淺談共振解調(diào)技術(shù)在鐵道機(jī)車走行部故障診斷的應(yīng)用

文/王敬

走行部作為機(jī)車的機(jī)械部分，承擔(dān)著承重、導(dǎo)向、傳力、緩沖的作用，在列車運(yùn)行過程中，機(jī)車走行部可能出現(xiàn)齒輪斷裂、軸承故障、輪對(duì)擦傷等故障，嚴(yán)重影響鐵道機(jī)車的安全平穩(wěn)運(yùn)行，機(jī)車走行部在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的振動(dòng)信號(hào)，而故障會(huì)通過各種振動(dòng)展現(xiàn)表現(xiàn)出來，并且反應(yīng)出走行部故障的嚴(yán)重程度，通過振動(dòng)信號(hào)去判斷分析機(jī)車走行部是否故障并作出決策是保證機(jī)車安全運(yùn)行的重要方式，本文根據(jù)共振解調(diào)技術(shù)對(duì)機(jī)車走行部進(jìn)行故障診斷分析，并給出解決措施，從而確保機(jī)車走行部運(yùn)行平穩(wěn)與安全。

1.概述

鐵道機(jī)車走行部承擔(dān)著支撐車體并沿鋼軌走行的關(guān)鍵作用，直接決定列車的運(yùn)行安全。機(jī)車走行部主要由構(gòu)架、輪對(duì)軸箱裝置、彈性懸掛裝置、牽引裝置、制動(dòng)裝置、附屬裝置等部件組成[1]。其中構(gòu)架是機(jī)車轉(zhuǎn)向架的安裝基礎(chǔ)，同時(shí)承受、傳遞車體與軌道間的作用力，主要由牽引梁、后梁、側(cè)梁、中梁組成。輪對(duì)軸箱裝置由車輪、車軸、軸箱裝置組成，其中車輪是車輛最終受力配件，它把機(jī)車的載荷傳給鋼軌，并在鋼軌上轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)車在鋼軌上的走行，其性能的好壞，直接影響行車安全。軸箱裝置用來安裝輪對(duì)并與構(gòu)架連接在一起，用來傳遞機(jī)車的垂向力，實(shí)現(xiàn)列車的直線運(yùn)動(dòng)。彈性懸掛裝置分別安裝在軸箱裝置與構(gòu)架之間（一系懸掛）和構(gòu)架與車體之間（二系懸掛），用于緩和并減少車輛行駛時(shí)的振動(dòng)和沖擊，提高機(jī)車運(yùn)行的平穩(wěn)性和舒適性。綜上所述，機(jī)車走行部是由各功能不同的關(guān)鍵部件組合而成的整體，而各個(gè)部件的運(yùn)用狀態(tài)的是否良好直接關(guān)乎機(jī)車的運(yùn)用安全。由于機(jī)車走行部在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的振動(dòng)信號(hào)，因此利用共振解調(diào)技術(shù)，研究機(jī)車走行部的各部件運(yùn)行狀態(tài)與故障診斷信號(hào)之間的聯(lián)系，通過車載檢測(cè)裝置地面數(shù)據(jù)分析管理軟件對(duì)機(jī)車各關(guān)鍵振動(dòng)部件進(jìn)行影像分析和研判，監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)并對(duì)故障進(jìn)行報(bào)警，以達(dá)到實(shí)時(shí)掌握機(jī)車走行部運(yùn)行狀態(tài)，從而有效降低機(jī)車走行部機(jī)械故障帶來的運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)[1]。本文詳細(xì)介紹了共振解調(diào)技術(shù)的原理，并將技術(shù)運(yùn)用于機(jī)車走行部故障檢測(cè)中，根據(jù)預(yù)警級(jí)別給出決策依據(jù)，確保機(jī)車運(yùn)行安全。

2.問題提出

目前，機(jī)車乘務(wù)員出乘前，需要利用檢點(diǎn)錘對(duì)機(jī)車走行部進(jìn)行檢查，對(duì)于14mm以上的緊固螺栓、一系圓簧裝置以及容易發(fā)生斷裂的部件，利用檢查錘對(duì)零部件進(jìn)行敲擊，通過發(fā)出的聲音或者依靠錘柄振動(dòng)大小的經(jīng)驗(yàn)感覺來判斷螺栓是否緊固或部件是否有斷紋，對(duì)于一些較細(xì)的管子和卡子、14mm及其以下的螺栓、螺釘則依靠錘觸來判斷[2]。通過錘擊和錘觸的檢查方法，確保機(jī)車走行部的運(yùn)用狀態(tài)，以此作為機(jī)車是否具備出庫(kù)的依據(jù)。但是細(xì)微的裂紋、故障難以直接通過以上方法依靠經(jīng)驗(yàn)直接判斷，可能導(dǎo)致機(jī)車在線路上高速運(yùn)行發(fā)生較為嚴(yán)重的事故。因此，如何加強(qiáng)對(duì)機(jī)車走行部關(guān)鍵部件的實(shí)時(shí)故障診斷，科學(xué)指導(dǎo)機(jī)車乘務(wù)員途運(yùn)行中發(fā)生故障后提供決策依據(jù)及機(jī)車回庫(kù)后對(duì)故障部件進(jìn)行精準(zhǔn)檢修是有待研究的問題。

