走行部在线监测系统在贵阳地铁2 号线的应用

胡瀚文

（贵阳市城市轨道交通运营有限公司，贵州 贵阳 550081）

0 引言

城市化不断推进，地铁成为市民的重要公共交通工具。由于地铁各个车站之间的间距较短，列车在运行中启动、加速、减速、制动的工况切换较为频繁，车辆在运行中受到频繁变化的动态载荷，走行部可靠性随运行时间延长而下降。目前大多数走行部的检修维护工作主要通过人工检查来实现，维护成本高、效率低，且人工检修过程中不易发现早期故障隐患点。基于此，贵阳2 号线车辆装备了JK450 型走行部在线监测系统，通过长时间的运用和跟踪监测，实现了走行部在线监测和故障诊断，便于技术人员在故障初期制定相应维保措施。

1 维保走行部存在的问题

按设备故障浴盆曲线规律，随着地铁车辆走行部运行时间、里程数不断增加，走行部运行达到一定里程后，部件故障率开始出现浴盆效应向上的拐点，运行安全性能逐渐降低，造成系列维护问题：

（1）走行部关键部件如轴承、齿轮、车轮踏面质量状态无法实时掌控，特别是轴承，传统维保手段是通过贴温度试纸的方法进行跟踪，但是这种方法只能在列车回库后检查，具有滞后性且不能完全反映轴承的实际状况。

（2）车辆厂家给出的走行部轴承的维修周期较为保守，不同的运用条件应具有不同的维修要求，欠修容易引起安全事件，过修则增加维修成本，应根据轴承的实际状态来确定具体的维修周期。

（3）地铁线路个别区间存在或轻或重的钢轨波磨问题，钢轨波磨加剧了轮轨之间的动力学作用，既加速了走形部各部件的机械损伤，又引发轮轨之间的异常啸叫噪声，降低运营服务质量。传统对轨道波磨的维护仅通过在运营收车后的沿线检查来实现，这样的检查具有滞后性，且并不能完全发现问题。

鉴于此，有必要引入走行部在线监测系统，实时监测走行部关键部件的数据，掌握走行部关键部件的质量状态和轮轨间的实际振动情况，并提供科学的运用和维修指导意见。

2 走行部在线监测系统

目前，国内北京、上海、广州、深圳等城市地铁已开始在新线安装或老线改造安装应用走行部在线监测系统，该系统在地铁车辆运行中能够及时发现轴承异常、齿轮磨损、踏面擦伤等故障，并实时监测轮轨关系状态，在保障车辆安全运行过程中起到重大作用。

2.1 监测系统原理

贵阳地铁2 号线车辆走行部在线监测系统功能基于“广义共振与共振解调的机械设备故障诊断技术”原理，主要通过在车辆走行部关键部件（如电机、齿轮箱、轴箱）贴近轴承位置安装复合传感器（安装位置如图1 所示），由传感器对所安装部件的各物理量（如振动、冲击、温度）进行实时探测感知，以车载方式实时监测采集轴承、传动齿轮、轮对踏面等部件的数据，采用周期性监测获取轮轨振动数据样本，采用“机械冲击故障的共振解调检测”“变速运转机械故障诊断及谱号固化分析”等先进检测技术，实现车辆速度、振动、冲击等信号的跟踪采样与滤波处置，并提取出微弱的周期性的故障信号，对其非周期信号进行周期性转换，最终通过频谱计算分析，完成对车辆走行部在运行过程中实时的精确监测及诊断[1]。

图1 走行部安装复合传感器位置示意图

该系统可实现线路轨道公里标自动定位，在轮轨检测工作模式下对轮轨状态进行实时监测，提取车轮运行过程中轮轨关系作用下的振动、冲击信号，通过配套的地面系统实现各区间轮轨振动、波磨等详细分析功能，作为掌握轨道状态的参考依据[2]。系统实时、在线、连续监测走行部运行状态，对多项行车的数据做综合计算分析才形成故障的准确识别和早期预警，并实现并对关键部件故障进行分级诊断及报警，通过MVB 总线将报警信息输出到车辆TCMS，指导行车。

2.2 监测系统组成

贵阳地铁2 号线车辆走行部在线监测系统为固定式车载故障诊断系统，主要由车载诊断仪（6 台）、前置处理器（20 台）、复合传感器（80 支）、无线数据传输终端（1 台）组成，全列车由贯通的屏蔽双绞电缆组成总线通信，形成数据通信网络和转速脉冲信号实时通信网络，系统具备报警信息通过网络（MVB 或以太网）传输至TCMS 的功能，并由列车TC 车车载诊断仪汇总所有数据及信息，再通过无线数据传输终端将数据传送至地面服务器，实现对电机轴承、齿轮箱轴承、齿轮箱齿轮、轴箱轴承、车轮踏面、轮轨冲击等数据的实时在线监测及故障诊断。其系统结构拓扑图如图2所示。

