機車車輛輪對動不平衡狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷及檢修技術(shù)研究

摘" 要：通過聯(lián)調(diào)聯(lián)試試驗數(shù)據(jù)得知機車車輛輪對不平衡問題是常見的機車故障問題之一，為提高機車的運行效率，降低機車的車輛輪對不平衡導(dǎo)致其他振動問題，將對現(xiàn)階段常見的機車輪對不平衡狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行闡述，然后結(jié)合已有研究數(shù)據(jù)對此故障及其導(dǎo)致的其他設(shè)備振動問題進(jìn)行分析，明確造成此類故障的直接原因，并提出相應(yīng)的解決方案。

關(guān)鍵詞：機車車輪；動態(tài)不平衡；故障診斷；檢測技術(shù)；運行效率

中圖分類號：U279" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）06-0189-04

Abstract： Through the joint debugging and testing test data， it is learned that the imbalance of locomotive and vehicle wheelsets is one of the common locomotive faults. In order to improve the operating efficiency of the locomotive and reduce other vibration problems caused by the imbalance of locomotive wheelsets， the common locomotive wheelset imbalance status monitoring technology at this stage will be elaborated; then， this fault and the vibration problems caused by other equipment are analyzed based on existing research data to clarify the direct cause of such faults; and finally， corresponding solutions are proposed.

Keywords： locomotive wheel; dynamic imbalance; fault diagnosis; detection technology; operating efficiency

機車車輛輪對動不平衡是影響列車運行安全和穩(wěn)定性的常見問題。為了解決這一問題，本文對輪對動不平衡狀態(tài)的監(jiān)測、故障診斷及檢修技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，通過傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)采集與傳輸以及數(shù)據(jù)處理與分析，能夠?qū)崿F(xiàn)對輪對動態(tài)信息的實時監(jiān)測和精確分析。本文將結(jié)合現(xiàn)有研究數(shù)據(jù)，探討動不平衡狀態(tài)的特征及其成因，提出有效的故障診斷方法，并提供相應(yīng)的檢修對策，以提高機車運行效率，減少由此引發(fā)的振動問題。

1" 輪對動不平衡狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)

輪對動不平衡狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)是確保機車車輛運行安全和可靠性的關(guān)鍵。通過對輪對的動不平衡狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測，可以提前發(fā)現(xiàn)潛在故障，避免事故發(fā)生。監(jiān)測技術(shù)主要包括傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)采集與傳輸、數(shù)據(jù)處理與分析。這些技術(shù)的應(yīng)用能夠提供精準(zhǔn)的狀態(tài)信息，支持及時的故障診斷和檢修決策，提升鐵路運輸系統(tǒng)的整體效能。以下將詳細(xì)介紹各個技術(shù)環(huán)節(jié)的內(nèi)容和應(yīng)用。

1.1" 傳感器技術(shù)

1.1.1" 加速度傳感器

加速度傳感器在輪對動不平衡監(jiān)測中起到關(guān)鍵作用，它通過測量輪對在運行過程中產(chǎn)生的加速度變化，識別動不平衡狀態(tài)。加速度傳感器通常安裝在輪對的軸箱或其他關(guān)鍵部位，能夠捕捉高頻振動信號?，F(xiàn)代加速度傳感器具有高靈敏度和寬頻帶特性，能夠精準(zhǔn)檢測微小的加速度變化。此外，先進(jìn)的加速度傳感器還具備抗干擾能力，確保信號的準(zhǔn)確性和可靠性。這些特點使得加速度傳感器成為輪對動不平衡監(jiān)測的首選設(shè)備。車體垂向震動加速度變化情況如圖1所示。

