高速列車轉(zhuǎn)向架振動特性分析

顏秀珍　何發(fā)勝

關(guān)鍵詞： 數(shù)據(jù)采集和診斷系統(tǒng) 高速列車 特性分析 轉(zhuǎn)向架

中圖分類號： U453 文獻標識碼： A 文章編號： 1672-3791（2023）15-0076-04

安全是軌道交通在發(fā)展過程中時刻要謹記的第一要義。如何兼顧安全性與高速化、智能化與經(jīng)濟性，是軌道交通發(fā)展中的永恒課題。目前，國內(nèi)外的主流檢修方式是定期檢修，即按一定的時間（或里程）對列車進行規(guī)定的不同程度的檢修（以先到為準）。以CRH380A 為例，一共分為一級修、二級修、三級修、四級修和五級修共5 種不同程度的檢修。其中：一級修的間隔為里程達5 000±500 km 或時間達48 h；二級修的間隔為3 萬km 或30 d；三級修的間隔為60 萬km 或1.5 年；四級修的間隔為120 萬km 或3 年；五級修的間隔為240 萬km 或6 年。一方面，這種檢修方式容易管理，容易操作，對員工的要求也不高；另一方面，由于其發(fā)生在零部件未發(fā)生故障的階段，所以經(jīng)濟性較差，容易造成場地、人員和資源浪費。

在列車上的某些位置安裝傳感器，對列車進行實時監(jiān)控，可以及時發(fā)現(xiàn)運行中的故障，不僅可以提高列車運行的安全性，減少運行中的突發(fā)安全事故，還可以對現(xiàn)有的定期修提出一定的優(yōu)化建議。對原始振動數(shù)據(jù)進行深入有效挖掘，還可以找到零部件的退化規(guī)律，進一步指導(dǎo)列車的設(shè)計和生產(chǎn)。因此，此監(jiān)測方法在軌道交通現(xiàn)場和科研領(lǐng)域均有廣泛的適用性。

1 研究意義

軌道交通正朝著高速、智能化和輕量化發(fā)展，各種新材料和智能技術(shù)的出現(xiàn)，使高速列車設(shè)備越來越智能。為保證列車運行的安全性，每隔一段時間或運行一段里程就要對列車進行一定程度的檢修。目前，國內(nèi)外的檢修方式主要是以計劃修為主，即在列車發(fā)生故障前就對其進行檢修，這種檢修方式容易實現(xiàn)，對技術(shù)的要求低，可以很好地保障列車的安全運行。由于這種檢修是零部件未發(fā)生故障時的定期日常檢修，勢必會造成很大的人力資源和場地浪費。除此之外，由于線路狀況、零部件自身性能差異與實際運行時長的不同，有些零部件狀態(tài)還很好就被檢修換下，也就造成了很大的設(shè)備浪費。由于以上因素，國內(nèi)外一直在研究一種更科學(xué)、更合理的檢修方式——狀態(tài)修。這種檢修方式基于對零部件的實時監(jiān)測，能及時發(fā)現(xiàn)零部件的病變過程，在其影響列車安全運行前就將其更換，具有更大的靈活性和經(jīng)濟性，但同時也對檢修基地和監(jiān)測手段提出了更高的要求。

列車上有成千上萬個零部件，不同的零部件安裝位置不同、功能不同，重要程度也各不相同。列車上最應(yīng)該注意的是能夠直接影響行車安全的零部件。

車體下的轉(zhuǎn)向架在列車行車安全中起到非常重要的作用，尤其是齒輪箱、電機、軸箱等關(guān)鍵部件，其狀態(tài)是否良好直接決定行車是否安全。而齒輪箱、電機、軸箱等關(guān)鍵部件的振動加速度可以很好地表征其自身的狀態(tài)，因此，在不影響行車安全的前提下，通過在轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵部件上安裝振動傳感器，獲取部件的振動數(shù)據(jù)，可以很好地實現(xiàn)對其狀態(tài)的監(jiān)測。通過對海量的振動數(shù)據(jù)進行特征分析和數(shù)據(jù)處理，挖掘其隱藏的退化規(guī)律，從而實現(xiàn)對列車的安全評估。

目前，國內(nèi)外大部分針對轉(zhuǎn)向架的狀態(tài)評估都是在仿真軟件上進行，如ANSYS 和SIMPACK。這種評估方法容易實現(xiàn)，但是無法很好地模擬線路的實際路況和轉(zhuǎn)向架各個零部件的真實運行情況和各自影響關(guān)系，導(dǎo)致最好的模擬結(jié)果在實際現(xiàn)場并無多大用處。在此情況下，基于車載振動數(shù)據(jù)進行高速列車轉(zhuǎn)向架的安全評估，并進一步反演識別，進行高速列車的實時故障診斷，具有非常重要的現(xiàn)實意義。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

