付時瑞 卜 峰 吳艷鵬 曹 琦 陸東宇 崔健東

(1. 中車長春軌道客車股份有限公司檢修運維事業(yè)部， 130062， 長春；2. 中車長春軌道客車股份有限公司國家軌道客車工程研究中心， 130062， 長春∥第一作者， 工程師)

高速鐵路車輛是多自由度復(fù)雜動力學(xué)系統(tǒng)[1]的集合，其中，車輛的牽引動力傳動系統(tǒng)由牽引電機(jī)、萬向軸、齒輪箱及動軸輪對組成。在實際運營中，由于車輛加減速、線路不平順，以及動力系統(tǒng)本身等原因，車輛局部或整體產(chǎn)生異常振動。本文以某型號動車組TDDS(列車振動監(jiān)控系統(tǒng))監(jiān)測到的異常振動信息為例，結(jié)合數(shù)據(jù)分析方法，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出該型號動車組齒輪箱異常振動的故障點。

1 動車組列車振動監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 TDDS報警閾值設(shè)置

動車組TDDS由振動監(jiān)控主機(jī)、牽引電機(jī)振動傳感器及齒輪箱振動傳感器組成，具有數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理及顯示等多種功能[2]，通過TCMS(列車控制與管理系統(tǒng))的MVB線(多功能車輛總線)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。運行環(huán)境中振動是多個頻率組成的復(fù)雜振動信號[3]。采用TDDS實時監(jiān)測電機(jī)端與齒輪箱端的振動加速度，每5 s的振動加速度處理后得到1個振動加速度特征值，若連續(xù)10個振動加速度特征值超過相應(yīng)的閾值則產(chǎn)生對應(yīng)的報警。報警閾值則是通過分析車輛模擬振動數(shù)據(jù)及車輛運行數(shù)據(jù)得出，具體設(shè)置如表1～2所示。

表1 齒輪箱監(jiān)測點振動特征值報警閾值設(shè)置Tab.1 Warning threshold setting of vibration characteristic value at gearbox measuring points

表2 電機(jī)監(jiān)測點振動加速度特征值報警閾值設(shè)置Tab.2 Warning threshold setting of vibration acceleration characteristic value at motor measuring points

1.2 萬向軸預(yù)報警邏輯

萬向軸動不平衡故障的預(yù)警、報警邏輯采用時域和頻域相結(jié)合的方法進(jìn)行判別。在時域(以傳感器采集的振動數(shù)據(jù)時序排列)上，判斷齒輪箱是否存在振動異常；在頻域(以傳感器采集的轉(zhuǎn)頻幅值數(shù)據(jù)時序排列)上，對萬向軸轉(zhuǎn)頻幅值進(jìn)行判斷。時域和頻域是“與”的關(guān)系，同時超過閾值才判斷萬向軸動不平衡超標(biāo)。電機(jī)端萬向軸動不平衡的預(yù)、報警邏輯采用振動加速度時域特征值進(jìn)行判別，在時域上直接判別萬向軸轉(zhuǎn)頻幅值是否超界，以此判斷萬向軸是否存在動不平衡故障。

TDDS的監(jiān)測功能需要結(jié)合速度信息進(jìn)行判別。當(dāng)列車運行速度大于等于100 km/h時，需進(jìn)行萬向軸動不平衡監(jiān)測。速度信號來源于列車TCMS的各車電機(jī)速度信號(電機(jī)轉(zhuǎn)速與萬向軸轉(zhuǎn)速一致)。萬向軸振動預(yù)、報警邏輯框圖如圖1所示。

圖1 萬向軸振動預(yù)、報警邏輯圖Fig.1 Preliminary waring logic diagram of cardan shaft vibration

2 動車組TDDS數(shù)據(jù)分析

2.1 動車組預(yù)警時刻TDDS數(shù)據(jù)分析

對某型號動車組4車1位端及4車2位端電機(jī)監(jiān)測點數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其振動加速度時域特征值隨列車運行速度的變化曲線如圖2所示。圖2中標(biāo)注的加速度預(yù)警即為4車2位端電機(jī)監(jiān)測點產(chǎn)生加速度預(yù)警的時段，該時段電機(jī)監(jiān)測點的振動加速度特征值如表3～4所示。自檢文件預(yù)報警時刻截圖如圖3所示。

2.2 動車組車體振動加速度特征值對比分析

由于振動加速度特征值隨著列車運行速度的變化而變化，因此為了更好地進(jìn)行不同位置的橫向?qū)Ρ?，對測點的振動加速度特征值做了進(jìn)一步的統(tǒng)計分析。在統(tǒng)計分析時，選擇每個測點全天特征值中符合當(dāng)前運行速度要求的特征值，進(jìn)行算術(shù)平均值計算，根據(jù)該算術(shù)平均值進(jìn)行不同位置的對比分析。

