顏秀珍　何發(fā)勝

關(guān)鍵詞： 數(shù)據(jù)采集和診斷系統(tǒng) 高速列車(chē) 特性分析 轉(zhuǎn)向架

中圖分類號(hào)： U453 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1672-3791（2023）15-0076-04

安全是軌道交通在發(fā)展過(guò)程中時(shí)刻要謹(jǐn)記的第一要義。如何兼顧安全性與高速化、智能化與經(jīng)濟(jì)性，是軌道交通發(fā)展中的永恒課題。目前，國(guó)內(nèi)外的主流檢修方式是定期檢修，即按一定的時(shí)間（或里程）對(duì)列車(chē)進(jìn)行規(guī)定的不同程度的檢修（以先到為準(zhǔn)）。以CRH380A 為例，一共分為一級(jí)修、二級(jí)修、三級(jí)修、四級(jí)修和五級(jí)修共5 種不同程度的檢修。其中：一級(jí)修的間隔為里程達(dá)5 000±500 km 或時(shí)間達(dá)48 h；二級(jí)修的間隔為3 萬(wàn)km 或30 d；三級(jí)修的間隔為60 萬(wàn)km 或1.5 年；四級(jí)修的間隔為120 萬(wàn)km 或3 年；五級(jí)修的間隔為240 萬(wàn)km 或6 年。一方面，這種檢修方式容易管理，容易操作，對(duì)員工的要求也不高；另一方面，由于其發(fā)生在零部件未發(fā)生故障的階段，所以經(jīng)濟(jì)性較差，容易造成場(chǎng)地、人員和資源浪費(fèi)。

在列車(chē)上的某些位置安裝傳感器，對(duì)列車(chē)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)行中的故障，不僅可以提高列車(chē)運(yùn)行的安全性，減少運(yùn)行中的突發(fā)安全事故，還可以對(duì)現(xiàn)有的定期修提出一定的優(yōu)化建議。對(duì)原始振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入有效挖掘，還可以找到零部件的退化規(guī)律，進(jìn)一步指導(dǎo)列車(chē)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。因此，此監(jiān)測(cè)方法在軌道交通現(xiàn)場(chǎng)和科研領(lǐng)域均有廣泛的適用性。

1 研究意義

軌道交通正朝著高速、智能化和輕量化發(fā)展，各種新材料和智能技術(shù)的出現(xiàn)，使高速列車(chē)設(shè)備越來(lái)越智能。為保證列車(chē)運(yùn)行的安全性，每隔一段時(shí)間或運(yùn)行一段里程就要對(duì)列車(chē)進(jìn)行一定程度的檢修。目前，國(guó)內(nèi)外的檢修方式主要是以計(jì)劃修為主，即在列車(chē)發(fā)生故障前就對(duì)其進(jìn)行檢修，這種檢修方式容易實(shí)現(xiàn)，對(duì)技術(shù)的要求低，可以很好地保障列車(chē)的安全運(yùn)行。由于這種檢修是零部件未發(fā)生故障時(shí)的定期日常檢修，勢(shì)必會(huì)造成很大的人力資源和場(chǎng)地浪費(fèi)。除此之外，由于線路狀況、零部件自身性能差異與實(shí)際運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)的不同，有些零部件狀態(tài)還很好就被檢修換下，也就造成了很大的設(shè)備浪費(fèi)。由于以上因素，國(guó)內(nèi)外一直在研究一種更科學(xué)、更合理的檢修方式——狀態(tài)修。這種檢修方式基于對(duì)零部件的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)零部件的病變過(guò)程，在其影響列車(chē)安全運(yùn)行前就將其更換，具有更大的靈活性和經(jīng)濟(jì)性，但同時(shí)也對(duì)檢修基地和監(jiān)測(cè)手段提出了更高的要求。

列車(chē)上有成千上萬(wàn)個(gè)零部件，不同的零部件安裝位置不同、功能不同，重要程度也各不相同。列車(chē)上最應(yīng)該注意的是能夠直接影響行車(chē)安全的零部件。

