走行部车载故障诊断系统在深圳地铁的应用

谢述武

（深圳地铁运营总部车辆中心）

摘　要：本文介绍了走行部车载故障诊断系统的组成及监测原理，并通过在深圳地铁的应用，实现了走行部的状态监测，故障诊断，运用评估，为车辆的检修和维护提供了便利。

关键词：走行部；状态监测；故障诊断

随着城市的发展，城轨车辆已成为重要的公共交通工具。城轨车辆运行区间短，车辆启动、加速、减速和制动频繁的特点， 使得城轨车辆机械运转时的动态载荷变化范围与频度变大。而走行部故障对于城轨车辆的运营安全尤为重要。虽然城轨车辆基本上每天被安排回库检修，但仅凭常规检查和日常检修手段对于轴承内部故障、车轮踏面等问题很难提前和及时发现。因此，深圳地铁从2016年开始在深圳1、5、11号线上应用走行部车载故障诊断系统。通过长期运用跟踪，能实时有效地对走行部的轴箱轴承状态、电机轴承状态、齿轮箱轴承及齿轮状态、车轮踏面进行状态监测与故障诊断，为车辆走行部关键部件的检修和维护提供了便利。

1　走行部车载故障诊断系统组成及监测原理

走行部车载故障针对系统主要有复合传感器、前置处理器、车辆分机、列车主机等组成，结构组成如图1所示。

复合传感器安装在轴箱体、电机、小齿轮箱上，实现温度、振动、冲击等多个物理量的检测、处理和传输；前置处理器安装在转向架上，动车2个/转向架，拖车1个/转向架，管理本转向架各测点的传感器，实现振动、冲击模拟通道切换以及温度、模拟信号总线方式传输；每节车一个车辆分机，实现本车前置处理器管理、信号采集、数据存储和故障诊断，同时与列车主机交互通信；每列车1台列车主机，实现车载系统集中管理，包括：接收转速信号并判别、管理协同车辆分机、显示诊断和报警、数据集中储存和下载、系统更新及维护等。

图1 走行部车载故障诊新系统组成示意图

走行部车载故障诊断系统主要采用我国专利技术“一种机械故障冲击的共振解调检测方法”、“同类、有序动信息（组）群中各信息源时域样本的跟踪采集”、“变速运转机械故障诊断的转速跟踪采样及固化谱号分析方法”。基于上述三种专利技术，实施转速跟踪采样与振动、冲击信号的滤波处理，目的是提取微弱的走行部故障冲击信息，对其进行非周期信息的周期变换，固化理论抽象谱，Z终实现监测对象的早期预警、分级报警、精确诊断。

2　系统应用情况

深圳地铁首先结合车辆架大修，在深圳1、5号线既有车加装了走行部车载故障诊断系统，针对架大修后的走行部的状态监测，深入研究车辆走行部运行状态，指导车辆运营及维修。

另外，考虑到深圳11号线为深圳首条120km/h车辆的线路，为了研究车辆在120km/h车速下的运行状态，也引入了走行部车载故障诊断系统，实现对走行部关键的状态评估，进而实现车辆的状态维修。

2.1 轴箱轴承状态监测情况

走行部车载故障诊断系统实时采集数据，通过冲击样本分析、冲击趋势分析及温度趋势分析实现对轴承状态的综合判定。

系统通过对图谱进行分析，轴承类故障信息其时域波形成细窄梳状脉冲，每个脉冲等距，且在频谱图上，故障谱与外环理论谱对应。并通过对历史趋势分析，判断出故障历史发生发展状态，指导运用维修。

图2 轴示外环故障特征冲击样本图谱

温度信息的监测是保障列车安全的Z后一道屏障，走行部车载故障诊断系统的温度信息分为2级处理，在前置处理器，MCU的常规方式分为5s对所接所有传感器温度信息以常规精度读取一次。

图3 轴承外环做障特征冲击趋势

必要时，走行部车载故障诊断系统将启用箱密测温模式。在车辆分机每次和前置处理器通信时，车辆分机以前置处理器为单位获取前置处理器及其所属传感器温度信息，从而实现温度信息的并行快速采集。

图4 温度趋势图谱

2.2 电机轴承状态监测

深圳地铁电机轴承在近几年频繁出现各类问题：西门子电机滚珠电蚀问题、轴承过热卡死问题等。为实时掌握电机在运营过程的状态，应用走行部车载故障诊断系统对电机轴承进行了跟踪、监测，分析其在运营过程中的健康状态。

