动车组齿轮箱异常振动监控数据分析

付时瑞 卜 峰 吴艳鹏 曹 琦 陆东宇 崔健东

(1. 中车长春轨道客车股份有限公司检修运维事业部， 130062， 长春；2. 中车长春轨道客车股份有限公司国家轨道客车工程研究中心， 130062， 长春∥第一作者， 工程师)

高速铁路车辆是多自由度复杂动力学系统[1]的集合，其中，车辆的牵引动力传动系统由牵引电机、万向轴、齿轮箱及动轴轮对组成。在实际运营中，由于车辆加减速、线路不平顺，以及动力系统本身等原因，车辆局部或整体产生异常振动。本文以某型号动车组TDDS(列车振动监控系统)监测到的异常振动信息为例，结合数据分析方法，对监测数据进行分析，得出该型号动车组齿轮箱异常振动的故障点。

1 动车组列车振动监控系统

1.1 TDDS报警阈值设置

动车组TDDS由振动监控主机、牵引电机振动传感器及齿轮箱振动传感器组成，具有数据采集、传输、处理及显示等多种功能[2]，通过TCMS(列车控制与管理系统)的MVB线(多功能车辆总线)进行数据通信。运行环境中振动是多个频率组成的复杂振动信号[3]。采用TDDS实时监测电机端与齿轮箱端的振动加速度，每5 s的振动加速度处理后得到1个振动加速度特征值，若连续10个振动加速度特征值超过相应的阈值则产生对应的报警。报警阈值则是通过分析车辆模拟振动数据及车辆运行数据得出，具体设置如表1～2所示。

表1 齿轮箱监测点振动特征值报警阈值设置Tab.1 Warning threshold setting of vibration characteristic value at gearbox measuring points

表2 电机监测点振动加速度特征值报警阈值设置Tab.2 Warning threshold setting of vibration acceleration characteristic value at motor measuring points

1.2 万向轴预报警逻辑

万向轴动不平衡故障的预警、报警逻辑采用时域和频域相结合的方法进行判别。在时域(以传感器采集的振动数据时序排列)上，判断齿轮箱是否存在振动异常；在频域(以传感器采集的转频幅值数据时序排列)上，对万向轴转频幅值进行判断。时域和频域是“与”的关系，同时超过阈值才判断万向轴动不平衡超标。电机端万向轴动不平衡的预、报警逻辑采用振动加速度时域特征值进行判别，在时域上直接判别万向轴转频幅值是否超界，以此判断万向轴是否存在动不平衡故障。

TDDS的监测功能需要结合速度信息进行判别。当列车运行速度大于等于100 km/h时，需进行万向轴动不平衡监测。速度信号来源于列车TCMS的各车电机速度信号(电机转速与万向轴转速一致)。万向轴振动预、报警逻辑框图如图1所示。

图1 万向轴振动预、报警逻辑图Fig.1 Preliminary waring logic diagram of cardan shaft vibration

2 动车组TDDS数据分析

2.1 动车组预警时刻TDDS数据分析

对某型号动车组4车1位端及4车2位端电机监测点数据进行分析，其振动加速度时域特征值随列车运行速度的变化曲线如图2所示。图2中标注的加速度预警即为4车2位端电机监测点产生加速度预警的时段，该时段电机监测点的振动加速度特征值如表3～4所示。自检文件预报警时刻截图如图3所示。

2.2 动车组车体振动加速度特征值对比分析

由于振动加速度特征值随着列车运行速度的变化而变化，因此为了更好地进行不同位置的横向对比，对测点的振动加速度特征值做了进一步的统计分析。在统计分析时，选择每个测点全天特征值中符合当前运行速度要求的特征值，进行算术平均值计算，根据该算术平均值进行不同位置的对比分析。

图2 动车组4车电机监测点振动加速度时域特征值曲线Fig.2 Time-domain eigenvalue curve of vibration acceleration at EMU 4-vehicle A end motor measuring points

表3 4车2位端首次加速度预警时刻电机监测点振动特征值统计Tab.3 The first preliminary acceleration waring of vibration characteristics at 4-vehicle A end motor measuring points

表4 4车2位端第2次加速度预警时刻电机监测点振动加速度特征值统计Tab.4 The second preliminary acceleratgion waring of vibration characteristics at 4-vehicle A end motor measuring points

对某型号动车组2020年1月8日至2020年2月6日期间4车各测点在速度为210～250 km/h范围内的特征值进行统计，并计算其平均值，结果如表5～6所示。

图3 自检文件预报警时刻截图Fig.3 Screenshots of self-inspection document warning times

从表5～6中数据可以得出，齿轮箱监测点和电机监测点在4车2位端采集到的振动数据均较大。由此可见，4车2位端电机监测点的振动明显大于4车1位端电机监测点的振动。

表5 4车1位端电机监测点振动加速度特征值统计Tab.5 Vibration acceleration characteristics statistics at 4-vehicle B end motor measuring points

2.3 齿轮箱和电机振动加速度特征值趋势分析

选取2019年12月11日至2020年2月6日期间4车各测点在210～250 km/h速度范围内的振动加速度特征值，并分别计算齿轮箱振动加速度时域特征值、齿轮箱振动加速度频域特征值及电机振动加速度时域特征值，结果如图4～6所示。

图4 齿轮箱振动加速度时域特征值变化曲线Fig.4 Temporal characteristics variation acceleration curves of gear box

图5 齿轮箱振动加速度频域特征值变化曲线Fig.5 Frequency domain characteristic variation curves of gear box

图6 电机振动加速度时域特征值变化曲线Fig.6 Temporal characteristics variation acceleration curves of motor vibration

通过观察图4～6可以看出,4车1位端齿轮箱及电机测点的振动加速度特征值无增大趋势，保持平稳状态；4车2位端齿轮箱及电机测点的振动加速度特征值存在明显的上升趋势。

3 齿轮箱测点的振动加速度频谱值计算

选取预警时刻数据代入式(1)及式(2)，分别计算预警时刻万向轴转频及齿轮啮合频率，从而得到当前时刻齿轮箱监测点的振动加速度频谱值。

表6 4车2位端电机监测点振动加速度特征值统计Tab.6 Vibration acceleration characteristics statistics at 4-vehicle A end motor measuring points

万向轴转频和齿轮啮合频率分别为：

(1)

fn=fwnz

(2)

式中：

fw——万向轴转频,Hz;

fn——齿轮啮合频率,Hz;

v——列车运行速度，km/h；

d——轮对直径，m；

i——齿轮传动比；

nz——锥齿轮齿数。

齿轮箱监测点振动加速度频谱如图7所示。根据MPU(中央控制单元)记录预警时刻列车运行速度为244 km/h。将其代入式(1)和式(2)可得，万向轴理论转频为56.4 Hz，齿轮理论啮合频率为1 524 Hz。结合电机监测点的振动数据，判断出4车2位端万向轴发生了故障。

图7 齿轮箱测点振动加速度频谱Fig.7 Vibration acceleration spectrum of gear box

4 结语

本文基于动车组车辆牵引电机振动时域特性和齿轮箱转频频域特性分析方法，结合列车监测数据及趋势分析法，得出该动车组运行过程中产生牵引切除故障的原因，并确认了故障点位置。论证了动车组TDDS能够有效地监控及分析车辆振动数据，并在必要时可对驾驶员进行预警及报警提示，有效提升了动车组的运营安全性，同时也为后续动车组结构优化提供了数据支撑。