高速列车转向架振动特性分析

颜秀珍　何发胜

关键词： 数据采集和诊断系统 高速列车 特性分析 转向架

中图分类号： U453 文献标识码： A 文章编号： 1672-3791（2023）15-0076-04

安全是轨道交通在发展过程中时刻要谨记的第一要义。如何兼顾安全性与高速化、智能化与经济性，是轨道交通发展中的永恒课题。目前，国内外的主流检修方式是定期检修，即按一定的时间（或里程）对列车进行规定的不同程度的检修（以先到为准）。以CRH380A 为例，一共分为一级修、二级修、三级修、四级修和五级修共5 种不同程度的检修。其中：一级修的间隔为里程达5 000±500 km 或时间达48 h；二级修的间隔为3 万km 或30 d；三级修的间隔为60 万km 或1.5 年；四级修的间隔为120 万km 或3 年；五级修的间隔为240 万km 或6 年。一方面，这种检修方式容易管理，容易操作，对员工的要求也不高；另一方面，由于其发生在零部件未发生故障的阶段，所以经济性较差，容易造成场地、人员和资源浪费。

在列车上的某些位置安装传感器，对列车进行实时监控，可以及时发现运行中的故障，不仅可以提高列车运行的安全性，减少运行中的突发安全事故，还可以对现有的定期修提出一定的优化建议。对原始振动数据进行深入有效挖掘，还可以找到零部件的退化规律，进一步指导列车的设计和生产。因此，此监测方法在轨道交通现场和科研领域均有广泛的适用性。

1 研究意义

轨道交通正朝着高速、智能化和轻量化发展，各种新材料和智能技术的出现，使高速列车设备越来越智能。为保证列车运行的安全性，每隔一段时间或运行一段里程就要对列车进行一定程度的检修。目前，国内外的检修方式主要是以计划修为主，即在列车发生故障前就对其进行检修，这种检修方式容易实现，对技术的要求低，可以很好地保障列车的安全运行。由于这种检修是零部件未发生故障时的定期日常检修，势必会造成很大的人力资源和场地浪费。除此之外，由于线路状况、零部件自身性能差异与实际运行时长的不同，有些零部件状态还很好就被检修换下，也就造成了很大的设备浪费。由于以上因素，国内外一直在研究一种更科学、更合理的检修方式——状态修。这种检修方式基于对零部件的实时监测，能及时发现零部件的病变过程，在其影响列车安全运行前就将其更换，具有更大的灵活性和经济性，但同时也对检修基地和监测手段提出了更高的要求。

列车上有成千上万个零部件，不同的零部件安装位置不同、功能不同，重要程度也各不相同。列车上最应该注意的是能够直接影响行车安全的零部件。

车体下的转向架在列车行车安全中起到非常重要的作用，尤其是齿轮箱、电机、轴箱等关键部件，其状态是否良好直接决定行车是否安全。而齿轮箱、电机、轴箱等关键部件的振动加速度可以很好地表征其自身的状态，因此，在不影响行车安全的前提下，通过在转向架的关键部件上安装振动传感器，获取部件的振动数据，可以很好地实现对其状态的监测。通过对海量的振动数据进行特征分析和数据处理，挖掘其隐藏的退化规律，从而实现对列车的安全评估。

目前，国内外大部分针对转向架的状态评估都是在仿真软件上进行，如ANSYS 和SIMPACK。这种评估方法容易实现，但是无法很好地模拟线路的实际路况和转向架各个零部件的真实运行情况和各自影响关系，导致最好的模拟结果在实际现场并无多大用处。在此情况下，基于车载振动数据进行高速列车转向架的安全评估，并进一步反演识别，进行高速列车的实时故障诊断，具有非常重要的现实意义。

2 国内外研究现状

随着轨道交通在世界范围内的快速发展，高速列车服役过程的安全评估、故障诊断、行车安全监测和列车PHM 等安全相关的研究引起了各国的广泛重视。特别是进入21 世纪，随着高速列车运行速度的不断提高，国内外高铁厂商、科研人员及学者进行了很多关于列车安全性的模拟仿真、试验和分析研究。在高速列车运行里程最长、高铁发展速度最快的我国和世界上第一条高速铁路所在地的日本，都有各种安全保障体系来保障列车的行车安全，包括线路监测预警系统、自然灾害监测预警系统、行车监测预警系统、高速列车修程修制、防脱轨和耐碰撞技术[1-2]，以上这些安全保障体系可以对列车行车中的各种故障进行数据采集、分析、报警，以保障行车安全[3]。

目前，主流的监测方法是在关键部位上安装振动传感器，实时采集、传输列车在正常运营过程中的振动数据、速度数据、温度数据和加速度数据等[4]。传感器源源不断地采集列车运行数据，基于此，進行数据分析，特征提取，挖掘隐含在海量数据中的有用信息，从而分析出列车目前的安全状态。但是，此类安全监测系统仍存在自成一体的问题[5]，且监测对象仅包括轴箱等重点零部件，未能实现全方位、360 度监测，包括对检测数据的特征提取的准确度等问题。

