城轨交通车辆走行部故障自动诊断技术应用

许艳华 黄贵发 唐德尧

(1.北京市地铁运营有限公司 北京 100044;2.北京唐智科技发展有限公司 北京 100097)

城轨车辆走行部的机械故障关系到列车运行安全，常规手段的日常检查无法准确掌握走行部的状态，维修效率更难以提高。城轨车辆走行部车载故障诊断系统，采用了自主创新的广义共振与共振解调的机械设备故障诊断技术，能自动诊断车辆走行部轴承、传动齿轮、车轮踏面等关键部件的早期故障，并在线实时发出预警信息，准确指导车辆的运用和走行部的状态检修。该系统在北京地铁获得了成功应用，对于提高走行部检修效率和实现轨道交通运营主动安全保障具有重要意义［1］。

1 走行部故障分析

城轨车辆走行部的机械故障主要发生在轴承(含轴箱、齿轮箱和牵引电机轴承)、传动齿轮、车轮踏面等处，在缺乏有效的在线自动诊断技术之前，即使依靠人工耳听目视进行大量的普查，投入大量的人力物力进行高密度的“死看死守”式的计划性维修和预防性维修，也难以避免故障的发生，而且一旦发生故障就会危及行车安全。例如，图1所示的轴箱轴承故障就对车辆的安全运行带来了极大的威胁。

图1 轴箱轴承故障

另外，由于车辆设计或材质缺陷等原因导致的走行部故障不时出现于运营车辆上，而此时不在预定修程中，短期内又不能全部在修程外安排大量的停修时间予以更换，都会使运营管理部门陷入既要保证正常运营又无法确保走行部安全的窘境。

例如，北京地铁2号线2008年投入运营的新车曾经出现齿轮箱轴承保持架破损的系列故障，如图2所示。为此，北京地铁不得不在3年内先后对齿轮箱轴承进行了两次大批量的改型、更换和维修，并且在此过程中投入了大量的人力、物力和财力，进行了普查并安排了临修。这样做，既降低了车辆出库率，延长了车辆维修库停时间，又无法完全保障安全，实际上仍然存在着隐患。

图2 齿轮箱轴承故障

以上例子说明，走行部故障的存在是无法回避的客观事实。设计者虽然考虑到了应力集中、线路存在波磨或不平顺导致车辆运行振动大等因素，但车辆制造过程中的质量和工艺难以控制，还有地铁车辆频繁启动和停车等工况及其他因素，都是造成故障发生的原因。由于多数列车不能因为走行部存在故障而放弃运营，这就迫切需要高效、精确的车载在线监测和故障自动诊断设备，具备早期的故障预警和严重故障分级报警功能，在掌握走行部故障状态的前提下实现车辆的状态修，既保证安全又保证车辆出勤和运营效率。

下面介绍北京地铁的JK10450型城轨车辆走行部车载故障诊断系统(简称“JK10450系统”)。该系统在国内率先引进铁路领域成熟应用的广义共振与共振解调技术，通过针对性的开发和应用加以实现，为保障城轨车辆走行部的安全运行和实现状态检修奠定了基础。

2 车载故障诊断系统

2.1 系统组成

JK10450系统由前端信号采集和传输设备、信号处理和诊断分析设备、系统管理和信息输出设备以及地面数据分析管理设备组成［2-4］，其组成如图3所示。

前端信号采集和传输设备包含了复合传感器、双坐标传感器、转速传感器以及前置处理器，并嵌入了信号调理软件、传感器管理软件和数字模拟混合总线控制软件，负责采集走行部的振动、冲击、温度信息和轮对转速信息，经模拟数字混合总线来实现抗干扰远传。

从总线传输来走行部的相关信息，先进入到信号处理和诊断分析设备，再由信号滤波模块、共振解调模块、跟踪采样模块和数据采集控制软件对信号进行变换处理和采样，随后进入嵌入式诊断计算机，由在线自动诊断专家系统软件进行分析诊断，并通过系统管理及信息输出设备，将诊断结论信息输出到车载和地面的人机界面。同时，可通过外置扩展的无线以太网或专用的下载接口，将监测数据传输到地面，由集成了地面故障诊断专家系统软件、地面数据管理软件和运用维修管理软件的地面数据分析管理系统进行数据精密分析诊断、历史趋势分析，并输出运用和维修指导信息，用来科学指导车辆走行部的运用和状态维修。