隨著軌道交通在世界范圍內(nèi)的快速發(fā)展，高速列車服役過程的安全評估、故障診斷、行車安全監(jiān)測和列車PHM 等安全相關(guān)的研究引起了各國的廣泛重視。特別是進入21 世紀，隨著高速列車運行速度的不斷提高，國內(nèi)外高鐵廠商、科研人員及學(xué)者進行了很多關(guān)于列車安全性的模擬仿真、試驗和分析研究。在高速列車運行里程最長、高鐵發(fā)展速度最快的我國和世界上第一條高速鐵路所在地的日本，都有各種安全保障體系來保障列車的行車安全，包括線路監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)、自然災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)、行車監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)、高速列車修程修制、防脫軌和耐碰撞技術(shù)[1-2]，以上這些安全保障體系可以對列車行車中的各種故障進行數(shù)據(jù)采集、分析、報警，以保障行車安全[3]。

目前，主流的監(jiān)測方法是在關(guān)鍵部位上安裝振動傳感器，實時采集、傳輸列車在正常運營過程中的振動數(shù)據(jù)、速度數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)和加速度數(shù)據(jù)等[4]。傳感器源源不斷地采集列車運行數(shù)據(jù)，基于此，進行數(shù)據(jù)分析，特征提取，挖掘隱含在海量數(shù)據(jù)中的有用信息，從而分析出列車目前的安全狀態(tài)。但是，此類安全監(jiān)測系統(tǒng)仍存在自成一體的問題[5]，且監(jiān)測對象僅包括軸箱等重點零部件，未能實現(xiàn)全方位、360 度監(jiān)測，包括對檢測數(shù)據(jù)的特征提取的準確度等問題。

我國在保障列車的行車安全上做了很多工作。從大的方面來說，我國的安全保障體系分成3 個部分：（1）既有線上鐵道車輛的安全保障體系；（2）高速動車組安全保障體系；（3）城軌交通安全保障體系。

既有線上的保障體系主要包括地對車安全保障體系、車對車安全保障體系、行車人員安全保障體系、自然災(zāi)害報警體系、行車安全救急等部分組成。城軌車輛的安全保障體系指的是地鐵在運行全過程中的實時保障。高速動車組的安全保障體系主要包括：（1）列車網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)測系統(tǒng)，通過TCN 列車通信網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過MVB、WTB 將傳感器等采集的信息匯總到司機室，并進行處理分析、顯示、報警；（2）動車組行車安全監(jiān)控系統(tǒng)、重要裝備傷損安全監(jiān)測與報警系統(tǒng)、信號、調(diào)車安全保障系統(tǒng)、針對地面，線路、隧道的行車安全保障系統(tǒng)，還有自然災(zāi)害監(jiān)測與報警系統(tǒng)，應(yīng)急故障處理系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)可以實時監(jiān)測列車的安全狀態(tài)，預(yù)警危險情況，并實時報警；（3）針對修程修制的質(zhì)量保障系統(tǒng)。這些安全體系的建立，確保了列車的安全運營，為我國鐵路事業(yè)的發(fā)展提供了基本保障。然而，還是存在一些可以繼續(xù)改進提高的地方。例如：現(xiàn)存的保障手段很少是針對列車上關(guān)鍵零部件的在線實時監(jiān)測，無法做到隨時了解、分析和評估高速列車的運行狀態(tài)，地對車的安全監(jiān)測設(shè)備數(shù)量有限等問題。

總體來說，目前國內(nèi)外針對列車行車安全數(shù)據(jù)的分析還比較零散，且無系統(tǒng)性、通用型的處理方法和技術(shù)。同時，許多工作在電腦軟件上通過虛擬仿真完成，實際運用中發(fā)現(xiàn)對實際行車幾乎無指導(dǎo)意義。實際上，利用大數(shù)據(jù)分析方法，對海量數(shù)據(jù)進行分析處理，在此基礎(chǔ)上完成的數(shù)據(jù)分析才有真實意義[6]。

3 研究方法

3.1 研究目標和內(nèi)容

本研究的主要工作是基于車載檢測數(shù)據(jù)，對高速列車轉(zhuǎn)向架進行安全評估和故障診斷。

擬選取一列CRH1A 型動車組和一列CRH1A-A 型動車組作為跟蹤試驗動車組（以下簡稱跟蹤動車組），在跟蹤動車組軸箱、齒輪箱和牽引電機上加裝振動、溫度一體式傳感器，車廂內(nèi)加裝數(shù)據(jù)采集和診斷系統(tǒng)。

