動(dòng)車組異音異響故障分析及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭展宏， 馬殷元， 謝紅太， 楊志雄

(1.蘭州交通大學(xué) 機(jī)電技術(shù)研究所， 甘肅 蘭州 730070； 2.甘肅省物流及運(yùn)輸裝備信息化工程技術(shù)研究中心， 甘肅 蘭州 730070； 3.中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司 鐵道規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院， 江蘇 南京 210014)

自2007年4月中國第一條動(dòng)車組列車開通，十年來全路運(yùn)行動(dòng)車組多次發(fā)生途中異音異響故障，導(dǎo)致多次停車檢查，但因無專用異音異響檢測(cè)工裝，僅依靠動(dòng)車組隨車機(jī)械師憑個(gè)人經(jīng)驗(yàn)通過耳聽判斷故障源發(fā)生位置及故障產(chǎn)生原因，很多情況下在嘈雜的列車運(yùn)行環(huán)境中基本無法確定，存在較大安全隱患，并嚴(yán)重影響高鐵動(dòng)車組運(yùn)行秩序。同時(shí)這樣的方式對(duì)人的經(jīng)驗(yàn)依賴性較強(qiáng)，很容易出現(xiàn)誤判[1]。CRH系列動(dòng)車組和標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組投入運(yùn)行的數(shù)量越來越多，為了使動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架的異常噪聲在運(yùn)行過程中得到快速、安全、妥善、有效的處置,消除安全隱患，研制動(dòng)車組異音異響監(jiān)測(cè)系統(tǒng)迫在眉睫。

通過收集、整理典型的轉(zhuǎn)向架、車體等異常音響故障(包括圖像數(shù)據(jù)),并將其輸入系統(tǒng)后臺(tái),組織隨車機(jī)械師學(xué)習(xí),加強(qiáng)動(dòng)車組的維修工作。在常規(guī)檢修的基礎(chǔ)上,組織地面人員對(duì)異常聲音故障信息進(jìn)行轉(zhuǎn)向架和車體狀態(tài)的相應(yīng)檢查,并重點(diǎn)關(guān)注易發(fā)生故障的部位。通過上述措施,可以在運(yùn)輸過程中快速準(zhǔn)確地判斷所屬動(dòng)車組的異響故障,從而保證運(yùn)輸秩序和乘客的生命財(cái)產(chǎn)安全[2-3]。

1 常見異音異響故障分析

響聲通?？煞譃檎ｍ懧?、良性響聲及異常響聲。動(dòng)車組異音異響是指在動(dòng)車組行車過程中，由于運(yùn)行線路情況不佳，外界環(huán)境異物相碰、相撞或摩擦，動(dòng)車組自身零部件脫落等造成的不規(guī)則無規(guī)律的響聲。該類響聲對(duì)動(dòng)車組裝備在很短的時(shí)間內(nèi)就可能造成較大的機(jī)械損傷，嚴(yán)重危害行車安全。

1.1 主要引起因素

引起動(dòng)車組異音異響的因素主要有以下幾點(diǎn)[4-6]：

(1)輪軌接觸條件：受線路平順因素及輪軌黏著關(guān)系影響，主要包括鋼軌軌面平滑條件、車輪踏面狀態(tài)、輪軌黏著狀態(tài)等。

(2)外界異物相撞：通常有空中飛鳥、列車帶起的道砟和碎石、隧道掉落物、道基內(nèi)的遺落物等撞擊或相碰產(chǎn)生的異音異響。

(3)零部件脫落：動(dòng)車組運(yùn)行過程中由于自身晃動(dòng)和振動(dòng)而使自身裙板、軸箱端蓋、螺栓螺帽等脫落產(chǎn)生的異音異響。

(4)溫度因素：通常情況下，動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架及車體零件、部件、總成等的異響與所處系統(tǒng)環(huán)境溫度相關(guān)，隨溫度的降低而升高。