图3 JK10450走行部车载故障诊断系统结构

2.2 技术特点

2.2.1 采用广义共振与共振解调技术

“共振”是人们耳熟能详的物理学术语。经典物理学所说的“共振”，是指在“作用力的频率与物体的固有频率相同”时发生的持久过程，是指机械振动的幅度达到和接近最大值时的状态。人们将包括外部作用的激励接入时机械振动建立、达到最大值和激励断开时机械从振幅最大值衰减的全过程称为“广义共振”［5］，这是一切事物不可避免的内在规律。微小的机械冲击也能激起系统产生广义共振现象，因此可以利用这种现象来帮助识别机械设备的微小故障。

共振解调技术是一种用于检测机械设备故障的信号变换技术，与其他常规振动检测技术相比，特别适合检测机械设备因早期故障所产生的冲击信息。利用共振解调技术处理振动冲击信号，可达到剔除常规振动和提取故障冲击的目的［5-6］。

机械故障具有如下所述的一般性发展规律:无论是环境、材质、装配工艺还是载荷等原因引起的故障，在最初阶段，一定是在某些部件的局部产生周期性的、短促的应力集中现象。应力集中的频繁发生最终会导致这部分材质发生疲劳，随后产生诸如点蚀、剥离、裂纹、断裂、破碎等较为明显的故障。不管是在应力集中阶段、材质疲劳阶段还是在部件出现破损后，都会有相应的力或振动发生。因此，在故障发生的初期、早期、中期和晚期，实际上都会体现出相应的特征信号。

然而，当振动监测数据中存在凭借人眼都能发现的故障端倪时，传统振动检测手段的若干分析诊断算法却无法判断出来。具体原因是:设备在运转过程中，本身就存在着大量幅度很大却并无害处的常规振动信息，掩盖了故障冲击信息。有人试图找到新的信号处理算法，在振动监测数据中提取出故障信息。例如，采用峭度算法，试图从振动信号斜率的变化中发现故障信息，但收效不大。

图4为共振解调技术与常规振动检测技术的对比，将传感器输出的、具有机械故障的振动冲击信号，用带有广义共振机制的振动、冲击、温度复合传感器接收，其振动和冲击广义共振信息经过电子变换技术处理，剔除其他机械振动或干扰，解调出传感器信号中存在的、由机械故障冲击激发的广义共振信号，从而实现在车辆强烈的机械振动干扰和电磁干扰中微弱故障信息的提取。

共振解调技术的优越性:有可能在故障还没有导致宏观破损时就能发现异常的应力集中现象，这使得侦测到故障的时间大大提前，为故障早期预警和设备性能评估提供了有效的技术手段，而这是振动检测技术无法实现的。

2.2.2 具备完整的故障诊断方法论体系

图4 共振解调技术与振动检测技术对比

城轨车辆走行部关键部件的故障诊断，主要体现在如何对信息去伪存真，确定是否存在故障，以及发生故障的零件(如轴承内外环、滚动体等)、部件(如轴承、齿轮、车轮)的损坏程度和最小安全门限。

基于广义共振和共振解调的旋转机械故障诊断理论，包括依据机械的结构几何学及运动学规律而建立的诊断轴承、齿轮、踏面等故障的一系列数学模型，可从定量和定性两个角度对故障进行确定性的精密诊断。该理论还包括多因素、多参数的联合诊断决策，基于模糊数学、数值分析和统计学的多参量相关加权决策，多个同类故障的归类诊断准则，信号定常性准则，规则抽取准则和不规则抽取准则［5］等。

故障冲击信息提取技术结合故障诊断理论体系及其软件实现，使得JK10450系统相对于其他技术来说具有应用上的明显优势，表1列出了诊断覆盖部件和故障模式的对比。

表1 不同诊断技术所覆盖的故障部件和故障模式比较

2.2.3 车载实时诊断和地面趋势分析相结合指导运用和维修

JK10450系统安装在运营车辆上，实现实时监测和自动诊断，共振解调技术的比例性使得系统能够准确反映故障冲击量值的大小，进而反映故障的危害程度并实现分级报警，以便指导车辆运用，可确保走行部运营安全。数学和逻辑推理模型实现了故障诊断方法论体系的程序化、自动化和主动化，即装即用，行车途中可自动输出诊断结论，无需学习也无需人工参与，同时实现精确诊断，准确识别轴承保持架碰外环、保持架碰内环、外环滚道、内环滚道、滚子、传动齿轮和车轮踏面的故障，节约维修成本。共振解调技术敏感早期故障信息的特性，使得系统能够发现早期故障并提前预警，以便指导状态维修。表2列出了JK10450系统相对于纯粹温度监测技术和常规振动监测技术的优势。

