鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛運(yùn)行故障診斷技術(shù)的應(yīng)用研究

張省偉 劉瑤

摘要：中國(guó)鐵路建設(shè)規(guī)模穩(wěn)居世界前沿，其主要功能為便利人員及貨物的運(yùn)輸。鐵路機(jī)車(chē)在進(jìn)行一段時(shí)間工作后，由于工作強(qiáng)度大、工作時(shí)間長(zhǎng)，往往容易出現(xiàn)某些部件磨損、老化等現(xiàn)象。隨之而來(lái)的是鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛運(yùn)行中的各種風(fēng)向。因此，文章基于中國(guó)現(xiàn)有鐵路機(jī)車(chē)運(yùn)行技術(shù)，從車(chē)輛故障診斷和安全監(jiān)測(cè)入手，對(duì)故障監(jiān)測(cè)和診斷技術(shù)的系列產(chǎn)品、軌道交通運(yùn)載設(shè)備故障診斷和安全監(jiān)測(cè)的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了綜合研究，最后以JK00430型機(jī)車(chē)走行部車(chē)載監(jiān)測(cè)裝置的推廣應(yīng)用為例進(jìn)行了鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛運(yùn)行故障診斷技術(shù)的實(shí)證分析。研究可作為鐵路機(jī)車(chē)故障診斷工作人員的理論參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：鐵路機(jī)車(chē);運(yùn)行故障;故障診斷

中圖分類(lèi)號(hào)：U279

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-5922（2020）09-0173-03

0 引言

隨著國(guó)家對(duì)鐵路交通建設(shè)的深入探究，中國(guó)鐵路在運(yùn)行速度以及車(chē)載量方面尤其獲取了傲人的成績(jī)，并在質(zhì)量提升的同時(shí)，對(duì)鐵路的安全系數(shù)也同樣加強(qiáng)了重視[1-2]。鐵路修建過(guò)程中，應(yīng)在提高機(jī)械裝配耐用度的基礎(chǔ)上，增強(qiáng)對(duì)鐵路故障的預(yù)估、預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)存在的隱患進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，這樣才能在鐵路運(yùn)行過(guò)程中，給予列車(chē)安全運(yùn)行的保障。安全性能的完善、應(yīng)用是決定鐵路機(jī)車(chē)能否正常運(yùn)行的重要因素[4]。

1 故障診斷和安全監(jiān)測(cè)的技術(shù)基礎(chǔ)

以提高列車(chē)的運(yùn)輸效率為前提，加強(qiáng)運(yùn)輸速度和運(yùn)輸質(zhì)量是鐵路技術(shù)發(fā)展的根本任務(wù)，其提速的戰(zhàn)略性目標(biāo)需要依靠列車(chē)安全運(yùn)行來(lái)作為保障。因此，列車(chē)能否在規(guī)定范圍內(nèi)加大運(yùn)輸速度，需對(duì)鐵路機(jī)車(chē)控制系統(tǒng)的實(shí)用性進(jìn)行研究探討[5-6]。通過(guò)對(duì)機(jī)械故障的振動(dòng)檢測(cè)（頻域及時(shí)域），可以有效的提取到設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中存在的異常物理信號(hào)，使檢測(cè)的目的更具效果性，振動(dòng)檢測(cè)是最早應(yīng)用于機(jī)械故障排查領(lǐng)域的科技之一[7]。在實(shí)際操作環(huán)境中，鐵路機(jī)械裝備會(huì)產(chǎn)生多樣化振動(dòng)，如，在列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，與軌道摩擦所產(chǎn)生的物理震動(dòng)，雖振動(dòng)幅度較大，但不會(huì)產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的安全問(wèn)題。但這種噪聲往往會(huì)掩蓋齒輪、軸承等精密部件發(fā)生故障所引發(fā)振動(dòng)。為了解決這一困境，共振解調(diào)技術(shù)的問(wèn)世在原有的振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中融合了聲音檢測(cè)技術(shù)，對(duì)鐵路故障排查的服務(wù)范圍進(jìn)行了拓展。共振解調(diào)技術(shù)可自動(dòng)排查常規(guī)的振動(dòng)，只捕捉細(xì)微的故障沖擊，使鐵路設(shè)備的物理信息收集更加具備有效性，從而更為精準(zhǔn)的分析判斷故障內(nèi)容以及所處部位，得出更為詳盡的結(jié)論[8]。

2 鐵路機(jī)車(chē)子系統(tǒng)的故障診斷

2.1 轉(zhuǎn)向架式走行部的故障診斷

現(xiàn)下的鐵路列車(chē)車(chē)輛走行部多為轉(zhuǎn)向架式構(gòu)造，可將這類(lèi)走行部統(tǒng)稱(chēng)為轉(zhuǎn)向架。本文主要研究轉(zhuǎn)向架式走行部，所以對(duì)二者不再區(qū)別稱(chēng)謂。構(gòu)成轉(zhuǎn)向架式走行部的重要組成部分為：輪對(duì)及輪軸，齒輪箱，軸承等。以中國(guó)北車(chē)集團(tuán)生產(chǎn)制造的天津地鐵轉(zhuǎn)向架為例，如圖1所示。

列車(chē)車(chē)輛走行部主要由輪對(duì)構(gòu)成基礎(chǔ)框架，因輪對(duì)直接接觸于鋼軌，且列車(chē)的重量完全壓制于輪對(duì)，所以車(chē)輪踏面和車(chē)軸軸頸的摩擦損耗程度是維系列車(chē)安全的關(guān)鍵因素之一。

