王 智 黃貴發(fā) 陳 湘 唐德堯

(北京唐智科技發(fā)展有限公司 北京100097)

裂紋是轉(zhuǎn)向架的常見故障之一，而轉(zhuǎn)向架是車輛最重要的部件之一，轉(zhuǎn)向架裂紋如不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理，將導(dǎo)致脫軌等大型事故，后果不堪設(shè)想。但是，對于轉(zhuǎn)向架這種大型的不轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)機(jī)械，當(dāng)工作時(shí)既有低頻的、大幅的、小加速度的非周期性的整體振動(dòng)，又有寬頻的、小幅的、大加速度的局部振動(dòng)，甚至在有局部或整體的斷裂、裂損時(shí)，在振動(dòng)的誘發(fā)下會產(chǎn)生沖擊，這種分散的故障信息給檢測帶來了很大的困難。

目前國內(nèi)外還沒有比較有效的在線監(jiān)測方式來及時(shí)發(fā)現(xiàn)這類故障，僅依靠探傷、人工目測等靜態(tài)方式定期檢測。韓國2011年5月份的“KTX-山川”列車召回事件［1］，起因就是因?yàn)樵诙ㄆ跈z修時(shí)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架存在裂紋，導(dǎo)致“現(xiàn)代Rotem”方面對此類型列車全部實(shí)施召回。而在國內(nèi)也出現(xiàn)了大面積構(gòu)架裂紋故障，北京就曾出現(xiàn)橫梁漏氣后發(fā)現(xiàn)構(gòu)架裂紋的重大安全隱患，后續(xù)經(jīng)過磁粉探傷檢測出大批構(gòu)架存在裂紋故障。

1 基于廣義共振的構(gòu)架裂紋動(dòng)態(tài)識別技術(shù)

我國在轉(zhuǎn)向架等大型不轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)械裂紋的在線自動(dòng)診斷方面進(jìn)行了長期的探索，取得了一定的成果，但大部分不能實(shí)現(xiàn)在線檢測［2-3］，即使有的能實(shí)現(xiàn)在線功能，也需要對模型進(jìn)行訓(xùn)練，屬于模糊診斷，對故障程度不敏感;同時(shí)訓(xùn)練模型是否具有代表性、廣泛性，將直接影響故障決策的結(jié)果［4-8］。本研究提出了基于廣義共振的構(gòu)架裂紋動(dòng)態(tài)識別技術(shù)，其檢測原理主要是利用振動(dòng)與沖擊對積函數(shù)，檢測轉(zhuǎn)向架梁的彎曲等振動(dòng)，引發(fā)已有裂紋發(fā)生與振動(dòng)頻率(特別是中梁的廣義共振頻率)相同、波形對應(yīng)的開、閉沖擊的現(xiàn)象，借以識別裂紋，并根據(jù)故障程度實(shí)現(xiàn)在線分級報(bào)警。

1.1 故障表現(xiàn)

如果機(jī)械上沒有斷裂部件，則呈現(xiàn)出整體(隨機(jī)低頻)振動(dòng)的特征。它們的主要表現(xiàn)是:不同部位在同一方向的振動(dòng)是同步的、不分離的，或者說，在任何時(shí)刻，它們的振動(dòng)方向相同。

如果機(jī)械上出現(xiàn)了斷裂部件，則裂開的兩部分就有條件產(chǎn)生異步運(yùn)動(dòng)，斷裂處就會出現(xiàn)沖擊。在斷裂部件一側(cè)的振動(dòng)與沖擊就具有同步性(因?yàn)闆_擊是振動(dòng)誘發(fā)的);而斷裂部位兩邊的振動(dòng)信號，就有條件出現(xiàn)相位異步(反相)［9］。

利用這種特征，就可以通過同/異步分析來識別故障。

1.2 對積函數(shù)

對于同步、隨機(jī)、非周期振動(dòng)信號，將其轉(zhuǎn)化成幾乎全部樣本長度都等于1、-1，或大多數(shù)等于1、-1的分析結(jié)果，來大幅度地提高同步、反相等信息的識別可靠性，這就是對積函數(shù)。

假設(shè)兩個(gè)時(shí)間函數(shù)為A(t)、B(t)，則對積的結(jié)果C(t)為

對積是對于兩個(gè)函數(shù)在同步采樣的特殊條件下的相關(guān)性的考察。為了方便統(tǒng)計(jì)，可以將對積數(shù)組量化為1、0、-1的“量化對積”，便于歸一化統(tǒng)計(jì)

其中LC(t)表示“量化對積”?？梢?同一信號的對積結(jié)果等同于絕對值檢波，而量化對積結(jié)果幾乎全是1;同步信號的對積為正向脈沖群，量化對積結(jié)果幾乎全是1;異步信號的對積為正負(fù)隨機(jī)交替脈沖群，量化對積結(jié)果為1、0和-1。

斷裂部位兩邊的振動(dòng)信號的對積為突發(fā)的負(fù)脈沖群，表示突然出現(xiàn)反方向振動(dòng)特征，而對應(yīng)量化對積結(jié)果幾乎全是-1。同樣，用對積考察振動(dòng)信號與沖擊信號的同步性，加上轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，能夠判斷出轉(zhuǎn)向架是否存在裂紋［10］。

