軌道交通車輛走行部故障診斷系統(tǒng)研究

陳艷鑫

摘要：基于共振基理和共振解調(diào)的故障診斷技術(shù)原理，實(shí)時監(jiān)測軸箱軸承、齒輪箱軸承、電機(jī)軸承、傳動齒輪等部件的振動、沖擊、溫度等數(shù)據(jù)。以達(dá)到實(shí)時掌握車輛走行部運(yùn)營狀態(tài)，有效降低因走行部機(jī)械故障帶來的影響運(yùn)營安全的風(fēng)險。

關(guān)鍵詞：共振;實(shí)時監(jiān)測;沖擊;振動;溫度

1 ?系統(tǒng)研究目標(biāo)

1.1 在線實(shí)時監(jiān)測

車載系統(tǒng)基于共振解調(diào)原理的主動診斷、多因素和多參數(shù)聯(lián)合診斷方法論和系列判據(jù)，建立了多個同類故障的歸類診斷理論模型，通過自動診斷、主動診斷，實(shí)現(xiàn)即裝即用，完成對軸承、傳動齒輪和車輪等旋轉(zhuǎn)部件故障的準(zhǔn)確識別和早期預(yù)警，實(shí)現(xiàn)車載實(shí)時、自動、主動精確診斷。

早期預(yù)警和分級報警。

軌道車輛走形部在復(fù)雜的機(jī)械振動環(huán)境下，系統(tǒng)能采集對行車安全有重大影響的不易發(fā)掘的機(jī)械沖擊，將信息傳輸給車輛中央控制單元，起到早起故障預(yù)警提示，同時對故障層級分級別采樣存儲，以達(dá)到合理的安排車輛檢修和運(yùn)用。

走行部的軸承、齒輪、車輪作為轉(zhuǎn)動部件的關(guān)鍵部件。因?yàn)樗鼈兪浅辛ψ罴械?、高速旋轉(zhuǎn)的、故障發(fā)生最多的部件。長期以來，都是制約走行部安全的首要因素。這些部件的故障，在初期階段主要表現(xiàn)為滾動工作面的損傷，而晚期表現(xiàn)則是剝離、裂紋、破損和軸承的急劇溫升、固死、引起切軸，造成重大的災(zāi)難性事故。因此，走行部故障需提前預(yù)警，及時采取預(yù)防性措施，有效地防范車輛故障發(fā)展為重大事故，保障車輛安全運(yùn)行。

1.2 多參數(shù)綜合診斷

傳統(tǒng)的監(jiān)測手段，是通過檢測軸承的溫升，如溫度試紙、紅外平輪儀，這些手段對溫度緩慢上升的軸承故障有效，但實(shí)際上軸承在發(fā)生故障時，故障發(fā)展非?？?，在未及紅外平輪儀報警及日檢發(fā)覺之時已經(jīng)發(fā)生事故，即使是采用車載軸溫監(jiān)測系統(tǒng)也不能及時在接近災(zāi)難之前發(fā)出報警，強(qiáng)令中途停車。更有未及報警而發(fā)生災(zāi)難的事實(shí)。顯然，溫度檢測不僅只是一種“災(zāi)難報警”手段，而且還不能發(fā)現(xiàn)齒輪、車輪的故障。

本系統(tǒng)采用沖擊、振動、溫度信息進(jìn)行綜合診斷，監(jiān)測診斷范圍廣，診斷準(zhǔn)確率高。

1.2.1 機(jī)理分析

系統(tǒng)提供豐富的單樣本和趨勢分析功能，通過單樣本時域、頻域分析，可以掌握故障發(fā)生機(jī)理，趨勢分析則可掌握其故障發(fā)展規(guī)律。

1.2.2 統(tǒng)計分析

系統(tǒng)提供強(qiáng)大的統(tǒng)計分析功能，主要有預(yù)警統(tǒng)計、維修統(tǒng)計、故障類型統(tǒng)計、故障型號統(tǒng)計等，為管理層管理與決策提供支撐。

1.2.3 健康管理

主動運(yùn)維決策系統(tǒng)中通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行自動化診斷分析，給出車輛走行部健康狀態(tài)（健康、亞健康、不健康）及維修建議，同時提供維修情況輸入接口，實(shí)現(xiàn)對車輛走行部健康管理。