2.2 齒輪箱的故障診斷

列車(chē)車(chē)輛轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的重要組成機(jī)械部件為齒輪箱，齒輪箱作為列車(chē)牽引的動(dòng)力源頭，因其所處的工作環(huán)境對(duì)其系統(tǒng)磨損較為嚴(yán)重，所以極易造成輪齒齒面的腐蝕、裂變、脫落等現(xiàn)象的發(fā)生。所以，鐵路列車(chē)車(chē)輛齒輪箱故障的排查主體多為齒輪箱軸承，如圖2所示[9]。

2.1.1 軸承

在鐵路軸承的故障檢測(cè)中，共振解調(diào)技術(shù)的應(yīng)用對(duì)其來(lái)說(shuō)是相得益彰的。共振解調(diào)技術(shù)主要是對(duì)滾動(dòng)軸承內(nèi)部的故障零部件所產(chǎn)生的細(xì)微沖擊進(jìn)行捕捉，此種方法的特征是獨(dú)具敏感性，尤其針對(duì)早期不易發(fā)現(xiàn)的轉(zhuǎn)動(dòng)裝置中承載部件進(jìn)行排查。

2.1.2 走行部整體

鐵路機(jī)車(chē)的各部分機(jī)械（齒輪箱、轉(zhuǎn)向架軸向、電動(dòng)機(jī)）振動(dòng)都會(huì)順借構(gòu)架引起共振，這就可以表明構(gòu)架的異常振動(dòng)就可代表部分機(jī)械的異動(dòng)。所以，在故障排查系統(tǒng)中可對(duì)多個(gè)部件同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及預(yù)警。中國(guó)的列車(chē)安全系數(shù)較高，突發(fā)的緊急事件較少，雖對(duì)不通列車(chē)型號(hào)建立的故障預(yù)警數(shù)據(jù)庫(kù)，卻也難以得到完整的的真實(shí)數(shù)據(jù)。所以在列車(chē)的日常運(yùn)行中，著重對(duì)不同工況（極特殊天氣狀況也包含在內(nèi)）下的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究，作為參考依據(jù)，才可在后續(xù)的實(shí)踐工作中通過(guò)參數(shù)及時(shí)判斷列車(chē)的走行部是否發(fā)生故障[10]。

2.3 牽引電動(dòng)機(jī)的故障診斷

牽引電動(dòng)機(jī)作為鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛的動(dòng)力核心裝置，可將能量轉(zhuǎn)化為供機(jī)車(chē)運(yùn)作的機(jī)械能，因其工作環(huán)境會(huì)受到風(fēng)沙雨水的侵蝕，以及車(chē)輛的加速及制動(dòng)，都會(huì)導(dǎo)致其軸承、端部線圈極易發(fā)生故障，鐵路轉(zhuǎn)向架上牽引電動(dòng)機(jī)軸承經(jīng)常會(huì)發(fā)生故障的機(jī)械部位分為以下3種：滾動(dòng)體、內(nèi)圈、外圈，就此，對(duì)于其故障診斷專(zhuān)門(mén)研發(fā)了針對(duì)性系統(tǒng)。系統(tǒng)中的關(guān)鍵性診斷元素為小波包（通過(guò)對(duì)小波包的構(gòu)成系數(shù)更換，可對(duì)電動(dòng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行降噪處理），最終通過(guò)實(shí)踐的測(cè)試信號(hào)模型進(jìn)行分類(lèi)診斷思維構(gòu)建[11]。

2.4 電氣設(shè)備的故障診斷

交流牽引電動(dòng)機(jī)主要功能構(gòu)建為逆變器、受力弓和接地裝置。電動(dòng)機(jī)設(shè)備則主要保障鐵路機(jī)車(chē)整體電力的合理分配，尤其對(duì)電力機(jī)車(chē)而言更是動(dòng)力的來(lái)源，在對(duì)列車(chē)整體的故障研究中也處于主體地位。

在交流牽引電動(dòng)機(jī)中，對(duì)逆變器、受電弓的故障排查是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在實(shí)際應(yīng)用中這兩大機(jī)械裝配極易出現(xiàn)故障。由于影響鐵路機(jī)車(chē)運(yùn)行的元素復(fù)雜多樣，所以應(yīng)基于自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)模糊邏輯推理理論建立對(duì)交流遷移電動(dòng)機(jī)的故障排查體系[12]。

2.5 自動(dòng)門(mén)系統(tǒng)的故障診斷

鐵路客運(yùn)列車(chē)自動(dòng)門(mén)發(fā)生故障次數(shù)約占列車(chē)系統(tǒng)總故障的35%左右，而列車(chē)的自動(dòng)門(mén)又在整體系統(tǒng)中占有主導(dǎo)地位，它決定著列車(chē)能否正常進(jìn)行功能性的裝載和卸載?；谀峥倒綧K0408塞拉門(mén)電控系統(tǒng)創(chuàng)新研究了MS730CP5氣動(dòng)塞拉門(mén)[13]。

3JK00430型機(jī)車(chē)走行部車(chē)載監(jiān)測(cè)裝置實(shí)證分析JK00430型機(jī)車(chē)走行部車(chē)載監(jiān)測(cè)裝置在中國(guó)的鐵路發(fā)展進(jìn)程中占有推進(jìn)的先導(dǎo)作用，并在全國(guó)范圍內(nèi)得以應(yīng)用，為中國(guó)鐵路安全增添了新的“保護(hù)屏障”。北京鐵路局與上海鐵路局分別于2002年、2003年基于鐵道部六大干線標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)的要求接連啟動(dòng)對(duì)走行部車(chē)載監(jiān)測(cè)裝置的研究工作，以下將對(duì)其研究成果進(jìn)行進(jìn)一步論述分析[14]。