铁路机车车辆运行故障诊断技术的应用研究

张省伟 刘瑶

摘要：中国铁路建设规模稳居世界前沿，其主要功能为便利人员及货物的运输。铁路机车在进行一段时间工作后，由于工作强度大、工作时间长，往往容易出现某些部件磨损、老化等现象。随之而来的是铁路机车车辆运行中的各种风向。因此，文章基于中国现有铁路机车运行技术，从车辆故障诊断和安全监测入手，对故障监测和诊断技术的系列产品、轨道交通运载设备故障诊断和安全监测的技术特点进行了综合研究，最后以JK00430型机车走行部车载监测装置的推广应用为例进行了铁路机车车辆运行故障诊断技术的实证分析。研究可作为铁路机车故障诊断工作人员的理论参考依据。

关键词：铁路机车;运行故障;故障诊断

中图分类号：U279

文献标识码：A

文章编号：1001-5922（2020）09-0173-03

0 引言

随着国家对铁路交通建设的深入探究，中国铁路在运行速度以及车载量方面尤其获取了傲人的成绩，并在质量提升的同时，对铁路的安全系数也同样加强了重视[1-2]。铁路修建过程中，应在提高机械装配耐用度的基础上，增强对铁路故障的预估、预警监测系统，对存在的隐患进行实时监控，这样才能在铁路运行过程中，给予列车安全运行的保障。安全性能的完善、应用是决定铁路机车能否正常运行的重要因素[4]。

1 故障诊断和安全监测的技术基础

以提高列车的运输效率为前提，加强运输速度和运输质量是铁路技术发展的根本任务，其提速的战略性目标需要依靠列车安全运行来作为保障。因此，列车能否在规定范围内加大运输速度，需对铁路机车控制系统的实用性进行研究探讨[5-6]。通过对机械故障的振动检测（频域及时域），可以有效的提取到设备在运行过程中存在的异常物理信号，使检测的目的更具效果性，振动检测是最早应用于机械故障排查领域的科技之一[7]。在实际操作环境中，铁路机械装备会产生多样化振动，如，在列车运行过程中，与轨道摩擦所产生的物理震动，虽振动幅度较大，但不会产生实质性的安全问题。但这种噪声往往会掩盖齿轮、轴承等精密部件发生故障所引发振动。为了解决这一困境，共振解调技术的问世在原有的振动检测系统中融合了声音检测技术，对铁路故障排查的服务范围进行了拓展。共振解调技术可自动排查常规的振动，只捕捉细微的故障冲击，使铁路设备的物理信息收集更加具备有效性，从而更为精准的分析判断故障内容以及所处部位，得出更为详尽的结论[8]。

2 铁路机车子系统的故障诊断

2.1 转向架式走行部的故障诊断

现下的铁路列车车辆走行部多为转向架式构造，可将这类走行部统称为转向架。本文主要研究转向架式走行部，所以对二者不再区别称谓。构成转向架式走行部的重要组成部分为：轮对及轮轴，齿轮箱，轴承等。以中国北车集团生产制造的天津地铁转向架为例，如图1所示。

列车车辆走行部主要由轮对构成基础框架，因轮对直接接触于钢轨，且列车的重量完全压制于轮对，所以车轮踏面和车轴轴颈的摩擦损耗程度是维系列车安全的关键因素之一。

2.2 齿轮箱的故障诊断

列车车辆转动系统的重要组成机械部件为齿轮箱，齿轮箱作为列车牵引的动力源头，因其所处的工作环境对其系统磨损较为严重，所以极易造成轮齿齿面的腐蚀、裂变、脱落等现象的发生。所以，铁路列车车辆齿轮箱故障的排查主体多为齿轮箱轴承，如图2所示[9]。

2.1.1 轴承

在铁路轴承的故障检测中，共振解调技术的应用对其来说是相得益彰的。共振解调技术主要是对滚动轴承内部的故障零部件所产生的细微冲击进行捕捉，此种方法的特征是独具敏感性，尤其针对早期不易发现的转动装置中承载部件进行排查。

2.1.2 走行部整体

铁路机车的各部分机械（齿轮箱、转向架轴向、电动机）振动都会顺借构架引起共振，这就可以表明构架的异常振动就可代表部分机械的异动。所以，在故障排查系统中可对多个部件同时进行实时监测及预警。中国的列车安全系数较高，突发的紧急事件较少，虽对不通列车型号建立的故障预警数据库，却也难以得到完整的的真实数据。所以在列车的日常运行中，着重对不同工况（极特殊天气状况也包含在内）下的数据进行统计研究，作为参考依据，才可在后续的实践工作中通过参数及时判断列车的走行部是否发生故障[10]。

2.3 牵引电动机的故障诊断

牽引电动机作为铁路机车车辆的动力核心装置，可将能量转化为供机车运作的机械能，因其工作环境会受到风沙雨水的侵蚀，以及车辆的加速及制动，都会导致其轴承、端部线圈极易发生故障，铁路转向架上牵引电动机轴承经常会发生故障的机械部位分为以下3种：滚动体、内圈、外圈，就此，对于其故障诊断专门研发了针对性系统。系统中的关键性诊断元素为小波包（通过对小波包的构成系数更换，可对电动机振动信号进行降噪处理），最终通过实践的测试信号模型进行分类诊断思维构建[11]。

2.4 电气设备的故障诊断

交流牵引电动机主要功能构建为逆变器、受力弓和接地装置。电动机设备则主要保障铁路机车整体电力的合理分配，尤其对电力机车而言更是动力的来源，在对列车整体的故障研究中也处于主体地位。

在交流牵引电动机中，对逆变器、受电弓的故障排查是关键环节，在实际应用中这两大机械装配极易出现故障。由于影响铁路机车运行的元素复杂多样，所以应基于自适应网络模糊逻辑推理理论建立对交流迁移电动机的故障排查体系[12]。

2.5 自动门系统的故障诊断

铁路客运列车自动门发生故障次数约占列车系统总故障的35%左右，而列车的自动门又在整体系统中占有主导地位，它决定着列车能否正常进行功能性的装载和卸载。基于尼康公司MK0408塞拉门电控系统创新研究了MS730CP5气动塞拉门[13]。

3JK00430型机车走行部车载监测装置实证分析JK00430型机车走行部车载监测装置在中国的铁路发展进程中占有推进的先导作用，并在全国范围内得以应用，为中国铁路安全增添了新的“保护屏障”。北京铁路局与上海铁路局分别于2002年、2003年基于铁道部六大干线标准化建设的要求接连启动对走行部车载监测装置的研究工作，以下将对其研究成果进行进一步论述分析[14]。