关于走行部车载监测装置在机车数据分析应用中常见问题的探讨

蒋福才,康等连

（中国铁路兰州局集团有限公司兰州车辆段，甘肃 兰州 730000）

关键字:机车；走行部车载监测装置；牵引电机；共振解调；数据分析

1 概述

牵引电机是机车传动装置驱动单元的重要部件之一，为机车运行提供动力的装置。牵引电机的转子通过轴承支撑进行转动，牵引电机传动系统在机车上将牵引电机的扭转力矩通过齿轮装置传递到车轴上，使机车实现加减速。牵引电机轴承的安全关系到整个列车的安全运行。牵引电机轴承在长时间转动的情况下由于震动因素产生轴承故障冲击，直接威胁着机车走行部安全，是机车走行部常见的故障之一。

2 JK11430 机车走行部车载监测装置及共振解调技术原理

JK11430 机车走行部车载监测装置是一种车载安全监测及保障设备，它能够对机车走行部的轮对踏面、齿轮、轴承的状态及其质量和轴温进行在线监测与自动分析诊断。

2.1 JK11430 机车走行部车载监测装置

JK11430 机车走行部车载监测装置是JK00430机车走行部车载装置的换代产品，是为了保障铁路机车及车辆（和谐型机车、高铁、动车组、CR200J 型动车组等）安全运营而研制的在线车载动态实时监测装置，可对走行部轴承、齿轮、踏面等故障进行诊断和预警。该装置由主机、复合传感器、前置处理器、传输线缆等组成，能够将冲击振动信息和温度信息由复合传感器转换为电信号，经传输线缆、前置处理器传输到装置主机，并将信息进行储存和自动分析。若有故障，则通过机车6A 显示屏向司乘人员进行报警提示。另外，装置储存的数据还可通过主机的数据下载端口或通过网络无线传输到机务段地面管理计算机上进行故障分析，为检修提供依据[1]。

2.2 共振解调技术原理

JK11430 机车走行部车载监测装置工作原理的核心技术是共振解调技术。通过传感器及电路的谐振，使故障的冲击振动与谐振器发生共振，以便将故障冲击引起的谐振器自由衰减振动放大，并利用解调技术将故障信息提取出来后进行频谱分析。用以诊断机车轮对踏面、轴承、齿轮故障。对牵引电机轴承进行实时监测，当轴承内环、外环、滚子、保持架等有故障或者缺陷时能够发出预报警信息，能对轴承温度进行实时监测。

机车轮对踏面、轴承、齿轮出现故障后，其引起的冲击振动所含的频率很高且幅度较小、宽度较窄，故障通过多个部件传递后，振动能量损失很大，且由于其他机械振动的干扰，直接做冲击振动频谱分析将不能成功监测到故障，甚至可能会导致漏诊。共振解调技术不是直接分析振动信号的频谱，而是设置一个谐振频率远远高于常规振动频率的“共振器”，去处理振动信号；常规的、不危害机器安全的振动（如钢轨的高低起伏引起的机车振动）是柔和的，不含有“共振器”频带内的频谱分量，共振器没有与之相关的输出；而故障冲击不论多么小，也含有几乎无限丰富的高频能量，能够被共振器吸收发生共振，就像摇晃车轮不响，而轻轻敲击车轮却能发出很大的声响一样，“共振器”能够敏锐地提取、变换冲击信息[2]。

故障冲击振动信息经传感器检测及电路谐振，得到放大的周期性高频衰减振动。而这些周期性冲击正是解调技术寻找和测量的目标，通过解调技术获得冲击的幅度和频率（冲击间的周期），并将故障引起的冲击加以放大和展宽，再将放大后的高频信号还原到低频信号以利于分析，同时滤掉其他振动和干扰。这样，获得的时域波形中就只有故障冲击振动信息，对其作频谱分析就可得到与故障冲击周期相对应的频率成分及其高次谐波。

共振解调技术能有效地剔除“干扰”，提取走行部的故障冲击信号，且由于走行部部件特定的故障对应着特定的频率，可通过对共振解调波及其频谱的分析，就能方便地识别走行部各部件的故障。

3 牵引电机轴承常见故障及在JK11430装置中的特征波形

轴承常见的故障有轴承内外环剥离，轴承保持架磨损、变形、断裂，轴承滚子剥离等。轴承故障对机车走行部的安全构成直接危害，当机车牵引电机轴承故障时如果处理不及时，极大可能会造成轴承固死。HXD1D、FXD1-J 型机车自配属上线运行后，分析JK11430 数据存在多起牵引电机轴承波形异常信息，通过解体检查发现牵引电机轴承存在真实故障，对机车、CR200J 型动车组的正常使用、生产组织等带来了极大困难，严重影响生产运营。

3.1 HXD1D 型机车牵引电机传动端轴承常见故障及特征波形

HXD1D 型机车牵引电机传动端轴承故障主要表现在轴承滚子剥离、内外环剥离等，下面以HXD1 D0600 机车12 位轴承为例。

HXD1D0600 机车回段分析JK11430 数据12位存在轴承故障波形，由于该型机车配属以来未产生过2 位轴承故障信息，在兰州车辆段的数据分析史上始终是一项空白，为了更好地验证此次故障的真实性，故对该机车的第一齿轮箱油及2 位的传感器进行更换后调整机车交路进行盯控运行。