車(chē)體下的轉(zhuǎn)向架在列車(chē)行車(chē)安全中起到非常重要的作用，尤其是齒輪箱、電機(jī)、軸箱等關(guān)鍵部件，其狀態(tài)是否良好直接決定行車(chē)是否安全。而齒輪箱、電機(jī)、軸箱等關(guān)鍵部件的振動(dòng)加速度可以很好地表征其自身的狀態(tài)，因此，在不影響行車(chē)安全的前提下，通過(guò)在轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵部件上安裝振動(dòng)傳感器，獲取部件的振動(dòng)數(shù)據(jù)，可以很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)其狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。通過(guò)對(duì)海量的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行特征分析和數(shù)據(jù)處理，挖掘其隱藏的退化規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)列車(chē)的安全評(píng)估。

目前，國(guó)內(nèi)外大部分針對(duì)轉(zhuǎn)向架的狀態(tài)評(píng)估都是在仿真軟件上進(jìn)行，如ANSYS 和SIMPACK。這種評(píng)估方法容易實(shí)現(xiàn)，但是無(wú)法很好地模擬線路的實(shí)際路況和轉(zhuǎn)向架各個(gè)零部件的真實(shí)運(yùn)行情況和各自影響關(guān)系，導(dǎo)致最好的模擬結(jié)果在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)并無(wú)多大用處。在此情況下，基于車(chē)載振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行高速列車(chē)轉(zhuǎn)向架的安全評(píng)估，并進(jìn)一步反演識(shí)別，進(jìn)行高速列車(chē)的實(shí)時(shí)故障診斷，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

隨著軌道交通在世界范圍內(nèi)的快速發(fā)展，高速列車(chē)服役過(guò)程的安全評(píng)估、故障診斷、行車(chē)安全監(jiān)測(cè)和列車(chē)PHM 等安全相關(guān)的研究引起了各國(guó)的廣泛重視。特別是進(jìn)入21 世紀(jì)，隨著高速列車(chē)運(yùn)行速度的不斷提高，國(guó)內(nèi)外高鐵廠商、科研人員及學(xué)者進(jìn)行了很多關(guān)于列車(chē)安全性的模擬仿真、試驗(yàn)和分析研究。在高速列車(chē)運(yùn)行里程最長(zhǎng)、高鐵發(fā)展速度最快的我國(guó)和世界上第一條高速鐵路所在地的日本，都有各種安全保障體系來(lái)保障列車(chē)的行車(chē)安全，包括線路監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)、自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)、行車(chē)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)、高速列車(chē)修程修制、防脫軌和耐碰撞技術(shù)[1-2]，以上這些安全保障體系可以對(duì)列車(chē)行車(chē)中的各種故障進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析、報(bào)警，以保障行車(chē)安全[3]。

目前，主流的監(jiān)測(cè)方法是在關(guān)鍵部位上安裝振動(dòng)傳感器，實(shí)時(shí)采集、傳輸列車(chē)在正常運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的振動(dòng)數(shù)據(jù)、速度數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)和加速度數(shù)據(jù)等[4]。傳感器源源不斷地采集列車(chē)運(yùn)行數(shù)據(jù)，基于此，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，特征提取，挖掘隱含在海量數(shù)據(jù)中的有用信息，從而分析出列車(chē)目前的安全狀態(tài)。但是，此類安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)仍存在自成一體的問(wèn)題[5]，且監(jiān)測(cè)對(duì)象僅包括軸箱等重點(diǎn)零部件，未能實(shí)現(xiàn)全方位、360 度監(jiān)測(cè)，包括對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的特征提取的準(zhǔn)確度等問(wèn)題。

我國(guó)在保障列車(chē)的行車(chē)安全上做了很多工作。從大的方面來(lái)說(shuō)，我國(guó)的安全保障體系分成3 個(gè)部分：（1）既有線上鐵道車(chē)輛的安全保障體系；（2）高速動(dòng)車(chē)組安全保障體系；（3）城軌交通安全保障體系。

