基于振动信号的轨道波磨故障监测方法研究

艾士娟，魏志恒，乔文生，戴源廷，曹永辉，王 雪，丁 斐，张凤香

（1.北京航天拓扑高科技有限责任公司，北京 100176；2.中国铁道科学研究院集团有限公司城市轨道交通中心，北京 100081；3.中国模具工业协会，北京 100044）

0 引言

城市轨道交通具有曲线多、轨道型式多、车辆频繁加减速等特点，这种交通特征导致钢轨波磨故障成为城市轨道交通的主要问题，影响着轨道交通运营安全及设备养护维修效率。国内外对机车车辆及轨道的运维管理已逐步从计划维修向预知维修变革。通过预知维修发现设备的早期故障隐患，准确而及时地开展运维管理具有3 个优点：①确保车辆运营安全；②精准维修避免了由于故障扩大造成“欠修”或施加不必要的维修而造成“过修”，从而提高维修效率并实现经济维修；③准确的运维管理可以满足铁路运营日益提高的管理要求，确保车辆及轨道系统在高标准的状态下运行，从而提高车辆运行的平稳性和舒适性。

通过高效的动态检测，判别车辆及轨道的状态，并为预知维修提供科学的依据，及时动态精确评价轨道状态的发展趋势，这是目前铁路运营、特别是城市地铁运维管理的实际需求。

1 技术可行性

轨道波磨可分为短波、中波和长波三类，短波是指波距30～100 mm 的波磨，中波是指波距100～300 mm 的波磨，长波是指波距300～1000 mm 的波磨。由于城市轨道独有的特点，其钢轨波磨种类及特征与大铁路不同，以100 mm 以下短波波磨为主。轨道几何检测系统的检测波长一般在3～120 m，难以评判焊接接头、波磨等轨道短波病害对铁路轨道—车辆系统运行安全性和舒适性的影响，需要研究新的动态检测手段。

由于列车轴箱直接与轮对连接，轨道波磨产生的振动通过轮对直接传递到轴箱上，因此轴箱的振动加速度可直接反映轨道短波不平顺状态。利用轴箱加速度诊断轨道短波病害是新的发展方向和科研趋势。1999 年，Roppongi M.等人[1]提出了一种利用轴箱垂向加速度检测钢轨波磨的方法，给出了滤波频带范围，实现了钢轨波磨的定位。Coudert F.[2]提出了一种用轴箱加速度来估计轨道与钢轨几何病害的方法，这种方法对于确定低频或高频的病害具有很好的效果。2004 年，Sunaga Y.等人[3-4]利用轴箱加速度诊断了新干线上的轨道短波不平顺，同时对小半径曲线上钢轨接头的平顺性进行了评判，最后指出由于不同类型的轨道短波病害引起的响应有所差异，对轴箱加速度频率范围进行划分，可能会探测到轨面粗糙、钢轨波磨、轨枕松动等短波轨道病害，应该分别设定不同的滤波范围对轴箱加速度进行监测。

采用轴箱加速度信号监测诊断轨道短波波磨病害具有以下优点：

（1）在轨道波磨病害早期即可进行诊断。

（2）可以更直接地反应轨道车辆系统振动情况。

（3）轴箱加速度传感器等检测设备易于安装维护。

（4）与既有的轮轨力检测系统相比，由于可以安装在普通的运行车辆上，因此更加经济实用。

2 监测方法研究

首先选择状态良好的轮对作为载具，在其轴箱上安装加速度传感器，通过离线采集系统采集不同线路、不同运行速度下的左右轴箱的加速度信号，目的是分析并评价该信号一般分布在什么频率区间内，便于设置专用监测系统的采集频率。经试验确定采集频率为2000 Hz，加速度传感器频响范围确定为0.5～100 00 Hz，采集板卡具有8 路以上同步振动采集通道和1 路转速通道，可以采集转速脉冲传感器输出的脉冲信号。

对于波磨故障的识别，需要从可能的振动信号进行相应的推导。以地铁列车为例，车轮直径一般在820～840 mm，车速≤80 km/h，当车速在5～80 km/h 时监测并诊断，而当车速低于5 km/h 时，只监测但是不予波磨诊断，当波磨长度在30～100 mm 时，振动频率在15～740 Hz。如果车轮存在扁疤等故障时，将出现车轮每转1 周与钢轨发生1 次或多次（多个扁疤）碰撞，其频率在1.5～100 Hz，可见车轮扁疤或擦伤故障与波磨故障的频率有相当一部分是重合的，因此进行波磨故障分析时应选择轴箱轴承及车轮状态良好的轮对作为载具，避免故障频率重叠而造成波磨故障识别错误。严格地讲，这两种故障是可以区分的，其原因是车轮扁疤形成的振动频率随转速变化而变化，且稳定存在，而由于波磨故障造成的振动频率分量仅在有故障时出现，线路良好时则不会出现该振动频率分量。

为此，设计并构建一套波磨监测系统硬件，定制灵敏度为50 mV/g，频响为0.5～100 00 Hz 的加速度传感器，设计前端信号处理箱，将2 路、4 路或8 路加速度传感器信号汇总至前端信号处理箱，并通过信号电缆传输至位于车厢内的采集分机。设计专用ATOP-BM 车辆采集分机，该采集分机具备8 通道振动信号同步采集及转速脉冲采集功能，在具备可编程定频采样功能的同时，可以通过转速脉冲控制振动采集频率，实现转速跟踪采样，采集分机设计以太网接口，通过以太网接口与波磨监测主机连接。波磨监测主机采用工业级低功耗电脑，安装专门研发的数据采集及诊断软件，用于数据的采集及记录。系统的拓扑图如图1 所示。

图1 波磨监测系统拓扑图

监测系统的关键是波磨的识别与波磨深度的计算。根据波磨产生时轴箱垂向振动的特点，首先对采集信号进行15～740 Hz的数字滤波，然后对信号进行移动峰值计算，形成新的序列，再进行傅里叶变换，求各频率分量。具体步骤如下：

（1）对原始信号进行15～740 Hz 的数字滤波。

（2）求步距为10 点的移动峰值：

生成新信号序列，求最大值ap10max。

（3）经傅里叶变换，求得幅值最高的频率分量fi。

（4）求基于转速的经验系数：

式中，v 为行车速度，km/h。

（5）求波磨的深度：

式中，fi取15～740 Hz 内的值，mm。

图2 数据案例

3 结论

经多条线路的实测分析及对比，通过轴箱振动加速度信号可以快速检测轨道的波磨状态，准确地计算出波磨的深度，对提高轨道波磨病害的识别及运维管理可以起到积极的作用，可以作为轨道波磨病害监测的动态工具应用。