丁 杰，熊 英

（1.湖南文理學院機械工程學院，湖南常德 415000；2.湖南文理學院國際學院，湖南常德 415000）

0 引言

地鐵車輛的速度傳感器主要利用光電效應或磁效應等原理，為車輛的控制系統(tǒng)提供運行狀態(tài)數據。由于速度傳感器安裝在輪對軸端，應用工況惡劣，其穩(wěn)定可靠性工作對于地鐵車輛的安全運行具有至關重要的作用。

張陸軍等[1]介紹了進口與國產化地鐵車輛軸端速度傳感器的原因及結構。楊丹楓等[2]介紹了進口與國產化速度傳感器在廣州地鐵4 號、5 號線的應用情況，指出日常運營中出現(xiàn)故障頻發(fā)的原因是速度傳感器內部的光敏元件產生位移錯位。邱新鋒等[3]針對北京地鐵14號線正式開通半年后出現(xiàn)的多起速度傳感器通道故障進行分析，指出故障與車輛運行區(qū)間的路況和輪對磨損程度有關。劉剛[4]從列車控制邏輯角度分析了廣州地鐵5號線速度傳感器的故障產生原因。

本文針對廣州地鐵5 號線車輛速度傳感器信號波動幅度大的問題，開展載客正線運行狀態(tài)下的軸端和速度傳感器的振動測試，分析不同區(qū)間段的振動量級以及振動頻譜特性與速度波動的相關性，為解決速度傳感器故障提供理論依據。

1 速度傳感器的故障現(xiàn)象及振動測試

廣州地鐵5號線大致呈東西走向，全長31.9 km，地下段約29 km，高架段約2 km，共設置24 座車站，除滘口站和坦尾站為高架車站外，其余全部為地下車站。列車采用6 節(jié)編組L 型車輛，長106.4 m、寬2.8 m，車體側面為鼓形結構，具有爬坡能力強、轉彎半徑小的特點，最高運行速度為90 km/h。

現(xiàn)場應用中發(fā)現(xiàn)車輛速度在絕大多數區(qū)間段的波動幅度在2 km/h 以內，但在楊箕-動物園、獵德-珠江新城、小北-廣州火車站等區(qū)間段的車輛速度波動幅度增大，最大波動幅度在4～5 km/h，如圖1 所示。車輛速度信息來自車輛軸端速度傳感器采集的信號，從車輛速度波動幅度的特點來看，初步判斷為車輛軸端的振動過大。

圖1 車輛下行和上行的速度曲線

為獲得廣州地鐵5 號線車輛軸端的振動特性，以載客正線運行的104103 車為測試對象，根據現(xiàn)場的振動沖擊條件采用B&K 振動噪聲測試系統(tǒng)和抗沖擊性能優(yōu)異的三向加速度傳感器進行振動數據的采集，振動分析頻率為3 200 Hz。三向加速度傳感器布置在A104 車和B104 車的軸端及速度傳感器端蓋上，如圖2所示。三向加速度傳感器的縱向、垂向和橫向分別對應于車體的長度、高度和寬度方向。

圖2 軸端及速度傳感器端蓋的加速度傳感器布置

地鐵車輛下行從三溪出發(fā)，途徑東圃、車陂南、科韻路、員村、潭村、獵德、珠江新城、五羊邨、楊箕、動物園、區(qū)莊、淘金、小北、廣州火車站、西村、西場、中山八、坦尾，終點為滘口。地鐵車輛上行從滘口出發(fā)，沿下行線返回至三溪，繼續(xù)途徑魚珠、大沙地、大沙東，終點為文沖。

2 振動量級分析

下面重點分析各區(qū)間段振動有效值和最大沖擊峰值，確定各區(qū)間段的振動量級，并與GB/T21563-2018《軌道交通機車車輛設備沖擊和振動試驗》（基于IEC 61373 標準的1999 版和2010版修改采用）[5-6]進行對比分析，評價廣州地鐵5號線各區(qū)間段的惡劣程度。