我国在保障列车的行车安全上做了很多工作。从大的方面来说，我国的安全保障体系分成3 个部分：（1）既有线上铁道车辆的安全保障体系；（2）高速动车组安全保障体系；（3）城轨交通安全保障体系。

既有线上的保障体系主要包括地对车安全保障体系、车对车安全保障体系、行车人员安全保障体系、自然灾害报警体系、行车安全救急等部分组成。城轨车辆的安全保障体系指的是地铁在运行全过程中的实时保障。高速动车组的安全保障体系主要包括：（1）列车网络安全监测系统，通过TCN 列车通信网络，经过MVB、WTB 将传感器等采集的信息汇总到司机室，并进行处理分析、显示、报警；（2）动车组行车安全监控系统、重要装备伤损安全监测与报警系统、信号、调车安全保障系统、针对地面，线路、隧道的行车安全保障系统，还有自然灾害监测与报警系统，应急故障处理系统等，这些系统可以实时监测列车的安全状态，预警危险情况，并实时报警；（3）针对修程修制的质量保障系统。这些安全体系的建立，确保了列车的安全运营，为我国铁路事业的发展提供了基本保障。然而，还是存在一些可以继续改进提高的地方。例如：现存的保障手段很少是针对列车上关键零部件的在线实时监测，无法做到随时了解、分析和评估高速列车的运行状态，地对车的安全监测设备数量有限等问题。

总体来说，目前国内外针对列车行车安全数据的分析还比较零散，且无系统性、通用型的处理方法和技术。同时，许多工作在电脑软件上通过虚拟仿真完成，实际运用中发现对实际行车几乎无指导意义。实际上，利用大数据分析方法，对海量数据进行分析处理，在此基础上完成的数据分析才有真实意义[6]。

3 研究方法

3.1 研究目标和内容

本研究的主要工作是基于车载检测数据，对高速列车转向架进行安全评估和故障诊断。

拟选取一列CRH1A 型动车组和一列CRH1A-A 型动车组作为跟踪试验动车组（以下简称跟踪动车组），在跟踪动车组轴箱、齿轮箱和牵引电机上加装振动、温度一体式传感器，车厢内加装数据采集和诊断系统。

拟通过采集跟踪动车组在运行工况下，重轴承、轮对、齿轮箱和牵引电机的车载振动数据、静态检测数据、检修数据、温度数据，基于信号分析和数据驱动算法，分析转向架不同部件间振动加速度的相互关系。

拟通过采集动车组在运行工况下，轴承、齿轮箱和牵引电机温度数据，研究列车在不同工况、线路条件、环境温度下的温度趋势变化曲线，预期建立基于LSTM模型的温度预测算法，提出与部件实际运用工况匹配的温度报警阈值和报警策略。

3.2 试验方案

拟在车厢内加装数据采集和诊断系统，系统的车载检测处理部件主要是由車载主机、前置处理器和各种传感器组成。各检测处理部件主要安装在车下设备舱与各部件的检测点上，具体的安装方案如下。头车Mc 的主机与1 号转向架的前置处理器，安装在头车底架的设备舱中，2 号转向架的前置处理器安装在转向架二位端的端部设备舱中。另外，因为餐车的端部设备舱已放沙箱，所以餐车上的主机和前置处理器都安装在车下设备舱内。除此以外，其余所有车辆的车载主机与前置处理器均安装在本节车车底架的端部设备舱内。为固定主机，安装时采用专用安装支架。同时，1 号转向架与2 号转向架的前置处理器分别安装在一位端与二位端底架端部设备舱中。主机只需安装在其中一个设备舱中，具体安装位置需根据车辆设备舱内布置进行确定。

项目转向架在线监测系统拓扑及具体装车方案如图1、图2、图3 所示。

该系统为单独系统，不接入动车组已有的系统，不会影响列车的正常运行。各个设备分别安装在1～8 号车上，并且各个车辆自成小系统，车辆之间不增加跨接电缆，需要给各个车辆提供单独的转速信号。

除了车载主机和处理器，系统里还有起到数据检测的传感器，传感器均分布在转向架的监测点上。其中动车上1 号和2 号转向架上各有8 个轴箱复合传感器、2 个齿轮箱复合传感器、2 个电机复合传感器，除此以外，还有个三向加速度振动传感器。另外，1 号转向架上还有1 个轴端速度传感器，2 号转向架没有。

拖车上的传感器数量比动车数量少很多，其每节车厢传感器的分布情况为：车厢上各有2 个转向架，每个转向架各有8 个轴箱复合传感器和1 个三向加速度振动传感器。除此以外，1 号转向架还有个轴端速度传感器。

每个转向架配置一个前置处理器，一个失稳三向加速度振动传感器。

每节车厢需安装的设备类型、数量和位置汇总如表1 所示。

4 结语

本文试图在对现有转向架振动特性研究现状进行分析总结的基础上，归纳、总结，试图提出更适合高速列车的振动特性分析方案和系统布局方法，希望能在不影响列车正常运行的基础上找到一种更优的方案。在后续进一步的研究中，可以基于此方案获取的检测数据对其进行数据分析、特征提取，从而进一步找到转向架关键部件的退化规律，进一步对现有检修制度提出相应的优化建议。