地铁车辆速度传感器的振动测试及故障分析

丁 杰，熊 英

（1.湖南文理学院机械工程学院，湖南常德 415000；2.湖南文理学院国际学院，湖南常德 415000）

0 引言

地铁车辆的速度传感器主要利用光电效应或磁效应等原理，为车辆的控制系统提供运行状态数据。由于速度传感器安装在轮对轴端，应用工况恶劣，其稳定可靠性工作对于地铁车辆的安全运行具有至关重要的作用。

张陆军等[1]介绍了进口与国产化地铁车辆轴端速度传感器的原因及结构。杨丹枫等[2]介绍了进口与国产化速度传感器在广州地铁4 号、5 号线的应用情况，指出日常运营中出现故障频发的原因是速度传感器内部的光敏元件产生位移错位。邱新锋等[3]针对北京地铁14号线正式开通半年后出现的多起速度传感器通道故障进行分析，指出故障与车辆运行区间的路况和轮对磨损程度有关。刘刚[4]从列车控制逻辑角度分析了广州地铁5号线速度传感器的故障产生原因。

本文针对广州地铁5 号线车辆速度传感器信号波动幅度大的问题，开展载客正线运行状态下的轴端和速度传感器的振动测试，分析不同区间段的振动量级以及振动频谱特性与速度波动的相关性，为解决速度传感器故障提供理论依据。

1 速度传感器的故障现象及振动测试

广州地铁5号线大致呈东西走向，全长31.9 km，地下段约29 km，高架段约2 km，共设置24 座车站，除滘口站和坦尾站为高架车站外，其余全部为地下车站。列车采用6 节编组L 型车辆，长106.4 m、宽2.8 m，车体侧面为鼓形结构，具有爬坡能力强、转弯半径小的特点，最高运行速度为90 km/h。

现场应用中发现车辆速度在绝大多数区间段的波动幅度在2 km/h 以内，但在杨箕-动物园、猎德-珠江新城、小北-广州火车站等区间段的车辆速度波动幅度增大，最大波动幅度在4～5 km/h，如图1 所示。车辆速度信息来自车辆轴端速度传感器采集的信号，从车辆速度波动幅度的特点来看，初步判断为车辆轴端的振动过大。

图1 车辆下行和上行的速度曲线

为获得广州地铁5 号线车辆轴端的振动特性，以载客正线运行的104103 车为测试对象，根据现场的振动冲击条件采用B&K 振动噪声测试系统和抗冲击性能优异的三向加速度传感器进行振动数据的采集，振动分析频率为3 200 Hz。三向加速度传感器布置在A104 车和B104 车的轴端及速度传感器端盖上，如图2所示。三向加速度传感器的纵向、垂向和横向分别对应于车体的长度、高度和宽度方向。

图2 轴端及速度传感器端盖的加速度传感器布置

地铁车辆下行从三溪出发，途径东圃、车陂南、科韵路、员村、潭村、猎德、珠江新城、五羊邨、杨箕、动物园、区庄、淘金、小北、广州火车站、西村、西场、中山八、坦尾，终点为滘口。地铁车辆上行从滘口出发，沿下行线返回至三溪，继续途径鱼珠、大沙地、大沙东，终点为文冲。

2 振动量级分析

下面重点分析各区间段振动有效值和最大冲击峰值，确定各区间段的振动量级，并与GB/T21563-2018《轨道交通机车车辆设备冲击和振动试验》（基于IEC 61373 标准的1999 版和2010版修改采用）[5-6]进行对比分析，评价广州地铁5号线各区间段的恶劣程度。

