張志波，張振先，馮永華，董 威，梁海嘯，王 旭

(中車青島四方機車車輛股份有限公司 技術(shù)中心，山東 青島 266111)

轉(zhuǎn)向架是高速動車組的重要組成部分，轉(zhuǎn)向架故障所引起的部件功能失效、部件脫落等嚴重危及行車安全，因此，需構(gòu)建轉(zhuǎn)向架故障診斷系統(tǒng)，實時監(jiān)測轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件狀態(tài)，并據(jù)此對轉(zhuǎn)向架安全狀態(tài)進行綜合評估。高速動車組轉(zhuǎn)向架綜合智能檢測技術(shù)是在此基礎(chǔ)上，充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及地面數(shù)據(jù)中心強大的數(shù)據(jù)處理能力，實現(xiàn)車載安全監(jiān)測系統(tǒng)和地面遠程監(jiān)控系統(tǒng)的車地一體檢測，對可能出現(xiàn)的故障進行診斷、預(yù)警和預(yù)測，可避免發(fā)生影響車輛運行安全的重大問題，提高車輛運行安全性。

1 故障診斷

高速動車組轉(zhuǎn)向架綜合智能檢測技術(shù)是充分利用故障診斷與健康管理(PHM)技術(shù)，采用多種故障診斷方法，包括閾值法、機理模型法、數(shù)據(jù)驅(qū)動法等，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向架綜合故障診斷。故障預(yù)測與健康管理 (PHM)技術(shù)，通過傳感器拾取系統(tǒng)的狀態(tài)實時信息，采用智能算法進行系統(tǒng)狀態(tài)分析、故障診斷及預(yù)測，并提出維修維護建議，支持使用者進行決策[1-2]。PHM 技術(shù)主要關(guān)注系統(tǒng)的狀態(tài)感知、數(shù)據(jù)分析、健康狀況監(jiān)控、故障頻發(fā)位置與時間、故障發(fā)生與演化預(yù)測，至少應(yīng)該實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)監(jiān)測、健康評估、故障預(yù)測、決策支持六方面的功能。

故障診斷主要包含故障檢測、故障類型判斷、故障定位及故障恢復(fù)等。其中故障檢測是指與系統(tǒng)建立連接后，周期性地向主機發(fā)送數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)分析，與閾值比較以判斷系統(tǒng)是否產(chǎn)生故障；故障類型判斷就是系統(tǒng)在檢測出故障之后，通過分析原因判斷出系統(tǒng)的故障類型；故障定位是在前兩步的基礎(chǔ)之上細化故障種類，診斷出系統(tǒng)具體故障部位和故障原因，為故障恢復(fù)做準備；故障恢復(fù)是整個故障診斷過程中的最終步驟，也是最重要的一個環(huán)節(jié)，需要根據(jù)故障原因采取不同的措施，對系統(tǒng)故障進行恢復(fù)。目前故障診斷的方式有3種，分別為基于解析模型的故障診斷、基于信號處理的故障診斷和基于知識的故障診斷。

1.1 基于解析模型的故障診斷

基于解析模型的故障診斷方法主要是通過構(gòu)造觀測器估計系統(tǒng)輸出，然后將其與真實系統(tǒng)輸出的測量值作比較從中取得故障信息。該方法還可進一步分為基于狀態(tài)估計和基于參數(shù)估計的方法，前者從真實系統(tǒng)的輸出與狀態(tài)觀測器或者卡爾曼濾波器的輸出比較形成殘差，然后從殘差中提取故障特征進而實行故障診斷；后者由機理分析確定系統(tǒng)的模型參數(shù)和物理元器件之間的關(guān)系方程，由實時辨識求得系統(tǒng)的實際模型參數(shù)，然后求解實際的物理元器件參數(shù)，與標稱值比較而確定系統(tǒng)是否發(fā)生故障及故障程度?；诮馕瞿Ｐ偷墓收显\斷方法都要求建立系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型，但隨著現(xiàn)代設(shè)備的不斷大型化、復(fù)雜化和非線性化，往往很難或者無法建立系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型，從而大大限制了該方法的推廣和應(yīng)用。

