城轨车辆转向架裂纹的广义共振诊断技术

王 智 黄贵发 陈 湘 唐德尧

(北京唐智科技发展有限公司 北京100097)

裂纹是转向架的常见故障之一，而转向架是车辆最重要的部件之一，转向架裂纹如不能及时发现和处理，将导致脱轨等大型事故，后果不堪设想。但是，对于转向架这种大型的不转动的运动机械，当工作时既有低频的、大幅的、小加速度的非周期性的整体振动，又有宽频的、小幅的、大加速度的局部振动，甚至在有局部或整体的断裂、裂损时，在振动的诱发下会产生冲击，这种分散的故障信息给检测带来了很大的困难。

目前国内外还没有比较有效的在线监测方式来及时发现这类故障，仅依靠探伤、人工目测等静态方式定期检测。韩国2011年5月份的“KTX-山川”列车召回事件［1］，起因就是因为在定期检修时发现转向架存在裂纹，导致“现代Rotem”方面对此类型列车全部实施召回。而在国内也出现了大面积构架裂纹故障，北京就曾出现横梁漏气后发现构架裂纹的重大安全隐患，后续经过磁粉探伤检测出大批构架存在裂纹故障。

1 基于广义共振的构架裂纹动态识别技术

我国在转向架等大型不转运动机械裂纹的在线自动诊断方面进行了长期的探索，取得了一定的成果，但大部分不能实现在线检测［2-3］，即使有的能实现在线功能，也需要对模型进行训练，属于模糊诊断，对故障程度不敏感;同时训练模型是否具有代表性、广泛性，将直接影响故障决策的结果［4-8］。本研究提出了基于广义共振的构架裂纹动态识别技术，其检测原理主要是利用振动与冲击对积函数，检测转向架梁的弯曲等振动，引发已有裂纹发生与振动频率(特别是中梁的广义共振频率)相同、波形对应的开、闭冲击的现象，借以识别裂纹，并根据故障程度实现在线分级报警。

1.1 故障表现

如果机械上没有断裂部件，则呈现出整体(随机低频)振动的特征。它们的主要表现是:不同部位在同一方向的振动是同步的、不分离的，或者说，在任何时刻，它们的振动方向相同。

如果机械上出现了断裂部件，则裂开的两部分就有条件产生异步运动，断裂处就会出现冲击。在断裂部件一侧的振动与冲击就具有同步性(因为冲击是振动诱发的);而断裂部位两边的振动信号，就有条件出现相位异步(反相)［9］。

利用这种特征，就可以通过同/异步分析来识别故障。

1.2 对积函数

对于同步、随机、非周期振动信号，将其转化成几乎全部样本长度都等于1、-1，或大多数等于1、-1的分析结果，来大幅度地提高同步、反相等信息的识别可靠性，这就是对积函数。

假设两个时间函数为A(t)、B(t)，则对积的结果C(t)为

对积是对于两个函数在同步采样的特殊条件下的相关性的考察。为了方便统计，可以将对积数组量化为1、0、-1的“量化对积”，便于归一化统计

其中LC(t)表示“量化对积”。可见:同一信号的对积结果等同于绝对值检波，而量化对积结果几乎全是1;同步信号的对积为正向脉冲群，量化对积结果几乎全是1;异步信号的对积为正负随机交替脉冲群，量化对积结果为1、0和-1。

断裂部位两边的振动信号的对积为突发的负脉冲群，表示突然出现反方向振动特征，而对应量化对积结果几乎全是-1。同样，用对积考察振动信号与冲击信号的同步性，加上转向架的结构模态分析，能够判断出转向架是否存在裂纹［10］。

某型城轨车辆转向架的中梁存在一端相对另一端的弯曲振动模态(见图1)，模态频率为36.4 Hz。该模态对应的振型是左右纵梁呈现剪刀差式振动，尤其在车辆运行于弯道时，该振型是轨道产生波浪纹磨耗的原因之一。该振型与轨道波浪纹磨耗相互作用，可使横梁振动加剧，增大横梁下方出现裂纹的几率。

