許艷華 黃貴發(fā) 唐德堯

(1.北京市地鐵運營有限公司 北京 100044;2.北京唐智科技發(fā)展有限公司 北京 100097)

城軌車輛走行部的機械故障關(guān)系到列車運行安全，常規(guī)手段的日常檢查無法準(zhǔn)確掌握走行部的狀態(tài)，維修效率更難以提高。城軌車輛走行部車載故障診斷系統(tǒng)，采用了自主創(chuàng)新的廣義共振與共振解調(diào)的機械設(shè)備故障診斷技術(shù)，能自動診斷車輛走行部軸承、傳動齒輪、車輪踏面等關(guān)鍵部件的早期故障，并在線實時發(fā)出預(yù)警信息，準(zhǔn)確指導(dǎo)車輛的運用和走行部的狀態(tài)檢修。該系統(tǒng)在北京地鐵獲得了成功應(yīng)用，對于提高走行部檢修效率和實現(xiàn)軌道交通運營主動安全保障具有重要意義［1］。

1 走行部故障分析

城軌車輛走行部的機械故障主要發(fā)生在軸承(含軸箱、齒輪箱和牽引電機軸承)、傳動齒輪、車輪踏面等處，在缺乏有效的在線自動診斷技術(shù)之前，即使依靠人工耳聽目視進(jìn)行大量的普查，投入大量的人力物力進(jìn)行高密度的“死看死守”式的計劃性維修和預(yù)防性維修，也難以避免故障的發(fā)生，而且一旦發(fā)生故障就會危及行車安全。例如，圖1所示的軸箱軸承故障就對車輛的安全運行帶來了極大的威脅。

圖1 軸箱軸承故障

另外，由于車輛設(shè)計或材質(zhì)缺陷等原因?qū)е碌淖咝胁抗收喜粫r出現(xiàn)于運營車輛上，而此時不在預(yù)定修程中，短期內(nèi)又不能全部在修程外安排大量的停修時間予以更換，都會使運營管理部門陷入既要保證正常運營又無法確保走行部安全的窘境。

例如，北京地鐵2號線2008年投入運營的新車曾經(jīng)出現(xiàn)齒輪箱軸承保持架破損的系列故障，如圖2所示。為此，北京地鐵不得不在3年內(nèi)先后對齒輪箱軸承進(jìn)行了兩次大批量的改型、更換和維修，并且在此過程中投入了大量的人力、物力和財力，進(jìn)行了普查并安排了臨修。這樣做，既降低了車輛出庫率，延長了車輛維修庫停時間，又無法完全保障安全，實際上仍然存在著隱患。

圖2 齒輪箱軸承故障

以上例子說明，走行部故障的存在是無法回避的客觀事實。設(shè)計者雖然考慮到了應(yīng)力集中、線路存在波磨或不平順導(dǎo)致車輛運行振動大等因素，但車輛制造過程中的質(zhì)量和工藝難以控制，還有地鐵車輛頻繁啟動和停車等工況及其他因素，都是造成故障發(fā)生的原因。由于多數(shù)列車不能因為走行部存在故障而放棄運營，這就迫切需要高效、精確的車載在線監(jiān)測和故障自動診斷設(shè)備，具備早期的故障預(yù)警和嚴(yán)重故障分級報警功能，在掌握走行部故障狀態(tài)的前提下實現(xiàn)車輛的狀態(tài)修，既保證安全又保證車輛出勤和運營效率。

下面介紹北京地鐵的JK10450型城軌車輛走行部車載故障診斷系統(tǒng)(簡稱“JK10450系統(tǒng)”)。該系統(tǒng)在國內(nèi)率先引進(jìn)鐵路領(lǐng)域成熟應(yīng)用的廣義共振與共振解調(diào)技術(shù)，通過針對性的開發(fā)和應(yīng)用加以實現(xiàn)，為保障城軌車輛走行部的安全運行和實現(xiàn)狀態(tài)檢修奠定了基礎(chǔ)。

2 車載故障診斷系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

JK10450系統(tǒng)由前端信號采集和傳輸設(shè)備、信號處理和診斷分析設(shè)備、系統(tǒng)管理和信息輸出設(shè)備以及地面數(shù)據(jù)分析管理設(shè)備組成［2-4］，其組成如圖3所示。

前端信號采集和傳輸設(shè)備包含了復(fù)合傳感器、雙坐標(biāo)傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器以及前置處理器，并嵌入了信號調(diào)理軟件、傳感器管理軟件和數(shù)字模擬混合總線控制軟件，負(fù)責(zé)采集走行部的振動、沖擊、溫度信息和輪對轉(zhuǎn)速信息，經(jīng)模擬數(shù)字混合總線來實現(xiàn)抗干擾遠(yuǎn)傳。