表2 JK10450系统的技术优势

3 应用效果

JK10450系统已在北京地铁的多条线路实现列装，并随着列车的交付运营逐步投入使用。

迄今为止，投入使用的JK10450系统发现了40多起走行部轴承、齿轮、踏面等的机械故障，并得到拆解验证。结果表明，系统诊断准确，为走行部的状态检修提供了帮助。

以下用几个典型的轴承故障案例来进行分析［2，7］。

3.1 分级报警对于车辆运用和维修的指导

某车在正线载客运营，车载故障诊断系统自动发出某车3轴齿轮箱小轴轴承保持架“二级报警”信息，车辆按规程退出运营、回库检查，发现齿轮箱润滑油发黑，小轴定位间隙偏大，车载监测数据在地面系统的回放分析如图5所示。随后进行分解检查，发现了3轴传动端轴承保持架破碎，如图6所示。车载故障诊断系统具有分级报警功能，使得该故障得到了及时处理，保障了运营安全。

图5 某车3轴小轴轴承二级报警详细分析谱图

图6 某车3轴小轴轴承二级报警故障分解

另一个同类案例，某车在正线载客运营，车载故障诊断系统自动发出某车1轴齿轮箱小轴轴承保持架“一级报警”，车辆回库后检查齿轮箱润滑油正常，但车载监测数据在地面系统的回放分析表明，该轴承存在典型的保持架碰外环故障谱线(如图7所示)，并且故障冲击量级达到54.3 dB，已经超过一级报警的标准，按规程扣车分解检查，发现小轴轴承保持架已有3处断裂，但还未失去对滚子的约束，如图8所示。

图7 某车1轴小轴轴承一级报警详细分析谱图

以上两个案例鲜明地体现了JK10450系统故障早期预警和分级报警功能的优越性，对于不同程度的故障给出不同级别的报警，准确指导车辆的运用和走行部的状态维修。

3.2 准确发现并不产生温升的轴承故障

车载故障诊断系统发出某车2轴轴承外环故障二级报警，但此时系统并未发出轴承超温或温升报警，按规程退出运营，下载数据在地面系统的回放分析如图9所示。可见，外环故障谱线清晰，故障冲击量值达到70 dB，已超过二级报警标准，但此时轴承并无明显温升，其温度曲线与其他轴相同位置几乎重合。随后的扣车分解检查发现了轴承外环故障(如图10所示)，说明轴承故障并不一定会伴随着温升。

图8 某车1轴小轴轴承一级报警故障分解

4 结语

在JK10450城轨车辆走行部车载故障系统中，首次将广义共振和共振解调的机械设备故障诊断技术应用于在线安全监测和故障诊断，并进行了应用技术创新;针对城轨车辆的运营特点，制定了分级诊断标准，为走行部运营安全和状态维修提供了有效的技术手段，填补了地铁行业的空白。

北京地铁针对该系统制定了运用维修指导规范，保证系统较好地发挥作用，能及早地发现走行部可能酿成事故的机械故障，并合理安排维修，保障车辆安全、正点运行，避免引发车辆安全事故而造成乘客重大人身和财产损失，避免打乱运行秩序，从而提高城市轨道交通的服务水平和质量。

［1］北京市地铁运营有限公司，北京唐智科技发展有限公司.地铁车辆走行部故障诊断与安全监测系统项目验收资料:工作报告［R］.北京，2011:6-8.

［2］北京市地铁运营有限公司，北京唐智科技发展有限公司.地铁车辆走行部故障诊断与安全监测系统项目验收资料:技术研究报告［R］.北京，2011:6-8.

［3］Q/HDTZ F001—2010地铁车辆走行部车载故障诊断系统［S］.北京:北京唐智科技发展有限公司，2010:1-10.

［4］唐德尧，黄贵发，等，一种轨道交通车辆走行部及钢轨故障车载在线监测诊断系统［G］.北京，2009:2-13.

［5］唐德尧.广义共振、共振解调故障诊断与安全工程:铁路篇［M］.北京:中国铁道出版社，2006:37-114.

［6］唐德尧.轴承齿轮故障的在线诊断［R］.北京:航空工业部第608研究所，1986:1-39.

［7］唐德尧，李辉，宋辛珲，等.识别轴承保持架故障的共振解调外孤谱诊断技术［J］.中国设备工程，2009(10):34-36.