1.2.4 智能維修

地鐵車輛從最早的故障修提升至預(yù)防修，在缺乏有效的監(jiān)測手段下，車輛故障時有發(fā)生，造成故障修現(xiàn)狀。本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對走行部關(guān)鍵部位（軸承、齒輪、踏面）故障實(shí)時監(jiān)測診斷報警和輸出主動運(yùn)維指令，在預(yù)防修的體制下指導(dǎo)檢修人員對隱患部位進(jìn)行動態(tài)維護(hù)，減少故障危害。

2 ?系統(tǒng)研究

2.1 技術(shù)原理

基于共振基理和共振解調(diào)的故障診斷技術(shù)原理，見圖1。

通過傳感器采集機(jī)械運(yùn)動過程中的沖擊、振動、和溫度等信息，再經(jīng)過信號變換、采集、處理模塊，對信息進(jìn)行共振解調(diào)變換和濾波等處理后，由AD采集進(jìn)入嵌入式計算機(jī)。故障自動診斷系統(tǒng)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和診斷，輸出故障診斷結(jié)論。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，系統(tǒng)由診斷儀、前置處理器、傳感器、無線傳輸終端、地面系統(tǒng)部件、

2.2.1 診斷儀

①收集所有診斷結(jié)論與原始樣本數(shù)據(jù);

②負(fù)責(zé)將傳感器網(wǎng)采集的信號進(jìn)行搜集、處理、診斷與存儲;

③應(yīng)用故障診斷軟件實(shí)現(xiàn)實(shí)時自動診斷;

④對數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析與歸類存儲;

⑤通過數(shù)據(jù)下載接口與配套地面系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)連接;

⑥信息輸出至顯示終端;

⑦將診斷信息通過以太網(wǎng)、MVB輸出到TCMS;

⑧接收通過以太網(wǎng)、MVB接收TCMS的控制或狀態(tài)信息;

⑨將保存的診斷結(jié)論、樣本數(shù)據(jù)使用車輛的無線鏈路傳輸?shù)降孛嫦到y(tǒng)。

2.2.2 前置處理器

前置處理器統(tǒng)一管理設(shè)置范圍內(nèi)的傳感器，完成傳感器采取的信號預(yù)處理，并與車載診斷儀交互通信相關(guān)數(shù)據(jù)信息。詳細(xì)功能如下：①負(fù)責(zé)將傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臏囟刃畔⑦M(jìn)行處理、采集、存儲;②負(fù)責(zé)將傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)哪M（振動、沖擊）信息進(jìn)行信號切換與路由;③將溫度信息和其他數(shù)據(jù)模擬數(shù)據(jù)通過車輛總線傳輸?shù)杰囕v分機(jī)。

2.2.3 傳感器

復(fù)合傳感器將溫度、沖擊、振動等多個物理量采集模塊集成為一體式受感部件，集成式一體安裝在軸箱體、牽引電機(jī)和齒輪箱上。

2.2.4 無線傳輸終端

無線數(shù)據(jù)傳輸終端是實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸、報警信息輸出、走行部檢測狀態(tài)查詢、輪軌監(jiān)測模式切換的裝置;可以使車載系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實(shí)時自動的傳遞到車輛段地面系統(tǒng)，減少檢修人員在車輛回庫后使用維護(hù)下載器上車轉(zhuǎn)儲數(shù)據(jù)的工作。

2.2.5 地面系統(tǒng)部件

地面系統(tǒng)部件包含維護(hù)下載器，走行步地面分析軟件及地面系統(tǒng)服務(wù)器。

①維護(hù)下載器用于TDS的調(diào)試和日常維護(hù)。

②走形部地面分析軟件用于自動對“車載實(shí)時數(shù)據(jù)、地面服務(wù)器中存儲的歷史數(shù)據(jù)、地面服務(wù)中存儲的案例數(shù)據(jù)”三類數(shù)據(jù)進(jìn)行故障推理和機(jī)理診斷，對隱患進(jìn)行危害程度辨識，實(shí)現(xiàn)走行部健康狀態(tài)評估，基于對故障的預(yù)測和維修時機(jī)的預(yù)判，形成主動運(yùn)維決策指令并發(fā)送至車輛維護(hù)支持應(yīng)用服務(wù)器，準(zhǔn)確指導(dǎo)車輛運(yùn)用維修。

