高速列车联轴节故障诊断方法研究

于 祥，余 进，高世萍，陈大伟

(中车青岛四方机车车辆股份有限公司 国家高速动车组总成工程技术研究中心，山东 青岛 266111)

截至2020年年底，我国高速铁路营业里程达3.8万km，动车组保有量达3 900余组。随着动车组运营里程、年限逐渐增长，动车组不可避免地会出现安全事故，较大比例的事故由机械设备故障引起，因此需要对列车关键部件进行状态监控和故障诊断[1]。联轴节是高速列车重要的传动部件，负责将牵引电机的动力传递至齿轮箱，从而驱动轮对运转，如图1所示。联轴节通常由对称的两半结构组成，其中一半联轴节连接牵引电机，另一半联轴节连接齿轮箱小轴，2个半联轴节之间通过螺栓连接。每个半联轴节内部通过鼓形齿和外筒啮合，传递动力的同时可以实现轴向、径向变位以及角度补偿。联轴节在高速运转过程中会受到啮合冲击、轨道不平顺冲击和车轮缺陷冲击等，极易导致联轴节发生故障[2]。联轴节发生故障将直接导致传动失效，严重影响列车运行安全[3-5]。

图1 联轴节传递动力示意图

联轴节故障类型主要包括润滑油脂泄漏、连接螺栓脱开、鼓形齿和外筒磨损等，联轴节故障严重时将导致不能传递动力，需要重点关注[6-7]。

由于联轴节是高速旋转部件，不适合加装监测设备，是列车监控的盲区。目前联轴节故障大多通过采集牵引电机、齿轮箱等相邻部件的温度及振动信号进行故障监测，监测准确性有待提高[8]。本文通过联轴节故障模拟试验和理论分析相结合的方法，给出了一种高速列车联轴节故障的间接诊断方法，通过采集牵引电机的电流和转速等信号，分析联轴节故障时的特征，从而实现联轴节故障的准确诊断，以提高列车对联轴节状态监测、健康管理的精准度，提高联轴节在线运行安全性，保障动车组列车安全运营。

1 联轴节故障模拟试验

为探索高速列车联轴节故障诊断方法，对某型高速列车联轴节在整车滚动试验台进行联轴节故障模拟试验，以获得联轴节故障运行数据，提取联轴节故障特征。

1.1 试验工况

故障模拟试验过程中，列车接入高压电，通过牵引变压器、牵引变流器等为牵引电机提供电力，牵引电机主动牵引，带动滚动试验台运转，滚动试验台提供反向阻力。试验工况包括加速、匀速和减速等不同工况。试验最高运行速度为350 km/h。故障模拟试验选择1辆车，包含4个车轴，每个车轴都分别对应有1个牵引电机、联轴节、齿轮箱等部件。试验过程中，分别采集同车4个联轴节的牵引电机电流、速度等数据用于联轴节故障诊断分析。

1.2 联轴节故障设置

对试验联轴节进行人为故障设置，包括联轴节半啮合和联轴节无啮合故障。联轴节半啮合故障是通过对联轴节鼓形齿人为打磨，使联轴节啮合间隙增大，但仍能保持联轴节传动功能，以此模拟联轴节鼓形齿磨损的初期故障；联轴节无啮合故障是通过对联轴节鼓形齿人为加工去除，使联轴节内部失去啮合，不能传递动力，以此模拟联轴节鼓形齿磨损的晚期故障、联轴节螺栓连接失效等故障。

2 试验结果与分析

将正常联轴节安装到列车上进行试验，采集牵引电机数据，确定数据分析基线。在运行速度为300 km/h下采集列车4个联轴节对应的牵引电机电流，同时采集列车4个联轴节对应的牵引电机转速，并换算成列车运行速度，为方便叙述，将该速度称为“电机速度”，图2为列车运行速度为300 km/h正常运行情况下同车4台牵引电机的电流和电机速度。由图2可见，这4台牵引电机电流和电机速度保持一致。牵引电机电流和电机速度的一致性也验证了列车设计、制造、运行工况的一致性。同车4台牵引电机、联轴节、齿轮箱、车轴、车轮等部件组成的传动系统设计参数都是一致的，制造工艺也保证了相关部件的参数、性能的一致性，因此在相同的运行工况下，牵引电机的牵引特性基本保持一致，体现在输出牵引电机电流、电机速度也保持一致。

图2 正常情况下同车4台牵引电机电流和牵引电机速度(300 km/h)

将人为加工的故障联轴节安装到列车上，设置了联轴节半啮合故障(2轴)和联轴节无啮合故障(3轴)，1轴和4轴的联轴节为正常联轴节，进行故障模拟试验，按照匀速、加速、减速等不同工况采集牵引电机电流和速度数据，相关结果及分析如下。图3、图4分别为联轴节故障情况下同车4台牵引电机的电流和电机速度。由图3可以看出，在列车运行速度为300 km/h联轴节故障情况下，1轴和2轴牵引电机电流一致，3轴牵引电机电流比1、2轴牵引电机低50%左右，4轴牵引电机电流比1、2轴牵引电机电流高70%左右。由图4可以看出，3轴牵引电机速度比其他轴牵引电机速度高2.4 km/h，而正常轴之间电机速度差值小于0.1 km/h。

图3 联轴节故障情况下同车4台牵引电机电流(300 km/h)