圖2 動車組4車電機(jī)監(jiān)測點振動加速度時域特征值曲線Fig.2 Time-domain eigenvalue curve of vibration acceleration at EMU 4-vehicle A end motor measuring points

表3 4車2位端首次加速度預(yù)警時刻電機(jī)監(jiān)測點振動特征值統(tǒng)計Tab.3 The first preliminary acceleration waring of vibration characteristics at 4-vehicle A end motor measuring points

表4 4車2位端第2次加速度預(yù)警時刻電機(jī)監(jiān)測點振動加速度特征值統(tǒng)計Tab.4 The second preliminary acceleratgion waring of vibration characteristics at 4-vehicle A end motor measuring points

對某型號動車組2020年1月8日至2020年2月6日期間4車各測點在速度為210～250 km/h范圍內(nèi)的特征值進(jìn)行統(tǒng)計，并計算其平均值，結(jié)果如表5～6所示。

圖3 自檢文件預(yù)報警時刻截圖Fig.3 Screenshots of self-inspection document warning times

從表5～6中數(shù)據(jù)可以得出，齒輪箱監(jiān)測點和電機(jī)監(jiān)測點在4車2位端采集到的振動數(shù)據(jù)均較大。由此可見，4車2位端電機(jī)監(jiān)測點的振動明顯大于4車1位端電機(jī)監(jiān)測點的振動。

表5 4車1位端電機(jī)監(jiān)測點振動加速度特征值統(tǒng)計Tab.5 Vibration acceleration characteristics statistics at 4-vehicle B end motor measuring points

2.3 齒輪箱和電機(jī)振動加速度特征值趨勢分析

選取2019年12月11日至2020年2月6日期間4車各測點在210～250 km/h速度范圍內(nèi)的振動加速度特征值，并分別計算齒輪箱振動加速度時域特征值、齒輪箱振動加速度頻域特征值及電機(jī)振動加速度時域特征值，結(jié)果如圖4～6所示。

圖4 齒輪箱振動加速度時域特征值變化曲線Fig.4 Temporal characteristics variation acceleration curves of gear box

圖5 齒輪箱振動加速度頻域特征值變化曲線Fig.5 Frequency domain characteristic variation curves of gear box

圖6 電機(jī)振動加速度時域特征值變化曲線Fig.6 Temporal characteristics variation acceleration curves of motor vibration

通過觀察圖4～6可以看出,4車1位端齒輪箱及電機(jī)測點的振動加速度特征值無增大趨勢，保持平穩(wěn)狀態(tài)；4車2位端齒輪箱及電機(jī)測點的振動加速度特征值存在明顯的上升趨勢。

3 齒輪箱測點的振動加速度頻譜值計算

選取預(yù)警時刻數(shù)據(jù)代入式(1)及式(2)，分別計算預(yù)警時刻萬向軸轉(zhuǎn)頻及齒輪嚙合頻率，從而得到當(dāng)前時刻齒輪箱監(jiān)測點的振動加速度頻譜值。

表6 4車2位端電機(jī)監(jiān)測點振動加速度特征值統(tǒng)計Tab.6 Vibration acceleration characteristics statistics at 4-vehicle A end motor measuring points

萬向軸轉(zhuǎn)頻和齒輪嚙合頻率分別為：

(1)

fn=fwnz

(2)

式中：

fw——萬向軸轉(zhuǎn)頻,Hz;

fn——齒輪嚙合頻率,Hz;

v——列車運行速度，km/h；

d——輪對直徑，m；

i——齒輪傳動比；

nz——錐齒輪齒數(shù)。

齒輪箱監(jiān)測點振動加速度頻譜如圖7所示。根據(jù)MPU(中央控制單元)記錄預(yù)警時刻列車運行速度為244 km/h。將其代入式(1)和式(2)可得，萬向軸理論轉(zhuǎn)頻為56.4 Hz，齒輪理論嚙合頻率為1 524 Hz。結(jié)合電機(jī)監(jiān)測點的振動數(shù)據(jù)，判斷出4車2位端萬向軸發(fā)生了故障。

圖7 齒輪箱測點振動加速度頻譜Fig.7 Vibration acceleration spectrum of gear box

4 結(jié)語

本文基于動車組車輛牽引電機(jī)振動時域特性和齒輪箱轉(zhuǎn)頻頻域特性分析方法，結(jié)合列車監(jiān)測數(shù)據(jù)及趨勢分析法，得出該動車組運行過程中產(chǎn)生牽引切除故障的原因，并確認(rèn)了故障點位置。論證了動車組TDDS能夠有效地監(jiān)控及分析車輛振動數(shù)據(jù)，并在必要時可對駕駛員進(jìn)行預(yù)警及報警提示，有效提升了動車組的運營安全性，同時也為后續(xù)動車組結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)支撐。