2.1 振動有效值分析

圖3 所示為下行和上行各區(qū)間段振動有效值，其中的分析頻率按照GB/T 21563-2018 規(guī)定的3 類車軸安裝設備為10～500 Hz。由圖可知：（1）各測點垂向振動顯著高于縱向和橫向，橫向振動最弱；（2）GB/T 21563-2018 規(guī)定了3 類車軸安裝設備對應的縱向、垂向和橫向振動標準值分別為17 m/s2、38 m/s2和34 m/s2，垂向和縱向振動存在普遍超標現(xiàn)象，橫向振動超標較少，軸箱的垂向振動量級最大值約為標準值2.6 倍，速度傳感器的垂向振動量級最大值約為標準值3 倍；（3）按照垂向振動有效值對比，下行時的各區(qū)間段的振動惡劣程度是楊箕-動物園最大，A104 車和B104 車的軸端振動有效值分別為91.69 m/s2、96.98 m/s2，速度傳感器端蓋振動有效值分別為114.75 m/s2、108.23 m/s2，其余依次為中山八-坦尾、區(qū)莊-淘金、獵德-珠江新城、五羊邨-楊箕、小北-廣州火車站等，上行時的各區(qū)間段的振動惡劣程度是動物園-楊箕最大，A104 車和B104 車的軸端測點振動有效值分別為79.21 m/s2、84.02 m/s2，速度傳感器端蓋振動有效值分別為93.42 m/s2、99.3 m/s2，其余依次為珠江新城-獵德、廣州火車站-小北、坦尾-中山八等；（4）按照不同位置加速度傳感器的垂向振動有效值對比，B104 車軸箱和速度傳感器測點振動有效值普遍高于A104 車，這應與輪對磨損程度有關，速度傳感器測點振動強于軸箱測點，這是由于速度傳感器的安裝方式類似于懸臂結構，會導致由軸箱傳來的振動被放大。

2.2 沖擊峰值分析

GB/T 21563-2018 規(guī)定了3 類車軸安裝設備的縱向、垂向和橫向沖擊最大值均為1 000 m/s2。圖4 所示為下行和上行各區(qū)間段垂向沖擊最大值。由圖可知：（1）速度傳感器端蓋的振動最大沖擊峰值高于軸端，與沖擊標準值相比，較多區(qū)間段存在超標現(xiàn)象；（2）西場-中山八區(qū)間段速度傳感器端蓋承受沖擊最大，約為1 200 m/s2，超出沖擊標準值近200 m/s2。

圖4 下行和上行各區(qū)間段的垂向沖擊最大值

3 速度波動與振動的相關性分析

3.1 速度波動結果統(tǒng)計

表1 所示為下行時車輛速度波動幅度較大區(qū)間段及波動幅度在2 km/h以內的典型區(qū)間段振動有效值對比?？梢姡囕v速度波動幅度較大的區(qū)間段振動也較為惡劣，車輛速度波動幅度與路況惡劣程度存在一定的正相關性。

表1 典型區(qū)間段速度傳感器端蓋振動與車速波動幅度

3.2 典型區(qū)間段的振動時頻分析

選取速度波動幅度2 km/h 以內的三溪-東圃區(qū)間段和速度波動幅度較大的楊箕-動物園、小北-廣州火車站等區(qū)間段進行分析。

3.2.1 三溪-東圃區(qū)間段

圖5所示為三溪-東圃區(qū)間段A104車和B104車軸端垂向振動時頻圖。在此區(qū)間段，車輛速度的變化規(guī)律是先加速，再勻速，最后減速，在勻速階段有2 km/h速度波動幅度，振動也呈現(xiàn)先增加，再穩(wěn)定，最后逐漸衰減的趨勢，并間歇性存在一定的沖擊作用。選取此區(qū)間段數據進行分析，便于分析輪軌及速度傳感器的主要振源。在圖中可以看出垂向振動時頻圖隨車輛速度變化呈現(xiàn)明顯階次，并伴隨一定沖擊和寬頻隨機激勵現(xiàn)象。階次激勵通常與輪對多邊形失圓或直線電機有關[7-8]。

圖5 三溪-東圃區(qū)間段的軸端垂向振動時頻

直線電機頻率f與車輛速度v的關系可表示為：

式中：T為極距；s為轉差率。

對于廣州地鐵5 號線，T=280.8 mm，s=0.15，當車輛速度為84 km/h 時，可得f=48.9 Hz。直線電機的2 倍頻97.8 Hz 與時頻圖主要激勵頻率吻合，但各階次頻率并沒有明顯的基頻倍數關系，且未查到關于直線電機階次振動的文獻，圖5 中的階次現(xiàn)象與電機關系不大。廣州地鐵5 號線的輪對直徑約為0.7 m，當車輛速度為84 km/h時，轉速約為10.79 r/s，輪對各階次頻率滿足轉頻的倍頻關系，圖5中的階次現(xiàn)象與輪對多邊形化有關[9-10]。

圖6 所示為勻速段A104 車和B104 車軸端振動頻譜曲線?？梢钥闯觯海?）軸箱和速度傳感器測點主要承受的激勵源為輪對多邊形失圓引起的階次激勵，輪軌沖擊，輪軌寬頻隨機激勵（與線路條件有關）；（2）在軌道線路條件較好時，輪對多邊形失圓是主要激勵源，且失圓對垂向振動影響明顯，縱向次之，橫向最弱；（3）A104 車軸箱階次激勵頻率以轉頻的9 倍頻、8倍頻為主，輪對可能發(fā)生9 邊形和8 邊形失圓。B104 車軸箱階次激勵頻率轉頻的9 倍頻、6 倍頻、8 倍頻、7 倍頻為主，該輪對可能發(fā)生9邊形、6邊形、8邊形和7邊形失圓。