1.2 基于信號處理的故障診斷

基于信號處理的故障診斷方法是一種傳統(tǒng)的故障診斷技術(shù)，通常利用信號模型(如相關(guān)函數(shù)、頻譜、自回歸滑動平均、小波變換等)直接分析可測信號，提取諸如方差、幅值、頻率等特征值，以識別和評價機械設(shè)備所處的狀態(tài)。該方法又分為基于可測值或其變化趨勢值檢查和基于可測信號處理的故障診斷方法等。前一種方法根據(jù)系統(tǒng)的直接可測的輸入輸出信號及其變化趨勢來進行故障診斷，當(dāng)系統(tǒng)的輸入輸出信號或者變化超出允許的范圍時，即認為系統(tǒng)發(fā)生了故障，可根據(jù)異常的信號來判定故障的性質(zhì)和發(fā)生的部位；后一種方法利用系統(tǒng)的輸出信號狀態(tài)與一定故障源之間的相關(guān)性來判定和定位故障，具體有頻譜分析方法等。

1.3 基于知識的故障診斷

對于一個結(jié)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)，當(dāng)其運行過程發(fā)生故障時，人們?nèi)菀撰@得的往往是一些涉及故障征兆的描述性知識以及各故障源與故障征兆之間關(guān)聯(lián)性的知識?；谥R的故障診斷方法是利用這些知識，通過符號推理進行故障診斷。盡管這些知識大多是定性的而非定量的，但對準確分析故障能起到重要的作用。經(jīng)驗豐富的專家就是使用長期積累起來的這類經(jīng)驗知識快速直接對系統(tǒng)故障診斷?；谥R的故障診斷是目前研究和應(yīng)用的熱點，國內(nèi)外學(xué)者提出了很多方法。由于領(lǐng)域?qū)＜以诨谥R的故障診斷中扮演重要角色，因此基于知識的故障診斷系統(tǒng)又稱為故障診斷專家系統(tǒng)。

2 轉(zhuǎn)向架車載安全監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

車載PHM系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，用于感知從零部件級到子系統(tǒng)級及整車級不同層次的狀態(tài)信息，完成實時數(shù)據(jù)融合、清洗、特征提取及存儲等工作。車載系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)處理后的狀態(tài)特征對列車狀態(tài)進行預(yù)處理，包括故障診斷、健康評估和智能決策，并通過車地數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將狀態(tài)特征和預(yù)處理結(jié)果反饋到地面PHM系統(tǒng)[3]。

高速動車組轉(zhuǎn)向架車載安全監(jiān)測系統(tǒng)包括實時軸溫檢測系統(tǒng)、失穩(wěn)檢測系統(tǒng)和振動溫度檢測系統(tǒng)，可實現(xiàn)軸承狀態(tài)監(jiān)測、列車運行穩(wěn)定性監(jiān)測及輪軌狀態(tài)監(jiān)測。圖1為高速動車組轉(zhuǎn)向架車載安全監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)圖。根據(jù)高速動車組轉(zhuǎn)向架主要部件故障失效機理及試驗研究，采用可靠性分析方法識別列車運營過程中轉(zhuǎn)向架故障的主要失效形式。本文采用測點配置方案及相應(yīng)的檢測方法，分別在軸箱、齒輪箱及電機上設(shè)置振動溫度復(fù)合傳感器，在構(gòu)架上加裝振動傳感器。

圖1 高速動車組轉(zhuǎn)向架車載安全監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 軸承狀態(tài)監(jiān)測

針對軸承故障發(fā)展的不同階段，實施的軸承狀態(tài)監(jiān)測有溫度監(jiān)測、油液分析、振動監(jiān)測及聲學(xué)監(jiān)測等。目前主要實施溫度監(jiān)測及振動監(jiān)測。