3.共振解調(diào)的原理及特征

機(jī)械部件在載荷的反復(fù)作用下，會(huì)出現(xiàn)比較復(fù)雜的振動(dòng)，不管是轉(zhuǎn)子不平衡或機(jī)械的振動(dòng)信號(hào)都有不同的沖擊信息，而旋轉(zhuǎn)的機(jī)械設(shè)備故障產(chǎn)生的沖擊是較為集中的沖擊脈沖，這種沖擊脈沖較多是幅值小、寬度窄的信號(hào)，這些信號(hào)受干擾導(dǎo)致不能準(zhǔn)確捕捉，因此不能直接提取故障信息。通過在檢測(cè)裝置中設(shè)置一個(gè)高頻振動(dòng)與之相互作用產(chǎn)生共振現(xiàn)象，使頻譜出現(xiàn)較高的幅值，利用帶通濾波器將低頻信號(hào)濾除，得到含有故障的高頻共振固有信號(hào)，運(yùn)用包絡(luò)信號(hào)解調(diào)法除去干擾或者沒用的信號(hào)，把得到的包絡(luò)信號(hào)通過傅里葉變換獲取頻譜，結(jié)合走行部關(guān)鍵部件的故障頻率與計(jì)算得到的頻譜進(jìn)行比對(duì)分析，從而判斷出走行部的故障類型和故障位置。借助共振解調(diào)僅對(duì)異常沖擊選擇性、共振現(xiàn)象信號(hào)放大波及軸承等故障體現(xiàn)出對(duì)應(yīng)性、放大性、比例性、低頻性、多階性等物理特性，通過共振解調(diào)波就能精確識(shí)別軸承運(yùn)轉(zhuǎn)異常、齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)異常、焊接軌道接頭（墊片）的強(qiáng)力沖擊等，并且能夠消除“干擾信號(hào)”，通過車載檢測(cè)裝置地面數(shù)據(jù)分析管理軟件進(jìn)行影響分析，構(gòu)建一套數(shù)據(jù)圖表，以量和質(zhì)兩個(gè)維度對(duì)設(shè)備進(jìn)行故障定性，從而提供檢修決策。

4.機(jī)車走行部常見故障類型

由于機(jī)車走行部在設(shè)計(jì)上結(jié)構(gòu)和作用基本相同，根據(jù)從事現(xiàn)場(chǎng)多年鐵道機(jī)車駕駛的經(jīng)驗(yàn)來分析，常見機(jī)車走行部故障包括輪對(duì)踏面故障、軸承故障、傳動(dòng)齒輪故障等類型。下面對(duì)幾種常見故障現(xiàn)象進(jìn)行判斷及運(yùn)行中機(jī)車乘務(wù)員的應(yīng)急辦法進(jìn)行闡述。

4.1輪對(duì)踏面故障。輪對(duì)作為機(jī)車走行部的最終受力部件，承受著來自機(jī)車的垂向載荷與鋼軌接觸產(chǎn)生的雙重沖擊，因此車輪故障常見的故障表現(xiàn)形式是擦傷和剝離。出現(xiàn)輪對(duì)故障后，會(huì)出現(xiàn)走行部有異音，產(chǎn)生非正常振動(dòng)，從而打傷鋼軌，導(dǎo)致行車事故。

4.2軸箱軸承故障。機(jī)車走行部采用滾動(dòng)軸承，可以降低車輛起動(dòng)阻力和運(yùn)行阻力，改善走行部工作條件，降低運(yùn)行成本。而軸承故障后會(huì)出現(xiàn)軸箱變色、生煙，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致軸承固死，直接影響行車安全，機(jī)車乘務(wù)員常用的判斷方法是停車后根據(jù)手背觸摸部件的持續(xù)停留時(shí)間去判斷部件溫度。