系统依据机械的结构几何学及运动学规律，共振解调、转速跟踪诊断技术建立了诊断滚动轴承故障的经典数学模型，可从定量和定性两个角度对故障进行确定性的精密诊断。

2013年，通过走行部车载故障诊断系统对西门子的牵引电机轴承进行故障监测，发现电机轴承存在故障信息，如图5所示；对故障轴承的现场拆解发现轴承保持架存在故障，如图6所示。

图5 是行部车能故隐诗新系统提示输示荐在故障信息

图6 故障轴示现场拆解跟踪

深圳11号线2016年6月开通运营，走行部车载故障诊断系统监测发现电机普遍存在电机轴承的早期故障信息，以1116车为例，该车多个电机存在早期保持架故障冲击信息，通过对这些故障轴承进行机理分析电机轴承传动端存在缺油问题；如图7所示。

图7 走行部车载故障诊断系统提示该轴承存在保持架故障信息

针对深圳1116车电机缺油状况，深圳地铁对故障电机进行注油，注油后通过数据反映故障信息明显减弱，注油前后对比如表1所示：

表1 注油前后保持架故障信息对比情况

2.3 齿轮箱状态监测

齿轮箱监测包含小齿轮箱轴承、齿轮的监测，小齿轮箱轴承的监测，其原理、谱线与轴箱轴承的监测相同。

分析全国各城市地铁，齿轮故障时有发生，齿轮故障显示特征主要有以下几种：

①在一个小齿轮转动周期中有多次冲击，意味着有不止一个齿发生故障冲击。

②如果只有单个齿故障，则冲击波在一个齿轮周期的时城波形中脉冲占空比很窄，频域将具有丰富的多阶谱特征。高速时冲击比低速时宽，在相同牵引力下，高速时的冲击值（初级诊断值）也会明显增大。

③由于多故障同时存在，时域冲击脉冲在齿轮周期中的脉冲占空比比较宽，呈现多簇冲击；由此导致频域高阶谱线不鲜明。

下图为典型的单齿裂纹故障及齿轮多处故障的图谱。

比较以上故障的图谱可知：齿轮存在单个齿的（如裂纹）故障时，在齿轮周期采样点内会出现一簇定位性很好且尖锐陡峭的冲击波，频域谱线突出且高阶丰富；齿轮多处故障时，在齿轮周期采样点内有多簇冲击，且高阶不如单齿（裂纹）故障丰富。

图8 单齿裂纹故障，时城被形占空比小，颠谱高阶谱丰富

图9 齿轮多处故障，时城被形占空比大，频谱高阶谱减少

齿轮在运转过程中，当发生故障的齿与相邻齿啮合时会产生冲击，齿轮所在轴每转一周都会在故障处产生这样的冲击，该冲击被走行部车载故障诊断系统接收。走行部车载故障诊断系统通过自动诊断分析，输出齿轮报警。对于单个齿的故障，齿轮所在轴转一周产生一次冲击，而在齿轮存在多处故障时，转轴一周会产生多次的冲击。所以，当齿轮多处故障时，会在齿轮周期中出现多簇的冲击脉冲。

2.4 车轮踏面状态监测

车轮踏面故障一般包括踏面擦伤、踏面剥离和车轮失圆等情况，深圳地铁在运营过程中，经常出现车轮失圆及擦伤剥离故障特征，其中车轮失圆多表现为圆跳动过高，而车轮失圆将导致车辆运行过程中与钢轨产生有规律的周期性撞击声，不仅造成轮轨异常振动和冲击，引起轮轨关系恶化，还影响乘坐舒适性。为此，深圳地铁应用走行部车载故障诊断系统针对振动、冲击两个物理量对踏面进行综合诊断，分析车轮失圆的发展趋势，指导车轮链修。

走行部车载故障诊断系统通过对存在失圆的车轮振动图谱分析，其数据样本中的冲击图谱表现为车轮每转动十圈的踏面冲击状态，当车轮出现圆跳动特征后，车轮每转一圈将会产?一簇冲击信号，其引发共振解调波形将具有周期重复性，数据样本中冲击图谱将呈现十簇间隔均等的冲击信号。通过这种理论方式，可判断车轮存在失圆的故障特征。

以深圳1号线112车为例，2016年11月份走行部车载故障诊断系统发现1124车1轴右侧存在踏面失圆故障特征信息，并持续跟踪，系统于2017年2月建议对该位置进行镀修，监测情况如图10所示。

根据现场跟踪1124车1轴右侧的链修，发现该位置圆跳动达0.91mm，严重超标，如图11所示。

图10 1124车1轴右侧的冲击图谱

3　结束语

通过走行部车载故障监测系统的应用，及时监测车辆走行部的状态，对隐患位置的挖掘和及时维修，减少损伤的累积，改善车辆走行部运行状态，减少行车事故障的发生具有重要意义。

（来源：高速铁路与轨道交通专享版，2017年6月）