城铁车辆走行部及脱轨检测系统应用

赵宗平

上海轨道交通设备发展有限公司

0 引言

我国的城铁车辆发展迅速。截至2019 年底，全国已有37 个城市开通超过190 条地铁城铁车辆线路，而且不断有更多的城市和更多的线路正在开通。在高速发展的同时，城铁车辆的安全也越来越受到重视。走行部是车辆的重要组成部分，它可以在牵引动力作用下沿线路运行。走行部的运行安全也是城铁车辆的重中之重，严重突发性的故障可能引起脱轨等极端的恶行事故，给乘客生命、社会带来不可估量的伤害。因此，走行部的运行状态和安全，直接关系到车辆的运行状态和安全。

本文介绍了城铁车辆上应用的走行部及脱轨监测系统，可以实现走行部状态的实时在线监测，对故障实现早期预警和分级报警[1]，并在检测到列车脱轨时，及时对列车施加紧急制动，避免更大事故的发生，保护乘客和车辆的安全。

1 系统介绍

走行部脱轨检测系统是一种实现对列车走行部与安全导向有关的关键部件的在线安全状态监测系统，通过在列车轮对轴箱系统设置检测装置，包括复合传感器和三坐标振动传感器，同时获取轮对轴箱系统的振动、冲击、温度3种物理量[1]，并通过基于广义共振与共振解调的故障诊断技术，实现列车走行部关键部件的车载实时在线诊断，对于故障实现早期预警和分级报警，并形成综合决策[1]。决策结果通过MVB 总线（或以太网）传送给列车网络控制系统（TCMS），由TCMS 进行存储和报警，准确地指导车辆运用和维修[1]。

列车每根轴端配置脱轨检测装置，一旦检测到列车脱轨，列车将立即施加紧急制动。同时，列车控制系统应进行相关信息的记录，并将信息发送给OCC。脱轨检测系统准确率不低于99%，漏报率不大于0.1%，可以最大限度地保护乘客和列车的安全运行。

2 系统功能及特点

走行部脱轨检测系统是以城轨运营维护的信息化、智能化为目标，为城轨运营单位提供在途运营列车状态信息综合接入与监测、安全状态监测预警、隐患挖掘、网络化维保等服务和支持，该功能特点如下：

2.1 车载实时、自动、主动、精确诊断

系统基于共振解调原理的主动诊断、多因素和多参数联合诊断方法论和系列判据，建立了多个同类故障的归类诊断理论模型，通过自动诊断、主动诊断，实现即装即用，完成对轴承、传动齿轮和车轮等旋转部件故障的准确识别和早期预警，实现车载实时、自动、主动、精确诊断。

2.2 早期预警和分级报警

走行部作为列车的移动部位，有着大量的、强大的、复杂的、无害的振动环境。系统可以在该环境下，提取其中掺杂微小的、有害的机械冲击，实现故障早期预警，系统根据故障严重程度和危害程度进行分级报警，并科学指导车辆运行。

在走行部的转动部件中，当以轴承、齿轮、车轮为关键部件[1][2]，因为它们是承力最集中的、高速旋转的、故障发生最多的部件，长期以来都是制约走行部安全的首要因素。这些部件的故障，在初期阶段主要表现为滚动工作面的损伤，而晚期表现则是剥离、裂纹、破损和轴承的急剧温升、固死，引起切轴，造成重大的灾难性事故。因此，走行部故障需提前预警，及时采取预防性措施，有效地防范车辆故障发展为重大事故，保障车辆安全运行。

2.3 多参数综合诊断

传统的监测手段是通过检测轴承的温升，如温度试纸、红外平轮仪，这些手段对温度缓慢上升的轴承故障有效，但实际上轴承在发生故障时，故障发展非常快，在未及红外平轮仪报警及日检发觉之时已经发生事故，即使是采用车载轴温监测系统也不能及时在接近灾难之前发出报警，强令中途停车，更有未及报警而发生灾难的事实。显然，温度检测只是一种“灾难报警”手段，还不能发现齿轮、车轮的故障。

