趙宗平

上海軌道交通設(shè)備發(fā)展有限公司

0 引言

我國的城鐵車輛發(fā)展迅速。截至2019 年底，全國已有37 個城市開通超過190 條地鐵城鐵車輛線路，而且不斷有更多的城市和更多的線路正在開通。在高速發(fā)展的同時，城鐵車輛的安全也越來越受到重視。走行部是車輛的重要組成部分，它可以在牽引動力作用下沿線路運行。走行部的運行安全也是城鐵車輛的重中之重，嚴重突發(fā)性的故障可能引起脫軌等極端的惡行事故，給乘客生命、社會帶來不可估量的傷害。因此，走行部的運行狀態(tài)和安全，直接關(guān)系到車輛的運行狀態(tài)和安全。

本文介紹了城鐵車輛上應用的走行部及脫軌監(jiān)測系統(tǒng)，可以實現(xiàn)走行部狀態(tài)的實時在線監(jiān)測，對故障實現(xiàn)早期預警和分級報警[1]，并在檢測到列車脫軌時，及時對列車施加緊急制動，避免更大事故的發(fā)生，保護乘客和車輛的安全。

1 系統(tǒng)介紹

走行部脫軌檢測系統(tǒng)是一種實現(xiàn)對列車走行部與安全導向有關(guān)的關(guān)鍵部件的在線安全狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，通過在列車輪對軸箱系統(tǒng)設(shè)置檢測裝置，包括復合傳感器和三坐標振動傳感器，同時獲取輪對軸箱系統(tǒng)的振動、沖擊、溫度3種物理量[1]，并通過基于廣義共振與共振解調(diào)的故障診斷技術(shù)，實現(xiàn)列車走行部關(guān)鍵部件的車載實時在線診斷，對于故障實現(xiàn)早期預警和分級報警，并形成綜合決策[1]。決策結(jié)果通過MVB 總線（或以太網(wǎng)）傳送給列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)（TCMS），由TCMS 進行存儲和報警，準確地指導車輛運用和維修[1]。

列車每根軸端配置脫軌檢測裝置，一旦檢測到列車脫軌，列車將立即施加緊急制動。同時，列車控制系統(tǒng)應進行相關(guān)信息的記錄，并將信息發(fā)送給OCC。脫軌檢測系統(tǒng)準確率不低于99%，漏報率不大于0.1%，可以最大限度地保護乘客和列車的安全運行。

2 系統(tǒng)功能及特點

走行部脫軌檢測系統(tǒng)是以城軌運營維護的信息化、智能化為目標，為城軌運營單位提供在途運營列車狀態(tài)信息綜合接入與監(jiān)測、安全狀態(tài)監(jiān)測預警、隱患挖掘、網(wǎng)絡化維保等服務和支持，該功能特點如下：

2.1 車載實時、自動、主動、精確診斷

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)部件故障的準確識別和早期預警，實現(xiàn)車載實時、自動、主動、精確診斷。

2.2 早期預警和分級報警

走行部作為列車的移動部位，有著大量的、強大的、復雜的、無害的振動環(huán)境。系統(tǒng)可以在該環(huán)境下，提取其中摻雜微小的、有害的機械沖擊，實現(xiàn)故障早期預警，系統(tǒng)根據(jù)故障嚴重程度和危害程度進行分級報警，并科學指導車輛運行。

在走行部的轉(zhuǎn)動部件中，當以軸承、齒輪、車輪為關(guān)鍵部件[1][2]，因為它們是承力最集中的、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，造成重大的災難性事故。因此，走行部故障需提前預警，及時采取預防性措施，有效地防范車輛故障發(fā)展為重大事故，保障車輛安全運行。

2.3 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難之前發(fā)出報警，強令中途停車，更有未及報警而發(fā)生災難的事實。顯然，溫度檢測只是一種“災難報警”手段，還不能發(fā)現(xiàn)齒輪、車輪的故障。

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

2.4 系統(tǒng)檢測原理

基于廣義共振與共振解調(diào)的故障診斷技術(shù)原理[3]（見圖1）：

1）傳感器檢測采集機械運動過程中的振動、沖擊和溫度信息；

2）信號變換、采集、處理模塊，對信息進行共振解調(diào)變換和濾波等處理后，由AD 采集模塊送入嵌入式計算機；

3）故障自動診斷專家系統(tǒng)軟件進行數(shù)據(jù)分析和診斷，輸出故障診斷結(jié)論。

圖1 系統(tǒng)檢測原理框圖

2.5 脫軌檢測原理

在列車正常運行的狀態(tài)下，列車的輪對不會與非鋼軌設(shè)施發(fā)生碰撞，但列車輪對脫離鋼軌時，輪對會最先與扣件或軌枕（無砸軌道的承軌槽/軌道板）發(fā)生正面碰撞，并產(chǎn)生強烈的、有規(guī)律的沖擊及振動信息，本技術(shù)通過分析該強沖擊信息的特征及車輪相對位移的偏移量來判斷列車輪對是否發(fā)生脫軌。