图2 走行部在线监测系统设备拓结构

（1）复合传感器：对安装部件多个物理量（如温度、振动、冲击等）进行实时监测、处理和传输。

（2）前置处理器：实现冲击、振动、温度模拟通道切换以及模拟信号总线方式传输。

（3）综合诊断仪：对接收到的模拟信号进行解析、诊断和报警，并可以实现监测数据储存、下载、系统数据更新等功能。

（4）无线数据传输终端：通过5G 无线网络将列车设备数据实时传输到地面服务器上。

3 系统的应用情况

贵阳地铁2 号线全长40.6 km，区间最大坡度30‰、最小曲线半径350 m。车辆为六节编组，编组形式：=Tc-Mp-M+M-Mp-Tc=。该线有4 列车安装了走行部在线监测系统，实现了走行部关键部件的振动、冲击、温度3 个物理量实时在线监测和诊断，保障了列车运营安全。截止至2023 年8 月30 日，装备系统的列车最大运行里程已达2.84×106km，统计近两年来的整体应用情况如下：

1）轴箱轴承：监测轴箱轴承测点192 个，存在1处轴承（02029 车5 车41 位轴箱）外环故障特征，该轴承位置存在冲击趋势较为连续，温度处于正常范围，建议车辆正常运营；

2）电机轴承：监测电机轴承测点64 个，轴承全部正常，电机轴承位置振动、温度均在正常范围内；

3）齿轮箱：监测齿轮箱测点64 个，传动齿轮、轴承全部正常，齿轮箱振动、温度均在正常范围内；

4）车轮踏面：监测车轮踏面测点192 个，踏面全部正常，振动在正常范围内；

5）轮轨振动：贵阳2 号线上行、下行62 个区间均正常，未见明显波磨和振动偏大区间。在列车ATO 自动驾驶模式运行工况下，上行全区间平均振动有效值0.72g，最大区间平均振动有效值为“金阳医院站-兴筑路站”1.32g，最小输出区间为“喷水池站-紫林庵站0.42g”；下行全区间平均振动有效值0.65g，最大区间平均振动有效值为“兴筑路站-金阳医院站”1.26g，最小输区间为“喷水池站-紫林庵站0.44g”。

从走行部在线监测系统投入运用至今，系统持续对关键部件进行在线监测和健康评估，结合车辆运营及检修要求，在密切跟踪故障数据的前提下，系统输出维修建议为车辆继续正常运营。

4 轴箱轴承故障详情

2021 年9 月8 号，02295 车41 位轴箱轴承在正线工作过程中持续输出轴承二级报警，通过对该轴承图谱进行分析，轴承类故障信息其时域波形成细窄梳状脉冲，每个脉冲等距，且在频谱图上，故障谱与外环理论谱对应，判断轴承存在外环故障特征，如图3 所示。

图3 02295 车41 位轴承故障报警输出图

结合分析轴承冲击趋势数据，发现该轴承冲击趋势在9 月8 日11 点40 分突变，系统实时主动诊断输出轴承报警，轴承冲击趋势如图4 所示。通过结合该轴承历史趋势数据评估轴承外环存在轻微剥离，外环冲击dB 值增大，健康评估为亚健康轻微故障，基于走行部监测系统的实时监测与车辆检修结合，建议车辆继续运营，实时跟踪轴承状态。

图4 02295 车41 位轴承冲击趋势图

为确保正线运营安全并验证系统报警是否准确，2021 年10 月初对该报警故障轴承进行预防性更换，并对故障轴承进行拆检查看，检查情况如下：

（1）外圈滚道：承载区域有明显等间距轴向痕迹，有触感，分布范围约120°，与系统监测诊断相符，是报故障的主要原因，故障特征如下图5。经轴承厂家确认，该轴承滚道表面的轴向痕迹源于轴承安装后在运输过程中车辆上下颠簸和振动，滚子和内外圈表面不断冲击摩擦产生。

图5 02295 车41 位轴承外圈压痕

（2）内圈滚道：承载区域有轻微等间距轴向痕迹，无触感，分布范围约120°，不是报故障的主要原因。

（3）滚子：部分滚子有轻微轴向痕迹，痕迹处圆周加工纹路被破坏，边缘材料有轻微凸起，不是报故障的主要原因。

（4）保持架及密封盖：正常。

更换02295 车故障轴承后正常运行至今，通过对02295 车41 位轴承持续跟踪，轴承外环冲击故障特征消失，监测系统再未输出报警信息，更换后的轴承健康评估为正常。

5 结语

贵阳地铁2 号线通过应用走行部在线监测系统，实现了对车辆走行部电机轴承、齿轮箱轴承、轴箱轴承、车轮踏面在线监测与持续跟踪，实时掌握车辆走行部关键部件的质量状态，为走行部运营维保提供了准确的监测数据和故障预警，有效提升了列车的运营安全质量。同时该系统进一步推进贵阳地铁车辆维保工作从传统计划维修发展到状态维修的进程，提高维修效率，降低维护成本，为地铁行业智能运维技术运用和检修维护提供借鉴。