軌道車輛轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件故障分析研究

徐曉靈 王瑜琳 牟剛 盧德林

摘 要：軌道車輛機(jī)械故障在影響車輛運(yùn)營(yíng)安全的諸多因素中比例最高，達(dá)到故障總數(shù)的30%～40%。轉(zhuǎn)向架作為軌道車輛機(jī)械系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，支撐整個(gè)車體，承受并傳遞車體與軌道之間的各載荷，緩和車體與軌道之間的各作用力，其機(jī)械性能直接影響到列車運(yùn)行的安全性。隨著軌道列車運(yùn)行速度的不斷提高，軌道車輛轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)亦趨于復(fù)雜化，加之軌道列車的運(yùn)行狀態(tài)始終處于不斷變化之中，若無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除轉(zhuǎn)向架機(jī)械故障，將給列車運(yùn)行帶來嚴(yán)重的安全隱患。因此本文重點(diǎn)分析軌道列車轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件的故障識(shí)別，為軌道列車早期機(jī)械故障狀態(tài)識(shí)別提供參考。

關(guān)鍵詞：機(jī)械故障;轉(zhuǎn)向架;安全隱患;故障識(shí)別

1 概述

作為交通運(yùn)輸體系中一種非常重要的陸地運(yùn)輸方式，軌道交通憑借其運(yùn)輸量大、成本低、速度快等特點(diǎn)，逐步在交通運(yùn)輸體系中占據(jù)舉足輕重的地位。目前全國各大城市都在進(jìn)行軌道交通建設(shè)規(guī)劃，據(jù)中國軌道交通網(wǎng)統(tǒng)計(jì)，截至2019年12底，上海、北京、廣州、南京、重慶等40座城市的210條線路已開通運(yùn)營(yíng)，總里程達(dá)6386.9公里，新增運(yùn)營(yíng)里程數(shù)968公里[1]，見圖1。

從圖示可看出，隨著我國軌道交通的跨越式發(fā)展，運(yùn)營(yíng)里程急劇增長(zhǎng)，可以說我國進(jìn)入了軌道交通發(fā)展的黃金時(shí)段，為有效緩解城市交通壓力，推進(jìn)城市化建設(shè)進(jìn)程，解決其他公共交通所帶來的能源緊張、環(huán)境污染等問題起到了極大的推動(dòng)作用。但由于軌道列車具有車輛負(fù)荷強(qiáng)、車速變化頻繁、停站時(shí)間短、行車密度大等特性，加之軌道列車的運(yùn)行狀態(tài)始終處于不斷變化之中，使得運(yùn)行過程中存在一定的安全隱患，這些都對(duì)軌道交通提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。

軌道交通最基本、最核心的要求是安全可靠，然而軌道列車是一個(gè)復(fù)雜而龐大的系統(tǒng)，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都有可能造成車毀人亡的嚴(yán)重事故，給國家和個(gè)人帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人身財(cái)產(chǎn)損失。調(diào)研最近20年來的軌道交通重大安全事故，發(fā)現(xiàn)軌道車輛機(jī)械故障在影響車輛運(yùn)營(yíng)安全的諸多因素中比例最高，達(dá)到故障總數(shù)的30%～40%[2]，在這一系列故障中，轉(zhuǎn)向架故障占據(jù)了很大一部分比例，且一旦轉(zhuǎn)向架出現(xiàn)故障，列車發(fā)生故障的概率及危害程度均明顯提高。因此確保轉(zhuǎn)向架安全、無故障是近年來軌道列車故障診斷領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

2 軌道車輛轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件故障分析

作為軌道車輛機(jī)械系統(tǒng)的重要組成部分，轉(zhuǎn)向架主要承擔(dān)牽引和引導(dǎo)軌道列車行駛，支撐整個(gè)車體，承受并傳遞車體與軌道之間的各載荷，緩和車體與軌道之間的各沖擊力等功能，是保證軌道列車正常運(yùn)行的關(guān)鍵部件。從結(jié)構(gòu)上來看，轉(zhuǎn)向架主要包括構(gòu)架、輪對(duì)、軸箱裝置、懸掛裝置、牽引裝置、制動(dòng)裝置、齒輪傳動(dòng)裝置等。當(dāng)軌道列車在大負(fù)荷、變速環(huán)境下工作時(shí)，轉(zhuǎn)向架各零部件之間反復(fù)作用，極易出現(xiàn)疲勞損傷，降低其使用性能及壽命，造成嚴(yán)重的安全事故，可以說轉(zhuǎn)向架各零部件機(jī)械性能的好壞直接影響著軌道列車運(yùn)行的安全性。結(jié)合轉(zhuǎn)向架的故障發(fā)生頻率及所帶來的危害程度，本文重點(diǎn)選取了軸箱軸承以及齒輪箱兩個(gè)關(guān)鍵的零部件，來分析其故障類型及常見的故障診斷方法，為后期故障檢測(cè)提供理論支撐。