由于正線鋪裝的軌枕/扣件的間距是確定的，從而使用轉(zhuǎn)速跟蹤采樣時每兩個軌枕/扣件間的樣本點數(shù)也是確定的，故而分析兩次強沖擊在樣本中的間隔及頻譜便能夠判斷輪對是否發(fā)生脫軌。脫軌檢測模塊采用同一條軸兩端軸箱位置的復合傳感器信號同步連續(xù)采樣的流式數(shù)據(jù)進行實時診斷，當輪對檢測到連續(xù)3 個強沖擊的間隔滿足軌枕及扣件間距對應的采樣點數(shù)，和/或當前輪對的強沖擊及振動幅值超出某一限值，且位移信息中出現(xiàn)超出規(guī)定限值的較大負位移，便能確認輪對已經(jīng)脫軌。

3 系統(tǒng)組成

走行部監(jiān)測及脫軌檢測系統(tǒng)由車載診斷儀、前置處理器、復合傳感器、三坐標傳感器組成。通過復合傳感器采集的振動、沖擊、溫度數(shù)據(jù)對軸箱的工作狀態(tài)進行監(jiān)測；通過速度傳感器采集車輪速度，對列車速度進行監(jiān)測；通過車輪振動對輪對多邊形進行監(jiān)測；通過車載診斷儀對數(shù)據(jù)進行診斷及故障告警、數(shù)據(jù)上傳、故障分級預警、報警。走行部主動運維決策系統(tǒng)通過從車載診斷儀獲取的數(shù)據(jù)進行分析，實現(xiàn)列車關(guān)鍵系統(tǒng)及部件運營狀態(tài)分析診斷、列車關(guān)鍵系統(tǒng)及部件劣化趨勢分析、列車關(guān)鍵系統(tǒng)及部件全生命周期統(tǒng)計分析。

3.1 車載診斷儀

車載診斷儀主要功能如下（見圖2）：

1）收集所有診斷結(jié)論與振動、沖擊原始樣本數(shù)據(jù)；

2）接收來自傳感器系統(tǒng)的信號，并對這些信號進行處理、采集、診斷與存儲[4]；

3）內(nèi)置走行在線故障診斷專家系統(tǒng)軟件，實現(xiàn)在線自動診斷，并實時給出走行診斷結(jié)論[4]；

4）內(nèi)置在線脫軌診斷專家系統(tǒng)軟件，實現(xiàn)在線實時主動監(jiān)測，一旦被監(jiān)測車輛脫軌，綜合診斷儀迅速發(fā)出脫軌報警，該報警信息可通過MVB/以太網(wǎng)輸入到TCMS，同時具備硬線輸出功能，可靠輸出控制信號；

5）通過數(shù)據(jù)下載接口實現(xiàn)與配套地面系統(tǒng)的數(shù)據(jù)連接[4]；

6）將監(jiān)測狀態(tài)信息通過以太網(wǎng)/MVB 輸出到TCMS；

7）通過以太網(wǎng)/MVB 接收TCMS 的控制或狀態(tài)信息；

8）將保存的監(jiān)測結(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)。

圖2 車載診斷儀示意圖

3.2 前置處理器

前置處理器是實現(xiàn)所轄測點的傳感器網(wǎng)絡管理、完成信號的預處理或數(shù)據(jù)采集，并與綜合診斷儀交互通信的部件[2]（如圖3所示）。詳細功能如下：

1）負責將傳感器網(wǎng)絡傳輸?shù)臏囟刃畔⑦M行處理、采集、存儲；

2）負責將溫度信息和模擬信號通過總線傳輸?shù)杰囕d，簡化裝車工程[4]。

圖3 前置處理器示意圖

3.3 復合傳感器

復合傳感器是同時實現(xiàn)溫度、振動、沖擊等多個物理量的檢測、處理和傳輸?shù)囊惑w式受感部件，可通過單個安裝孔安裝在軸箱體上[4]，并將采集到的信號實時傳輸至前置處理器（如圖4所示）。

圖4 復合傳感器示意圖

3.4 三坐標振動傳感器

三坐標振動傳感器可采集垂向、橫向、行車方向的振動信號，并將采集到的信號實時傳輸至前置處理器（如圖5所示）。

圖5 三坐標振動傳感器示意圖

4 結(jié)束語

走行部檢測系統(tǒng)已經(jīng)應用于北京、上海、廣州、杭州等城市的城鐵車輛中，發(fā)現(xiàn)并提前預警了多起走行部相關(guān)的齒輪、軸承等機械的磨損或故障，避免了故障的進一步發(fā)展，確保了車輛的安全。

上海15 號線地鐵車輛上也已經(jīng)安裝了脫軌監(jiān)測系統(tǒng)，預計明年可以運行使用。脫軌監(jiān)測系統(tǒng)隨著越來越多地安裝在車輛上，必將給更多的城鐵車輛保駕護航，保護乘客的人身安全運行。