胡瀚文

（貴陽市城市軌道交通運營有限公司，貴州 貴陽 550081）

0 引言

城市化不斷推進，地鐵成為市民的重要公共交通工具。由于地鐵各個車站之間的間距較短，列車在運行中啟動、加速、減速、制動的工況切換較為頻繁，車輛在運行中受到頻繁變化的動態(tài)載荷，走行部可靠性隨運行時間延長而下降。目前大多數(shù)走行部的檢修維護工作主要通過人工檢查來實現(xiàn)，維護成本高、效率低，且人工檢修過程中不易發(fā)現(xiàn)早期故障隱患點?；诖?，貴陽2 號線車輛裝備了JK450 型走行部在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過長時間的運用和跟蹤監(jiān)測，實現(xiàn)了走行部在線監(jiān)測和故障診斷，便于技術人員在故障初期制定相應維保措施。

1 維保走行部存在的問題

按設備故障浴盆曲線規(guī)律，隨著地鐵車輛走行部運行時間、里程數(shù)不斷增加，走行部運行達到一定里程后，部件故障率開始出現(xiàn)浴盆效應向上的拐點，運行安全性能逐漸降低，造成系列維護問題：

（1）走行部關鍵部件如軸承、齒輪、車輪踏面質(zhì)量狀態(tài)無法實時掌控，特別是軸承，傳統(tǒng)維保手段是通過貼溫度試紙的方法進行跟蹤，但是這種方法只能在列車回庫后檢查，具有滯后性且不能完全反映軸承的實際狀況。

（2）車輛廠家給出的走行部軸承的維修周期較為保守，不同的運用條件應具有不同的維修要求，欠修容易引起安全事件，過修則增加維修成本，應根據(jù)軸承的實際狀態(tài)來確定具體的維修周期。

（3）地鐵線路個別區(qū)間存在或輕或重的鋼軌波磨問題，鋼軌波磨加劇了輪軌之間的動力學作用，既加速了走形部各部件的機械損傷，又引發(fā)輪軌之間的異常嘯叫噪聲，降低運營服務質(zhì)量。傳統(tǒng)對軌道波磨的維護僅通過在運營收車后的沿線檢查來實現(xiàn)，這樣的檢查具有滯后性，且并不能完全發(fā)現(xiàn)問題。

鑒于此，有必要引入走行部在線監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測走行部關鍵部件的數(shù)據(jù)，掌握走行部關鍵部件的質(zhì)量狀態(tài)和輪軌間的實際振動情況，并提供科學的運用和維修指導意見。

2 走行部在線監(jiān)測系統(tǒng)

目前，國內(nèi)北京、上海、廣州、深圳等城市地鐵已開始在新線安裝或老線改造安裝應用走行部在線監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)在地鐵車輛運行中能夠及時發(fā)現(xiàn)軸承異常、齒輪磨損、踏面擦傷等故障，并實時監(jiān)測輪軌關系狀態(tài)，在保障車輛安全運行過程中起到重大作用。

2.1 監(jiān)測系統(tǒng)原理

貴陽地鐵2 號線車輛走行部在線監(jiān)測系統(tǒng)功能基于“廣義共振與共振解調(diào)的機械設備故障診斷技術”原理，主要通過在車輛走行部關鍵部件（如電機、齒輪箱、軸箱）貼近軸承位置安裝復合傳感器（安裝位置如圖1 所示），由傳感器對所安裝部件的各物理量（如振動、沖擊、溫度）進行實時探測感知，以車載方式實時監(jiān)測采集軸承、傳動齒輪、輪對踏面等部件的數(shù)據(jù)，采用周期性監(jiān)測獲取輪軌振動數(shù)據(jù)樣本，采用“機械沖擊故障的共振解調(diào)檢測”“變速運轉(zhuǎn)機械故障診斷及譜號固化分析”等先進檢測技術，實現(xiàn)車輛速度、振動、沖擊等信號的跟蹤采樣與濾波處置，并提取出微弱的周期性的故障信號，對其非周期信號進行周期性轉(zhuǎn)換，最終通過頻譜計算分析，完成對車輛走行部在運行過程中實時的精確監(jiān)測及診斷[1]。