4.3傳動(dòng)齒輪故障。機(jī)車的動(dòng)力產(chǎn)生是利用牽引電機(jī)，通過齒輪傳遞到車軸，從而使輪對(duì)旋轉(zhuǎn)，因此傳動(dòng)齒輪直接關(guān)乎列車的運(yùn)行安全，傳動(dòng)齒輪發(fā)生故障后，會(huì)出現(xiàn)異音、抖動(dòng)現(xiàn)象，因此，需要機(jī)車乘務(wù)員獨(dú)立去判斷是否有故障。

5.共振解調(diào)技術(shù)的運(yùn)用

5.1 JK00430型機(jī)車走行部監(jiān)測(cè)裝置。機(jī)車在出庫(kù)前或者在運(yùn)行過程中，往往是根據(jù)機(jī)車乘務(wù)員自身經(jīng)驗(yàn)去檢查判斷機(jī)車走行部是否存在故障或者是對(duì)已經(jīng)發(fā)生的故障進(jìn)行研判處置，具有很強(qiáng)的專業(yè)性，并且是出現(xiàn)故障后才能發(fā)現(xiàn)，難以通過細(xì)微故障進(jìn)行提前干預(yù)，不利于行車安全。因此，北京唐智公司開發(fā)的JK00430走行部監(jiān)測(cè)裝置，利用共振解調(diào)技術(shù)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的特性，研究共振解調(diào)波及其頻譜，判斷機(jī)械旋轉(zhuǎn)設(shè)備是否產(chǎn)生非正常振動(dòng)沖擊，從而精準(zhǔn)識(shí)別故障。

5.1.1信號(hào)采集。確保精準(zhǔn)對(duì)走行部故障進(jìn)行分析，必須對(duì)故障進(jìn)行精密診斷，需要利用復(fù)合傳感器，復(fù)合傳感器集成了多個(gè)物理量檢測(cè)單元，可以對(duì)溫度和振動(dòng)進(jìn)行循環(huán)采集。溫度敏感器件是美國(guó)公司生產(chǎn)，檢測(cè)溫度在-55～125℃，誤差較小，在設(shè)備運(yùn)行溫度的檢測(cè)范圍內(nèi)。振動(dòng)檢測(cè)采用振動(dòng)傳感器，故障沖擊檢測(cè)范圍為100-10000SV，靈敏度為1uA/10SV，能檢測(cè)到微小振動(dòng)。檢測(cè)傳感器安裝在密封的金屬圓柱體內(nèi)，通過M 12的螺栓體安裝在檢測(cè)孔內(nèi)，實(shí)現(xiàn)信息的傳輸。

5.1.2故障監(jiān)測(cè)及處置。JK00430將共振解調(diào)波和頻譜利用包絡(luò)信號(hào)對(duì)其進(jìn)行分析，對(duì)達(dá)到相應(yīng)的警示級(jí)別進(jìn)行故障警報(bào)，通過預(yù)警對(duì)機(jī)車乘務(wù)人員或者檢修人員提供決策建議。（1）一級(jí)報(bào)警。在運(yùn)行過程中，針對(duì)出現(xiàn)軸承、齒輪、踏面的沖擊故障達(dá)到一級(jí)報(bào)警標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，在車載顯示屏上有報(bào)警信息顯示，機(jī)車乘務(wù)員發(fā)現(xiàn)后，可按照規(guī)定速度繼續(xù)運(yùn)行，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，觀察是否有報(bào)警升級(jí)，回段后，不需要提票處理。（2）二級(jí)報(bào)警。二級(jí)報(bào)警屬于嚴(yán)重的在線警告，針對(duì)齒輪、踏面、軸承的在線振動(dòng)達(dá)到二級(jí)報(bào)警的標(biāo)準(zhǔn)或者軸承溫度（超溫、溫升）達(dá)到或者超過設(shè)定的規(guī)定值，進(jìn)行在線二級(jí)報(bào)警。①踏面二級(jí)報(bào)警。出現(xiàn)踏面二級(jí)報(bào)警時(shí)，觀察振動(dòng)現(xiàn)象是否加劇，由于踏面的擦傷、剝離、異物以及凹陷等影響因素，會(huì)加劇輪對(duì)與鋼軌間的非正常接觸，因此在線運(yùn)行時(shí)，機(jī)車乘務(wù)員需要時(shí)刻注意報(bào)警信息，掌握?qǐng)?bào)警位置，待停車后對(duì)報(bào)警位置進(jìn)行檢查。②齒輪二級(jí)報(bào)警。在正常運(yùn)行過程中，出現(xiàn)齒輪二級(jí)報(bào)警時(shí)，需要及時(shí)確認(rèn)是否存在異音異狀，確認(rèn)后維持運(yùn)行，回庫(kù)提票處理。在檢修決策時(shí)，應(yīng)該對(duì)對(duì)應(yīng)的報(bào)警點(diǎn)位結(jié)合車載檢測(cè)裝置軟件進(jìn)行重點(diǎn)分析檢查。③軸承二級(jí)報(bào)警。行車過程中出現(xiàn)軸承二級(jí)報(bào)警時(shí)，說明軸承此時(shí)出現(xiàn)較為嚴(yán)重的沖擊振動(dòng)，機(jī)車乘務(wù)員應(yīng)立即進(jìn)行后部瞭望，確認(rèn)是否出現(xiàn)異音異味，并立即匯報(bào)前方站請(qǐng)求停車，停車后對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行溫度及狀態(tài)檢查，如無異狀，回段處理，若出現(xiàn)持續(xù)報(bào)警且判斷不能繼續(xù)運(yùn)行，應(yīng)立即請(qǐng)求救援。回段后應(yīng)下載分析數(shù)據(jù)，結(jié)合之前報(bào)警的次數(shù)分析報(bào)警軸位的共振解調(diào)波，通過其曲線的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，判斷軸承的內(nèi)外環(huán)、滾動(dòng)體的狀態(tài)，并對(duì)軸承進(jìn)行解體檢修，發(fā)現(xiàn)故障及時(shí)更換。因此，JK00430通過振動(dòng)沖擊以及所產(chǎn)生的溫度，以共振解調(diào)技術(shù)為理論基礎(chǔ),重構(gòu)診斷軸承、齒輪、輪對(duì)踏面等故障的頻譜數(shù)據(jù)模型，動(dòng)態(tài)監(jiān)控和記錄機(jī)車走行部關(guān)鍵部件的運(yùn)用狀態(tài)，并根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提前診斷早期故障并消除故障，確保機(jī)車走行部的運(yùn)行安全。