某型城軌車輛轉(zhuǎn)向架的中梁存在一端相對另一端的彎曲振動(dòng)模態(tài)(見圖1)，模態(tài)頻率為36.4 Hz。該模態(tài)對應(yīng)的振型是左右縱梁呈現(xiàn)剪刀差式振動(dòng)，尤其在車輛運(yùn)行于彎道時(shí)，該振型是軌道產(chǎn)生波浪紋磨耗的原因之一。該振型與軌道波浪紋磨耗相互作用，可使橫梁振動(dòng)加劇，增大橫梁下方出現(xiàn)裂紋的幾率。

圖1某型城軌車輛轉(zhuǎn)向架振動(dòng)模態(tài)

圖2 是該型號某輛車的中梁振動(dòng)與沖擊同步檢測的信息(傳感器安裝在梁下方)，負(fù)振幅對應(yīng)加速度為正時(shí)的下彎，裂紋張開，為正對積。正振幅對應(yīng)加速度為負(fù)時(shí)的上彎，裂紋閉合，為負(fù)對積。

圖2 中梁振動(dòng)與沖擊同步檢測信息

對積的這一鮮明特征為轉(zhuǎn)向架裂紋的在線診斷提供了有效的自動(dòng)判斷方法。

2 應(yīng)用效果

針對北京地鐵1號線SFM04車輛構(gòu)架出現(xiàn)的電機(jī)吊掛裂紋現(xiàn)象，在四惠車輛段試車線進(jìn)行了轉(zhuǎn)向架裂紋監(jiān)測試驗(yàn)，對某構(gòu)架3、4軸同時(shí)檢測，圖3、圖4分別為3軸和4軸數(shù)據(jù)的自動(dòng)分析結(jié)果。各圖中中間部分為相對積分析結(jié)果:藍(lán)色為x模態(tài)，36.39 Hz;綠色為y模態(tài)，52.72 Hz;紫色為z模態(tài)，59.43 Hz。各圖下半部分為報(bào)警結(jié)果:紅色區(qū)域?yàn)槎増?bào)警，黃色區(qū)域?yàn)橐患増?bào)警，棕色為預(yù)警。圖3、圖4的分析結(jié)果表明:圖3(a)(3軸橫梁電機(jī)傳動(dòng)端)存在一級報(bào)警和二級報(bào)警，裂紋特征較為明顯，裂紋沖擊主要集中在x模態(tài)(36.39 Hz)和y模態(tài)(52.72 Hz)。

對于上述自動(dòng)分析統(tǒng)計(jì)的歸納如表1所示。

表1 3、4軸報(bào)警情況統(tǒng)計(jì) 次

圖5是3軸(167號樣本)預(yù)警原始數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)點(diǎn)在700到1 100的區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)了一簇強(qiáng)沖擊，且振動(dòng)很強(qiáng)。圖6是3軸167號樣本的局部展開圖，沖擊與振動(dòng)具有很好的對應(yīng)關(guān)系。從圖5、圖6的波形特征及上面自動(dòng)診斷的統(tǒng)計(jì)歸納可以確認(rèn)3軸橫梁存在裂紋，而車輛段人工核查的結(jié)果與診斷發(fā)現(xiàn)的故障位置相符，進(jìn)一步確認(rèn)故障位于3軸橫梁的傳動(dòng)端。

圖3 3軸裂紋監(jiān)測試驗(yàn)結(jié)果分析

圖4 4軸裂紋監(jiān)測試驗(yàn)結(jié)果分析

圖5 3軸167號預(yù)警樣本

圖6 3軸167號樣本的局部展開數(shù)據(jù)

3 結(jié)語

基于廣義共振的構(gòu)架裂紋動(dòng)態(tài)識別技術(shù)，通過識別廣義共振與它所引發(fā)的裂紋開閉沖擊之間的關(guān)聯(lián)性來實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警，可以避免學(xué)習(xí)型診斷技術(shù)對訓(xùn)練模型的依賴，有效地豐富了大型非旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部件的在線診斷技術(shù)。同時(shí)，該技術(shù)的在線分級報(bào)警能力允許車輛在不危及行車安全的前提下跟蹤和研究裂紋故障的發(fā)生、發(fā)展過程，可以為運(yùn)用部門合理調(diào)度、修程安排等提供依據(jù)，具有廣泛的應(yīng)用推廣前景。

［1］韓國產(chǎn)列車事故頻發(fā) 韓鐵路當(dāng)局要求制造商實(shí)施召回［EB/OL］.(2011-05-12)http://world.huanqiu.com/roll/2011-05/1686945.html.

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［9］唐德堯.廣義共振、共振解調(diào)故障診斷與安全工程:城軌交通篇［M］.北京:中國鐵道出版社，2013:372-375.

［10］唐德堯，黃貴發(fā)，王智，等.一種構(gòu)架裂紋監(jiān)測方法及其監(jiān)測裝置［P］.中國專利，CN201110026708，2012-09-12.