基于振動(dòng)信號(hào)的軌道波磨故障監(jiān)測(cè)方法研究

艾士娟，魏志恒，喬文生，戴源廷，曹永輝，王 雪，丁 斐，張鳳香

（1.北京航天拓?fù)涓呖萍加邢挢?zé)任公司，北京 100176；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司城市軌道交通中心，北京 100081；3.中國(guó)模具工業(yè)協(xié)會(huì)，北京 100044）

0 引言

城市軌道交通具有曲線多、軌道型式多、車(chē)輛頻繁加減速等特點(diǎn)，這種交通特征導(dǎo)致鋼軌波磨故障成為城市軌道交通的主要問(wèn)題，影響著軌道交通運(yùn)營(yíng)安全及設(shè)備養(yǎng)護(hù)維修效率。國(guó)內(nèi)外對(duì)機(jī)車(chē)車(chē)輛及軌道的運(yùn)維管理已逐步從計(jì)劃維修向預(yù)知維修變革。通過(guò)預(yù)知維修發(fā)現(xiàn)設(shè)備的早期故障隱患，準(zhǔn)確而及時(shí)地開(kāi)展運(yùn)維管理具有3 個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①確保車(chē)輛運(yùn)營(yíng)安全；②精準(zhǔn)維修避免了由于故障擴(kuò)大造成“欠修”或施加不必要的維修而造成“過(guò)修”，從而提高維修效率并實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)維修；③準(zhǔn)確的運(yùn)維管理可以滿(mǎn)足鐵路運(yùn)營(yíng)日益提高的管理要求，確保車(chē)輛及軌道系統(tǒng)在高標(biāo)準(zhǔn)的狀態(tài)下運(yùn)行，從而提高車(chē)輛運(yùn)行的平穩(wěn)性和舒適性。

通過(guò)高效的動(dòng)態(tài)檢測(cè)，判別車(chē)輛及軌道的狀態(tài)，并為預(yù)知維修提供科學(xué)的依據(jù)，及時(shí)動(dòng)態(tài)精確評(píng)價(jià)軌道狀態(tài)的發(fā)展趨勢(shì)，這是目前鐵路運(yùn)營(yíng)、特別是城市地鐵運(yùn)維管理的實(shí)際需求。

1 技術(shù)可行性

軌道波磨可分為短波、中波和長(zhǎng)波三類(lèi)，短波是指波距30～100 mm 的波磨，中波是指波距100～300 mm 的波磨，長(zhǎng)波是指波距300～1000 mm 的波磨。由于城市軌道獨(dú)有的特點(diǎn)，其鋼軌波磨種類(lèi)及特征與大鐵路不同，以100 mm 以下短波波磨為主。軌道幾何檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)波長(zhǎng)一般在3～120 m，難以評(píng)判焊接接頭、波磨等軌道短波病害對(duì)鐵路軌道—車(chē)輛系統(tǒng)運(yùn)行安全性和舒適性的影響，需要研究新的動(dòng)態(tài)檢測(cè)手段。

由于列車(chē)軸箱直接與輪對(duì)連接，軌道波磨產(chǎn)生的振動(dòng)通過(guò)輪對(duì)直接傳遞到軸箱上，因此軸箱的振動(dòng)加速度可直接反映軌道短波不平順狀態(tài)。利用軸箱加速度診斷軌道短波病害是新的發(fā)展方向和科研趨勢(shì)。1999 年，Roppongi M.等人[1]提出了一種利用軸箱垂向加速度檢測(cè)鋼軌波磨的方法，給出了濾波頻帶范圍，實(shí)現(xiàn)了鋼軌波磨的定位。Coudert F.[2]提出了一種用軸箱加速度來(lái)估計(jì)軌道與鋼軌幾何病害的方法，這種方法對(duì)于確定低頻或高頻的病害具有很好的效果。2004 年，Sunaga Y.等人[3-4]利用軸箱加速度診斷了新干線上的軌道短波不平順，同時(shí)對(duì)小半徑曲線上鋼軌接頭的平順性進(jìn)行了評(píng)判，最后指出由于不同類(lèi)型的軌道短波病害引起的響應(yīng)有所差異，對(duì)軸箱加速度頻率范圍進(jìn)行劃分，可能會(huì)探測(cè)到軌面粗糙、鋼軌波磨、軌枕松動(dòng)等短波軌道病害，應(yīng)該分別設(shè)定不同的濾波范圍對(duì)軸箱加速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

采用軸箱加速度信號(hào)監(jiān)測(cè)診斷軌道短波波磨病害具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）在軌道波磨病害早期即可進(jìn)行診斷。

（2）可以更直接地反應(yīng)軌道車(chē)輛系統(tǒng)振動(dòng)情況。

（3）軸箱加速度傳感器等檢測(cè)設(shè)備易于安裝維護(hù)。

（4）與既有的輪軌力檢測(cè)系統(tǒng)相比，由于可以安裝在普通的運(yùn)行車(chē)輛上，因此更加經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