图4 联轴节故障情况下同车4台牵引电机速度(300 km/h)

图5、图6分别为加速工况联轴节故障情况下4台牵引电机的电流和电机速度。由图5可知，1轴和2轴牵引电机电流较为接近，3轴牵引电机电流比1、2轴牵引电机低，4轴牵引电机电流比1、2轴牵引电机电流高。由图6可知，3轴牵引电机速度始终比其他轴牵引电机速度高0.5 km/h，而正常轴之间电机速度差值小于0.1 km/h。

图5 联轴节故障情况下同车4台牵引电机电流(加速工况)

图6 联轴节故障情况下同车4台牵引电机速度(加速工况)

图7、图8分别为减速工况联轴节故障情况下4台牵引电机的电流和电机速度。由图7可知，各轴牵引电机电流较为相近，无明显区别。由图8可知，3轴牵引电机速度周期性地偏离其他轴的电机速度，最大差值为1.3 km/h，而正常轴之间电机速度差值小于0.1 km/h。

图7 联轴节故障情况下同车4台牵引电机电流(减速工况)

图8 联轴节故障情况下同车4台牵引电机速度(减速工况)

综合分析各类工况，由于2轴半啮合联轴节还能保持机械传动，3轴联轴节不能传递动力，因此在各类工况下，2轴牵引电机速度与正常轴都保持一致，而3轴联轴节对应的牵引电机速度却出现较大偏移，偏移量远超过正常轴之间的差距，因此可以通过牵引电机转速偏移来实现无啮合联轴节的故障诊断。

对比各类工况下的牵引电机电流则需考虑牵引电机功率和变流器控制策略。由于2轴半啮合联轴节还能保持传动，因此牵引电机输出功率都是正常的，表现出牵引电机电流正常。而3轴无啮合联轴节因失去传动，3轴负载几乎为零，因此3轴牵引电机电流出现异常。加速和匀速工况下，牵引电机需输出功率，因此这两类工况下电流异常比较明显，而减速工况下牵引电机不输出功率，电流异常不明显。由于3轴和4轴同属一个变流器控制单元，基于变流器恒功率输出原理，在故障模式下，如2台牵引电机出现负荷不均，将导致负荷重新分配，会产生显著的电流变化。电流有效值最大的轴比电流有效值最小的轴的电流将超出10%以上。正常工况下各轴电流有效值差异均在5%以内，故各轴牵引电机电流有效值最大和最小相差的百分比可作为故障评判的主要指标。如果不同轴牵引电机电流有效值差异达到10%以上，则该车有很大可能出现某轴或某几轴联轴节故障，应再通过其他方法进行精确定位。

可进一步通过牵引电机逻辑控制分析联轴节故障时的异常特征。牵引系统根据司控台指令、转速等信息，计算出所需转矩指令。该转矩指令经过黏着控制等进一步优化，并修正为输出转矩，输出转矩是控制系统要求电机输出的转矩。即在牵引工况下，若牵引变流器检测黏着相同，牵引变流器输出的转矩相同，牵引电机牵引数据应保持高度的一致性，在轮轨打滑或者联轴节失效状态下，黏着会根据轮轨黏着状态进行力矩调节，控制系统根据该值进行牵引电机电流控制。

从牵引电机电流控制流程可知，当车辆出现转速异常(联轴节异常引起)后，由于黏着的介入，牵引电机实际力矩会发生变化(空转一般会进行卸力，即力矩减小)，从而导致牵引电机电流的变化。黏着控制软件主要是通过检测速度、加/减速度、蠕滑速度判断各轴空转/滑行情况，并以此为依据进行控制计算调整输出转矩，具体流程如图9所示。

图9 动车组牵引电机电流控制机理图

因此，在联轴节失效状态时，该传动系统的牵引电机-联轴节-齿轮箱-轮对传动链路被中断，牵引电机传动无法通过齿轮箱将动力传输至轮对系统，即故障牵引电机的负载远小于其他牵引电机的负载。因此，在启动和匀速过程中，故障联轴节对应牵引电机转速相对于其他轴会明显偏高且转速变化率高于其他正常轴，此时黏着会进行力矩调节，但是由于该轴负载丢失，在降低力矩后，基本无法恢复正常黏着状态，因此黏着会连续对力矩进行调节，整个调节过程持续到转速不再发生快速变化或牵引力撤销。因此在加速、匀速过程中，故障联轴节对应牵引电机速度较高，电流较低；而减速过程牵引电机不输出功率，因此牵引电机电流较为一致。

3 结论

本文通过联轴节故障模拟试验，采集了加速、匀速、减速等不同工况下的牵引电机电流、转速数据，通过分析发现：

(1) 半啮合联轴节无明显故障特征；

(2) 加速、匀速、减速各工况下，无啮合联轴节对应牵引电机速度与正常联轴节偏差较为显著；

(3) 加速、匀速工况下，无啮合联轴节对应牵引电机电流与正常联轴节偏差较为显著，制动工况无明显故障特征。

因此，可以通过判断牵引电机电流和电机速度的方法实现无啮合联轴节的故障诊断，半啮合联轴节规律不明显时，考虑结合其他故障诊断方式综合判断。相关理论分析也有力支撑了上述试验结果及结论。本研究对联轴节故障诊断和列车安全运营具有重要的意义。