高速列車聯(lián)軸節(jié)故障診斷方法研究

于 祥，余 進(jìn)，高世萍，陳大偉

(中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 國(guó)家高速動(dòng)車組總成工程技術(shù)研究中心，山東 青島 266111)

截至2020年年底，我國(guó)高速鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)3.8萬km，動(dòng)車組保有量達(dá)3 900余組。隨著動(dòng)車組運(yùn)營(yíng)里程、年限逐漸增長(zhǎng)，動(dòng)車組不可避免地會(huì)出現(xiàn)安全事故，較大比例的事故由機(jī)械設(shè)備故障引起，因此需要對(duì)列車關(guān)鍵部件進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷[1]。聯(lián)軸節(jié)是高速列車重要的傳動(dòng)部件，負(fù)責(zé)將牽引電機(jī)的動(dòng)力傳遞至齒輪箱，從而驅(qū)動(dòng)輪對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)，如圖1所示。聯(lián)軸節(jié)通常由對(duì)稱的兩半結(jié)構(gòu)組成，其中一半聯(lián)軸節(jié)連接牽引電機(jī)，另一半聯(lián)軸節(jié)連接齒輪箱小軸，2個(gè)半聯(lián)軸節(jié)之間通過螺栓連接。每個(gè)半聯(lián)軸節(jié)內(nèi)部通過鼓形齒和外筒嚙合，傳遞動(dòng)力的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)軸向、徑向變位以及角度補(bǔ)償。聯(lián)軸節(jié)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會(huì)受到嚙合沖擊、軌道不平順沖擊和車輪缺陷沖擊等，極易導(dǎo)致聯(lián)軸節(jié)發(fā)生故障[2]。聯(lián)軸節(jié)發(fā)生故障將直接導(dǎo)致傳動(dòng)失效，嚴(yán)重影響列車運(yùn)行安全[3-5]。

圖1 聯(lián)軸節(jié)傳遞動(dòng)力示意圖

聯(lián)軸節(jié)故障類型主要包括潤(rùn)滑油脂泄漏、連接螺栓脫開、鼓形齒和外筒磨損等，聯(lián)軸節(jié)故障嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致不能傳遞動(dòng)力，需要重點(diǎn)關(guān)注[6-7]。

由于聯(lián)軸節(jié)是高速旋轉(zhuǎn)部件，不適合加裝監(jiān)測(cè)設(shè)備，是列車監(jiān)控的盲區(qū)。目前聯(lián)軸節(jié)故障大多通過采集牽引電機(jī)、齒輪箱等相鄰部件的溫度及振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性有待提高[8]。本文通過聯(lián)軸節(jié)故障模擬試驗(yàn)和理論分析相結(jié)合的方法，給出了一種高速列車聯(lián)軸節(jié)故障的間接診斷方法，通過采集牽引電機(jī)的電流和轉(zhuǎn)速等信號(hào)，分析聯(lián)軸節(jié)故障時(shí)的特征，從而實(shí)現(xiàn)聯(lián)軸節(jié)故障的準(zhǔn)確診斷，以提高列車對(duì)聯(lián)軸節(jié)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、健康管理的精準(zhǔn)度，提高聯(lián)軸節(jié)在線運(yùn)行安全性，保障動(dòng)車組列車安全運(yùn)營(yíng)。

1 聯(lián)軸節(jié)故障模擬試驗(yàn)

為探索高速列車聯(lián)軸節(jié)故障診斷方法，對(duì)某型高速列車聯(lián)軸節(jié)在整車滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行聯(lián)軸節(jié)故障模擬試驗(yàn)，以獲得聯(lián)軸節(jié)故障運(yùn)行數(shù)據(jù)，提取聯(lián)軸節(jié)故障特征。

1.1 試驗(yàn)工況

故障模擬試驗(yàn)過程中，列車接入高壓電，通過牽引變壓器、牽引變流器等為牽引電機(jī)提供電力，牽引電機(jī)主動(dòng)牽引，帶動(dòng)滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)，滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)提供反向阻力。試驗(yàn)工況包括加速、勻速和減速等不同工況。試驗(yàn)最高運(yùn)行速度為350 km/h。故障模擬試驗(yàn)選擇1輛車，包含4個(gè)車軸，每個(gè)車軸都分別對(duì)應(yīng)有1個(gè)牽引電機(jī)、聯(lián)軸節(jié)、齒輪箱等部件。試驗(yàn)過程中，分別采集同車4個(gè)聯(lián)軸節(jié)的牽引電機(jī)電流、速度等數(shù)據(jù)用于聯(lián)軸節(jié)故障診斷分析。

