轨道车辆转向架关键部件故障分析研究

    徐晓灵 王瑜琳 牟刚 卢德林

    

    

    

    摘 要：轨道车辆机械故障在影响车辆运营安全的诸多因素中比例最高，达到故障总数的30%～40%。转向架作为轨道车辆机械系统的关键部分，支撑整个车体，承受并传递车体与轨道之间的各载荷，缓和车体与轨道之间的各作用力，其机械性能直接影响到列车运行的安全性。随着轨道列车运行速度的不断提高，轨道车辆转向架的结构亦趋于复杂化，加之轨道列车的运行状态始终处于不断变化之中，若无法及时发现并排除转向架机械故障，将给列车运行带来严重的安全隐患。因此本文重点分析轨道列车转向架关键部件的故障识别，为轨道列车早期机械故障状态识别提供参考。

    关键词：机械故障;转向架;安全隐患;故障识别

    1 概述

    作为交通运输体系中一种非常重要的陆地运输方式，轨道交通凭借其运输量大、成本低、速度快等特点，逐步在交通运输体系中占据举足轻重的地位。目前全国各大城市都在进行轨道交通建设规划，据中国轨道交通网统计，截至2019年12底，上海、北京、广州、南京、重庆等40座城市的210条线路已开通运营，总里程达6386.9公里，新增运营里程数968公里[1]，见图1。

    从图示可看出，随着我国轨道交通的跨越式发展，运营里程急剧增长，可以说我国进入了轨道交通发展的黄金时段，为有效缓解城市交通压力，推进城市化建设进程，解决其他公共交通所带来的能源紧张、环境污染等问题起到了极大的推动作用。但由于轨道列车具有车辆负荷强、车速变化频繁、停站时间短、行车密度大等特性，加之轨道列车的运行状态始终处于不断变化之中，使得运行过程中存在一定的安全隐患，这些都对轨道交通提出了更高的要求和挑战。

    轨道交通最基本、最核心的要求是安全可靠，然而轨道列车是一个复杂而庞大的系统，任何一个环节出现问题，都有可能造成车毁人亡的严重事故，给国家和个人带来巨大的经济损失和人身财产损失。调研最近20年来的轨道交通重大安全事故，发现轨道车辆机械故障在影响车辆运营安全的诸多因素中比例最高，达到故障总数的30%～40%[2]，在这一系列故障中，转向架故障占据了很大一部分比例，且一旦转向架出现故障，列车发生故障的概率及危害程度均明显提高。因此确保转向架安全、无故障是近年来轨道列车故障诊断领域的研究热点。

    2 轨道车辆转向架关键部件故障分析

    作为轨道车辆机械系统的重要组成部分，转向架主要承担牵引和引导轨道列车行驶，支撑整个车体，承受并传递车体与轨道之间的各载荷，缓和车体与轨道之间的各冲击力等功能，是保证轨道列车正常运行的关键部件。从结构上来看，转向架主要包括构架、轮对、轴箱装置、悬挂装置、牵引装置、制动装置、齿轮传动装置等。当轨道列车在大负荷、变速环境下工作时，转向架各零部件之间反复作用，极易出现疲劳损伤，降低其使用性能及寿命，造成严重的安全事故，可以说转向架各零部件机械性能的好坏直接影响着轨道列车运行的安全性。结合转向架的故障发生频率及所带来的危害程度，本文重点选取了轴箱轴承以及齿轮箱两个关键的零部件，来分析其故障类型及常见的故障诊断方法，为后期故障检测提供理论支撑。

    2.1 轴承轴箱故障分析

    轴箱轴承是轨道列车的关键旋转支撑部件，具有使用寿命长、精度高、可靠性强等特性。在列车运行过程中，轴承持续的承受车体与轨道的各载荷和冲击振动的作用，因此发生故障的概率较高，具体故障分析见表1所示[3-4]。

    目前针对轴箱轴承的故障诊断方法主要有声学诊断法、温度诊断法、振动诊断法等，结合轴承轴箱的故障類型及特点，基于振动信号的分析检测方法是目前使用最为广泛的轴承故障诊断方法。该方法通过信号的时域分析简单判断轴承是否存在故障，再进一步通过信号的频域分析定位故障点，可在故障萌芽期准确实现故障类型的诊断。

    2.2 齿轮箱故障分析

    齿轮箱是轨道列车的传动机构，通过多对齿轮的啮合转动来实现动力及运动状态的传递，协助列车平稳的沿轨道行驶，为列车的安全运行提供保证。由于齿轮箱的结构复杂，其加工工艺及装配要求较高，同时该部件自身容易产生不平稳振动等特性，使得其极易发生故障，而齿轮箱任何细小的故障都可能引发安全事故，具体故障见表2[5]。

    齿轮箱系统的故障诊断方法主要有噪声诊断法、冲击脉冲诊断法以及振动诊断法，结合齿轮系统的故障类型及特点，最常用的是振动诊断法。在列车运行过程中，齿轮箱系统在内部激振力和外部激振力的作用下产生振动和噪声，振动的传递过程如图2所示。振动信号可实时反应齿轮系统的运行状态，对振动信号进行采集、分析，可实时监测齿轮系统的状态，实现对故障的早期、中期以及晚期的检测与记录。

    3 总结

    为了确保轨道列车的安全运行，必须实时监测轨道列车的运行状态，已实现对列车早期机械故障的状态识别。因此本文通过调研了近年来轨道列车的重大安全事故，从故障率及危害程度的角度出发，选取了轴箱轴承和齿轮箱这两个关键的转向架部件，深入研究了故障的类型、成因及危害程度，为列车的早期故障识别研究奠定理论基础。确保列车故障处于萌芽阶段或故障程度尚轻微时，能够及时准确地予以状态评估和识别，并适时给出故障预警信息，以及指导故障发生后列车的保养和维修，最终实现降低事故风险和维修、维护成本。

    参考文献：

    [1]2019年中国铁路、高铁和城市轨道交通运营里程、运营线路及运营里程排行榜.

    [2]李熙.城市轨道车辆行走部安全评估方法研究[D].北京：北京交通大学，2011.

    [3]刘霄.城市轨道车辆轴箱轴承离线故障诊断及状态评估方法[D].上海：上海工程技术大学，2015.

    [4]赵治博.地铁车辆转向架轴承故障诊断方法研究[D].北京：北京交通大学，2015.

    [5]金子博.城市轨道车辆转向架关键部件在线安全监测技术研究[D].上海：上海工程技术大学，2014.

    基金项目：重庆公共运输职业学院院级科研项目，“轨道车辆转向架振动形态谱分析及故障诊断方法研究”（项目编号：YSKY2018-09）;重庆市教委科学技术研究计划项目“轨道车辆运行稳定性分析与故障诊断”（项目编号：KJQN201905803）

    *通讯作者：王瑜琳（1988—），女，硕士，讲师，研究方向：为信号检测与处理、故障诊断。