2.1 軸承軸箱故障分析

軸箱軸承是軌道列車的關(guān)鍵旋轉(zhuǎn)支撐部件，具有使用壽命長(zhǎng)、精度高、可靠性強(qiáng)等特性。在列車運(yùn)行過程中，軸承持續(xù)的承受車體與軌道的各載荷和沖擊振動(dòng)的作用，因此發(fā)生故障的概率較高，具體故障分析見表1所示[3-4]。

目前針對(duì)軸箱軸承的故障診斷方法主要有聲學(xué)診斷法、溫度診斷法、振動(dòng)診斷法等，結(jié)合軸承軸箱的故障類型及特點(diǎn)，基于振動(dòng)信號(hào)的分析檢測(cè)方法是目前使用最為廣泛的軸承故障診斷方法。該方法通過信號(hào)的時(shí)域分析簡(jiǎn)單判斷軸承是否存在故障，再進(jìn)一步通過信號(hào)的頻域分析定位故障點(diǎn)，可在故障萌芽期準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)故障類型的診斷。

2.2 齒輪箱故障分析

齒輪箱是軌道列車的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過多對(duì)齒輪的嚙合轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)動(dòng)力及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的傳遞，協(xié)助列車平穩(wěn)的沿軌道行駛，為列車的安全運(yùn)行提供保證。由于齒輪箱的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其加工工藝及裝配要求較高，同時(shí)該部件自身容易產(chǎn)生不平穩(wěn)振動(dòng)等特性，使得其極易發(fā)生故障，而齒輪箱任何細(xì)小的故障都可能引發(fā)安全事故，具體故障見表2[5]。

齒輪箱系統(tǒng)的故障診斷方法主要有噪聲診斷法、沖擊脈沖診斷法以及振動(dòng)診斷法，結(jié)合齒輪系統(tǒng)的故障類型及特點(diǎn)，最常用的是振動(dòng)診斷法。在列車運(yùn)行過程中，齒輪箱系統(tǒng)在內(nèi)部激振力和外部激振力的作用下產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，振動(dòng)的傳遞過程如圖2所示。振動(dòng)信號(hào)可實(shí)時(shí)反應(yīng)齒輪系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集、分析，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)齒輪系統(tǒng)的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的早期、中期以及晚期的檢測(cè)與記錄。

3 總結(jié)

為了確保軌道列車的安全運(yùn)行，必須實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軌道列車的運(yùn)行狀態(tài)，已實(shí)現(xiàn)對(duì)列車早期機(jī)械故障的狀態(tài)識(shí)別。因此本文通過調(diào)研了近年來軌道列車的重大安全事故，從故障率及危害程度的角度出發(fā)，選取了軸箱軸承和齒輪箱這兩個(gè)關(guān)鍵的轉(zhuǎn)向架部件，深入研究了故障的類型、成因及危害程度，為列車的早期故障識(shí)別研究奠定理論基礎(chǔ)。確保列車故障處于萌芽階段或故障程度尚輕微時(shí)，能夠及時(shí)準(zhǔn)確地予以狀態(tài)評(píng)估和識(shí)別，并適時(shí)給出故障預(yù)警信息，以及指導(dǎo)故障發(fā)生后列車的保養(yǎng)和維修，最終實(shí)現(xiàn)降低事故風(fēng)險(xiǎn)和維修、維護(hù)成本。

參考文獻(xiàn)：

[1]2019年中國鐵路、高鐵和城市軌道交通運(yùn)營(yíng)里程、運(yùn)營(yíng)線路及運(yùn)營(yíng)里程排行榜.

[2]李熙.城市軌道車輛行走部安全評(píng)估方法研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2011.

[3]劉霄.城市軌道車輛軸箱軸承離線故障診斷及狀態(tài)評(píng)估方法[D].上海：上海工程技術(shù)大學(xué)，2015.

[4]趙治博.地鐵車輛轉(zhuǎn)向架軸承故障診斷方法研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2015.

[5]金子博.城市軌道車輛轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件在線安全監(jiān)測(cè)技術(shù)研究[D].上海：上海工程技術(shù)大學(xué)，2014.

基金項(xiàng)目：重慶公共運(yùn)輸職業(yè)學(xué)院院級(jí)科研項(xiàng)目，“軌道車輛轉(zhuǎn)向架振動(dòng)形態(tài)譜分析及故障診斷方法研究”（項(xiàng)目編號(hào)：YSKY2018-09）;重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究計(jì)劃項(xiàng)目“軌道車輛運(yùn)行穩(wěn)定性分析與故障診斷”（項(xiàng)目編號(hào)：KJQN201905803）

*通訊作者：王瑜琳（1988—），女，碩士，講師，研究方向：為信號(hào)檢測(cè)與處理、故障診斷。