從總線傳輸來走行部的相關(guān)信息，先進(jìn)入到信號處理和診斷分析設(shè)備，再由信號濾波模塊、共振解調(diào)模塊、跟蹤采樣模塊和數(shù)據(jù)采集控制軟件對信號進(jìn)行變換處理和采樣，隨后進(jìn)入嵌入式診斷計算機，由在線自動診斷專家系統(tǒng)軟件進(jìn)行分析診斷，并通過系統(tǒng)管理及信息輸出設(shè)備，將診斷結(jié)論信息輸出到車載和地面的人機界面。同時，可通過外置擴展的無線以太網(wǎng)或?qū)Ｓ玫南螺d接口，將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛?，由集成了地面故障診斷專家系統(tǒng)軟件、地面數(shù)據(jù)管理軟件和運用維修管理軟件的地面數(shù)據(jù)分析管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)精密分析診斷、歷史趨勢分析，并輸出運用和維修指導(dǎo)信息，用來科學(xué)指導(dǎo)車輛走行部的運用和狀態(tài)維修。

圖3 JK10450走行部車載故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 技術(shù)特點

2.2.1 采用廣義共振與共振解調(diào)技術(shù)

“共振”是人們耳熟能詳?shù)奈锢韺W(xué)術(shù)語。經(jīng)典物理學(xué)所說的“共振”，是指在“作用力的頻率與物體的固有頻率相同”時發(fā)生的持久過程，是指機械振動的幅度達(dá)到和接近最大值時的狀態(tài)。人們將包括外部作用的激勵接入時機械振動建立、達(dá)到最大值和激勵斷開時機械從振幅最大值衰減的全過程稱為“廣義共振”［5］，這是一切事物不可避免的內(nèi)在規(guī)律。微小的機械沖擊也能激起系統(tǒng)產(chǎn)生廣義共振現(xiàn)象，因此可以利用這種現(xiàn)象來幫助識別機械設(shè)備的微小故障。

共振解調(diào)技術(shù)是一種用于檢測機械設(shè)備故障的信號變換技術(shù)，與其他常規(guī)振動檢測技術(shù)相比，特別適合檢測機械設(shè)備因早期故障所產(chǎn)生的沖擊信息。利用共振解調(diào)技術(shù)處理振動沖擊信號，可達(dá)到剔除常規(guī)振動和提取故障沖擊的目的［5-6］。

機械故障具有如下所述的一般性發(fā)展規(guī)律:無論是環(huán)境、材質(zhì)、裝配工藝還是載荷等原因引起的故障，在最初階段，一定是在某些部件的局部產(chǎn)生周期性的、短促的應(yīng)力集中現(xiàn)象。應(yīng)力集中的頻繁發(fā)生最終會導(dǎo)致這部分材質(zhì)發(fā)生疲勞，隨后產(chǎn)生諸如點蝕、剝離、裂紋、斷裂、破碎等較為明顯的故障。不管是在應(yīng)力集中階段、材質(zhì)疲勞階段還是在部件出現(xiàn)破損后，都會有相應(yīng)的力或振動發(fā)生。因此，在故障發(fā)生的初期、早期、中期和晚期，實際上都會體現(xiàn)出相應(yīng)的特征信號。

然而，當(dāng)振動監(jiān)測數(shù)據(jù)中存在憑借人眼都能發(fā)現(xiàn)的故障端倪時，傳統(tǒng)振動檢測手段的若干分析診斷算法卻無法判斷出來。具體原因是:設(shè)備在運轉(zhuǎn)過程中，本身就存在著大量幅度很大卻并無害處的常規(guī)振動信息，掩蓋了故障沖擊信息。有人試圖找到新的信號處理算法，在振動監(jiān)測數(shù)據(jù)中提取出故障信息。例如，采用峭度算法，試圖從振動信號斜率的變化中發(fā)現(xiàn)故障信息，但收效不大。

圖4為共振解調(diào)技術(shù)與常規(guī)振動檢測技術(shù)的對比，將傳感器輸出的、具有機械故障的振動沖擊信號，用帶有廣義共振機制的振動、沖擊、溫度復(fù)合傳感器接收，其振動和沖擊廣義共振信息經(jīng)過電子變換技術(shù)處理，剔除其他機械振動或干擾，解調(diào)出傳感器信號中存在的、由機械故障沖擊激發(fā)的廣義共振信號，從而實現(xiàn)在車輛強烈的機械振動干擾和電磁干擾中微弱故障信息的提取。

