阮騰達， 林建輝

(西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，四川成都 610031)

高速列車走行部的安全是列車運行安全中的重中之重，故有必要進行列車走行部的監(jiān)測與故障診斷.但由于高速列車結(jié)構(gòu)的特殊性以及系統(tǒng)高度耦合，使得其走行部基于振動數(shù)據(jù)的狀態(tài)檢測與故障診斷面臨挑戰(zhàn).

2013年1月，CRH5型動車組傳動系統(tǒng)開始進行試驗研究，主要采集齒輪箱振動與溫度信號，為有效掌握列車在實際線路運營狀態(tài)下關(guān)鍵系統(tǒng)的性能、可靠性及安全性[1].本文主要對萬向軸特征頻率所在成分的提取做詳細介紹并通過實測數(shù)據(jù)對所述算法進行驗證.

1 CRH5動車組傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

CRH5動車組傳動系統(tǒng)采用的是牽引電機+萬向軸+齒輪箱的結(jié)構(gòu)，如圖1所示.其驅(qū)動裝置采用“體懸式”結(jié)構(gòu)，牽引電機固定于車體下設(shè)備艙內(nèi)，采用彈簧彈性懸掛，減小轉(zhuǎn)向架質(zhì)量，有利于提高整車的動力學性能，同時提高電機的可靠性與可維護性[2].

圖1 CRH5型動車組傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該車型采用的聯(lián)軸裝置是可伸縮十字萬向軸聯(lián)軸器，作用為將牽引電機輸出的機械驅(qū)動力傳遞給齒輪箱.

當萬向軸動不平衡量超標時，其將會以偏心狀態(tài)高速旋轉(zhuǎn)，兩端十字萬向節(jié)將嚴重磨損，導致萬向軸及齒輪箱出現(xiàn)故障影響行車安全.

圖2 EMD分解步驟示意

2 EMD的基本方法與原理

經(jīng)驗模態(tài)分解(EMD方法)是由 Norden.E Huang于1998年提出，在旋轉(zhuǎn)機械故障定位與早期故障診斷中應(yīng)用廣泛.

2.1 本征模態(tài)函數(shù)

EMD方法的基本思路是將原信號依據(jù)自身時間尺度分解為多個本征模態(tài)函數(shù)(IMF).

根據(jù) Norden.E Huang 的定義[3]，一個 IMF 必須滿足以下兩點:①在數(shù)據(jù)集中，極值點與零點的個數(shù)必須相同或至多只差1個;②在每一點上各極大值形成的上包絡(luò)線與各極小值形成的下包絡(luò)線均值為0.

2.2 EMD的分解過程

基于IMF定義，通過EMD的方法分解信號，求出各階本征模態(tài)函數(shù)，步驟如圖2所示.[3～4]:

3EMD在萬向軸轉(zhuǎn)頻能量計算中的應(yīng)用

由于萬向軸在高速運行的動車轉(zhuǎn)向架中是旋轉(zhuǎn)件，故無法直接測量萬向軸的振動，需在齒輪箱端加裝振動加速度傳感器，從齒輪箱振動信號中分離出與萬向軸有關(guān)的頻率成分，再進行能量的計算.

3.1 數(shù)據(jù)獲取

數(shù)據(jù)采集儀器如圖3所示，采集器采集齒輪箱振動信號(測點位置為圖1中工藝孔位置)及列車實時速度信號，并利用SD卡進行數(shù)據(jù)的存儲.數(shù)據(jù)采樣頻率為20000Hz.

圖3 數(shù)據(jù)采集儀器示意

3.2 齒輪箱振動信號分析

選取6月6日CRH5082執(zhí)行昌圖西－鐵嶺西區(qū)間200km/h恒定速度下數(shù)據(jù)進行分析，傅立葉幅值譜如圖4.

圖4中的主頻1144Hz為齒輪箱嚙合頻率;低頻42.3Hz其為小齒輪轉(zhuǎn)頻所在頻率成分;這些頻率都與理論計算相符.

根據(jù)齒輪箱結(jié)構(gòu)特性，萬向軸轉(zhuǎn)頻與齒輪箱小齒輪轉(zhuǎn)頻一致，若萬向軸動不平衡超標，根據(jù)傳遞關(guān)系，齒輪箱振動變大，且小齒輪轉(zhuǎn)頻所在頻率成分幅值會增大，基于此，則可認為齒輪箱小齒輪轉(zhuǎn)頻能量可以表征萬向軸轉(zhuǎn)動能量.

圖4 車速200km/h齒輪箱測點振動頻譜圖

3.3 基于EMD方法的特征提取

首先對數(shù)據(jù)進行EMD分解，將原始信號分解成本征模態(tài)函數(shù)(IMF)，如圖5所示.

圖5 EMD分解后的所有IMF及殘差圖

表1 各IMF平均瞬時頻率對應(yīng)表

原始信號被分為11個IMF與1個殘差.為識別萬向軸轉(zhuǎn)頻所在的IMF，對各IMF計算平均瞬時頻率，計算結(jié)果見表1.

當時車速為200km/h，萬向軸轉(zhuǎn)頻為42.3Hz.對應(yīng)表1，IMF9中心頻率為44.58Hz，其即為萬向軸轉(zhuǎn)頻所在IMF.

表2 對比驗證試驗

4 驗證及結(jié)論

為驗證所提取的IMF是否能夠反映萬向軸狀態(tài)，特做了對比試驗，在同一位置換裝不同狀態(tài)的萬向軸，經(jīng)相同工況下線路試驗，采集時長相同的A、B兩組數(shù)據(jù)進行對比，結(jié)果如表2.

通過對比試驗，可以發(fā)現(xiàn)利用EMD方法可以在齒輪箱振動信號中提取與萬向軸故障信息相關(guān)的頻率成分，并通過其能量表征萬向軸相對狀態(tài)的方法是可行的.

[1]張英春，李秋澤，諶亮.CRH5型動車組傳動系統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)研究[C].第八屆中國智能交通年會優(yōu)秀論文集，2013:541－545.

[2]張紅軍，姚遠，羅赟，等.CRH5型動車萬向軸傳動系統(tǒng)技術(shù)特征分析[J].鐵道學報，2009，31(2):115－119.

[3]Norden E Huang，Zheng Shen，Steven R Long，etal.The Empirical Mode Decomposition and the Hilbert Spectrum for Nonlinear and Non－ stationary TimeSeries Analysis[J].Proc Roy Soc London，1998，454:903－995.

[4]于德介，程軍圣，楊宇，等.機械故障診斷的Hilbert－Huang變換方法[M].北京:科學出版社，2006.