既有線上的保障體系主要包括地對(duì)車(chē)安全保障體系、車(chē)對(duì)車(chē)安全保障體系、行車(chē)人員安全保障體系、自然災(zāi)害報(bào)警體系、行車(chē)安全救急等部分組成。城軌車(chē)輛的安全保障體系指的是地鐵在運(yùn)行全過(guò)程中的實(shí)時(shí)保障。高速動(dòng)車(chē)組的安全保障體系主要包括：（1）列車(chē)網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)TCN 列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過(guò)MVB、WTB 將傳感器等采集的信息匯總到司機(jī)室，并進(jìn)行處理分析、顯示、報(bào)警；（2）動(dòng)車(chē)組行車(chē)安全監(jiān)控系統(tǒng)、重要裝備傷損安全監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)、信號(hào)、調(diào)車(chē)安全保障系統(tǒng)、針對(duì)地面，線路、隧道的行車(chē)安全保障系統(tǒng)，還有自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)，應(yīng)急故障處理系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)列車(chē)的安全狀態(tài)，預(yù)警危險(xiǎn)情況，并實(shí)時(shí)報(bào)警；（3）針對(duì)修程修制的質(zhì)量保障系統(tǒng)。這些安全體系的建立，確保了列車(chē)的安全運(yùn)營(yíng)，為我國(guó)鐵路事業(yè)的發(fā)展提供了基本保障。然而，還是存在一些可以繼續(xù)改進(jìn)提高的地方。例如：現(xiàn)存的保障手段很少是針對(duì)列車(chē)上關(guān)鍵零部件的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，無(wú)法做到隨時(shí)了解、分析和評(píng)估高速列車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)，地對(duì)車(chē)的安全監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)量有限等問(wèn)題。

總體來(lái)說(shuō)，目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)列車(chē)行車(chē)安全數(shù)據(jù)的分析還比較零散，且無(wú)系統(tǒng)性、通用型的處理方法和技術(shù)。同時(shí)，許多工作在電腦軟件上通過(guò)虛擬仿真完成，實(shí)際運(yùn)用中發(fā)現(xiàn)對(duì)實(shí)際行車(chē)幾乎無(wú)指導(dǎo)意義。實(shí)際上，利用大數(shù)據(jù)分析方法，對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，在此基礎(chǔ)上完成的數(shù)據(jù)分析才有真實(shí)意義[6]。

3 研究方法

3.1 研究目標(biāo)和內(nèi)容

本研究的主要工作是基于車(chē)載檢測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)高速列車(chē)轉(zhuǎn)向架進(jìn)行安全評(píng)估和故障診斷。

擬選取一列CRH1A 型動(dòng)車(chē)組和一列CRH1A-A 型動(dòng)車(chē)組作為跟蹤試驗(yàn)動(dòng)車(chē)組（以下簡(jiǎn)稱跟蹤動(dòng)車(chē)組），在跟蹤動(dòng)車(chē)組軸箱、齒輪箱和牽引電機(jī)上加裝振動(dòng)、溫度一體式傳感器，車(chē)廂內(nèi)加裝數(shù)據(jù)采集和診斷系統(tǒng)。

擬通過(guò)采集跟蹤動(dòng)車(chē)組在運(yùn)行工況下，重軸承、輪對(duì)、齒輪箱和牽引電機(jī)的車(chē)載振動(dòng)數(shù)據(jù)、靜態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)、檢修數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)，基于信號(hào)分析和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)算法，分析轉(zhuǎn)向架不同部件間振動(dòng)加速度的相互關(guān)系。

擬通過(guò)采集動(dòng)車(chē)組在運(yùn)行工況下，軸承、齒輪箱和牽引電機(jī)溫度數(shù)據(jù)，研究列車(chē)在不同工況、線路條件、環(huán)境溫度下的溫度趨勢(shì)變化曲線，預(yù)期建立基于LSTM模型的溫度預(yù)測(cè)算法，提出與部件實(shí)際運(yùn)用工況匹配的溫度報(bào)警閾值和報(bào)警策略。

