轨道车辆故障诊断研究进展

罗婷

摘要：轨道交通是交通系统中传统而重要的陆路交通方式，其发展演变为多种类型。轨道交通因其明显的比较优势，在许多国家的交通运输体系中发挥着重要甚至不可替代的作用。无论是客运还是货运，与公路运输相比，铁路运输具有运输量大、成本低、安全性高等优点。与航空运输相比，它具有更高的便利性和环保性。与水运相比，其优势主要体现在运输速度等方面。随着中国城市化和城市化的深入，大量人口迅速聚集。轨道交通具有运量大、速度快、节能环保等优点，已成为解决城市及城际公共交通的主要方式之一。轨道交通逐渐成为人们日常出行不可或缺的交通工具。

关键词：轨道车辆;检测;故障诊断;研究进展

随着轨道交通的蓬勃发展，轨道车辆的运行速度、运输效率和智能化水平不断提高。然而，作为这些技术发展的必要前提，轨道交通可靠性保障理论是轨道交通的重中之重。轨道车辆一般由车体、车门、动力及传动系统、走行部、制动系统、电气系统、车载信号系统等辅助功能组成。轨道车辆运行工况复杂多变、噪声干扰大、故障模式不可预测等特点一直是其故障诊断面临的突出挑战。

一、概述

早在二十世纪中叶，引入现代科学技术方法的轨道车辆的故障诊断和状态监测研究就先后在美国、英国和日本等国家发展起来，并迅速在世界范围内得到广泛的关注与重视，时至今日许多国家和地区都出现了相应的组织和机构从事该领域的科学研究工作。进入21世纪以来，随着轨道交通在国民经济中地位的凸显，轨道车辆故障诊断的相关研究在国内越来越广泛地开展，高等院校、研究所以及企业相继投入大量精力进行关键技术攻关与诊断装备研发，并且已经取得诸多成果。传统的交通类院校在该领域持续进行着大量的研究与探索，并且组建了国家重点实验室，例如北京交通大学的轨道交通控制与安全国家重点实验室和西南交通大学的牵引动力国家重点实验室。此外，其他高校在该领域也有所建树。例如，南京理工大学以南京康尼机电股份有限公司研发的轨道车辆门系统为课题背景，长期致力于轨道交通自动门远程智能监控、诊断与维护方面的研究。中南大学针对列车空气动力学及外形结构设计与列车撞击动力学及安全车体设计组建了轨道交通安全教育部重点实验室。在科研事业单位中，以中国铁道科学研究院为代表的研究院所不仅专注于诊断理论方面的创新，而且兼顾工程应用的迫切需求，研发出了“JSC-206机车车辆轴承诊断仪”、“JL-501机车轴承动态诊断系统”以及“JL-601机车走行部检测系统”等满足实际需求的机车故障诊断装置和系统。在企业方面，具有代表性的是湖南株洲电力机车有限公司，该公司研制了多种与高速列车行车相关的安全装备，如机车车载微机控制系统，能够对机车的运行状态进行实时的监测，并能够准确地显示控制装置的故障状态和故障位置的基本信息。

二、轨道车辆子系统的故障诊断

在轨道车辆的故障中，最关键的就是能保持设备的正常运转，减少轨道车辆的安全威胁。这一个阶段以来，我国对轨道车辆的诊断中，都将牵引电动机以及自动门方面的安全性作为重点研究的方向，但是却没有研究人员对车辆的多个部件进行同时兼顾的诊断系统.以下我们将对轨道车辆自身的走行部、齿轮箱、电气设备、牵引电动机以及自动门等多个方面的子系统进行讨论分析：

