轉(zhuǎn)向架在線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)在青島地鐵的應(yīng)用

李大勇，陳明可，欒林昊，鄧舉明

（青島地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營分公司，山東青島 266031）

城市軌道交通地鐵車輛為轉(zhuǎn)向架承載、輪軌導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，車輛運(yùn)行時(shí)，由于線路條件、輪對異常磨耗或損傷等原因，會造成輪對、軸箱劣化，嚴(yán)重時(shí)會引起車輛振動、異響。既有的車輛檢修模式是待車輛運(yùn)營結(jié)束返回車輛段后，再進(jìn)行車輛部件的檢查，具有滯后性，且不易發(fā)現(xiàn)早期缺陷，直接影響乘坐舒適度，長期運(yùn)行危及行車安全。青島地鐵3號線的線路設(shè)置有未減振道床、重型浮置板道床、輕型浮置板道床 3種結(jié)構(gòu)[1]，加之線路彎道等因素，線路條件差，列車振動非常大。因此，使用車輛轉(zhuǎn)向架在線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)的必要性尤為突出。

該系統(tǒng)采用高精度傳感采集技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)、現(xiàn)代信號分析與故障診斷技術(shù)等，在地鐵車輛轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵部件上布置各類傳感器，完成列車所受激勵(lì)及其響應(yīng)信號的監(jiān)測。該系統(tǒng)主要監(jiān)測地鐵車輛轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件的早期缺陷，監(jiān)測部位包括列車轉(zhuǎn)向架的軸箱、輪對踏面、輪軌狀態(tài)，并通過無線通信方式，將各類感知信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛娣治龉芾硐到y(tǒng)。地面預(yù)警管理平臺對列車運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)可視化展示、歷史數(shù)據(jù)分析、列車實(shí)時(shí)狀態(tài)評估、故障診斷輔助決策等[2]，以保證列車安全運(yùn)營。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

轉(zhuǎn)向架在線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)由車載設(shè)備和地面服務(wù)器構(gòu)成，其中車載設(shè)備包括車輛主機(jī)、車輛分機(jī)、車載交換機(jī)、復(fù)合傳感器、前置處理器。該系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，每節(jié)車廂布置一個(gè)車載分機(jī)，所有傳感器連接到車載分機(jī)，完成數(shù)據(jù)采集、存儲和分析的功能，每個(gè)分機(jī)獨(dú)立診斷數(shù)據(jù)結(jié)果。分析結(jié)果通過以太網(wǎng)傳輸?shù)搅熊囍鳈C(jī)，由其完成車載實(shí)時(shí)監(jiān)控交互和無線移動通信功能，再通過無線移動通信模塊將診斷報(bào)警信息輸出。系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Figure 1 System topology

系統(tǒng)通過在轉(zhuǎn)向架上安裝相應(yīng)傳感器、檢測設(shè)備等，實(shí)時(shí)監(jiān)測列車轉(zhuǎn)向架軸箱中軸承等關(guān)鍵部件的沖擊、振動、溫度等參數(shù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)軸承狀態(tài)監(jiān)測，其監(jiān)測范圍包括內(nèi)圈故障、外圈故障、滾動體故障、保持架故障等。通過監(jiān)控軸箱的振動和溫度等參數(shù)，完成公里標(biāo)自動定位功能，實(shí)現(xiàn)輪對和軌道的在線實(shí)時(shí)診斷，從而通過控制接口開啟輪軌振動監(jiān)測模式，其監(jiān)測范圍包括輪對踏面剝離、裂紋、擦傷以及軌道振動、軌道波磨等。

地面服務(wù)器的分析管理系統(tǒng)可以進(jìn)行列車關(guān)鍵部件運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)可視化展示，實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)分析、列車實(shí)時(shí)狀態(tài)評估、故障診斷輔助決策等功能。

2 系統(tǒng)原理

2.1 軸承故障診斷原理

任何機(jī)械故障的產(chǎn)生，均會有故障沖擊信息的發(fā)生，這些沖擊必然會激發(fā)機(jī)械系統(tǒng)的高頻固有振動。通過共振解調(diào)技術(shù)，可以有效地提取這些沖擊信息，從而對故障進(jìn)行診斷。軌道交通車輛走行部關(guān)鍵部件主要為旋轉(zhuǎn)部件（如軸承等），當(dāng)其產(chǎn)生故障時(shí)，沖擊振動在頻域上的特征與速度相關(guān)。因此，利用共振解調(diào)技術(shù)，結(jié)合速度和頻域分析，可以有效地對部件的故障進(jìn)行診斷[3]。

