动车组转向架故障诊断系统设计

实验报告：动车组转向架轴承故障诊断系统的设计

班级：机自07

姓名：林海成

学号：10011166

日期：2013、5

一、课题研究背景及意义

高速列车转向架是高速列车的重要组件之一，它的性能好坏直接影响着列车的行进品质。转向架作为铁道车辆的重要组成部分，起着承载、牵引、走行和制动等重要作用，是决定列车运行安全及动力学性能最为关键的组成部分。

转向架是高速动车组的走行装置，具有承载、减振、导向、牵引和制动等重要功能，决定了列车运营速度和运行品质。动车组转向架轴承一般为滚动轴承，是动车组中工作条件最为恶劣的部件，在动车运行中，它起着承受载荷和传递载荷的作用。随着国民经济的迅速发展，铁路运输的压力逐渐增大，铁路车辆速度的不断提高。在铁路高速重载的运营条件下，动车组转向架轴承一旦发生故障，故障会发展很快，若不及时发现，会导致热轴、燃轴、切轴等事故的发生。

由于动车组列车运行速度高，因此对车上各个零部件要求也是很高的。面对高速度、高振动频率的情况，转向架系统是动车组的根本。对于动车组中轴承齿轮箱以及牵引电机的故障诊断，是保证动车组安全可靠运行的保证和基础。因此如何提高走行部系统故障诊断的准确性和可靠性，一直是动车组检修的重点部分。目前随着中国高铁的迅猛建设，传统的故障诊断方法已不能满足动车组的检修要求，因此需要动车组检修科研人员开发设计新的诊断系统对转向架进行可靠性分析与故障诊断，以保证安全、可靠、有效、经济的完成旅客和货物的运输任务。

轴承故障的准确诊断可以减少或杜绝事故的发生，最大限度地发挥轴承的工作潜力，节约开支，对高速列车的安全运行具有重大意义。这也意味着当今对动车组转向架轴承要求高速化、轻型化的同时，还要求具有维修周期长、高寿命、运行可靠等性能，动车组转向架轴承比较容易出现故障，如何快速、准确、实时进行在线可靠性分析与诊断轴承故障就显得日益重要。

对动车组转向架轴承进行可靠性分析与故障诊断的目的在于:

对动车组转向架轴承的各种失效的征兆作出正确地判断,在失效发生前采取措施,杜绝重大事故的发生,保证动车的安全运行。

通过在线监测、可靠性分析、故障诊断等,为设备结构的完善、设计的优化、工艺的改进以及合理的维修制度提供数据和信息。

保证设备可以发挥最大限度的工作潜力,能预知维修并能视情维修,延长服务期限和使用寿命,提高其可靠性,降低轴承全寿命周期的开支。

转向架示意图

二、国内外进展综述

转向架机构的故障诊断与检测技术是一门涉及到机械学、摩擦学、热工学、计算机科学、信息科学、测试技术、信号处理和模式识别技术的跨学科的综合性技术，包括系统论、控制论、检测与评估理论等很多方面的内容。

转向架作为动车组走行部重要的机械传动部件，出现故障后会直接影响动车组的可靠运行。动车组轮对组件是高速旋转机械系统，高速旋转机械是受长期反复循环的应力作用，容易出现齿轮箱中齿轮磨损，轮齿折断、齿面胶合，轴承出现疲劳、裂纹等。现有用于动车组转向架部分的检查的方法多为动车段检修人员目视检查，很难发现密闭空间的零部件，在测量中就不可避地引人为等因素。在国外，如德国西门子、日本川崎、法国阿尔斯通等目前已经开发设计了各种类型的诊断工具，在动车组检修中得到了很好的应用，对动车组现代化检修起到了很好的效果。中国也有很多机车车辆整车试验台，有设在西安交通大学的振动滚动试验台，设在大连内燃机车研究所的滚动试验台，中国在近几十年来，除不断对机车车辆在线路上进行实验研究以外，还积极创造条件进行室内试验台实验，以

求成为线路试验的补充和弥补线路试验的不足。

下图为慕尼黑滚动振动试验台

慕尼黑试验台在进行机车试验

三、方案设计

1、在线监测

能够实时反映列车转向架轴承的状态，能够快速、准确、实时对轴承进行可靠性分析与故障诊断，保证设备可以发挥最大限度的工作潜力对动车组转向架轴承的各种失效的征兆作出正确地判断,在失效发生前采取措施,杜绝重大事故的发生,保证动车的安全运行。

(1）振动诊断技术

振动诊断技术是应用最早的、使用范围最广的故障监测诊断技术。运行的机械设备产生振动的原因是:表面的接触摩擦和旋转部件的不平衡等。进一步的研究表明:振动的强弱及其包含的主要频率成份和故障类型、部位和原因等有着密切的联系。本方案是通过安装在轴承座和箱体上的压电式传感器采集轴承的振动

信号,并采用有效的方法对其进行分析和处理。

采用振动诊断法主要优点：①可以检测出各类型部件的异常现象；②在故障初期就可以发现异常，并可在旋转中测定；③由于振动信号发自部件本身，所以不需要特备的信号源；④对振动信号源检测和处理相对比较普遍，而且对机械旋转部件比较有效。