1.关于走行部的故障分析诊断。在我国目前的研究中，轨道车辆走行部大都为转向架式走行部，一般情况下就是将此类型的走行部称之为转向架，在不同的文件介绍中，转向架的名称并不是都一样，但在故障诊断中，诊断方式几乎相差无几。（1）轴承。目前而言，最常用的滚动轴承检测方式就是包络检波频谱分析的方式，在业内也被称作共振解调技术。这种检测方式的目标是将在强振动中由于各个零部件导致的细小的沖击进行检测，这种方式具有很高的灵敏性，能够将机器在运动时各装置部件的故障，其灵敏度可以非常精准的检测装置中承载部件的故障。（2）轮对和轮轴。所谓轮对，是轨道车辆在行走时的一个重要组成部分，其特点在于直接与轨道接触，能够始终承受巨大的摩擦力以及车体自身的重量，在轮对中，车轮的接触面和轨道的损耗程度成为了研究重点。在德国铁路公司的法兰克福机务段中，2000年时，使用了车轮诊断装置，学者松尾修针对该装置进行了详细的介绍，装置的诊断模块共有五个主要部分，测定裂纹的方式采用的超声波技术，利用激光光束遮断的方法测定轨道车辆车轮的直径。（3）行走部整体。另外，越来越多的研究已经转向了以架式走行部整体的研究。例如，西南交通大学研究人员在自身的研究课题上面向列车的走行部提出了多项检测方式，其中向走行部提取了一些故障特征的参数，根据实验得到的数据对各个故障的特征参数进行适当的筛选，并优化检测规则，最后经过局部的波分解法来分析系统中的故障，判别和定位局部走行部的正常与否。

2.齿轮箱。在轨道车辆系统中用来做动力连接的重要部位就是齿轮，齿轮箱也是轨道车辆传动系统中的主体结构，位于车辆齿轮之间的轮轴上将电动机生产的动力传至车辆的轮对上。在轨道车辆的整体结构中，齿轮箱所处的工作环境很恶劣，最容易发生齿轮面的剥落，齿轮之间擦伤和腐蚀等重大故障。在齿轮箱的故障检测中，我们通常以轴承的为重点。在过去的研究中，轨道车辆的齿轮箱故障可以利用小波分解等方式进行付账的检测。

3.牵引电动机。就是将其他形式的能量利用某种方式转变成轨道车辆在运行中所需的机械能量的核心，牵引电动机的运行环境也相对恶劣，经常处于沙尘暴或者雨雪自然条件下，运行过程中极易发生轴承故障和线圈故障等。我国高技术研究发展计划项目中，关于轨道交通安全的研究一直是备受关注，刘海波对于牵引电动机轴承的集中故障作为详细的分析，设计并开发了轨道车辆中电动机的轴承诊断故障。

4.电气设备。与牵引电动机的结构模式相关的电气设备就是供电弓网和逆变器等常见设备。电气设备的重要之处就在于能够保障车辆整体的电能分配和供给，尤其是在只有电能作为动力的电力机车中更是如此，故障诊断的方式方法也就值得学者专家进行讨论。我国交通大学学者在对地铁行进车辆的牵引供电的关键结构诊断研究中明确指出，电动机故障是最容易产生的故障之一，在考虑到整体的行车安全中，提出了重要的理论系统。

5.自动门系统。在众多子系统中，和以上重要部分同等重要的还有电动门系统，自动门的故障发生次数相当于轨道车辆整体故障总数的30%。我国南京康尼机电股份有限公司作为我国轨道车辆的电动门研发和制造基地，对于自动门的系统有着自身的研究成果，孙宇教授也参与其中，最终利用智能诊断方法提出了结合故障树和产品树的混合结构树。

6.多对象故障。以上针对轨道车辆的故障诊断都是针对一些关键部位，非常精确，除了这些故障外，还有一些工作着重于研究诊断体系，为多对象故障诊断做准备。

总之，值得讨论的问题是我国目前为止的轨道交通工具需要尽快加强自身的精度，深化轨道交通建设的内涵，在故障诊断中要加快理论到实践的转化，以期提高我国轨道车辆交通的安全性。

参考文献

[1]高志谦，浅谈轨道车辆故障诊断研究进展.2020.

[2]黄定尧.轨道车辆门远程监控与故障诊断系统软件设计.2019.