車載系統(tǒng)通過共振解調(diào)技術(shù)對走行部旋轉(zhuǎn)部件的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行診斷，診斷部件主要有軸箱和輪對踏面。前端傳感器采集的信號經(jīng)過前置處理器進(jìn)行信號預(yù)處理，前置處理器對信號進(jìn)行放大和通道選擇。前置處理器將預(yù)處理后的信號傳輸?shù)叫盘栒{(diào)理板卡，板卡進(jìn)行共振解調(diào)處理和數(shù)據(jù)采樣，如圖2所示。

圖2 共振解調(diào)過程Figure 2 Resonance demodulation process

車載系統(tǒng)對共振解調(diào)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和計(jì)算，其信號處理、診斷、分析的過程如圖3所示。經(jīng)過共振解調(diào)和FFT（快速傅氏變換）后，系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地對故障進(jìn)行判斷和警報(bào)。

圖3 系統(tǒng)診斷原理Figure 3 System diagnosis principle

2.1.1 旋轉(zhuǎn)機(jī)械件的監(jiān)測原理

包絡(luò)分析技術(shù)是軸承早期故障檢測和診斷領(lǐng)域的一種非常有效的信號分析技術(shù)，最早由 Mechanical Technology 公司于 1970年代提出，最初叫作高頻共振技術(shù)，還被稱作幅度解調(diào)技術(shù)、解調(diào)共振分析技術(shù)、窄帶包絡(luò)分析技術(shù)和包絡(luò)分析技術(shù)。

以旋轉(zhuǎn)軸承為例，當(dāng)軸承內(nèi)部工作面出現(xiàn)剝離等缺陷時(shí)，運(yùn)動表面與缺陷部位相互碰撞產(chǎn)生沖擊振動。這種沖擊振動與正常情況下軸承的振動不同，持續(xù)時(shí)間非常短，但是具有非常寬的頻譜范圍，可以激起軸承各部分的共振。由于軸承中運(yùn)動部件旋轉(zhuǎn)運(yùn)行會周期性地通過故障點(diǎn)，因此激發(fā)出的軸承共振通常具有一定的周期性，并且不同故障類型對應(yīng)的周期性是不同的。因此，根據(jù)探測這種高頻共振的重復(fù)頻率，就可以獲知當(dāng)前軸承的故障類型。

滾動軸承與軸承故障特征頻率相關(guān)的幾何參數(shù)如圖4所示，其中：Di為軸承內(nèi)圈滾道的直徑，Do為軸承外圈滾道的直徑；d為軸承滾子的直徑；ωi為內(nèi)滾道的旋轉(zhuǎn)角速度，對應(yīng)頻率為fi；ωo為外滾道的旋轉(zhuǎn)角速度，對應(yīng)頻率為f0。根據(jù)圖4中的幾何關(guān)系、旋轉(zhuǎn)線速度與頻率的關(guān)系，推導(dǎo)出軸承缺陷的頻率特征函數(shù)關(guān)系[4]。

圖4 滾動軸承幾何參數(shù)Figure 4 Geometric parameters of rolling bearing

軸承部件內(nèi)圈外滾道在外圈固定時(shí)的特征頻率公式如下：

軸承部件外圈內(nèi)滾道在外圈固定時(shí)的特征頻率公式如下：

軸承部件保持架在外圈固定時(shí)的特征頻率公式如下：

軸承部件滾子在外圈固定時(shí)的特征頻率公式如下：

2.1.2 共振解調(diào)技術(shù)的原理

共振解調(diào)技術(shù)是經(jīng)過包絡(luò)分析將湮沒在背景噪聲中的微弱信號提取出來，然后輸出一個(gè)消除了振動信號干擾的信號，接著對該信號進(jìn)行頻譜分析，并且利用滾動軸承的故障特征頻率進(jìn)行分析。共振解調(diào)法是目前應(yīng)用于實(shí)際的常用方法。

機(jī)械設(shè)備在工作的過程中，無論其工作狀態(tài)的好壞，還是在轉(zhuǎn)子不平衡所采集的信號當(dāng)中，都會含有各種其他的振動信息，由軸承故障引發(fā)的沖擊脈沖往往是幅值小、寬度窄的信號，會被系統(tǒng)噪聲所遮掩，直接對沒有處理過的信號進(jìn)行傅里葉變換，是不能提取出正確的故障信息的。因?yàn)樾〉墓收蠜_擊也有著很復(fù)雜的高頻部分，它能夠引起機(jī)械系統(tǒng)或者傳感器的共振，而共振的作用會讓故障沖擊信號得到放大。對高頻部分進(jìn)行包絡(luò)并且進(jìn)行譜分析就可以得到頻譜圖[5]，將其與故障特征頻率進(jìn)行對比，就可以分析出故障的具體位置，共振解調(diào)過程如圖5所示。

