轨道交通车辆走行部故障诊断系统研究

陈艳鑫

摘要：基于共振基理和共振解调的故障诊断技术原理，实时监测轴箱轴承、齿轮箱轴承、电机轴承、传动齿轮等部件的振动、冲击、温度等数据。以达到实时掌握车辆走行部运营状态，有效降低因走行部机械故障带来的影响运营安全的风险。

关键词：共振;实时监测;冲击;振动;温度

1  系统研究目标

1.1 在线实时监测

车载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。

早期预警和分级报警。

轨道车辆走形部在复杂的机械振动环境下，系统能采集对行车安全有重大影响的不易发掘的机械冲击，将信息传输给车辆中央控制单元，起到早起故障预警提示，同时对故障层级分级别采样存储，以达到合理的安排车辆检修和运用。

走行部的轴承、齿轮、车轮作为转动部件的关键部件。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。

1.2 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，温度检测不仅只是一种“灾难报警”手段，而且还不能发现齿轮、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。

1.2.1 机理分析

系统提供丰富的单样本和趋势分析功能，通过单样本时域、频域分析，可以掌握故障发生机理，趋势分析则可掌握其故障发展规律。

1.2.2 统计分析

系统提供强大的统计分析功能，主要有预警统计、维修统计、故障类型统计、故障型号统计等，为管理层管理与决策提供支撑。

1.2.3 健康管理

主动运维决策系统中通过对监测数据进行自动化诊断分析，给出车辆走行部健康状态（健康、亚健康、不健康）及维修建议，同时提供维修情况输入接口，实现对车辆走行部健康管理。

1.2.4 智能维修

地铁车辆从最早的故障修提升至预防修，在缺乏有效的监测手段下，车辆故障时有发生，造成故障修现状。本系统可实现对走行部关键部位（轴承、齿轮、踏面）故障实时监测诊断报警和输出主动运维指令，在预防修的体制下指导检修人员对隐患部位进行动态维护，减少故障危害。

2  系统研究

2.1 技术原理

基于共振基理和共振解调的故障诊断技术原理，见图1。

通过传感器采集机械运动过程中的冲击、振动、和温度等信息，再经过信号变换、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采集进入嵌入式计算机。故障自动诊断系统软件进行数据分析和诊断，输出故障诊断结论。

2.2 系统架构

系统结构如图2所示，系统由诊断仪、前置处理器、传感器、无线传输终端、地面系统部件、

2.2.1 诊断仪

①收集所有诊断结论与原始样本数据;

②负责将传感器网采集的信号进行搜集、处理、诊断与存储;

③应用故障诊断软件实现实时自动诊断;

④对数据进行对比分析与归类存储;

⑤通过数据下载接口与配套地面系统进行数据连接;

⑥信息输出至显示终端;

⑦将诊断信息通过以太网、MVB输出到TCMS;

⑧接收通过以太网、MVB接收TCMS的控制或状态信息;

⑨将保存的诊断结论、样本数据使用车辆的无线链路传输到地面系统。

2.2.2 前置处理器

前置处理器统一管理设置范围内的传感器，完成传感器采取的信号预处理，并与车载诊断仪交互通信相关数据信息。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负责将传感器网络传输的模拟（振动、冲击）信息进行信号切换与路由;③将温度信息和其他数据模拟数据通过车辆总线传输到车辆分机。

2.2.3 传感器

复合传感器将温度、冲击、振动等多个物理量采集模块集成为一体式受感部件，集成式一体安装在轴箱体、牵引电机和齿轮箱上。

2.2.4 无线传输终端

无线数据传输终端是实现无线数据传输、报警信息输出、走行部检测状态查询、轮轨监测模式切换的装置;可以使车载系统的数据实时自动的传递到车辆段地面系统，减少检修人员在车辆回库后使用维护下载器上车转储数据的工作。

2.2.5 地面系统部件

地面系统部件包含维护下载器，走行步地面分析软件及地面系统服务器。

①维护下载器用于TDS的调试和日常维护。

②走形部地面分析软件用于自动对“车载实时数据、地面服务器中存储的历史数据、地面服务中存储的案例数据”三类数据进行故障推理和机理诊断，對隐患进行危害程度辨识，实现走行部健康状态评估，基于对故障的预测和维修时机的预判，形成主动运维决策指令并发送至车辆维护支持应用服务器，准确指导车辆运用维修。

车辆维修作业完成后，作业人员将维修情况录入配套客户端，配套客户端将维修情况同步至车辆维护支持应用服务器，由车辆维护支持应用服务器将维修信息传输至主动运维决策系统，形成车辆故障维修闭环。

③地面系统服务器用于地铁车辆走行部地面分析管理软件部署，集中存储车载离线数据，是提供健康管理的硬件设备。（图2）

3  數据通讯

3.1 车载系统在线输入数据

车载系统在线输入数据一般是车辆的系统状态和运用信息，由TCMS通过以太网或者MVB发送给车载系统。标准的输入数据有车速、有效载荷、车辆轮径、累计里程、上一站ID、下一站ID、当前站ID、时间等。

3.2 车载系统在线输出数据

车载系统在线输出数据用于保障车辆的在线安全运用，该数据一般以信号的方式通过以太网或者MVB输出到TCMS，主要包含轴承、踏面、齿轮的报警，测温数据、传感器和诊断仪等系统自身故障。

3.3 车载系统离线数据

车载系统离线数据是走行部、轨道的单日故障趋势，需要定期通过车载局域网或者维护终端转储到地铁车辆段的地面系统中;车载系统离线数据主要包含趋势数据、故障统计、故障特征样本、报警样本、钢轨波磨样本等，离线数据按天为单位打包，每天一辆车的元数据约6MByte。

3.4 走行部健康管理数据

走行部的健康管理数据是地面系统使用集中的车载系统连续数据进行统计、对比分析，形成走行部和走行部监测设备的健康管理数据。健康管理数据主要包含车辆健康状态、轮轨健康状态、车辆维修建议、轮轨维修建议和系统自身维护建议等，健康管理数据可以依据实际的运用场景和需要进行具体的调整。

4  结论

①本系统实现轨道交通车辆走行部状态监测、运营安全保障和自动运维决策等功能，为降低轨道车辆因走行部故障给运营安全和准点率带来的风险。②轨道车辆走形部在复杂的机械振动环境下，系统能采集对行车安全有重大影响的不易发掘的机械冲击，如电机、联轴节、齿轮箱等轴承关键部件的早期失效。将信息传输给车辆中央控制单元，起到早起故障预警提示，同时对故障层级分级别采样存储，以达到合理的安排车辆检修和运用。③地铁车辆从最早的故障修提升至预防修，在缺乏有效的监测手段下，车辆故障时有发生，造成故障修现状，通过应用本系统，可以实现对走行部关键部位（轴承、齿轮、踏面）故障实时监测诊断报警和输出主动运维指令，在预防修的体制下指导检修人员对隐患部位进行动态维护，减少故障危害。

参考文献：

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[2]GB/T 51306-2018，工程振动术语和符号标准[S].

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