本系统采用冲击、振动、温度信息进行综合诊断，监测诊断范围广，诊断准确率高。

2.4 系统检测原理

基于广义共振与共振解调的故障诊断技术原理[3]（见图1）：

1）传感器检测采集机械运动过程中的振动、冲击和温度信息；

2）信号变换、采集、处理模块，对信息进行共振解调变换和滤波等处理后，由AD 采集模块送入嵌入式计算机；

3）故障自动诊断专家系统软件进行数据分析和诊断，输出故障诊断结论。

图1 系统检测原理框图

2.5 脱轨检测原理

在列车正常运行的状态下，列车的轮对不会与非钢轨设施发生碰撞，但列车轮对脱离钢轨时，轮对会最先与扣件或轨枕（无砸轨道的承轨槽/轨道板）发生正面碰撞，并产生强烈的、有规律的冲击及振动信息，本技术通过分析该强冲击信息的特征及车轮相对位移的偏移量来判断列车轮对是否发生脱轨。

由于正线铺装的轨枕/扣件的间距是确定的，从而使用转速跟踪采样时每两个轨枕/扣件间的样本点数也是确定的，故而分析两次强冲击在样本中的间隔及频谱便能够判断轮对是否发生脱轨。脱轨检测模块采用同一条轴两端轴箱位置的复合传感器信号同步连续采样的流式数据进行实时诊断，当轮对检测到连续3 个强冲击的间隔满足轨枕及扣件间距对应的采样点数，和/或当前轮对的强冲击及振动幅值超出某一限值，且位移信息中出现超出规定限值的较大负位移，便能确认轮对已经脱轨。

3 系统组成

走行部监测及脱轨检测系统由车载诊断仪、前置处理器、复合传感器、三坐标传感器组成。通过复合传感器采集的振动、冲击、温度数据对轴箱的工作状态进行监测；通过速度传感器采集车轮速度，对列车速度进行监测；通过车轮振动对轮对多边形进行监测；通过车载诊断仪对数据进行诊断及故障告警、数据上传、故障分级预警、报警。走行部主动运维决策系统通过从车载诊断仪获取的数据进行分析，实现列车关键系统及部件运营状态分析诊断、列车关键系统及部件劣化趋势分析、列车关键系统及部件全生命周期统计分析。

3.1 车载诊断仪

车载诊断仪主要功能如下（见图2）：

1）收集所有诊断结论与振动、冲击原始样本数据；

2）接收来自传感器系统的信号，并对这些信号进行处理、采集、诊断与存储[4]；

3）内置走行在线故障诊断专家系统软件，实现在线自动诊断，并实时给出走行诊断结论[4]；

4）内置在线脱轨诊断专家系统软件，实现在线实时主动监测，一旦被监测车辆脱轨，综合诊断仪迅速发出脱轨报警，该报警信息可通过MVB/以太网输入到TCMS，同时具备硬线输出功能，可靠输出控制信号；

5）通过数据下载接口实现与配套地面系统的数据连接[4]；

6）将监测状态信息通过以太网/MVB 输出到TCMS；

7）通过以太网/MVB 接收TCMS 的控制或状态信息；

8）将保存的监测结论、样本数据使用车辆的无线链路传输到地面系统。

图2 车载诊断仪示意图

3.2 前置处理器

前置处理器是实现所辖测点的传感器网络管理、完成信号的预处理或数据采集，并与综合诊断仪交互通信的部件[2]（如图3所示）。详细功能如下：

1）负责将传感器网络传输的温度信息进行处理、采集、存储；

2）负责将温度信息和模拟信号通过总线传输到车载，简化装车工程[4]。

图3 前置处理器示意图

3.3 复合传感器

复合传感器是同时实现温度、振动、冲击等多个物理量的检测、处理和传输的一体式受感部件，可通过单个安装孔安装在轴箱体上[4]，并将采集到的信号实时传输至前置处理器（如图4所示）。

图4 复合传感器示意图

3.4 三坐标振动传感器

三坐标振动传感器可采集垂向、横向、行车方向的振动信号，并将采集到的信号实时传输至前置处理器（如图5所示）。

图5 三坐标振动传感器示意图

4 结束语

走行部检测系统已经应用于北京、上海、广州、杭州等城市的城铁车辆中，发现并提前预警了多起走行部相关的齿轮、轴承等机械的磨损或故障，避免了故障的进一步发展，确保了车辆的安全。

上海15 号线地铁车辆上也已经安装了脱轨监测系统，预计明年可以运行使用。脱轨监测系统随着越来越多地安装在车辆上，必将给更多的城铁车辆保驾护航，保护乘客的人身安全运行。