1.2 聯(lián)軸節(jié)故障設(shè)置

對(duì)試驗(yàn)聯(lián)軸節(jié)進(jìn)行人為故障設(shè)置，包括聯(lián)軸節(jié)半嚙合和聯(lián)軸節(jié)無嚙合故障。聯(lián)軸節(jié)半嚙合故障是通過對(duì)聯(lián)軸節(jié)鼓形齒人為打磨，使聯(lián)軸節(jié)嚙合間隙增大，但仍能保持聯(lián)軸節(jié)傳動(dòng)功能，以此模擬聯(lián)軸節(jié)鼓形齒磨損的初期故障；聯(lián)軸節(jié)無嚙合故障是通過對(duì)聯(lián)軸節(jié)鼓形齒人為加工去除，使聯(lián)軸節(jié)內(nèi)部失去嚙合，不能傳遞動(dòng)力，以此模擬聯(lián)軸節(jié)鼓形齒磨損的晚期故障、聯(lián)軸節(jié)螺栓連接失效等故障。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

將正常聯(lián)軸節(jié)安裝到列車上進(jìn)行試驗(yàn)，采集牽引電機(jī)數(shù)據(jù)，確定數(shù)據(jù)分析基線。在運(yùn)行速度為300 km/h下采集列車4個(gè)聯(lián)軸節(jié)對(duì)應(yīng)的牽引電機(jī)電流，同時(shí)采集列車4個(gè)聯(lián)軸節(jié)對(duì)應(yīng)的牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速，并換算成列車運(yùn)行速度，為方便敘述，將該速度稱為“電機(jī)速度”，圖2為列車運(yùn)行速度為300 km/h正常運(yùn)行情況下同車4臺(tái)牽引電機(jī)的電流和電機(jī)速度。由圖2可見，這4臺(tái)牽引電機(jī)電流和電機(jī)速度保持一致。牽引電機(jī)電流和電機(jī)速度的一致性也驗(yàn)證了列車設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行工況的一致性。同車4臺(tái)牽引電機(jī)、聯(lián)軸節(jié)、齒輪箱、車軸、車輪等部件組成的傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)都是一致的，制造工藝也保證了相關(guān)部件的參數(shù)、性能的一致性，因此在相同的運(yùn)行工況下，牽引電機(jī)的牽引特性基本保持一致，體現(xiàn)在輸出牽引電機(jī)電流、電機(jī)速度也保持一致。

圖2 正常情況下同車4臺(tái)牽引電機(jī)電流和牽引電機(jī)速度(300 km/h)

將人為加工的故障聯(lián)軸節(jié)安裝到列車上，設(shè)置了聯(lián)軸節(jié)半嚙合故障(2軸)和聯(lián)軸節(jié)無嚙合故障(3軸)，1軸和4軸的聯(lián)軸節(jié)為正常聯(lián)軸節(jié)，進(jìn)行故障模擬試驗(yàn)，按照勻速、加速、減速等不同工況采集牽引電機(jī)電流和速度數(shù)據(jù)，相關(guān)結(jié)果及分析如下。圖3、圖4分別為聯(lián)軸節(jié)故障情況下同車4臺(tái)牽引電機(jī)的電流和電機(jī)速度。由圖3可以看出，在列車運(yùn)行速度為300 km/h聯(lián)軸節(jié)故障情況下，1軸和2軸牽引電機(jī)電流一致，3軸牽引電機(jī)電流比1、2軸牽引電機(jī)低50%左右，4軸牽引電機(jī)電流比1、2軸牽引電機(jī)電流高70%左右。由圖4可以看出，3軸牽引電機(jī)速度比其他軸牽引電機(jī)速度高2.4 km/h，而正常軸之間電機(jī)速度差值小于0.1 km/h。

圖3 聯(lián)軸節(jié)故障情況下同車4臺(tái)牽引電機(jī)電流(300 km/h)