(5)牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速[7-8]：當(dāng)加速部分為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，加速時(shí)聲音很大，而且聲音快節(jié)奏變化，甚至變成長音；同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體會(huì)振動(dòng)；動(dòng)車組爬坡時(shí)減速，大負(fù)荷下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，部件之間的力比較大，如果有很大一部分間隙，特別是定位部件不精準(zhǔn)時(shí)，會(huì)引起異常噪音；動(dòng)車組處于非滑動(dòng)前向負(fù)荷狀態(tài)，由于線路因素的影響，可能會(huì)出現(xiàn)“咣咣鐺鐺”的聲音，通常是零件間隙問題。

(6)牽引電機(jī)負(fù)載：牽引電機(jī)負(fù)荷對(duì)異常響聲影響極大。一般情況下，負(fù)荷越大，響聲越大。如齒輪箱裝置及萬向軸傳動(dòng)裝置異音異響與牽引電機(jī)負(fù)荷有很大關(guān)系。

(7)零件配合間隙[9]：零件配合間隙的大小對(duì)聲音有很大影響。一般來說,配合間隙越大,部件之間的聲音就越大。在零部件裝配時(shí),嚴(yán)格按技術(shù)要求的尺寸安裝能夠有效減少異音異響。

(8)潤滑條件：一般情況下，潤滑條件不足，其響聲加大，主要表現(xiàn)在牽引電機(jī)部分。

(9)車廂設(shè)備：通常包括動(dòng)車組設(shè)備掉落、行李掉落、人為不正當(dāng)撞擊等。

1.2 目前常見判斷措施

為了確保動(dòng)車組機(jī)械師能夠在動(dòng)車組行車過程中快速準(zhǔn)確地判斷出異音異響的產(chǎn)生原因、聲源位置及安全影響程度等，在行車現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及實(shí)驗(yàn)?zāi)M中通常有以下方法[10]：

(1)拆除法：通過對(duì)存在響聲的零部件進(jìn)行拆除，不讓它們參與對(duì)應(yīng)的工作或?qū)ζ溥\(yùn)動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行減弱。

(2)比較法：比較多個(gè)牽引電機(jī)不同條件下響聲的差別。

(3)虛聽實(shí)聽法：牽引電機(jī)發(fā)生故障時(shí)，站在電機(jī)的不同位置能夠聽到不同的響聲部位。在這種情況下，稱之為“虛聽”；“實(shí)聽”是指利用探頭與聽診區(qū)域接觸來確定異常聲音的位置。

(4)放大法：在聲音出現(xiàn)后，可以改變可疑部件的工作條件或尺寸，使聲音更加明顯，以此來證實(shí)我們的判斷。運(yùn)用此方法在操作過程中應(yīng)注意不能損壞零部件。

(5)模擬法：對(duì)動(dòng)車組的異常響聲進(jìn)行相關(guān)環(huán)境和條件的模擬，如異物沖擊、零件脫落、溫度、速度、載荷、潤滑條件、振動(dòng)狀態(tài)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和工作狀態(tài)等。

通過上述各種異音異響故障分析及現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)和模擬研究，總結(jié)出適用于動(dòng)車組隨車機(jī)械師和相關(guān)鐵路專業(yè)技術(shù)人員學(xué)習(xí)的動(dòng)車組異音異響人工模擬聲響、原因分析及常見解決方案，見表1。

表1 動(dòng)車組的常見異音異響人工模擬聲響及故障分析

續(xù)表

2 異音異響監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為在很大程度上對(duì)動(dòng)車組行車過程中的異音異響問題做出準(zhǔn)確清晰的故障監(jiān)測(cè)分析，及全國各動(dòng)車組檢修基地和動(dòng)車組運(yùn)用所檢修庫中動(dòng)車組故障快速可靠的檢查維修，同時(shí)進(jìn)一步對(duì)后續(xù)動(dòng)車組運(yùn)行途中頻發(fā)異音異響故障問題儲(chǔ)存經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出一種動(dòng)車組異音異響監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