車輛維修作業(yè)完成后，作業(yè)人員將維修情況錄入配套客戶端，配套客戶端將維修情況同步至車輛維護(hù)支持應(yīng)用服務(wù)器，由車輛維護(hù)支持應(yīng)用服務(wù)器將維修信息傳輸至主動運(yùn)維決策系統(tǒng)，形成車輛故障維修閉環(huán)。

③地面系統(tǒng)服務(wù)器用于地鐵車輛走行部地面分析管理軟件部署，集中存儲車載離線數(shù)據(jù)，是提供健康管理的硬件設(shè)備。（圖2）

3 ?數(shù)據(jù)通訊

3.1 車載系統(tǒng)在線輸入數(shù)據(jù)

車載系統(tǒng)在線輸入數(shù)據(jù)一般是車輛的系統(tǒng)狀態(tài)和運(yùn)用信息，由TCMS通過以太網(wǎng)或者M(jìn)VB發(fā)送給車載系統(tǒng)。標(biāo)準(zhǔn)的輸入數(shù)據(jù)有車速、有效載荷、車輛輪徑、累計里程、上一站ID、下一站ID、當(dāng)前站ID、時間等。

3.2 車載系統(tǒng)在線輸出數(shù)據(jù)

車載系統(tǒng)在線輸出數(shù)據(jù)用于保障車輛的在線安全運(yùn)用，該數(shù)據(jù)一般以信號的方式通過以太網(wǎng)或者M(jìn)VB輸出到TCMS，主要包含軸承、踏面、齒輪的報警，測溫數(shù)據(jù)、傳感器和診斷儀等系統(tǒng)自身故障。

3.3 車載系統(tǒng)離線數(shù)據(jù)

車載系統(tǒng)離線數(shù)據(jù)是走行部、軌道的單日故障趨勢，需要定期通過車載局域網(wǎng)或者維護(hù)終端轉(zhuǎn)儲到地鐵車輛段的地面系統(tǒng)中;車載系統(tǒng)離線數(shù)據(jù)主要包含趨勢數(shù)據(jù)、故障統(tǒng)計、故障特征樣本、報警樣本、鋼軌波磨樣本等，離線數(shù)據(jù)按天為單位打包，每天一輛車的元數(shù)據(jù)約6MByte。

3.4 走行部健康管理數(shù)據(jù)

走行部的健康管理數(shù)據(jù)是地面系統(tǒng)使用集中的車載系統(tǒng)連續(xù)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計、對比分析，形成走行部和走行部監(jiān)測設(shè)備的健康管理數(shù)據(jù)。健康管理數(shù)據(jù)主要包含車輛健康狀態(tài)、輪軌健康狀態(tài)、車輛維修建議、輪軌維修建議和系統(tǒng)自身維護(hù)建議等，健康管理數(shù)據(jù)可以依據(jù)實(shí)際的運(yùn)用場景和需要進(jìn)行具體的調(diào)整。

4 ?結(jié)論

①本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)軌道交通車輛走行部狀態(tài)監(jiān)測、運(yùn)營安全保障和自動運(yùn)維決策等功能，為降低軌道車輛因走行部故障給運(yùn)營安全和準(zhǔn)點(diǎn)率帶來的風(fēng)險。②軌道車輛走形部在復(fù)雜的機(jī)械振動環(huán)境下，系統(tǒng)能采集對行車安全有重大影響的不易發(fā)掘的機(jī)械沖擊，如電機(jī)、聯(lián)軸節(jié)、齒輪箱等軸承關(guān)鍵部件的早期失效。將信息傳輸給車輛中央控制單元，起到早起故障預(yù)警提示，同時對故障層級分級別采樣存儲，以達(dá)到合理的安排車輛檢修和運(yùn)用。③地鐵車輛從最早的故障修提升至預(yù)防修，在缺乏有效的監(jiān)測手段下，車輛故障時有發(fā)生，造成故障修現(xiàn)狀，通過應(yīng)用本系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對走行部關(guān)鍵部位（軸承、齒輪、踏面）故障實(shí)時監(jiān)測診斷報警和輸出主動運(yùn)維指令，在預(yù)防修的體制下指導(dǎo)檢修人員對隱患部位進(jìn)行動態(tài)維護(hù)，減少故障危害。

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