圖5 沖擊信號的共振解調(diào)Figure 5 Resonance demodulation of shock signal

共振解調(diào)的過程如下：首先對采集到的信號進(jìn)行傅里葉變換，然后利用傳感器自身的諧振頻率進(jìn)行分析，對濾波后的信號進(jìn)行包絡(luò)，包絡(luò)以后去除高頻部分，得到包絡(luò)信號，再對改進(jìn)的包絡(luò)信號進(jìn)行低通濾波[6]，最后對得到的信號再進(jìn)行傅里葉變換，求其頻譜圖。共振解調(diào)的原理及其過程見圖6。

圖6 共振解調(diào)的原理及其過程Figure 6 Principle and process of resonance demodulation

2.2 鋼軌波磨診斷原理

鋼軌波磨是指在鋼軌沿縱向表面上出現(xiàn)的具有周期性特征且呈現(xiàn)出類似于波浪形狀的一種軌頭缺陷。當(dāng)前，我國運(yùn)營的地鐵均有不同程度的波磨現(xiàn)象出現(xiàn)，尤其是當(dāng)線路曲線半徑R≤350 m時(shí)，會大概率發(fā)生鋼軌波磨。波磨有兩種屬性特征：波長和波深。DnaldR.Ahlbeck 等對城市軌道交通鋼軌波磨的研究表明：波磨波長介于50～200 mm 之間；波深與波長相關(guān)，短波波磨的波深一般小于0.2 mm，最大波深達(dá)0.9 mm。

2.2.1 鋼軌波磨檢測系統(tǒng)

鋼軌波磨檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖7所示。加速度傳感器測量車輛軸箱振動加速度，通過信號放大器調(diào)理進(jìn)行模擬處理，進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡量化，速度傳感器采集列車速度，再利用數(shù)字處理技術(shù)，對采集到的軸箱加速度進(jìn)行信號處理，包括降噪、數(shù)字積分、高通濾波，最終得到波磨波形。

圖7 檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Figure 7 Structure diagram of detection system

2.2.2 鋼軌波磨檢測模型

目前，軌道高低短波不平順的檢測方法主要有幾類：弦測法、慣性基準(zhǔn)法以及基于圖像頻域特征的檢測方法。青島3號線采用的是慣性基準(zhǔn)法——軸箱加速度積分法，即對采集到的列車軸箱垂向加速度二次積分，即軸箱的垂向位移等于軌道鋼軌波磨。

根據(jù)圖8簡化的鋼軌模型，推導(dǎo)其垂向動力學(xué)方程，并加入軌道不平順，經(jīng)公式推導(dǎo)可得：軌道諧波不平順頻率與其引發(fā)的機(jī)車車輛軸箱振動加速度頻率相同?；诖岁P(guān)系分析，當(dāng)已知行駛速度v和軸箱垂向振動加速度頻率f，通過λ=v/f可以求得該軌道的不平順波長。不是所有波長范圍的不平順值都對軌道維護(hù)和研究有意義，地鐵軌道波磨為短波波長，故須設(shè)計(jì)高通濾波器濾除長波波長，截取需要的檢測波形，保證檢測精度。

圖8 慣性基準(zhǔn)法原理Figure 8 Principle diagram of inertial reference method

安裝于軸箱上的加速度計(jì)采集加速度振動信號，可直接反映出軌道的不平順狀態(tài)，積分所得垂向位移Z為波磨值[6]，有

此時(shí)，慣性參考基準(zhǔn)線為軸箱，故積分值Z即為軌道波磨。

3 數(shù)據(jù)傳輸

地鐵車輛轉(zhuǎn)向架在線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛娴姆绞揭话惴譃閮煞N：一種是通過車載無線通信設(shè)備發(fā)送給地面通信設(shè)備，再由地面通信設(shè)備通過專用通信電纜傳送至車輛段；另一種是通過無線4G網(wǎng)絡(luò)傳輸。在兩種數(shù)據(jù)傳輸方式中，前者的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，缺點(diǎn)是需要提前敷設(shè)專用電纜，同時(shí)占用車輛網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的通信帶寬，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量受限；后者的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、傳輸數(shù)據(jù)量較大，缺點(diǎn)是在地下線進(jìn)行數(shù)據(jù)的無線傳輸，對通信質(zhì)量有一定的影響。

