄入專家分析系統(tǒng)作為正常狀態(tài)數(shù)據(jù)。后期運行過程中，經(jīng)相同數(shù)據(jù)采集和處理方法，將獲得信號與正常狀態(tài)數(shù)據(jù)作實時對比分析，可準(zhǔn)確識別轉(zhuǎn)向架狀態(tài)并判定故障源。

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