針對(duì)動(dòng)車組運(yùn)行途中及檢修庫供電檢查階段的動(dòng)車組情況，異音異響問題主要包括兩個(gè)難點(diǎn)：①故障聲最有可能為哪種機(jī)械故障或電氣故障；②故障聲信號(hào)源在哪里。因而并行兩路進(jìn)行系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)，主要由信號(hào)定位處理系統(tǒng)及信號(hào)檢測(cè)比對(duì)系統(tǒng)組成[11]。整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 動(dòng)車組異音異響監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖

如圖1所示，一種動(dòng)車組行車異音異響監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由位置檢測(cè)處理系統(tǒng)及信號(hào)檢測(cè)比對(duì)系統(tǒng)組成。疑似故障聲音接收/采集模塊可選擇接收來自動(dòng)車組行車途中的異常故障信號(hào)，并將該疑似范圍內(nèi)的故障聲信號(hào)信息通過信號(hào)處理電路轉(zhuǎn)換處理，輸入到頻率比對(duì)器中，其中信號(hào)處理電路由高頻濾波電路與共射放大電路連接組成[12-13]；另一方面故障聲音接收/采集模塊將疑似范圍內(nèi)的故障聲信號(hào)信息通過信息處理系統(tǒng)輸入到空間位置檢測(cè)播報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行定位處理。頻率比對(duì)器結(jié)合所述空間位置檢測(cè)播報(bào)系統(tǒng)輸出已存故障原因，另一支路輸出異常故障信號(hào)，儲(chǔ)存于異常故障信號(hào)儲(chǔ)存模塊中；經(jīng)過鐵路專業(yè)技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)排查，確認(rèn)為動(dòng)車組故障信息后上傳到故障信息系統(tǒng)進(jìn)行存儲(chǔ)。

鐵路專業(yè)技術(shù)人員對(duì)疑似異常故障信號(hào)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)疑似故障排查確認(rèn)，判斷是否為影響行車安全的故障因素。其中非故障信號(hào)源與故障信號(hào)源包括故障聲音頻率及故障產(chǎn)生原因、發(fā)生部位。對(duì)非故障信號(hào)源信息進(jìn)行確認(rèn)，然后記錄并輸入到聲音接收/采集模塊中，以保證該頻段內(nèi)的聲信號(hào)下次不再被采集處理。故障信號(hào)源信息人工后臺(tái)錄入頻率比對(duì)器中，以保證下次對(duì)該頻段故障信號(hào)的直接監(jiān)測(cè)播報(bào)。

2.2 檢測(cè)分析處理系統(tǒng)

動(dòng)車組故障通常會(huì)以引起相關(guān)零部件振動(dòng)或者部件間接觸噪聲級(jí)別的增加為特征，因而在監(jiān)測(cè)動(dòng)車組故障時(shí)，檢測(cè)出故障產(chǎn)生聲音或者振動(dòng)幅度的大小是系統(tǒng)的一個(gè)重要方面。本系統(tǒng)采集點(diǎn)使用傳聲器(聲音傳感器)以及振動(dòng)計(jì)檢測(cè)動(dòng)車組的異音異響故障，圖2為系統(tǒng)的連接布置示意圖。