1.1.2nbsp; 振動傳感器

振動傳感器是另一種常用的監(jiān)測設(shè)備，通過測量輪對振動信號來檢測動不平衡狀態(tài)。振動傳感器能夠捕捉輪對在運行過程中產(chǎn)生的各種振動特征，并將這些特征轉(zhuǎn)化為電信號。振動傳感器安裝位置靈活，可以放置在輪對軸箱、懸掛系統(tǒng)等部位，以獲得不同位置的振動數(shù)據(jù)。現(xiàn)代振動傳感器具有高精度、高分辨率的特點，能夠有效識別微小的振動變化。通過與其他傳感器配合使用，可以實現(xiàn)多維度的輪對狀態(tài)監(jiān)測，提供全面的故障信息。由震動傳感器檢測到的數(shù)據(jù)如圖2所示。

1.2 數(shù)據(jù)采集與傳輸

1.2.1" 無線傳輸技術(shù)

無線傳輸技術(shù)在輪對動不平衡監(jiān)測中具有重要作用，它能夠?qū)鞲衅鞑杉降男盘柾ㄟ^無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控中心，避免了有線傳輸?shù)南拗坪吐闊，F(xiàn)代無線傳輸技術(shù)包括Wi-Fi、藍(lán)牙、ZigBee等，不僅傳輸速率高，而且覆蓋范圍廣，適用于各種復(fù)雜環(huán)境。此外，無線傳輸技術(shù)還具有靈活性高、易于擴展的優(yōu)點，可以根據(jù)需求進(jìn)行節(jié)點的增加或調(diào)整。應(yīng)用無線傳輸技術(shù)，可以實現(xiàn)輪對狀態(tài)的實時監(jiān)控和遠(yuǎn)程診斷，提高監(jiān)測效率。

1.2.2" 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是將傳感器信號轉(zhuǎn)化為可用數(shù)據(jù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它包括信號采集、處理和存儲模塊。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過高速數(shù)據(jù)采集卡，將傳感器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并進(jìn)行預(yù)處理，如濾波、放大等，以提高信號質(zhì)量?，F(xiàn)代數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有多通道、高速率、寬動態(tài)范圍等特點，能夠同時處理多個傳感器信號，確保數(shù)據(jù)的同步性和準(zhǔn)確性。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還具有數(shù)據(jù)存儲和傳輸功能，支持實時數(shù)據(jù)傳輸和歷史數(shù)據(jù)查詢，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和故障診斷提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

1.3" 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)處理與分析是從采集到的數(shù)據(jù)中提取有用信息的關(guān)鍵步驟，直接影響故障診斷的準(zhǔn)確性和有效性。

1.3.1" 信號處理技術(shù)

信號處理技術(shù)在輪對動不平衡監(jiān)測中至關(guān)重要。常用的信號處理技術(shù)包括傅里葉變換、小波變換等，通過這些技術(shù)可以將時域信號轉(zhuǎn)化為頻域信號，提取出輪對振動的特征頻率。傅里葉變換能夠揭示信號的頻譜特性，適用于平穩(wěn)信號的處理；而小波變換則能夠處理非平穩(wěn)信號，提供時頻聯(lián)合分析能力。此外，現(xiàn)代信號處理技術(shù)還包括濾波、去噪等方法，進(jìn)一步提升信號質(zhì)量和分析精度。這些技術(shù)為動不平衡狀態(tài)的識別和故障診斷奠定基礎(chǔ)[1]。

1.3.2" 時頻分析方法

時頻分析方法是一種能夠同時在時間和頻率上對信號進(jìn)行分析的技術(shù)。常用的時頻分析方法包括短時傅里葉變換（STFT）、小波變換和希爾伯特-黃變換（HHT）等。這些方法可以揭示信號在不同時間點上的頻率成分變化，適用于非平穩(wěn)信號的分析。時頻分析方法能夠提供更加豐富的信號特征，幫助識別輪對在不同運行狀態(tài)下的動不平衡特性。此外，時頻分析方法還可以用于故障特征的提取和分類，提高故障診斷的準(zhǔn)確性和可靠性。