2.2.1 溫度監(jiān)測

對軸承溫度進行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)分析、邏輯診斷，實現(xiàn)基于溫度監(jiān)測下的車輛旋轉(zhuǎn)部件軸承的運用狀態(tài)實時監(jiān)控。采用基于規(guī)則的故障診斷專家系統(tǒng)，其診斷方法是根據(jù)以往專家診斷的經(jīng)驗，將其歸納成規(guī)則，通過專家經(jīng)驗知識制定的規(guī)則進行故障診斷。產(chǎn)生式規(guī)則的基本形式為：if(條件),then(結(jié)論)。例如溫度高于140 ℃，則診斷結(jié)論為軸承出現(xiàn)異常。理論上，只要規(guī)則能制定得足夠細致、足夠準確，規(guī)則推理能實現(xiàn)高精度的故障定位。 如圖2(a)為溫度故障診斷流程，圖2(b)為故障樣本和正常樣本的溫度曲線，可以看出故障時的溫度明顯區(qū)別于正常樣本，提取溫度特征與閾值比較，進行故障識別，實現(xiàn)基于絕對溫度、溫差及溫度變化梯度的軸溫綜合監(jiān)測。

圖2 轉(zhuǎn)向架溫度故障診斷

2.2.2 振動監(jiān)測

當(dāng)滾動軸承出現(xiàn)局部損傷時，在運轉(zhuǎn)中軸承的其他零件會周期性地撞擊損傷點，產(chǎn)生沖擊力激勵軸箱及其支撐結(jié)構(gòu)形成一系列減幅振蕩，減幅振蕩發(fā)生的頻率稱為故障特征頻率，由軸的轉(zhuǎn)速、軸承幾何尺寸及損傷點的位置(外圈、內(nèi)圈、滾動體、保持架)確定，根據(jù)故障特征頻率可以判定軸承是否出現(xiàn)故障并確定故障位置，根據(jù)故障特征頻率下的振動能量大小(幅值)可以判斷軸承損傷的嚴重程度。

滾動軸承在運轉(zhuǎn)中，除典型故障所引起的振動沖擊外，還受到輪軌間的正常振動沖擊以及傳感器零漂和抖動引起的干擾。這些非故障振動沖擊和噪聲信號的能量往往比典型故障所引起的振動信號能量大得多。因而對于動車組來說，旋轉(zhuǎn)機械故障診斷的關(guān)鍵是如何在雜亂的信號中，準確挖掘出故障的本征信息。

選取故障軸承開展臺架驗證試驗，采用信息采集、濾波處理、共振解調(diào)、包絡(luò)分析、故障頻率識別及嚴重程度評價等方法，實現(xiàn)軸承故障的診斷，試驗結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看到明顯的故障頻率特征及倍頻，據(jù)此可有效識別故障位置及故障程度。

圖3 軸承故障診斷試驗結(jié)果

2.3 穩(wěn)定性監(jiān)測

動車組轉(zhuǎn)向架的橫向穩(wěn)定性是指車輛以較高的速度在平直線路上運行時，某一振型的振幅隨著時間的延續(xù)而不斷地擴大而出現(xiàn)蛇行運動失穩(wěn)的情況。在線實時監(jiān)測其失穩(wěn)是保障高速動車組安全運行的手段之一。橫向穩(wěn)定性監(jiān)測采用基于信號處理的故障診斷方法。當(dāng)系統(tǒng)的輸出信號變化超出允許的范圍時，即認為系統(tǒng)發(fā)生了故障，根據(jù)異常的信號來判定故障的性質(zhì)和發(fā)生的部位。圖4為轉(zhuǎn)向架橫向穩(wěn)定性診斷流程圖。

圖4 轉(zhuǎn)向架橫向穩(wěn)定性診斷流程

根據(jù)GB/T 5599—2019 《機車車輛動力學(xué)性能評定及試驗鑒定規(guī)范》規(guī)定的橫向穩(wěn)定性評定方法，對軸箱上方構(gòu)架振動加速度進行實時連續(xù)采樣，橫向穩(wěn)定性在最高試驗速度范圍內(nèi)進行評定。采用0.5～10 Hz頻率范圍進行帶通濾波，加速度峰值在連續(xù)6次以上達到或超過8 m/s2時，則判定轉(zhuǎn)向架橫向失穩(wěn)。列車在線運營時，檢測主機實時進行計算，當(dāng)出現(xiàn)失穩(wěn)諧波特征并達到報警條件時觸發(fā)報警，此時列車會自動限速，報出失穩(wěn)警報，保證車輛的運行安全。