该机车前期12 位的故障波形表现为轴承滚子故障，如图1、图2 所示。

图1 轴承滚双、滚单故障三阶谱

图2 轴承、轴承滚子故障三阶谱

根据轴承滚单、滚双冲击数据可知，轴承滚单冲击在46 dB 左右且呈连续冲击趋势，轴承滚双在40 dB 左右呈间断性冲击趋势，冲击数据如图3 所示。

图3 轴承滚单、滚双冲击数据

经过跟踪，机车运行回段后分析JK11430 数据，该点位发生了报警信息。为了更好地验证轴承故障是否存在，为以后的故障判断奠定基础，在考虑行车安全的前提下，通过解体电机轴承发现轴承滚子表面磨损、外环滚道磨损如图4 所示。

图4 轴承滚子表面磨损、外环滚道磨损

3.2 HXD1D 型机车牵引电机非传动端轴承常见故障及特征波形

HXD1D 型机车牵引电机非传动端轴承故障主要表现在轴承内外环剥离、保持架、球形滚子表面磨损等，下面以HXD1D0319 机车35 位轴承为例。

HXD1D0319 机车运行回段分析JK11430 数据发现，该机车存在35 位轴承预警信息。从数据波形上可以判断出是保持架对外环的冲击，但保持架对外环的冲击在数据分析史上是很少见的故障。由于该型机车牵引电机非传动端轴承采用的是深沟球形轴承，对数据分析人员的判断较为困难，为了验证轴承故障的存在，对该机车35 位进行了补油处理后短交路盯控运行。当机车运行回段后产生了更多的轴承预警信息，同时分析冲击趋势和温度[3]，有明显的上升趋势，将该机车牵引电机非传动端轴承解体发现轴承保持架严重磨损，保持架兜孔变大，轴承滚子磨损且油脂变色。

HXD1D0319 机车3 轴5 位故障波形如图5 所示。

图5 保持架故障三阶谱

根据轴承保持架冲击数据可知，轴承滚单冲击超过44 dB 且呈连续冲击趋势，冲击数据如图6 所示。

图6 保持架冲击数据

同位温差对比，3 轴5 位温度明显高于其他轴位，比1 轴5 位、2 轴5 位、4 轴5 位均高20 ℃且有温度持续偏高现象，温度进一步证实了该轴轴承故障的存在。

3.3 FXD1-J 型机车牵引电机传动端轴承常见故障及特征波形

与HXD1D 型机车相似，FXD1-J 型机车牵引电机传动端轴承故障主要表现在轴承滚子剥离、内外环剥离等，下面以FXD1-J0023 机车3 轴2 位、2 轴2 位轴承为例。

2019 年6 月7 日，CR200J1-2005 动车组（动力车：FXD1-J0023）入库检修，数据分析人员分析动力车走行数据发现3 轴2 位内环故障波形明显、三阶谱呈现。基于此类故障在CR200J 型动车组上首次发生，且为了运行安全考虑，将此车调入库更换第3轴驱动，故障电机发送回厂进行拆解检查，经检查发现3 轴2 位内环有1 处较大剥离。同时2020 年2月7 日，此车入库后，JK11430 数据分析发现动力车2 轴2 位同样出现内环故障波形明显、三阶呈现，故障波形与前期3 轴2 位相似。为了更好地验证故障的真实性，更换第2 轴驱动，将故障电机发送回厂进行拆解检查，经检查发现2 轴2 位轴承内环剥离严重，存在断裂脱落风险。

FXD1-J0023 机车3 轴2 位、2 轴2 位故障波形及解体检查如图7-10 所示。

图7 3 轴2 位三阶谱

图8 2 轴2 位三阶谱

图9 3 轴2 位轴承内环剥离

图10 2 轴2 位轴承内环剥离

4 牵引电机轴承故障处理方法的探讨

由于牵引电机使用的是交流电机，在运行中产生较大的电磁干扰，对JK113430 机车走行部车载监测装置数据采集干扰较严重，在数据分析过程中不容易分辨故障波形，给现场作业带来了极大的困扰，经过大量数据分析及现场解体情况来看，当机车牵引电机发生报警信息时，可以借鉴以下处理方法。

4.1 牵引电机传动端轴承报警

当牵引电机传动端轴承发生预报警信息或者有故障波形时，一是通过数据判断是否存在干扰，如有干扰，更换传感器后短交路盯控运行。故障未消除时建议更换齿轮箱润滑油后继续短交路盯控运行，若出现冲击报警且冲击趋势连续，轴承故障波形清晰，则更换牵引电机传动端轴承。二是如若无干扰，分析数据冲击趋势连续，轴承故障波形清晰，则更换牵引电机传动端轴承。

4.2 牵引电机非传动端轴承报警

当牵引电机非传动端轴承发生预报警信息或者故障波形时，一是对该牵引电机非传动端轴承进行补油处理，调整机车短交路盯控。若后续产生冲击报警信息，则建议更换电机轴承。二是对电机轴承补油处理盯控完毕后未产生报警信息，则继续盯控温度及冲击变化趋势，后续如若出现轴承温度升高并故障冲击趋势上升，则建议更换电机轴承。

5 小结

随着国家铁路建设的迅速发展，生产力布局调整，“长交路、轮乘制”成为我国铁路机车、动车组运用的普遍趋势，单程不停车长交路运行距离远远超过了3 000km，以前的机车、动车组检修方式已经不适应于当前运用方式的需求，需要更高的科技手段来保驾护航。JK11430 机车走行部车载监测装置对不易诊断、测量、检查的故障能够实时动态监测，这是对走行部故障进行预防维修、提前维修的有力支持，在避免漏修失修的同时也避免了过度维修，为机车、动车组状态维修创造了条件，运行安全得到了有效保障，对铁路运营秩序的稳定提供了有力的保证。