圖4 聯(lián)軸節(jié)故障情況下同車4臺(tái)牽引電機(jī)速度(300 km/h)

圖5、圖6分別為加速工況聯(lián)軸節(jié)故障情況下4臺(tái)牽引電機(jī)的電流和電機(jī)速度。由圖5可知，1軸和2軸牽引電機(jī)電流較為接近，3軸牽引電機(jī)電流比1、2軸牽引電機(jī)低，4軸牽引電機(jī)電流比1、2軸牽引電機(jī)電流高。由圖6可知，3軸牽引電機(jī)速度始終比其他軸牽引電機(jī)速度高0.5 km/h，而正常軸之間電機(jī)速度差值小于0.1 km/h。

圖5 聯(lián)軸節(jié)故障情況下同車4臺(tái)牽引電機(jī)電流(加速工況)

圖6 聯(lián)軸節(jié)故障情況下同車4臺(tái)牽引電機(jī)速度(加速工況)

圖7、圖8分別為減速工況聯(lián)軸節(jié)故障情況下4臺(tái)牽引電機(jī)的電流和電機(jī)速度。由圖7可知，各軸牽引電機(jī)電流較為相近，無明顯區(qū)別。由圖8可知，3軸牽引電機(jī)速度周期性地偏離其他軸的電機(jī)速度，最大差值為1.3 km/h，而正常軸之間電機(jī)速度差值小于0.1 km/h。

圖7 聯(lián)軸節(jié)故障情況下同車4臺(tái)牽引電機(jī)電流(減速工況)

圖8 聯(lián)軸節(jié)故障情況下同車4臺(tái)牽引電機(jī)速度(減速工況)

綜合分析各類工況，由于2軸半嚙合聯(lián)軸節(jié)還能保持機(jī)械傳動(dòng)，3軸聯(lián)軸節(jié)不能傳遞動(dòng)力，因此在各類工況下，2軸牽引電機(jī)速度與正常軸都保持一致，而3軸聯(lián)軸節(jié)對(duì)應(yīng)的牽引電機(jī)速度卻出現(xiàn)較大偏移，偏移量遠(yuǎn)超過正常軸之間的差距，因此可以通過牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速偏移來實(shí)現(xiàn)無嚙合聯(lián)軸節(jié)的故障診斷。

對(duì)比各類工況下的牽引電機(jī)電流則需考慮牽引電機(jī)功率和變流器控制策略。由于2軸半嚙合聯(lián)軸節(jié)還能保持傳動(dòng)，因此牽引電機(jī)輸出功率都是正常的，表現(xiàn)出牽引電機(jī)電流正常。而3軸無嚙合聯(lián)軸節(jié)因失去傳動(dòng)，3軸負(fù)載幾乎為零，因此3軸牽引電機(jī)電流出現(xiàn)異常。加速和勻速工況下，牽引電機(jī)需輸出功率，因此這兩類工況下電流異常比較明顯，而減速工況下牽引電機(jī)不輸出功率，電流異常不明顯。由于3軸和4軸同屬一個(gè)變流器控制單元，基于變流器恒功率輸出原理，在故障模式下，如2臺(tái)牽引電機(jī)出現(xiàn)負(fù)荷不均，將導(dǎo)致負(fù)荷重新分配，會(huì)產(chǎn)生顯著的電流變化。電流有效值最大的軸比電流有效值最小的軸的電流將超出10%以上。正常工況下各軸電流有效值差異均在5%以內(nèi)，故各軸牽引電機(jī)電流有效值最大和最小相差的百分比可作為故障評(píng)判的主要指標(biāo)。如果不同軸牽引電機(jī)電流有效值差異達(dá)到10%以上，則該車有很大可能出現(xiàn)某軸或某幾軸聯(lián)軸節(jié)故障，應(yīng)再通過其他方法進(jìn)行精確定位。

