付時瑞 卜 峰 吳艷鵬 曹 琦 陸東宇 崔健東

(1. 中車長春軌道客車股份有限公司檢修運維事業(yè)部， 130062， 長春；2. 中車長春軌道客車股份有限公司國家軌道客車工程研究中心， 130062， 長春∥第一作者， 工程師)

高速鐵路車輛是多自由度復雜動力學系統(tǒng)[1]的集合，其中，車輛的牽引動力傳動系統(tǒng)由牽引電機、萬向軸、齒輪箱及動軸輪對組成。在實際運營中，由于車輛加減速、線路不平順，以及動力系統(tǒng)本身等原因，車輛局部或整體產生異常振動。本文以某型號動車組TDDS(列車振動監(jiān)控系統(tǒng))監(jiān)測到的異常振動信息為例，結合數(shù)據(jù)分析方法，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，得出該型號動車組齒輪箱異常振動的故障點。

1 動車組列車振動監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 TDDS報警閾值設置

動車組TDDS由振動監(jiān)控主機、牽引電機振動傳感器及齒輪箱振動傳感器組成，具有數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理及顯示等多種功能[2]，通過TCMS(列車控制與管理系統(tǒng))的MVB線(多功能車輛總線)進行數(shù)據(jù)通信。運行環(huán)境中振動是多個頻率組成的復雜振動信號[3]。采用TDDS實時監(jiān)測電機端與齒輪箱端的振動加速度，每5 s的振動加速度處理后得到1個振動加速度特征值，若連續(xù)10個振動加速度特征值超過相應的閾值則產生對應的報警。報警閾值則是通過分析車輛模擬振動數(shù)據(jù)及車輛運行數(shù)據(jù)得出，具體設置如表1～2所示。

表1 齒輪箱監(jiān)測點振動特征值報警閾值設置Tab.1 Warning threshold setting of vibration characteristic value at gearbox measuring points

表2 電機監(jiān)測點振動加速度特征值報警閾值設置Tab.2 Warning threshold setting of vibration acceleration characteristic value at motor measuring points

1.2 萬向軸預報警邏輯

萬向軸動不平衡故障的預警、報警邏輯采用時域和頻域相結合的方法進行判別。在時域(以傳感器采集的振動數(shù)據(jù)時序排列)上，判斷齒輪箱是否存在振動異常；在頻域(以傳感器采集的轉頻幅值數(shù)據(jù)時序排列)上，對萬向軸轉頻幅值進行判斷。時域和頻域是“與”的關系，同時超過閾值才判斷萬向軸動不平衡超標。電機端萬向軸動不平衡的預、報警邏輯采用振動加速度時域特征值進行判別，在時域上直接判別萬向軸轉頻幅值是否超界，以此判斷萬向軸是否存在動不平衡故障。

TDDS的監(jiān)測功能需要結合速度信息進行判別。當列車運行速度大于等于100 km/h時，需進行萬向軸動不平衡監(jiān)測。速度信號來源于列車TCMS的各車電機速度信號(電機轉速與萬向軸轉速一致)。萬向軸振動預、報警邏輯框圖如圖1所示。

圖1 萬向軸振動預、報警邏輯圖Fig.1 Preliminary waring logic diagram of cardan shaft vibration

2 動車組TDDS數(shù)據(jù)分析

2.1 動車組預警時刻TDDS數(shù)據(jù)分析

對某型號動車組4車1位端及4車2位端電機監(jiān)測點數(shù)據(jù)進行分析，其振動加速度時域特征值隨列車運行速度的變化曲線如圖2所示。圖2中標注的加速度預警即為4車2位端電機監(jiān)測點產生加速度預警的時段，該時段電機監(jiān)測點的振動加速度特征值如表3～4所示。自檢文件預報警時刻截圖如圖3所示。

2.2 動車組車體振動加速度特征值對比分析

由于振動加速度特征值隨著列車運行速度的變化而變化，因此為了更好地進行不同位置的橫向對比，對測點的振動加速度特征值做了進一步的統(tǒng)計分析。在統(tǒng)計分析時，選擇每個測點全天特征值中符合當前運行速度要求的特征值，進行算術平均值計算，根據(jù)該算術平均值進行不同位置的對比分析。