圖2 采集分析系統(tǒng)連接布置示意圖

根據(jù)國際電工協(xié)會(huì)IEC581標(biāo)準(zhǔn)及我國標(biāo)準(zhǔn)《GB/T14277—2013音頻組合設(shè)備通用規(guī)范》，在鐵路行車技術(shù)規(guī)定中指出，動(dòng)車組高速運(yùn)行過程中由于異物碰撞、配件脫落等故障造成的常見聲音信息的強(qiáng)度為90～160 dB、8～16 kHz。將目前行車途中遇到的異音異響故障和動(dòng)車組檢修庫中供電檢查階段出現(xiàn)的異音異響故障進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)分析，及通過上述拆除法、比較法、虛聽實(shí)聽法、放大法與模擬法等試驗(yàn)?zāi)M研究的方法，明確該類故障產(chǎn)生的常見原因及發(fā)生位置。這里的位置在三維空間用坐標(biāo)長方體范圍的數(shù)字模型得以表示確定。比如轉(zhuǎn)向架橫梁及側(cè)梁處故障、牽引電機(jī)懸掛處故障、齒輪箱處故障、軸箱裝置處故障、空氣彈簧處故障、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置處故障、輪軌接觸處故障、車體處底架、側(cè)墻左部中部右部、車頂前部中部后部、司機(jī)室外壁處故障、受電弓處故障等，及產(chǎn)生故障常見的原因和檢查解決辦法。以三維空間位置信息為索引導(dǎo)向，整合故障可能位置及產(chǎn)生故障常見的原因和檢查解決辦法，以電信號(hào)的方式預(yù)先儲(chǔ)存在空間位置檢測(cè)播報(bào)系統(tǒng)中。當(dāng)有異音異響疑似故障信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，傳感器和振動(dòng)計(jì)將對(duì)應(yīng)位置部件檢測(cè)到的信息有線傳送給FFT振動(dòng)分析儀，其中振動(dòng)計(jì)能夠傳輸處理后的同頻范圍內(nèi)的總的振動(dòng)強(qiáng)度，而FFT振動(dòng)分析儀通過對(duì)比動(dòng)車組該部件在正常運(yùn)行下的振動(dòng)譜來檢測(cè)異音異響故障，并保存在中央數(shù)據(jù)庫中，作為后期經(jīng)驗(yàn)參考及系統(tǒng)進(jìn)一步完善優(yōu)化數(shù)據(jù)之用，具體見表2。

表2 異音異響故障存儲(chǔ)中央數(shù)據(jù)庫

如圖3所示，頻率比對(duì)器采用頻標(biāo)比對(duì)中的雙混頻器時(shí)差測(cè)量設(shè)計(jì)[14-16]。采用經(jīng)典雙混頻測(cè)量原理，運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)頻標(biāo)的比對(duì)測(cè)量。同時(shí)計(jì)算機(jī)將信號(hào)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在磁盤中，可以用來進(jìn)行頻譜比較以生成線性振幅頻譜三維圖進(jìn)行解析分析，如圖4所示。

圖3 頻率比對(duì)器結(jié)構(gòu)原理圖

圖4 線性振幅頻譜解析

3 結(jié) 論

(1)目前通過去除法、比較法、虛聽實(shí)聽法、擴(kuò)大法與模擬法等試驗(yàn)?zāi)M研究的方法，初步明確該類故障產(chǎn)生的常見原因及發(fā)生位置?？蔀槟壳敖?jīng)驗(yàn)不足時(shí)的動(dòng)車組異音異響故障提供初步理論參考和診斷方案。

(2)該系統(tǒng)采用在易發(fā)重點(diǎn)區(qū)布置多種傳感器和測(cè)試檢測(cè)設(shè)備，計(jì)算機(jī)控制與人工檢測(cè)相結(jié)合的工作方式，可以較為準(zhǔn)確地快速判斷動(dòng)車組行車途中的異音異響，確定故障發(fā)生位置及可能的原因，同時(shí)可逐步積累完善動(dòng)車組列車運(yùn)行故障庫，為后續(xù)動(dòng)車組的運(yùn)行維護(hù)提供技術(shù)支持。

(3)該動(dòng)車組行車異音異響監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過信號(hào)定位處理系統(tǒng)及信號(hào)檢測(cè)比對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)列車運(yùn)行圖中的故障信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)播報(bào)，同時(shí)錄入、存儲(chǔ)異常故障信號(hào)源，為后續(xù)故障搶修提供經(jīng)驗(yàn)支持。在某些方面可填補(bǔ)我國在解決鐵路運(yùn)行中異音異響故障難題方面的空白。

(4)通過異音異響故障庫的逐漸完善及電子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的初步成型，可對(duì)獨(dú)立設(shè)計(jì)適應(yīng)于動(dòng)車組行車途中異音異響的監(jiān)測(cè)設(shè)備和動(dòng)車組檢修基地維修車間異音異響檢查設(shè)備的投入使用奠定基礎(chǔ)。