構(gòu)架橫向加速度的特征值可作為轉(zhuǎn)向架橫向穩(wěn)定性的實時評價指標。圖5(a)所示為某高速動車組的實測構(gòu)架濾波后的橫向加速度數(shù)據(jù)時域圖形，圖5(b)為構(gòu)架橫向加速度特征值，可以看出特征值可以有效反映出橫向穩(wěn)定性特征。

圖5 高速動車組轉(zhuǎn)向架蛇行失穩(wěn)特征識別

2.4 輪軌狀態(tài)監(jiān)測

2.4.1 車輪多邊形監(jiān)測

列車高速運營過程中，因車輪多邊形會引起列車和軌道關(guān)鍵零部件疲勞斷裂，不僅增加了鐵路運輸成本，還對列車行車安全構(gòu)成了威脅[6]。車輪多邊形會產(chǎn)生周期性激勵，時域波形顯示軸箱振動水平增加，且頻域中存在明顯多邊形的通過頻率。通過對軸箱振動數(shù)據(jù)進行濾波降噪、傅里葉變換、頻率自動捕捉、階次跟蹤等操作，可實現(xiàn)動車組服役過程中車輪多邊形的在線實時故障診斷。當(dāng)存在車輪多邊形時，診斷邏輯自動捕捉車輪多邊形的頻率特征，并識別其幅值水平，進行車輪多邊形的定性分析及定量評價。

2.4.2 鋼軌波磨監(jiān)測

波磨是指鋼軌沿縱向表面出現(xiàn)的周期性的類似波浪形狀的一種不平順現(xiàn)象[6]。波磨的出現(xiàn)使機車車輛和軌道產(chǎn)生劇烈振動，鋼軌表面的不平順引起輪軌作用力的急劇增大，從而縮短了軌道和機車車輛相關(guān)部件的使用壽命[6]。本文采用一種基于多維數(shù)據(jù)的診斷方法來識別鋼軌波磨。通過在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備獲得各測點各時間點的振動數(shù)據(jù)，通過信號處理從各測點各時間點的振動數(shù)據(jù)中提取敏感參數(shù)，當(dāng)不同測點的敏感參數(shù)在相同時間段內(nèi)都發(fā)生異常時，則判斷該區(qū)段軌道存在異常。如果軌道存在波磨，多個車輪通過該區(qū)段時軸箱振動特征中均體現(xiàn)出波磨特征，通過該方法可以有效地進行鋼軌波磨的識別。由圖6(a)可以看出，頻譜中有明顯的波磨通過頻率且幅值較高；圖6(b)無明顯波磨通過頻率。因此，通過頻譜特征可以有效識別鋼軌波磨，指導(dǎo)軌道的檢修維護。

圖6 鋼軌有無波磨頻譜特征

2.5 系統(tǒng)優(yōu)勢

通過使用高速動車組轉(zhuǎn)向架車載安全監(jiān)測系統(tǒng)，使高速動車組的競爭力得到質(zhì)的提升，該應(yīng)用主要具有以下三大優(yōu)勢：

(1) 轉(zhuǎn)向架實時監(jiān)控，提升故障診斷能力。以往的轉(zhuǎn)向架狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)項點少、實時性差，而轉(zhuǎn)向架車載安全監(jiān)測系統(tǒng)具備了監(jiān)測項點多、實時性高、評價指標全面等特點，涵蓋了影響運營安全的轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件工作狀態(tài)的在線監(jiān)測，故障診斷數(shù)據(jù)信息豐富。

(2) 精準定位故障，提高檢修效率。轉(zhuǎn)向架車載安全監(jiān)測系統(tǒng)能夠準確定位轉(zhuǎn)向架故障，并通過遠程終端給出維護方案，方便維護人員及時快速維修，提高了檢修效率。同時減少了對轉(zhuǎn)向架維保技術(shù)人員的需求，降低了檢修運維成本，可更好地適應(yīng)未來高速鐵路規(guī)模的擴大及速度的提高。