圖2 動車組4車電機監(jiān)測點振動加速度時域特征值曲線Fig.2 Time-domain eigenvalue curve of vibration acceleration at EMU 4-vehicle A end motor measuring points

表3 4車2位端首次加速度預警時刻電機監(jiān)測點振動特征值統(tǒng)計Tab.3 The first preliminary acceleration waring of vibration characteristics at 4-vehicle A end motor measuring points

表4 4車2位端第2次加速度預警時刻電機監(jiān)測點振動加速度特征值統(tǒng)計Tab.4 The second preliminary acceleratgion waring of vibration characteristics at 4-vehicle A end motor measuring points

對某型號動車組2020年1月8日至2020年2月6日期間4車各測點在速度為210～250 km/h范圍內的特征值進行統(tǒng)計，并計算其平均值，結果如表5～6所示。

圖3 自檢文件預報警時刻截圖Fig.3 Screenshots of self-inspection document warning times

從表5～6中數(shù)據(jù)可以得出，齒輪箱監(jiān)測點和電機監(jiān)測點在4車2位端采集到的振動數(shù)據(jù)均較大。由此可見，4車2位端電機監(jiān)測點的振動明顯大于4車1位端電機監(jiān)測點的振動。

表5 4車1位端電機監(jiān)測點振動加速度特征值統(tǒng)計Tab.5 Vibration acceleration characteristics statistics at 4-vehicle B end motor measuring points

2.3 齒輪箱和電機振動加速度特征值趨勢分析

選取2019年12月11日至2020年2月6日期間4車各測點在210～250 km/h速度范圍內的振動加速度特征值，并分別計算齒輪箱振動加速度時域特征值、齒輪箱振動加速度頻域特征值及電機振動加速度時域特征值，結果如圖4～6所示。

圖4 齒輪箱振動加速度時域特征值變化曲線Fig.4 Temporal characteristics variation acceleration curves of gear box

圖5 齒輪箱振動加速度頻域特征值變化曲線Fig.5 Frequency domain characteristic variation curves of gear box

圖6 電機振動加速度時域特征值變化曲線Fig.6 Temporal characteristics variation acceleration curves of motor vibration

通過觀察圖4～6可以看出,4車1位端齒輪箱及電機測點的振動加速度特征值無增大趨勢，保持平穩(wěn)狀態(tài)；4車2位端齒輪箱及電機測點的振動加速度特征值存在明顯的上升趨勢。

3 齒輪箱測點的振動加速度頻譜值計算

選取預警時刻數(shù)據(jù)代入式(1)及式(2)，分別計算預警時刻萬向軸轉頻及齒輪嚙合頻率，從而得到當前時刻齒輪箱監(jiān)測點的振動加速度頻譜值。

表6 4車2位端電機監(jiān)測點振動加速度特征值統(tǒng)計Tab.6 Vibration acceleration characteristics statistics at 4-vehicle A end motor measuring points

萬向軸轉頻和齒輪嚙合頻率分別為：

(1)

fn=fwnz

(2)

式中：

fw——萬向軸轉頻,Hz;

fn——齒輪嚙合頻率,Hz;

v——列車運行速度，km/h；

d——輪對直徑，m；

i——齒輪傳動比；

nz——錐齒輪齒數(shù)。

齒輪箱監(jiān)測點振動加速度頻譜如圖7所示。根據(jù)MPU(中央控制單元)記錄預警時刻列車運行速度為244 km/h。將其代入式(1)和式(2)可得，萬向軸理論轉頻為56.4 Hz，齒輪理論嚙合頻率為1 524 Hz。結合電機監(jiān)測點的振動數(shù)據(jù)，判斷出4車2位端萬向軸發(fā)生了故障。

圖7 齒輪箱測點振動加速度頻譜Fig.7 Vibration acceleration spectrum of gear box

4 結語

本文基于動車組車輛牽引電機振動時域特性和齒輪箱轉頻頻域特性分析方法，結合列車監(jiān)測數(shù)據(jù)及趨勢分析法，得出該動車組運行過程中產生牽引切除故障的原因，并確認了故障點位置。論證了動車組TDDS能夠有效地監(jiān)控及分析車輛振動數(shù)據(jù)，并在必要時可對駕駛員進行預警及報警提示，有效提升了動車組的運營安全性，同時也為后續(xù)動車組結構優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)支撐。