共振解調(diào)技術(shù)的優(yōu)越性:有可能在故障還沒有導(dǎo)致宏觀破損時就能發(fā)現(xiàn)異常的應(yīng)力集中現(xiàn)象，這使得偵測到故障的時間大大提前，為故障早期預(yù)警和設(shè)備性能評估提供了有效的技術(shù)手段，而這是振動檢測技術(shù)無法實現(xiàn)的。

2.2.2 具備完整的故障診斷方法論體系

圖4 共振解調(diào)技術(shù)與振動檢測技術(shù)對比

城軌車輛走行部關(guān)鍵部件的故障診斷，主要體現(xiàn)在如何對信息去偽存真，確定是否存在故障，以及發(fā)生故障的零件(如軸承內(nèi)外環(huán)、滾動體等)、部件(如軸承、齒輪、車輪)的損壞程度和最小安全門限。

基于廣義共振和共振解調(diào)的旋轉(zhuǎn)機械故障診斷理論，包括依據(jù)機械的結(jié)構(gòu)幾何學(xué)及運動學(xué)規(guī)律而建立的診斷軸承、齒輪、踏面等故障的一系列數(shù)學(xué)模型，可從定量和定性兩個角度對故障進(jìn)行確定性的精密診斷。該理論還包括多因素、多參數(shù)的聯(lián)合診斷決策，基于模糊數(shù)學(xué)、數(shù)值分析和統(tǒng)計學(xué)的多參量相關(guān)加權(quán)決策，多個同類故障的歸類診斷準(zhǔn)則，信號定常性準(zhǔn)則，規(guī)則抽取準(zhǔn)則和不規(guī)則抽取準(zhǔn)則［5］等。

故障沖擊信息提取技術(shù)結(jié)合故障診斷理論體系及其軟件實現(xiàn)，使得JK10450系統(tǒng)相對于其他技術(shù)來說具有應(yīng)用上的明顯優(yōu)勢，表1列出了診斷覆蓋部件和故障模式的對比。

表1 不同診斷技術(shù)所覆蓋的故障部件和故障模式比較

2.2.3 車載實時診斷和地面趨勢分析相結(jié)合指導(dǎo)運用和維修

JK10450系統(tǒng)安裝在運營車輛上，實現(xiàn)實時監(jiān)測和自動診斷，共振解調(diào)技術(shù)的比例性使得系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確反映故障沖擊量值的大小，進(jìn)而反映故障的危害程度并實現(xiàn)分級報警，以便指導(dǎo)車輛運用，可確保走行部運營安全。數(shù)學(xué)和邏輯推理模型實現(xiàn)了故障診斷方法論體系的程序化、自動化和主動化，即裝即用，行車途中可自動輸出診斷結(jié)論，無需學(xué)習(xí)也無需人工參與，同時實現(xiàn)精確診斷，準(zhǔn)確識別軸承保持架碰外環(huán)、保持架碰內(nèi)環(huán)、外環(huán)滾道、內(nèi)環(huán)滾道、滾子、傳動齒輪和車輪踏面的故障，節(jié)約維修成本。共振解調(diào)技術(shù)敏感早期故障信息的特性，使得系統(tǒng)能夠發(fā)現(xiàn)早期故障并提前預(yù)警，以便指導(dǎo)狀態(tài)維修。表2列出了JK10450系統(tǒng)相對于純粹溫度監(jiān)測技術(shù)和常規(guī)振動監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)勢。

表2 JK10450系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢

3 應(yīng)用效果

JK10450系統(tǒng)已在北京地鐵的多條線路實現(xiàn)列裝，并隨著列車的交付運營逐步投入使用。

迄今為止，投入使用的JK10450系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)了40多起走行部軸承、齒輪、踏面等的機械故障，并得到拆解驗證。結(jié)果表明，系統(tǒng)診斷準(zhǔn)確，為走行部的狀態(tài)檢修提供了幫助。

以下用幾個典型的軸承故障案例來進(jìn)行分析［2，7］。

3.1 分級報警對于車輛運用和維修的指導(dǎo)

某車在正線載客運營，車載故障診斷系統(tǒng)自動發(fā)出某車3軸齒輪箱小軸軸承保持架“二級報警”信息，車輛按規(guī)程退出運營、回庫檢查，發(fā)現(xiàn)齒輪箱潤滑油發(fā)黑，小軸定位間隙偏大，車載監(jiān)測數(shù)據(jù)在地面系統(tǒng)的回放分析如圖5所示。隨后進(jìn)行分解檢查，發(fā)現(xiàn)了3軸傳動端軸承保持架破碎，如圖6所示。車載故障診斷系統(tǒng)具有分級報警功能，使得該故障得到了及時處理，保障了運營安全。