3.2 試驗(yàn)方案

擬在車(chē)廂內(nèi)加裝數(shù)據(jù)采集和診斷系統(tǒng)，系統(tǒng)的車(chē)載檢測(cè)處理部件主要是由車(chē)載主機(jī)、前置處理器和各種傳感器組成。各檢測(cè)處理部件主要安裝在車(chē)下設(shè)備艙與各部件的檢測(cè)點(diǎn)上，具體的安裝方案如下。頭車(chē)Mc 的主機(jī)與1 號(hào)轉(zhuǎn)向架的前置處理器，安裝在頭車(chē)底架的設(shè)備艙中，2 號(hào)轉(zhuǎn)向架的前置處理器安裝在轉(zhuǎn)向架二位端的端部設(shè)備艙中。另外，因?yàn)椴蛙?chē)的端部設(shè)備艙已放沙箱，所以餐車(chē)上的主機(jī)和前置處理器都安裝在車(chē)下設(shè)備艙內(nèi)。除此以外，其余所有車(chē)輛的車(chē)載主機(jī)與前置處理器均安裝在本節(jié)車(chē)車(chē)底架的端部設(shè)備艙內(nèi)。為固定主機(jī)，安裝時(shí)采用專用安裝支架。同時(shí)，1 號(hào)轉(zhuǎn)向架與2 號(hào)轉(zhuǎn)向架的前置處理器分別安裝在一位端與二位端底架端部設(shè)備艙中。主機(jī)只需安裝在其中一個(gè)設(shè)備艙中，具體安裝位置需根據(jù)車(chē)輛設(shè)備艙內(nèi)布置進(jìn)行確定。

項(xiàng)目轉(zhuǎn)向架在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)拓?fù)浼熬唧w裝車(chē)方案如圖1、圖2、圖3 所示。

該系統(tǒng)為單獨(dú)系統(tǒng)，不接入動(dòng)車(chē)組已有的系統(tǒng)，不會(huì)影響列車(chē)的正常運(yùn)行。各個(gè)設(shè)備分別安裝在1～8 號(hào)車(chē)上，并且各個(gè)車(chē)輛自成小系統(tǒng)，車(chē)輛之間不增加跨接電纜，需要給各個(gè)車(chē)輛提供單獨(dú)的轉(zhuǎn)速信號(hào)。

除了車(chē)載主機(jī)和處理器，系統(tǒng)里還有起到數(shù)據(jù)檢測(cè)的傳感器，傳感器均分布在轉(zhuǎn)向架的監(jiān)測(cè)點(diǎn)上。其中動(dòng)車(chē)上1 號(hào)和2 號(hào)轉(zhuǎn)向架上各有8 個(gè)軸箱復(fù)合傳感器、2 個(gè)齒輪箱復(fù)合傳感器、2 個(gè)電機(jī)復(fù)合傳感器，除此以外，還有個(gè)三向加速度振動(dòng)傳感器。另外，1 號(hào)轉(zhuǎn)向架上還有1 個(gè)軸端速度傳感器，2 號(hào)轉(zhuǎn)向架沒(méi)有。

拖車(chē)上的傳感器數(shù)量比動(dòng)車(chē)數(shù)量少很多，其每節(jié)車(chē)廂傳感器的分布情況為：車(chē)廂上各有2 個(gè)轉(zhuǎn)向架，每個(gè)轉(zhuǎn)向架各有8 個(gè)軸箱復(fù)合傳感器和1 個(gè)三向加速度振動(dòng)傳感器。除此以外，1 號(hào)轉(zhuǎn)向架還有個(gè)軸端速度傳感器。

每個(gè)轉(zhuǎn)向架配置一個(gè)前置處理器，一個(gè)失穩(wěn)三向加速度振動(dòng)傳感器。

每節(jié)車(chē)廂需安裝的設(shè)備類型、數(shù)量和位置匯總?cè)绫? 所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本文試圖在對(duì)現(xiàn)有轉(zhuǎn)向架振動(dòng)特性研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析總結(jié)的基礎(chǔ)上，歸納、總結(jié)，試圖提出更適合高速列車(chē)的振動(dòng)特性分析方案和系統(tǒng)布局方法，希望能在不影響列車(chē)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)上找到一種更優(yōu)的方案。在后續(xù)進(jìn)一步的研究中，可以基于此方案獲取的檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、特征提取，從而進(jìn)一步找到轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件的退化規(guī)律，進(jìn)一步對(duì)現(xiàn)有檢修制度提出相應(yīng)的優(yōu)化建議。