图1某型城轨车辆转向架振动模态

图2 是该型号某辆车的中梁振动与冲击同步检测的信息(传感器安装在梁下方)，负振幅对应加速度为正时的下弯，裂纹张开，为正对积。正振幅对应加速度为负时的上弯，裂纹闭合，为负对积。

图2 中梁振动与冲击同步检测信息

对积的这一鲜明特征为转向架裂纹的在线诊断提供了有效的自动判断方法。

2 应用效果

针对北京地铁1号线SFM04车辆构架出现的电机吊挂裂纹现象，在四惠车辆段试车线进行了转向架裂纹监测试验，对某构架3、4轴同时检测，图3、图4分别为3轴和4轴数据的自动分析结果。各图中中间部分为相对积分析结果:蓝色为x模态，36.39 Hz;绿色为y模态，52.72 Hz;紫色为z模态，59.43 Hz。各图下半部分为报警结果:红色区域为二级报警，黄色区域为一级报警，棕色为预警。图3、图4的分析结果表明:图3(a)(3轴横梁电机传动端)存在一级报警和二级报警，裂纹特征较为明显，裂纹冲击主要集中在x模态(36.39 Hz)和y模态(52.72 Hz)。

对于上述自动分析统计的归纳如表1所示。

表1 3、4轴报警情况统计 次

图5是3轴(167号样本)预警原始数据，数据点在700到1 100的区间内出现了一簇强冲击，且振动很强。图6是3轴167号样本的局部展开图，冲击与振动具有很好的对应关系。从图5、图6的波形特征及上面自动诊断的统计归纳可以确认3轴横梁存在裂纹，而车辆段人工核查的结果与诊断发现的故障位置相符，进一步确认故障位于3轴横梁的传动端。

图3 3轴裂纹监测试验结果分析

图4 4轴裂纹监测试验结果分析

图5 3轴167号预警样本

图6 3轴167号样本的局部展开数据

3 结语

基于广义共振的构架裂纹动态识别技术，通过识别广义共振与它所引发的裂纹开闭冲击之间的关联性来实现故障报警，可以避免学习型诊断技术对训练模型的依赖，有效地丰富了大型非旋转运动部件的在线诊断技术。同时，该技术的在线分级报警能力允许车辆在不危及行车安全的前提下跟踪和研究裂纹故障的发生、发展过程，可以为运用部门合理调度、修程安排等提供依据，具有广泛的应用推广前景。

［1］韩国产列车事故频发 韩铁路当局要求制造商实施召回［EB/OL］.(2011-05-12)http://world.huanqiu.com/roll/2011-05/1686945.html.

［2］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.

［3］赵玉其.客车转向架故障监测地面综合诊断的研究［C］.第八届中国国际现代化铁路装备技术交流会暨中国铁道学会年会论文集.北京:China Academic Journal Electronic Publishing House.2007:219-224.

［4］徐礼，贾万青.X1K型集装箱专用平车转向架故障原因分析及建议［J］.铁道车辆，2009(11):41-42.

［5］申宇燕，康熊，刘峰.基于HMM的客车转向架故障诊断与应用［J］.铁道机车车辆，2006(4):24-25.

［6］孙惠琴.基于粗集的转向架故障诊断研究［J］.铁道机车车辆，2007(4):4-5.

［7］刘峰，黄强.基于旅客列车安全监测系统与神经网络的走行部状态监测研究［J］.铁道机车车辆，2003，23(2):57-59.

［8］赵福军.转K2型转向架侧架立柱磨耗板裂纹的原因分析及改进建议［J］.铁道机车车辆.2007(5):60-61.

［9］唐德尧.广义共振、共振解调故障诊断与安全工程:城轨交通篇［M］.北京:中国铁道出版社，2013:372-375.

［10］唐德尧，黄贵发，王智，等.一种构架裂纹监测方法及其监测装置［P］.中国专利，CN201110026708，2012-09-12.