圖5 某車3軸小軸軸承二級報警詳細(xì)分析譜圖

圖6 某車3軸小軸軸承二級報警故障分解

另一個同類案例，某車在正線載客運營，車載故障診斷系統(tǒng)自動發(fā)出某車1軸齒輪箱小軸軸承保持架“一級報警”，車輛回庫后檢查齒輪箱潤滑油正常，但車載監(jiān)測數(shù)據(jù)在地面系統(tǒng)的回放分析表明，該軸承存在典型的保持架碰外環(huán)故障譜線(如圖7所示)，并且故障沖擊量級達(dá)到54.3 dB，已經(jīng)超過一級報警的標(biāo)準(zhǔn)，按規(guī)程扣車分解檢查，發(fā)現(xiàn)小軸軸承保持架已有3處斷裂，但還未失去對滾子的約束，如圖8所示。

圖7 某車1軸小軸軸承一級報警詳細(xì)分析譜圖

以上兩個案例鮮明地體現(xiàn)了JK10450系統(tǒng)故障早期預(yù)警和分級報警功能的優(yōu)越性，對于不同程度的故障給出不同級別的報警，準(zhǔn)確指導(dǎo)車輛的運用和走行部的狀態(tài)維修。

3.2 準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)并不產(chǎn)生溫升的軸承故障

車載故障診斷系統(tǒng)發(fā)出某車2軸軸承外環(huán)故障二級報警，但此時系統(tǒng)并未發(fā)出軸承超溫或溫升報警，按規(guī)程退出運營，下載數(shù)據(jù)在地面系統(tǒng)的回放分析如圖9所示。可見，外環(huán)故障譜線清晰，故障沖擊量值達(dá)到70 dB，已超過二級報警標(biāo)準(zhǔn)，但此時軸承并無明顯溫升，其溫度曲線與其他軸相同位置幾乎重合。隨后的扣車分解檢查發(fā)現(xiàn)了軸承外環(huán)故障(如圖10所示)，說明軸承故障并不一定會伴隨著溫升。

圖8 某車1軸小軸軸承一級報警故障分解

4 結(jié)語

在JK10450城軌車輛走行部車載故障系統(tǒng)中，首次將廣義共振和共振解調(diào)的機械設(shè)備故障診斷技術(shù)應(yīng)用于在線安全監(jiān)測和故障診斷，并進(jìn)行了應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新;針對城軌車輛的運營特點，制定了分級診斷標(biāo)準(zhǔn)，為走行部運營安全和狀態(tài)維修提供了有效的技術(shù)手段，填補了地鐵行業(yè)的空白。

北京地鐵針對該系統(tǒng)制定了運用維修指導(dǎo)規(guī)范，保證系統(tǒng)較好地發(fā)揮作用，能及早地發(fā)現(xiàn)走行部可能釀成事故的機械故障，并合理安排維修，保障車輛安全、正點運行，避免引發(fā)車輛安全事故而造成乘客重大人身和財產(chǎn)損失，避免打亂運行秩序，從而提高城市軌道交通的服務(wù)水平和質(zhì)量。

［1］北京市地鐵運營有限公司，北京唐智科技發(fā)展有限公司.地鐵車輛走行部故障診斷與安全監(jiān)測系統(tǒng)項目驗收資料:工作報告［R］.北京，2011:6-8.

［2］北京市地鐵運營有限公司，北京唐智科技發(fā)展有限公司.地鐵車輛走行部故障診斷與安全監(jiān)測系統(tǒng)項目驗收資料:技術(shù)研究報告［R］.北京，2011:6-8.

［3］Q/HDTZ F001—2010地鐵車輛走行部車載故障診斷系統(tǒng)［S］.北京:北京唐智科技發(fā)展有限公司，2010:1-10.

［4］唐德堯，黃貴發(fā)，等，一種軌道交通車輛走行部及鋼軌故障車載在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)［G］.北京，2009:2-13.

［5］唐德堯.廣義共振、共振解調(diào)故障診斷與安全工程:鐵路篇［M］.北京:中國鐵道出版社，2006:37-114.

［6］唐德堯.軸承齒輪故障的在線診斷［R］.北京:航空工業(yè)部第608研究所，1986:1-39.

［7］唐德堯，李輝，宋辛琿，等.識別軸承保持架故障的共振解調(diào)外孤譜診斷技術(shù)［J］.中國設(shè)備工程，2009(10):34-36.