振动分析法具有:对各种类型、工况的轴承适用;对早期轻微故障诊断有效;信号采集方便、分析简单、直观;诊断结果可信度高,在实际中得到了极为广泛的应用。

在实际诊断中,传感器采集振动信号中不仅反映轴承本身的工作情况,还包含了动车组中其他运动部件和结构的干扰噪声。在动车运行中,有轻微的、局部故障的滚动轴承的振动信号成分往往会被干扰信号淹没,很难被分离与识别,对轴承的工况和故障的诊断会有一定的影响。因此,轴承振动诊断技术的关键是采用先进合理的振动诊断分析处理技术来抑制干扰信号,提取故障特征信息,有效地及时地发现轴承故障。

其硬件系统示意图如下：

振动检测硬件系统

本诊断系统软件环境：LabVIEW开发平台。振动检测系统主要包括振动传感器、信号调理、采集卡等。利用虚拟仪器软件实现对振动信号源的时域采集、滤波、各种频谱显示，实现与数据库的链接，实现对检测到的振动数据和波形进行实时存储。本系统软件总体上包括数据采集、滤波、波形显示、参数测量、时域统计分析、频域分析、波形显示、数据的存储与管理以及波形存储和回放等模块。

数据采集的实现是由采集卡来完成的；波形显示模块通过波形图显示采集得到的波形；数据存储与管理和波形存储与回放模块是在主面板上提供两个输入框，一个为信号波形与数据文件名输入框，另一个为存放数据与波形的地址路径输入框，从软盘或硬盘上读取的数据同实时采集的数据一样能够进行自动参数测量以及自动显示波形，并能够显示窗口显示。

软件系统功能如下：

软件系统功能示意图

（2）方案对比：温度监测技术

温度监测是通过测量运行中滚动轴承的温度来监测其工作状态是否正常的方法。温度监测法是一种常规、操作简单的故障诊断技术,轴承的温度对轴承的磨损程度和烧伤较为敏感,其应用在一定程度上能较好的反映轴承运行故障,提高了故障检测效率和增加了行车可靠性。但这种方法的缺点是:只有当轴承故障累积到相当严重的程度后,也就是轴承故障的晚期症状,温度才有明显的变化。而轴承出现早期故障如点蚀、剥落和轻微磨损时,温度监测无法发现。由于摩擦产

生的热量与相对速度的平方成正比,车辆速度与切轴时间成反比,因此,温度监测逐渐成为滚动轴承的辅助监测技术,降低风险。温度检测硬件结构大致如下：

温度监测硬件系统

离线监测：油样分析技术

磨损、断裂、腐蚀和润滑不当是动车组转向架轴承失效的方式,其中润滑不当占主要部分。由于轴承在运行过程中是用油润滑或油冷却,零部件磨损等原因产生微小颗粒必然会带入到循环油液中。对轴承所使用的润滑油进行常规理化分析,或对其中的金属颗粒进行铁谱分析、颗粒计数等分析以及根据其形状和尺寸来判断轴承故障,就是油样分析技术。它能发现轴承的早期疲劳失效,可作磨损机理研究等特点,但是,这种方法易受其它外界因素的影响,一般用于离线监测,这样会导致信息可能不全面,还得依靠人力来管理,所以,这种方法具有很大的局限性。

四、关键技术及技术路线

关键技术：在LabVIEW平台下进行转向架轴承振动信号的数据采集、分析、故障的诊断。

技术路线：PC机上安装LabVIEW软件，利用虚拟仪器由软件实现仪器对转向架轴承的信号采集、数据分析和处理、结果输出以及图形用户操作界面等。系统采用虚拟仪器形式进行构件非常方便，可大大缩短系统的开发周期，易于实现。

五、可行性分析

此方案采用振动诊断法：①可以检测出各类型部件的异常现象；②在故障初期就可以发现异常，并可在旋转中测定；③由于振动信号发自部件本身，所以不需要特备的信号源；④对振动信号源检测和处理相对比较普遍，而且对机械旋转部件比较有效。

振动分析法具有:对各种类型、工况的轴承适用;对早期轻微故障诊断有效;信号采集方便、分析简单、直观;诊断结果可信度高,在实际中得到了极为广泛的应用。而轴承出现早期故障如点蚀、剥落和轻微磨损时,温度监测无法发现；油样分析虽然能发现轴承的早期疲劳失效,可作磨损机理研究等特点,但是,这种方法易受其它外界因素的影响,一般用于离线监测,这样会导致信息可能不全面,还得依靠人力来管理。

此方案在LabVIEW平台下进行转向架轴承的故障诊断可大大缩短系统的开发周期，易于实现。且本方案选用的传感器、调理电路、采集卡等硬件及LabVIEW 等软件均为市售产品，降低了开发难度，体现了集成的思想。因此，该方案是一种简单而有效的方案。

六、设计的创新之处

利用虚拟仪器实现对转向架轴承振动信号的测试与检测，为动车组转向架系统提供一种分析检测方法和测试诊断手段，对于动车组的走行部检修提供了一种准确可靠的检测方法，对轴承、齿轮箱等关键部件维护与保养提供了可靠的依据。

系统采用虚拟仪器形式进行构件非常方便，可大大缩短系统的开发周期，易于实现。