2.1 振动有效值分析

图3 所示为下行和上行各区间段振动有效值，其中的分析频率按照GB/T 21563-2018 规定的3 类车轴安装设备为10～500 Hz。由图可知：（1）各测点垂向振动显著高于纵向和横向，横向振动最弱；（2）GB/T 21563-2018 规定了3 类车轴安装设备对应的纵向、垂向和横向振动标准值分别为17 m/s2、38 m/s2和34 m/s2，垂向和纵向振动存在普遍超标现象，横向振动超标较少，轴箱的垂向振动量级最大值约为标准值2.6 倍，速度传感器的垂向振动量级最大值约为标准值3 倍；（3）按照垂向振动有效值对比，下行时的各区间段的振动恶劣程度是杨箕-动物园最大，A104 车和B104 车的轴端振动有效值分别为91.69 m/s2、96.98 m/s2，速度传感器端盖振动有效值分别为114.75 m/s2、108.23 m/s2，其余依次为中山八-坦尾、区庄-淘金、猎德-珠江新城、五羊邨-杨箕、小北-广州火车站等，上行时的各区间段的振动恶劣程度是动物园-杨箕最大，A104 车和B104 车的轴端测点振动有效值分别为79.21 m/s2、84.02 m/s2，速度传感器端盖振动有效值分别为93.42 m/s2、99.3 m/s2，其余依次为珠江新城-猎德、广州火车站-小北、坦尾-中山八等；（4）按照不同位置加速度传感器的垂向振动有效值对比，B104 车轴箱和速度传感器测点振动有效值普遍高于A104 车，这应与轮对磨损程度有关，速度传感器测点振动强于轴箱测点，这是由于速度传感器的安装方式类似于悬臂结构，会导致由轴箱传来的振动被放大。

2.2 冲击峰值分析

GB/T 21563-2018 规定了3 类车轴安装设备的纵向、垂向和横向冲击最大值均为1 000 m/s2。图4 所示为下行和上行各区间段垂向冲击最大值。由图可知：（1）速度传感器端盖的振动最大冲击峰值高于轴端，与冲击标准值相比，较多区间段存在超标现象；（2）西场-中山八区间段速度传感器端盖承受冲击最大，约为1 200 m/s2，超出冲击标准值近200 m/s2。

图4 下行和上行各区间段的垂向冲击最大值

3 速度波动与振动的相关性分析

3.1 速度波动结果统计

表1 所示为下行时车辆速度波动幅度较大区间段及波动幅度在2 km/h以内的典型区间段振动有效值对比。可见，车辆速度波动幅度较大的区间段振动也较为恶劣，车辆速度波动幅度与路况恶劣程度存在一定的正相关性。

表1 典型区间段速度传感器端盖振动与车速波动幅度

3.2 典型区间段的振动时频分析

选取速度波动幅度2 km/h 以内的三溪-东圃区间段和速度波动幅度较大的杨箕-动物园、小北-广州火车站等区间段进行分析。

3.2.1 三溪-东圃区间段

图5所示为三溪-东圃区间段A104车和B104车轴端垂向振动时频图。在此区间段，车辆速度的变化规律是先加速，再匀速，最后减速，在匀速阶段有2 km/h速度波动幅度，振动也呈现先增加，再稳定，最后逐渐衰减的趋势，并间歇性存在一定的冲击作用。选取此区间段数据进行分析，便于分析轮轨及速度传感器的主要振源。在图中可以看出垂向振动时频图随车辆速度变化呈现明显阶次，并伴随一定冲击和宽频随机激励现象。阶次激励通常与轮对多边形失圆或直线电机有关[7-8]。

图5 三溪-东圃区间段的轴端垂向振动时频

直线电机频率f与车辆速度v的关系可表示为：

式中：T为极距；s为转差率。

对于广州地铁5 号线，T=280.8 mm，s=0.15，当车辆速度为84 km/h 时，可得f=48.9 Hz。直线电机的2 倍频97.8 Hz 与时频图主要激励频率吻合，但各阶次频率并没有明显的基频倍数关系，且未查到关于直线电机阶次振动的文献，图5 中的阶次现象与电机关系不大。广州地铁5 号线的轮对直径约为0.7 m，当车辆速度为84 km/h时，转速约为10.79 r/s，轮对各阶次频率满足转频的倍频关系，图5中的阶次现象与轮对多边形化有关[9-10]。

图6 所示为匀速段A104 车和B104 车轴端振动频谱曲线。可以看出：（1）轴箱和速度传感器测点主要承受的激励源为轮对多边形失圆引起的阶次激励，轮轨冲击，轮轨宽频随机激励（与线路条件有关）；（2）在轨道线路条件较好时，轮对多边形失圆是主要激励源，且失圆对垂向振动影响明显，纵向次之，横向最弱；（3）A104 车轴箱阶次激励频率以转频的9 倍频、8倍频为主，轮对可能发生9 边形和8 边形失圆。B104 车轴箱阶次激励频率转频的9 倍频、6 倍频、8 倍频、7 倍频为主，该轮对可能发生9边形、6边形、8边形和7边形失圆。