5.1.3測(cè)點(diǎn)位置。JK00430裝置的檢測(cè)點(diǎn)代號(hào)是用軸號(hào)和位號(hào)組成的兩位數(shù)表示，其中十位數(shù)代表走行部的軸號(hào)，個(gè)位數(shù)表示位號(hào)，位號(hào)的設(shè)置是以齒輪箱為測(cè)1位，一根軸上設(shè)置了5個(gè)或者6個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，對(duì)于雙邊齒輪傳動(dòng)的機(jī)車，以I端為參考，行車方向左邊為測(cè)點(diǎn)1位，以此類推。位號(hào)為“0”代表環(huán)境溫度檢測(cè)點(diǎn)。對(duì)于采用電機(jī)半懸掛的機(jī)車每根軸設(shè)置6個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)代號(hào)代表不同位置，如圖2所示[4]。

圖2 電機(jī)半懸掛車軸測(cè)點(diǎn)位置

6.結(jié)語

通過共振解調(diào)技術(shù)在JK00430裝置上的應(yīng)用，結(jié)合車載檢測(cè)裝置的地面數(shù)據(jù)分析和管理軟件，提前發(fā)現(xiàn)故障信息并給出故障報(bào)警，不斷結(jié)合實(shí)踐基礎(chǔ)，逐步形成了一套實(shí)用的故障案例。一種可行的分析方法，借助對(duì)列車運(yùn)行狀態(tài)的檢測(cè)、故障報(bào)警診斷，以及發(fā)現(xiàn)設(shè)備的故障規(guī)律和常見問題，從而準(zhǔn)確診斷故障，進(jìn)一步提升維修作業(yè)點(diǎn)的效率。參照結(jié)合故障報(bào)警的類型和故障等級(jí)，標(biāo)準(zhǔn)化、科學(xué)地做到機(jī)車運(yùn)行部分故障預(yù)警與維修決策的有機(jī)結(jié)合，進(jìn)一步提升機(jī)車運(yùn)行安全性。C

引用出處

[1]張成新.和諧機(jī)車走行部關(guān)鍵部件故障診斷技術(shù)研究[D].中國(guó)鐵道科學(xué)研究院,2021.

[2]閆永革.機(jī)車乘務(wù)員通用知識(shí)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2001.

[3]杜宗照,賀慧玲,周麗霞.加強(qiáng)機(jī)車走行部監(jiān)測(cè)裝置的運(yùn)用管理確保重載提速機(jī)車運(yùn)用安全[C]//.第十屆中國(guó)科協(xié)年會(huì)論文集（一）.,2008:724-730.

[4]劉暢，楊翠青.列車行車安全裝置操作與故障處理[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2015.2