圖1 走行部安裝復合傳感器位置示意圖

該系統(tǒng)可實現(xiàn)線路軌道公里標自動定位，在輪軌檢測工作模式下對輪軌狀態(tài)進行實時監(jiān)測，提取車輪運行過程中輪軌關系作用下的振動、沖擊信號，通過配套的地面系統(tǒng)實現(xiàn)各區(qū)間輪軌振動、波磨等詳細分析功能，作為掌握軌道狀態(tài)的參考依據(jù)[2]。系統(tǒng)實時、在線、連續(xù)監(jiān)測走行部運行狀態(tài)，對多項行車的數(shù)據(jù)做綜合計算分析才形成故障的準確識別和早期預警，并實現(xiàn)并對關鍵部件故障進行分級診斷及報警，通過MVB 總線將報警信息輸出到車輛TCMS，指導行車。

2.2 監(jiān)測系統(tǒng)組成

貴陽地鐵2 號線車輛走行部在線監(jiān)測系統(tǒng)為固定式車載故障診斷系統(tǒng)，主要由車載診斷儀（6 臺）、前置處理器（20 臺）、復合傳感器（80 支）、無線數(shù)據(jù)傳輸終端（1 臺）組成，全列車由貫通的屏蔽雙絞電纜組成總線通信，形成數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡和轉(zhuǎn)速脈沖信號實時通信網(wǎng)絡，系統(tǒng)具備報警信息通過網(wǎng)絡（MVB 或以太網(wǎng)）傳輸至TCMS 的功能，并由列車TC 車車載診斷儀匯總所有數(shù)據(jù)及信息，再通過無線數(shù)據(jù)傳輸終端將數(shù)據(jù)傳送至地面服務器，實現(xiàn)對電機軸承、齒輪箱軸承、齒輪箱齒輪、軸箱軸承、車輪踏面、輪軌沖擊等數(shù)據(jù)的實時在線監(jiān)測及故障診斷。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓撲圖如圖2所示。

圖2 走行部在線監(jiān)測系統(tǒng)設備拓結(jié)構(gòu)

（1）復合傳感器：對安裝部件多個物理量（如溫度、振動、沖擊等）進行實時監(jiān)測、處理和傳輸。

（2）前置處理器：實現(xiàn)沖擊、振動、溫度模擬通道切換以及模擬信號總線方式傳輸。

（3）綜合診斷儀：對接收到的模擬信號進行解析、診斷和報警，并可以實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)儲存、下載、系統(tǒng)數(shù)據(jù)更新等功能。

（4）無線數(shù)據(jù)傳輸終端：通過5G 無線網(wǎng)絡將列車設備數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)降孛娣掌魃稀?/p>

3 系統(tǒng)的應用情況

貴陽地鐵2 號線全長40.6 km，區(qū)間最大坡度30‰、最小曲線半徑350 m。車輛為六節(jié)編組，編組形式：=Tc-Mp-M+M-Mp-Tc=。該線有4 列車安裝了走行部在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了走行部關鍵部件的振動、沖擊、溫度3 個物理量實時在線監(jiān)測和診斷，保障了列車運營安全。截止至2023 年8 月30 日，裝備系統(tǒng)的列車最大運行里程已達2.84×106km，統(tǒng)計近兩年來的整體應用情況如下：

1）軸箱軸承：監(jiān)測軸箱軸承測點192 個，存在1處軸承（02029 車5 車41 位軸箱）外環(huán)故障特征，該軸承位置存在沖擊趨勢較為連續(xù)，溫度處于正常范圍，建議車輛正常運營；

2）電機軸承：監(jiān)測電機軸承測點64 個，軸承全部正常，電機軸承位置振動、溫度均在正常范圍內(nèi)；

3）齒輪箱：監(jiān)測齒輪箱測點64 個，傳動齒輪、軸承全部正常，齒輪箱振動、溫度均在正常范圍內(nèi)；

4）車輪踏面：監(jiān)測車輪踏面測點192 個，踏面全部正常，振動在正常范圍內(nèi)；

5）輪軌振動：貴陽2 號線上行、下行62 個區(qū)間均正常，未見明顯波磨和振動偏大區(qū)間。在列車ATO 自動駕駛模式運行工況下，上行全區(qū)間平均振動有效值0.72g，最大區(qū)間平均振動有效值為“金陽醫(yī)院站-興筑路站”1.32g，最小輸出區(qū)間為“噴水池站-紫林庵站0.42g”；下行全區(qū)間平均振動有效值0.65g，最大區(qū)間平均振動有效值為“興筑路站-金陽醫(yī)院站”1.26g，最小輸區(qū)間為“噴水池站-紫林庵站0.44g”。