圖6 三溪-東圃勻速段的軸端振動頻譜

3.2.2 楊箕-動物園區(qū)間段

圖7 所示為楊箕-動物園區(qū)間段A104 車和B104 車軸端振動時頻。在此區(qū)間段，車輛速度先增加至57 km/h 再減速至33 km/h 后勻速行駛一段時間，在勻速區(qū)間段的速度波動幅度達5 km/h。盡管楊箕-動物園區(qū)間段后半部分的車輛速度低于前半部分，但該部分的路況尤為惡劣，振動明顯增加，速度波動和振動存在一定正相關性。由圖可以看出楊箕-動物園區(qū)間段軸箱及速度傳感器測點主要激勵來源于輪軌寬頻隨機激勵、輪軌多邊形失圓和線路沖擊，尤其是在區(qū)間段的后半部分，輪軌的寬頻隨機激勵為主要激勵，這與線路變化頻繁，彎道多、沖擊頻繁有關。

圖7 楊箕-動物園區(qū)間段的軸端垂向振動時頻

圖8 所示為勻速段A104 車和B104 車軸端振動頻譜曲線?？梢钥闯?0～80 Hz、80～120 Hz的輪軌寬頻隨機激勵幅值較高，過大的振動導致速度波動明顯。

圖8 楊箕-動物園勻速段的軸端振動頻譜

3.2.3 小北-廣州火車站區(qū)間段

圖9所示為小北-廣州火車站區(qū)間段A104車和B104車軸端振動時頻圖。在此區(qū)間段，車輛速度先增加，再接近勻速80 km/h，最后減速。在速度波動幅度較大的時間段，存在多個沖擊現(xiàn)象，振動有效值也較大。

圖9 小北-廣州火車站區(qū)間段的軸端垂向振動時頻

圖10 所示為勻速段A104 車和B104 車軸端振動頻譜曲線。該區(qū)間段的軸箱和速度傳感器承受輪對多邊形激勵和連續(xù)的沖擊作用，導致振動較大。

圖10 小北-廣州火車站勻速段的軸端振動頻譜

3.3 速度傳感器故障的解決

廣州地鐵5 號線車輛采用的是直線電機，速度傳感器只能通過輪對的轉動采集車輛速度信號，不像其他線路車輛使用旋轉電機，通過電機轉子的轉動速度來獲得車輛速度信號，因此廣州地鐵5 號線車輛速度傳感器的應用條件與其他線路車輛相比更加惡劣。從測試獲得的振動有效值、振動最大值以及振動頻譜特性可知部分區(qū)間線路條件不佳、輪對多邊形化，尤其是隨著車輛服役時間增加，輪對磨損、多邊形化、線路老化等會更加凸顯，使得輪對及速度傳感器振動增加，導致速度傳感器信號波動風險增加[11-12]。

為了解決速度傳感器的故障，可以從改善速度傳感器的內外部條件入手。速度傳感器生產廠家可以針對特定的振動沖擊條件，在速度傳感器內部的光電效應組件處增加減隔振措施，改善其振動環(huán)境。線路的使用頻次高，而且改變線路軌道狀況的工程量大，平時需要加強線路的檢修、維護與保養(yǎng)。對A104 車和B104 車輪對進行圓跳動檢測，發(fā)現(xiàn)輪對多邊形失圓的情況明顯，重新鏇輪后的車輛軸端振動有效值和最大值均在GB/T 21563-2018 標準值范圍內，速度傳感器的速度波動幅度在1.5 km/h 以內，滿足車輛運行的使用要求。因此，隨著車輛運營時間的增加，定期開展輪對的檢修、維護與保養(yǎng)，減小車輛振動是確保速度傳感器正?？煽抗ぷ鞯年P鍵。

4 結束語

本文重點分析了廣州地鐵5 號線不同區(qū)間段振動量級，并選取典型區(qū)間段分析軸箱與速度傳感器的主要激勵源以及速度波動幅度與振動的相關性，得到以下結論。

（1）廣州地鐵5 號線路況較為惡劣，經與GB/T 21563-2018 標準值對比，軸箱和速度傳感器測點垂向和縱向有效值存在普遍超標現(xiàn)象，其中在楊箕-動物園站的垂向振動有效值分別為標準值的2.6 倍和3 倍；速度傳感器測點的沖擊峰值普遍超標，沖擊峰值最高達1 200 m/s2。

（2）隨著路況惡劣程度增加，存在連續(xù)沖擊等作用時，速度波動幅度增大，與振動存在一定的正相關性。

（3）軸箱及速度傳感器的主要激振源包括輪對多邊形失圓、線路沖擊和輪軌寬頻隨機激勵。線路條件較好時，輪對多邊形失圓為主要激振源。線路條件較差時，輪軌寬頻隨機激勵及沖擊成為主要激振源。

（4）隨著車輛運營時間的增加，需要定期做好線路與輪對的檢修、維護與保養(yǎng)，減小車輛的振動，確保速度傳感器的正常可靠工作。