2" 特征分析

選擇我國鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試公開數(shù)據(jù)可知，車輪動不平衡問題是常見的問題之一，且此故障是導(dǎo)致運行列車出現(xiàn)明顯振動的主要原因[2]。對此，本研究將從眾多使用上述技術(shù)得到的機車車輪動不平衡數(shù)據(jù)中選擇最具代表性的案例進(jìn)行分析，整理已有車體、構(gòu)架以及軸箱等垂向振動加速度數(shù)據(jù)以及經(jīng)過傅里葉變換處理后的頻譜圖（圖3—圖4），得到機車車輪動不平衡的車體垂向平穩(wěn)性數(shù)據(jù)（圖5）以及輪軌垂向力及其經(jīng)過傅里葉變換后得到的頻譜圖（圖6），以上述數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行研究。

若機車的運行速度處于310 km/h時，車體會出現(xiàn)明顯的垂向平穩(wěn)性指數(shù)變化的情況，即垂向平穩(wěn)性指數(shù)大于3.0，此時機車車體的垂向、構(gòu)架垂向、軸箱垂向以及輪軌垂向等結(jié)構(gòu)的振動加速度均會出現(xiàn)32.2 Hz的主頻。結(jié)合根據(jù)機車測試時的速度與主頻，得到振動波長λ的值，即

λ=v/（3.6f）=310/（3.6×32.2）=2.67 m。 （1）

通過實際測量的方式得到測試機車的車輪直徑為0.85 m，則可以獲得車輪的周長為2.67 m。由此可知機車的震動波長與車輪的周長一致，將此數(shù)據(jù)與其他運行速度下各個設(shè)備的振動數(shù)據(jù)進(jìn)行比較可知，導(dǎo)致機車出現(xiàn)震動的主要原因在于車輛輪。在已有研究中通過優(yōu)化機車車輛輪動不平衡的方式，可提高車體的穩(wěn)定性，使其運行穩(wěn)定性可提升至優(yōu)秀[3]。

3" 機車車輛輪動不平衡的成因分析與故障診斷

3.1" 成因分析

在進(jìn)行成因分析時，通過詳細(xì)的分析信號特征、試驗過程以及現(xiàn)場檢查結(jié)果，逐步揭示了問題的根源。信號特征分析表明，車體在行駛過程中，動不平衡引起的振動波長與車輪周長相對應(yīng)，這一現(xiàn)象成為識別動不平衡問題的關(guān)鍵指標(biāo)。具體來說，當(dāng)車輪存在動不平衡時，車體振動的頻率會與車輪的轉(zhuǎn)動頻率保持一致，導(dǎo)致振動波長與車輪周長相吻合，通過這一特征，能夠精準(zhǔn)地判斷車輪是否存在動不平衡問題[4]。在試驗過程中，進(jìn)行為期多天的試驗，以監(jiān)測車體垂向平穩(wěn)性指數(shù)W的變化情況，試驗結(jié)果顯示，第一天車體垂向平穩(wěn)性指數(shù)W正常，但隨著試驗的進(jìn)行，平穩(wěn)性指數(shù)逐漸變差，車體垂向平穩(wěn)性逐漸惡化，進(jìn)一步的分析發(fā)現(xiàn)，車輪上的塵土可能是導(dǎo)致這一問題的主要因素，為了驗證這一猜測，在第4天開始對車輪進(jìn)行清潔，結(jié)果發(fā)現(xiàn)車輪清潔后平穩(wěn)性指數(shù)逐漸恢復(fù)正常，這一變化表明，施工遺留的塵土確實是影響車體垂向平穩(wěn)性的關(guān)鍵因素，現(xiàn)場檢查結(jié)果進(jìn)一步驗證了這一結(jié)論。檢查發(fā)現(xiàn)，車輪輻板上積聚了大量塵土，這些塵土在縫隙中難以脫落，特別是在制動過程中，塵土在車輪上分布不均勻，導(dǎo)致車輪動不平衡，動不平衡是引起車體振動的直接原因，而這種振動又進(jìn)一步影響了車體的垂向平穩(wěn)性[5]。具體來說，當(dāng)車輪在制動時，由于塵土分布不均，車輪的質(zhì)量分布發(fā)生改變，產(chǎn)生不平衡的離心力，進(jìn)而引起車體的振動。機車車體垂向平穩(wěn)性隨著時間變化而變化的數(shù)據(jù)如圖7所示。