從走行部在線監(jiān)測系統(tǒng)投入運用至今，系統(tǒng)持續(xù)對關鍵部件進行在線監(jiān)測和健康評估，結(jié)合車輛運營及檢修要求，在密切跟蹤故障數(shù)據(jù)的前提下，系統(tǒng)輸出維修建議為車輛繼續(xù)正常運營。

4 軸箱軸承故障詳情

2021 年9 月8 號，02295 車41 位軸箱軸承在正線工作過程中持續(xù)輸出軸承二級報警，通過對該軸承圖譜進行分析，軸承類故障信息其時域波形成細窄梳狀脈沖，每個脈沖等距，且在頻譜圖上，故障譜與外環(huán)理論譜對應，判斷軸承存在外環(huán)故障特征，如圖3 所示。

圖3 02295 車41 位軸承故障報警輸出圖

結(jié)合分析軸承沖擊趨勢數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)該軸承沖擊趨勢在9 月8 日11 點40 分突變，系統(tǒng)實時主動診斷輸出軸承報警，軸承沖擊趨勢如圖4 所示。通過結(jié)合該軸承歷史趨勢數(shù)據(jù)評估軸承外環(huán)存在輕微剝離，外環(huán)沖擊dB 值增大，健康評估為亞健康輕微故障，基于走行部監(jiān)測系統(tǒng)的實時監(jiān)測與車輛檢修結(jié)合，建議車輛繼續(xù)運營，實時跟蹤軸承狀態(tài)。

圖4 02295 車41 位軸承沖擊趨勢圖

為確保正線運營安全并驗證系統(tǒng)報警是否準確，2021 年10 月初對該報警故障軸承進行預防性更換，并對故障軸承進行拆檢查看，檢查情況如下：

（1）外圈滾道：承載區(qū)域有明顯等間距軸向痕跡，有觸感，分布范圍約120°，與系統(tǒng)監(jiān)測診斷相符，是報故障的主要原因，故障特征如下圖5。經(jīng)軸承廠家確認，該軸承滾道表面的軸向痕跡源于軸承安裝后在運輸過程中車輛上下顛簸和振動，滾子和內(nèi)外圈表面不斷沖擊摩擦產(chǎn)生。

圖5 02295 車41 位軸承外圈壓痕

（2）內(nèi)圈滾道：承載區(qū)域有輕微等間距軸向痕跡，無觸感，分布范圍約120°，不是報故障的主要原因。

（3）滾子：部分滾子有輕微軸向痕跡，痕跡處圓周加工紋路被破壞，邊緣材料有輕微凸起，不是報故障的主要原因。

（4）保持架及密封蓋：正常。

更換02295 車故障軸承后正常運行至今，通過對02295 車41 位軸承持續(xù)跟蹤，軸承外環(huán)沖擊故障特征消失，監(jiān)測系統(tǒng)再未輸出報警信息，更換后的軸承健康評估為正常。

5 結(jié)語

貴陽地鐵2 號線通過應用走行部在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對車輛走行部電機軸承、齒輪箱軸承、軸箱軸承、車輪踏面在線監(jiān)測與持續(xù)跟蹤，實時掌握車輛走行部關鍵部件的質(zhì)量狀態(tài)，為走行部運營維保提供了準確的監(jiān)測數(shù)據(jù)和故障預警，有效提升了列車的運營安全質(zhì)量。同時該系統(tǒng)進一步推進貴陽地鐵車輛維保工作從傳統(tǒng)計劃維修發(fā)展到狀態(tài)維修的進程，提高維修效率，降低維護成本，為地鐵行業(yè)智能運維技術運用和檢修維護提供借鑒。