2 監(jiān)測(cè)方法研究

首先選擇狀態(tài)良好的輪對(duì)作為載具，在其軸箱上安裝加速度傳感器，通過(guò)離線采集系統(tǒng)采集不同線路、不同運(yùn)行速度下的左右軸箱的加速度信號(hào)，目的是分析并評(píng)價(jià)該信號(hào)一般分布在什么頻率區(qū)間內(nèi)，便于設(shè)置專(zhuān)用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的采集頻率。經(jīng)試驗(yàn)確定采集頻率為2000 Hz，加速度傳感器頻響范圍確定為0.5～100 00 Hz，采集板卡具有8 路以上同步振動(dòng)采集通道和1 路轉(zhuǎn)速通道，可以采集轉(zhuǎn)速脈沖傳感器輸出的脈沖信號(hào)。

對(duì)于波磨故障的識(shí)別，需要從可能的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的推導(dǎo)。以地鐵列車(chē)為例，車(chē)輪直徑一般在820～840 mm，車(chē)速≤80 km/h，當(dāng)車(chē)速在5～80 km/h 時(shí)監(jiān)測(cè)并診斷，而當(dāng)車(chē)速低于5 km/h 時(shí)，只監(jiān)測(cè)但是不予波磨診斷，當(dāng)波磨長(zhǎng)度在30～100 mm 時(shí)，振動(dòng)頻率在15～740 Hz。如果車(chē)輪存在扁疤等故障時(shí)，將出現(xiàn)車(chē)輪每轉(zhuǎn)1 周與鋼軌發(fā)生1 次或多次（多個(gè)扁疤）碰撞，其頻率在1.5～100 Hz，可見(jiàn)車(chē)輪扁疤或擦傷故障與波磨故障的頻率有相當(dāng)一部分是重合的，因此進(jìn)行波磨故障分析時(shí)應(yīng)選擇軸箱軸承及車(chē)輪狀態(tài)良好的輪對(duì)作為載具，避免故障頻率重疊而造成波磨故障識(shí)別錯(cuò)誤。嚴(yán)格地講，這兩種故障是可以區(qū)分的，其原因是車(chē)輪扁疤形成的振動(dòng)頻率隨轉(zhuǎn)速變化而變化，且穩(wěn)定存在，而由于波磨故障造成的振動(dòng)頻率分量?jī)H在有故障時(shí)出現(xiàn)，線路良好時(shí)則不會(huì)出現(xiàn)該振動(dòng)頻率分量。

為此，設(shè)計(jì)并構(gòu)建一套波磨監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件，定制靈敏度為50 mV/g，頻響為0.5～100 00 Hz 的加速度傳感器，設(shè)計(jì)前端信號(hào)處理箱，將2 路、4 路或8 路加速度傳感器信號(hào)匯總至前端信號(hào)處理箱，并通過(guò)信號(hào)電纜傳輸至位于車(chē)廂內(nèi)的采集分機(jī)。設(shè)計(jì)專(zhuān)用ATOP-BM 車(chē)輛采集分機(jī)，該采集分機(jī)具備8 通道振動(dòng)信號(hào)同步采集及轉(zhuǎn)速脈沖采集功能，在具備可編程定頻采樣功能的同時(shí)，可以通過(guò)轉(zhuǎn)速脈沖控制振動(dòng)采集頻率，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速跟蹤采樣，采集分機(jī)設(shè)計(jì)以太網(wǎng)接口，通過(guò)以太網(wǎng)接口與波磨監(jiān)測(cè)主機(jī)連接。波磨監(jiān)測(cè)主機(jī)采用工業(yè)級(jí)低功耗電腦，安裝專(zhuān)門(mén)研發(fā)的數(shù)據(jù)采集及診斷軟件，用于數(shù)據(jù)的采集及記錄。系統(tǒng)的拓?fù)鋱D如圖1 所示。

圖1 波磨監(jiān)測(cè)系統(tǒng)拓?fù)鋱D

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵是波磨的識(shí)別與波磨深度的計(jì)算。根據(jù)波磨產(chǎn)生時(shí)軸箱垂向振動(dòng)的特點(diǎn)，首先對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行15～740 Hz的數(shù)字濾波，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行移動(dòng)峰值計(jì)算，形成新的序列，再進(jìn)行傅里葉變換，求各頻率分量。具體步驟如下：

（1）對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行15～740 Hz 的數(shù)字濾波。

（2）求步距為10 點(diǎn)的移動(dòng)峰值：

生成新信號(hào)序列，求最大值ap10max。

（3）經(jīng)傅里葉變換，求得幅值最高的頻率分量fi。

（4）求基于轉(zhuǎn)速的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)：

式中，v 為行車(chē)速度，km/h。

（5）求波磨的深度：

式中，fi取15～740 Hz 內(nèi)的值，mm。

圖2 數(shù)據(jù)案例

3 結(jié)論

經(jīng)多條線路的實(shí)測(cè)分析及對(duì)比，通過(guò)軸箱振動(dòng)加速度信號(hào)可以快速檢測(cè)軌道的波磨狀態(tài)，準(zhǔn)確地計(jì)算出波磨的深度，對(duì)提高軌道波磨病害的識(shí)別及運(yùn)維管理可以起到積極的作用，可以作為軌道波磨病害監(jiān)測(cè)的動(dòng)態(tài)工具應(yīng)用。