3.2" 故障診斷

故障診斷在機車車輛輪對動不平衡監(jiān)測技術(shù)中占據(jù)關(guān)鍵地位，有效的故障診斷能夠及時準(zhǔn)確地確定輪對動不平衡的具體原因和嚴(yán)重程度，為后續(xù)的檢修工作提供有力支持。首先，故障診斷依賴于先進(jìn)的傳感技術(shù)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如車體垂向振動加速度傳感器和振動信號采集裝置，這些設(shè)備能夠?qū)崟r監(jiān)測和記錄車輛運行時的振動數(shù)據(jù)，通過對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以識別出異常振動的頻率、幅值以及與車速的關(guān)系，從而初步判斷是否存在輪對動不平衡問題[6]。其次，故障診斷過程中重要的一環(huán)是頻譜分析和信號處理技術(shù)的應(yīng)用。頻譜分析能夠?qū)?fù)雜的振動信號轉(zhuǎn)化為頻域信息，明確振動的主頻率和諧波成分，通過比對分析得到的頻譜圖與已知的輪對動不平衡特征，可以進(jìn)一步確認(rèn)問題所在，確定具體的輪對或軸箱存在動不平衡的可能性，并初步估計其嚴(yán)重程度[7]。

4" 檢修方法

結(jié)合上述分析可知，導(dǎo)致機車車輛輪對動不平衡問題的主要原因之一在于縫隙內(nèi)的異物，多數(shù)以塵土為主，此部分問題可以在動車所里進(jìn)行檢修處理?，F(xiàn)階段動車車輛輪對不平衡問題的檢修流程可分為3個環(huán)節(jié)。

環(huán)節(jié)一，將待檢車輛停放至操作區(qū)域內(nèi)，使用高壓風(fēng)槍的方式將車輪輻板及其輪裝制動盤上附著的塵土吹走，若車輪設(shè)置有軸盤，還需要將可以吹到范圍內(nèi)的塵土進(jìn)行處理。

環(huán)節(jié)二，記錄清理后的區(qū)域，并對所有車輪進(jìn)行操作。通常情況下，使用高壓風(fēng)槍的方式無法一次性將車輪對上附著的灰塵完全吹走，因此需要環(huán)節(jié)三進(jìn)行進(jìn)一步的處理。

環(huán)節(jié)三，通過地面引導(dǎo)的方式指揮駕駛員緩慢向前開進(jìn)，將上述環(huán)節(jié)受到遮擋的灰塵附著區(qū)域暴露出來，再次使用風(fēng)槍吹走灰塵，重復(fù)上述操作直到肉眼觀察不到車輪對上附著的灰塵后為止。結(jié)合現(xiàn)階段機車管理方案可知，通常情況下機車及其牽引車廂在3～4次處理后便可以實現(xiàn)吹飛處理的全覆蓋，通過連續(xù)3天的全面清理能夠達(dá)到完全消除機車車輛輪對動不平衡的問題[8]。

5" 結(jié)束語

綜上所述，通過對機車車輛輪對動不平衡狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的詳細(xì)分析和研究，本文系統(tǒng)地介紹傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)采集與傳輸及數(shù)據(jù)處理與分析的具體應(yīng)用。結(jié)合實際案例，深入探討動不平衡的成因及其對列車運行的影響，并提出有效的故障診斷和檢修方法。研究表明，采用先進(jìn)的監(jiān)測和診斷技術(shù)可以顯著提高輪對的運行穩(wěn)定性和安全性，確保鐵路運輸系統(tǒng)的高效運行，為機車車輛的維護和管理提供重要參考。

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作者簡介：張涵林（1996-），男，助理工程師。研究方向為機車車輛檢修。