图6 三溪-东圃匀速段的轴端振动频谱

3.2.2 杨箕-动物园区间段

图7 所示为杨箕-动物园区间段A104 车和B104 车轴端振动时频。在此区间段，车辆速度先增加至57 km/h 再减速至33 km/h 后匀速行驶一段时间，在匀速区间段的速度波动幅度达5 km/h。尽管杨箕-动物园区间段后半部分的车辆速度低于前半部分，但该部分的路况尤为恶劣，振动明显增加，速度波动和振动存在一定正相关性。由图可以看出杨箕-动物园区间段轴箱及速度传感器测点主要激励来源于轮轨宽频随机激励、轮轨多边形失圆和线路冲击，尤其是在区间段的后半部分，轮轨的宽频随机激励为主要激励，这与线路变化频繁，弯道多、冲击频繁有关。

图7 杨箕-动物园区间段的轴端垂向振动时频

图8 所示为匀速段A104 车和B104 车轴端振动频谱曲线。可以看出50～80 Hz、80～120 Hz的轮轨宽频随机激励幅值较高，过大的振动导致速度波动明显。

图8 杨箕-动物园匀速段的轴端振动频谱

3.2.3 小北-广州火车站区间段

图9所示为小北-广州火车站区间段A104车和B104车轴端振动时频图。在此区间段，车辆速度先增加，再接近匀速80 km/h，最后减速。在速度波动幅度较大的时间段，存在多个冲击现象，振动有效值也较大。

图9 小北-广州火车站区间段的轴端垂向振动时频

图10 所示为匀速段A104 车和B104 车轴端振动频谱曲线。该区间段的轴箱和速度传感器承受轮对多边形激励和连续的冲击作用，导致振动较大。

图10 小北-广州火车站匀速段的轴端振动频谱

3.3 速度传感器故障的解决

广州地铁5 号线车辆采用的是直线电机，速度传感器只能通过轮对的转动采集车辆速度信号，不像其他线路车辆使用旋转电机，通过电机转子的转动速度来获得车辆速度信号，因此广州地铁5 号线车辆速度传感器的应用条件与其他线路车辆相比更加恶劣。从测试获得的振动有效值、振动最大值以及振动频谱特性可知部分区间线路条件不佳、轮对多边形化，尤其是随着车辆服役时间增加，轮对磨损、多边形化、线路老化等会更加凸显，使得轮对及速度传感器振动增加，导致速度传感器信号波动风险增加[11-12]。

为了解决速度传感器的故障，可以从改善速度传感器的内外部条件入手。速度传感器生产厂家可以针对特定的振动冲击条件，在速度传感器内部的光电效应组件处增加减隔振措施，改善其振动环境。线路的使用频次高，而且改变线路轨道状况的工程量大，平时需要加强线路的检修、维护与保养。对A104 车和B104 车轮对进行圆跳动检测，发现轮对多边形失圆的情况明显，重新镟轮后的车辆轴端振动有效值和最大值均在GB/T 21563-2018 标准值范围内，速度传感器的速度波动幅度在1.5 km/h 以内，满足车辆运行的使用要求。因此，随着车辆运营时间的增加，定期开展轮对的检修、维护与保养，减小车辆振动是确保速度传感器正常可靠工作的关键。

4 结束语

本文重点分析了广州地铁5 号线不同区间段振动量级，并选取典型区间段分析轴箱与速度传感器的主要激励源以及速度波动幅度与振动的相关性，得到以下结论。

（1）广州地铁5 号线路况较为恶劣，经与GB/T 21563-2018 标准值对比，轴箱和速度传感器测点垂向和纵向有效值存在普遍超标现象，其中在杨箕-动物园站的垂向振动有效值分别为标准值的2.6 倍和3 倍；速度传感器测点的冲击峰值普遍超标，冲击峰值最高达1 200 m/s2。

（2）随着路况恶劣程度增加，存在连续冲击等作用时，速度波动幅度增大，与振动存在一定的正相关性。

（3）轴箱及速度传感器的主要激振源包括轮对多边形失圆、线路冲击和轮轨宽频随机激励。线路条件较好时，轮对多边形失圆为主要激振源。线路条件较差时，轮轨宽频随机激励及冲击成为主要激振源。

（4）随着车辆运营时间的增加，需要定期做好线路与轮对的检修、维护与保养，减小车辆的振动，确保速度传感器的正常可靠工作。