可進(jìn)一步通過牽引電機(jī)邏輯控制分析聯(lián)軸節(jié)故障時(shí)的異常特征。牽引系統(tǒng)根據(jù)司控臺(tái)指令、轉(zhuǎn)速等信息，計(jì)算出所需轉(zhuǎn)矩指令。該轉(zhuǎn)矩指令經(jīng)過黏著控制等進(jìn)一步優(yōu)化，并修正為輸出轉(zhuǎn)矩，輸出轉(zhuǎn)矩是控制系統(tǒng)要求電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩。即在牽引工況下，若牽引變流器檢測(cè)黏著相同，牽引變流器輸出的轉(zhuǎn)矩相同，牽引電機(jī)牽引數(shù)據(jù)應(yīng)保持高度的一致性，在輪軌打滑或者聯(lián)軸節(jié)失效狀態(tài)下，黏著會(huì)根據(jù)輪軌黏著狀態(tài)進(jìn)行力矩調(diào)節(jié)，控制系統(tǒng)根據(jù)該值進(jìn)行牽引電機(jī)電流控制。

從牽引電機(jī)電流控制流程可知，當(dāng)車輛出現(xiàn)轉(zhuǎn)速異常(聯(lián)軸節(jié)異常引起)后，由于黏著的介入，牽引電機(jī)實(shí)際力矩會(huì)發(fā)生變化(空轉(zhuǎn)一般會(huì)進(jìn)行卸力，即力矩減小)，從而導(dǎo)致牽引電機(jī)電流的變化。黏著控制軟件主要是通過檢測(cè)速度、加/減速度、蠕滑速度判斷各軸空轉(zhuǎn)/滑行情況，并以此為依據(jù)進(jìn)行控制計(jì)算調(diào)整輸出轉(zhuǎn)矩，具體流程如圖9所示。

圖9 動(dòng)車組牽引電機(jī)電流控制機(jī)理圖

因此，在聯(lián)軸節(jié)失效狀態(tài)時(shí)，該傳動(dòng)系統(tǒng)的牽引電機(jī)-聯(lián)軸節(jié)-齒輪箱-輪對(duì)傳動(dòng)鏈路被中斷，牽引電機(jī)傳動(dòng)無法通過齒輪箱將動(dòng)力傳輸至輪對(duì)系統(tǒng)，即故障牽引電機(jī)的負(fù)載遠(yuǎn)小于其他牽引電機(jī)的負(fù)載。因此，在啟動(dòng)和勻速過程中，故障聯(lián)軸節(jié)對(duì)應(yīng)牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速相對(duì)于其他軸會(huì)明顯偏高且轉(zhuǎn)速變化率高于其他正常軸，此時(shí)黏著會(huì)進(jìn)行力矩調(diào)節(jié)，但是由于該軸負(fù)載丟失，在降低力矩后，基本無法恢復(fù)正常黏著狀態(tài)，因此黏著會(huì)連續(xù)對(duì)力矩進(jìn)行調(diào)節(jié)，整個(gè)調(diào)節(jié)過程持續(xù)到轉(zhuǎn)速不再發(fā)生快速變化或牽引力撤銷。因此在加速、勻速過程中，故障聯(lián)軸節(jié)對(duì)應(yīng)牽引電機(jī)速度較高，電流較低；而減速過程牽引電機(jī)不輸出功率，因此牽引電機(jī)電流較為一致。

3 結(jié)論

本文通過聯(lián)軸節(jié)故障模擬試驗(yàn)，采集了加速、勻速、減速等不同工況下的牽引電機(jī)電流、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，通過分析發(fā)現(xiàn)：

(1) 半嚙合聯(lián)軸節(jié)無明顯故障特征；

(2) 加速、勻速、減速各工況下，無嚙合聯(lián)軸節(jié)對(duì)應(yīng)牽引電機(jī)速度與正常聯(lián)軸節(jié)偏差較為顯著；

(3) 加速、勻速工況下，無嚙合聯(lián)軸節(jié)對(duì)應(yīng)牽引電機(jī)電流與正常聯(lián)軸節(jié)偏差較為顯著，制動(dòng)工況無明顯故障特征。

因此，可以通過判斷牽引電機(jī)電流和電機(jī)速度的方法實(shí)現(xiàn)無嚙合聯(lián)軸節(jié)的故障診斷，半嚙合聯(lián)軸節(jié)規(guī)律不明顯時(shí)，考慮結(jié)合其他故障診斷方式綜合判斷。相關(guān)理論分析也有力支撐了上述試驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論。本研究對(duì)聯(lián)軸節(jié)故障診斷和列車安全運(yùn)營(yíng)具有重要的意義。