擬通過采集跟蹤動車組在運行工況下，重軸承、輪對、齒輪箱和牽引電機的車載振動數(shù)據(jù)、靜態(tài)檢測數(shù)據(jù)、檢修數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)，基于信號分析和數(shù)據(jù)驅(qū)動算法，分析轉(zhuǎn)向架不同部件間振動加速度的相互關(guān)系。

擬通過采集動車組在運行工況下，軸承、齒輪箱和牽引電機溫度數(shù)據(jù)，研究列車在不同工況、線路條件、環(huán)境溫度下的溫度趨勢變化曲線，預(yù)期建立基于LSTM模型的溫度預(yù)測算法，提出與部件實際運用工況匹配的溫度報警閾值和報警策略。

3.2 試驗方案

擬在車廂內(nèi)加裝數(shù)據(jù)采集和診斷系統(tǒng)，系統(tǒng)的車載檢測處理部件主要是由車載主機、前置處理器和各種傳感器組成。各檢測處理部件主要安裝在車下設(shè)備艙與各部件的檢測點上，具體的安裝方案如下。頭車Mc 的主機與1 號轉(zhuǎn)向架的前置處理器，安裝在頭車底架的設(shè)備艙中，2 號轉(zhuǎn)向架的前置處理器安裝在轉(zhuǎn)向架二位端的端部設(shè)備艙中。另外，因為餐車的端部設(shè)備艙已放沙箱，所以餐車上的主機和前置處理器都安裝在車下設(shè)備艙內(nèi)。除此以外，其余所有車輛的車載主機與前置處理器均安裝在本節(jié)車車底架的端部設(shè)備艙內(nèi)。為固定主機，安裝時采用專用安裝支架。同時，1 號轉(zhuǎn)向架與2 號轉(zhuǎn)向架的前置處理器分別安裝在一位端與二位端底架端部設(shè)備艙中。主機只需安裝在其中一個設(shè)備艙中，具體安裝位置需根據(jù)車輛設(shè)備艙內(nèi)布置進行確定。

項目轉(zhuǎn)向架在線監(jiān)測系統(tǒng)拓撲及具體裝車方案如圖1、圖2、圖3 所示。

該系統(tǒng)為單獨系統(tǒng)，不接入動車組已有的系統(tǒng)，不會影響列車的正常運行。各個設(shè)備分別安裝在1～8 號車上，并且各個車輛自成小系統(tǒng)，車輛之間不增加跨接電纜，需要給各個車輛提供單獨的轉(zhuǎn)速信號。

除了車載主機和處理器，系統(tǒng)里還有起到數(shù)據(jù)檢測的傳感器，傳感器均分布在轉(zhuǎn)向架的監(jiān)測點上。其中動車上1 號和2 號轉(zhuǎn)向架上各有8 個軸箱復(fù)合傳感器、2 個齒輪箱復(fù)合傳感器、2 個電機復(fù)合傳感器，除此以外，還有個三向加速度振動傳感器。另外，1 號轉(zhuǎn)向架上還有1 個軸端速度傳感器，2 號轉(zhuǎn)向架沒有。

拖車上的傳感器數(shù)量比動車數(shù)量少很多，其每節(jié)車廂傳感器的分布情況為：車廂上各有2 個轉(zhuǎn)向架，每個轉(zhuǎn)向架各有8 個軸箱復(fù)合傳感器和1 個三向加速度振動傳感器。除此以外，1 號轉(zhuǎn)向架還有個軸端速度傳感器。

每個轉(zhuǎn)向架配置一個前置處理器，一個失穩(wěn)三向加速度振動傳感器。

每節(jié)車廂需安裝的設(shè)備類型、數(shù)量和位置匯總?cè)绫? 所示。

4 結(jié)語

本文試圖在對現(xiàn)有轉(zhuǎn)向架振動特性研究現(xiàn)狀進行分析總結(jié)的基礎(chǔ)上，歸納、總結(jié)，試圖提出更適合高速列車的振動特性分析方案和系統(tǒng)布局方法，希望能在不影響列車正常運行的基礎(chǔ)上找到一種更優(yōu)的方案。在后續(xù)進一步的研究中，可以基于此方案獲取的檢測數(shù)據(jù)對其進行數(shù)據(jù)分析、特征提取，從而進一步找到轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件的退化規(guī)律，進一步對現(xiàn)有檢修制度提出相應(yīng)的優(yōu)化建議。