(3) 支撐高速動車組轉(zhuǎn)向架修程修制優(yōu)化。通過轉(zhuǎn)向架車載安全監(jiān)測系統(tǒng)及地面遠程監(jiān)控系統(tǒng)，提早識別及處理軸承、輪對等故障，以減少重大事故的發(fā)生，為高速動車組檢修周期延長及修程修制優(yōu)化提供了一定的監(jiān)測驗證手段。

3 地面遠程監(jiān)控系統(tǒng)

在地面建立遠程監(jiān)控系統(tǒng)，對接收的車載安全監(jiān)測系統(tǒng)診斷結(jié)果及數(shù)據(jù)進行分析，同時結(jié)合歷史數(shù)據(jù)情況及專家診斷，綜合診斷當(dāng)前列車轉(zhuǎn)向架運行狀態(tài)是否發(fā)生異常及發(fā)生異常的部件。對于已經(jīng)診斷并經(jīng)現(xiàn)場確認的轉(zhuǎn)向架故障，通過人機交互系統(tǒng)進行標注，并將相關(guān)數(shù)據(jù)輸入故障樣本數(shù)據(jù)庫，以對故障診斷功能進行強化學(xué)習(xí)，提高診斷準確性。地面遠程監(jiān)控系統(tǒng)除進行列車狀態(tài)參數(shù)及故障情況等同步監(jiān)控外，還具備歷史數(shù)據(jù)、故障查詢等一系列其他功能。

4 技術(shù)發(fā)展展望

對于高速動車組轉(zhuǎn)向架綜合智能監(jiān)測技術(shù)，未來發(fā)展主要有以下3個方向。

(1) 車載多源數(shù)據(jù)融合故障診斷技術(shù)。一般情況下是基于單一數(shù)據(jù)源開發(fā)故障診斷模型進行故障診斷。隨著檢測參量的增多，結(jié)合高速動車組轉(zhuǎn)向架車載安全監(jiān)測系統(tǒng)，進一步探究多源監(jiān)測融合數(shù)據(jù)的故障診斷技術(shù)，提高整車安全監(jiān)測的能力。

(2) 車地多源數(shù)據(jù)融合故障診斷技術(shù)。對高速動車組轉(zhuǎn)向架進行監(jiān)測時，地面軌旁TADS系統(tǒng)可聲學(xué)監(jiān)測軸箱軸承故障，TPDS系統(tǒng)可監(jiān)測車輪多邊形，TEDS系統(tǒng)可圖形檢測部件脫落等。未來可開展車地多源數(shù)據(jù)的故障診斷研究，提升故障診斷準確性，為推進精準維修提供更充分的車地一體綜合監(jiān)控手段。

(3) 5G技術(shù)應(yīng)用。目前是基于2G/4G遠程將車載數(shù)據(jù)落地至地面系統(tǒng)，未來隨著通信技術(shù)發(fā)展及5G的推廣，可實現(xiàn)對于高密度大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)的實時落地，基于地面集群服務(wù)器可開展復(fù)雜的故障診斷算法的研究及應(yīng)用工作，進一步提升故障診斷能力。

5 結(jié)束語

為提升高速動車組轉(zhuǎn)向架故障診斷能力，同時滿足車輛運行安全性的迫切需求，采用轉(zhuǎn)向架車載安全監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)軸承狀態(tài)監(jiān)測、列車運行穩(wěn)定性監(jiān)測及輪軌狀態(tài)監(jiān)測。轉(zhuǎn)向架故障診斷技術(shù)的應(yīng)用為動車組的安全運行及優(yōu)良性能提供保障，對轉(zhuǎn)向架實時監(jiān)控可提升故障診斷能力，精準定位故障，提高檢修效率，同時支撐動車組檢修周期延長，降低檢修成本，提高了產(chǎn)品可靠性及競爭力。