青島地鐵3號線的轉(zhuǎn)向架在線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)傳輸方式為無線 4G網(wǎng)絡(luò)傳輸。傳輸模塊采用華為ME909s無線模塊，支持下行150 Mbit/s、上行50 Mbit/s的傳輸速率；是Cat4 LTE工業(yè)級無線模塊，支持三大運(yùn)營商2G、3G、4G網(wǎng)絡(luò)制式。

4 數(shù)據(jù)解析

青島地鐵 3號線的轉(zhuǎn)向架在線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)，其地面服務(wù)器作為地面預(yù)警分析系統(tǒng)的平臺服務(wù)器，負(fù)責(zé)接收主機(jī)采集上來的數(shù)據(jù)，并存儲在服務(wù)器中。服務(wù)器的作用包括接收主機(jī)數(shù)據(jù)，存儲主機(jī)數(shù)據(jù)、日志及預(yù)警分析系統(tǒng)的操作數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，統(tǒng)計(jì)分析車載設(shè)備數(shù)據(jù)。服務(wù)器既是應(yīng)用程序服務(wù)器，又是數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。

4.1 列車數(shù)據(jù)管理

列車數(shù)據(jù)管理的顯示界面能夠展示列車的各個(gè)部件查詢時(shí)間內(nèi)的運(yùn)行狀態(tài)統(tǒng)計(jì)。根據(jù)選擇的線路與列車號，展示該列車上所有測點(diǎn)的工作狀態(tài)，包括測點(diǎn)是否在線、當(dāng)前工作模式、預(yù)警狀態(tài)等關(guān)鍵信息，可以直觀地發(fā)現(xiàn)走行部上各個(gè)測點(diǎn)的工作狀態(tài)。

4.2 軌道波磨數(shù)據(jù)管理

波磨數(shù)據(jù)管理模塊是對波磨數(shù)據(jù)進(jìn)行展示的頁面，包括車號、車廂號、測點(diǎn)、波磨開啟時(shí)間、采集時(shí)間、波磨關(guān)閉時(shí)間、軌道狀態(tài)、平均波深、最大波深、波長、當(dāng)前到站、下一站、距離下一站等信息。當(dāng)軌道狀態(tài)為波磨時(shí)，平均波深、最大波深、波長等字段會顯示該條波磨數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)分析后得到的相關(guān)信息。

5 系統(tǒng)應(yīng)用

根據(jù)車輛檢修規(guī)程，地鐵運(yùn)維單位須定期對車輛輪對的踏面、輪緣等參數(shù)進(jìn)行人工檢查及測量。由于轉(zhuǎn)向架在線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)能夠提供實(shí)時(shí)的檢測數(shù)據(jù)，車輛段控制中心即可動態(tài)掌握車輛輪對的技術(shù)狀態(tài)。當(dāng)正線運(yùn)營的車輛監(jiān)測數(shù)據(jù)異常時(shí)，檢修調(diào)度可立即做出行車調(diào)整建議，并制訂相應(yīng)的檢修計(jì)劃。車輛回段后直接進(jìn)入臨修線進(jìn)行架車檢修，或進(jìn)入鏇輪線進(jìn)行輪對數(shù)據(jù)測量與鏇修，避免頻繁人工測量輪對數(shù)據(jù)、段內(nèi)轉(zhuǎn)軌的工作量，提高檢修生產(chǎn)效率。

同時(shí)，采用轉(zhuǎn)向架在線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)，能夠?yàn)榈罔F車輛在正線運(yùn)營提供及時(shí)、有效的技術(shù)支持。根據(jù)監(jiān)測的車輛技術(shù)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)基地檢修技術(shù)人員對行車過程中車輛故障的準(zhǔn)確判斷，從而提供針對性的技術(shù)指導(dǎo)意見，提升車輛故障處理響應(yīng)速度。

將地鐵車輛的技術(shù)數(shù)據(jù)長期積累，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，形成車輛故障數(shù)據(jù)庫，運(yùn)用大數(shù)據(jù)管理，使車輛檢修的全壽命周期管理成為可能，逐步實(shí)現(xiàn)地鐵車輛的智能運(yùn)維。

6 結(jié)語

綜上所述，地鐵車輛轉(zhuǎn)向架在線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)作為地鐵車輛運(yùn)維管理的重要手段之一，必將在車輛全壽命周期管理、智能運(yùn)維等方面發(fā)揮積極有效的作用。然而，其數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性及數(shù)據(jù)分析的有效性，仍需要后續(xù)檢測數(shù)據(jù)的長期積累分析，并結(jié)合部件的實(shí)際故障率進(jìn)行對比驗(yàn)證。