高速列车转向架状态检测与故障诊断方法研究

高速列车转向架状态检测与故障诊断方法

研究

摘要：高速动车组作为高速铁路的核心，综合集成了机械、电子、新型材料、计算机等诸多现代科学技术。在高速动车组中起着承载、牵引、走行和制动等重要作用的动力转向架，则是决定高速列车运行安全及动力学性能最为关键的组成部分。随着我国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，也促进了铁路车辆技术的逐步发展。因此，提高转向架的承载能力以及高速行驶下的稳定性与可靠性，是我国高速铁路发展中亟需解决的问题。

关键词: 转向架；动力学分析；动力学模型；故障诊断

第1章绪论

1.1课题研究的背景及意义

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。

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，也促进了铁路车辆技术的逐步发展。因此，提高转向架的承载能力和高速行驶下的稳定性，是我国高速铁路发展中亟需解决的问题。动车组转向架主要由焊接构架、一系悬挂装置、二系悬挂装置、牵引电机安装(仅M 车安装)、转向架制动装置、转向架配管配线装置、转向架排障装置(仅T1，T4车安装)以及速度传感器(仅T车安装)等部件构成。

转向架构架是转向架最关键的零部件之一，是转向架其它零部件的安装基础，电动车组动力转向架不但要支撑车体、电机及各种零部件，而且需要传递车体与轮对之间的牵引力、制动力等各种横向、垂向和纵向力，其可靠性直接影响动车的性能和安全性。随着运行速度的提高，构架除了要有良好的疲劳强度外，还需具有结构简单和重量轻等特点。目前，除北美国家外，客车转向架构架基本上采用H型焊接构架的模式。侧梁一般采用箱形结构，其目的一方面可增加强

度，另一方面可增加空气弹簧附加空气室的容积。欧洲国家横梁一般采用箱形结构模式，而日本则采用双无缝钢管的方式。采用双无缝钢管横梁的构架具有重量轻、易实现盘形制动等特点，近年来得到广泛应用。为降低轮重减载率和提高脱轨稳定性，高速客车转向架的构架应尽可能地采用柔性构架，如德国TALBOT 的高速转向架采用构架侧梁上盖板开槽的方式，SIG 和SGP 的高速转向架采用合理的横梁结构来实现提高柔性的目的。从发展的观点来看，高速客车宜采用轻量化的柔性焊接构架。

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。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。因此需要对其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。滚动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。

随着铁路运输的快速发展和市场竞争的日益加剧，对高速列车的可靠性、可用性、维修性和安全性(RAMS)要求不断提高。铁路用户在招标购买高速列车时，不但对高速列车的结构形式和性能提出严格要求，而且还要对列车的RAMS 提出定量指标，在与生产制造商签订购买合同时要规定出可靠性指标(例如故障率或MTBF)、维修性指标(例如MTTR)、可用性指标(例如完好率)，并在高速列车交付使用后验证，对不合格者进行处罚。在铁路用户的这种严格要求下，以及市场竞争的需要，现代制造厂家对高速列车的RAMS 都格外重视。在高速列车研制过程中要制定可靠性大纲，成立可靠性工作组，在设计过程中要对合同中规定的高速列车总可靠性和维修性指标进行分配[6,7] 。因此，研究转向架构架结构的可靠性，对于实现国家高速列车的稳步快速发展具有重要的现实意义。

转向架的基本组成机构如图1-1所示。

图1.1 转向架的结构图

1.2 转向架故障诊断与检测技术的发展和现状

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。

故障诊断与检测的概念、方法：利用各种检查和测试方法，发现系统和设备是否存在故障的过程是故障检测；而进一步确定故障所在大致部位的过程是故障定位。对机械设备的故障诊断就是要了解和掌握机器在运行过程的状态，确定其整体或局部正常或异常，早期发现故障及其原因，并能预报故障发展趋势的技术，尤其是对较关键的机械设备，其早期的故障诊断与预防相当重要。

故障诊断与检测的主要任务：故障的检测、故障类型的判断、故障的精确定位及故障修复等。其中：故障检测是检测系统指与被检测系统建立连接后，周期性地向检测系统发送检测信号，通过接收到的响应数据，判断被检测系统是否产生故障；故障类型判断就是系统在检测出故障之后，通过仔细分析原因，从而判断出系统故障的类型；故障定位就是在前两部的基础之上，细化故障种类，诊断出系统具体故障部位和故障原因，为故障修复做充分的准备；故障修复是整个故障诊断过程最重要的一个环节，需要根据检测出的故障原因，采取相应的修复措施，对系统故障进行修复。

现阶段，只要进行的是转向架试验台的研究，对试验台进行综合测试，获得相应的参数及结果，从而验证转向架的设计、运行的结果，并对相应的故障进行诊断，作出相应的解决方案。

下面介绍国内外的几种转向架：

1.2.1 慕尼黑滚动振动试验台

该试验台实际上是一个在实验室条件下模拟机车车辆运行的线路模拟器，建立该试验台的目的是开展与铁路机车车辆相关的基础研究和验证机车车辆性能，具有以下基本功能：验证理论设计过程中的数学模型；运行性能测定；研究牵引制动技术；振动分析；进行相关的特殊试验；进行运作操作和故障状况试验。

图1-2 慕尼黑试验台在进行机车试验

1.2.2 青岛滚、振试验台

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。为此，在20世纪80年代，铁道部分别在大连内燃机车研究所和四方车辆研究所建成了内燃机车牵引试验滚动试验台，主要是功率试验。下面介绍设在四方车辆研究所的滚动试验台和振动试验台。

四方车辆研究所的试验台由基础平台、工作台、轨道轮（滚轮）、电动机及传动装置、引导梁、纵向定位装置、横向载荷系统、测试系统及数据采集处理系统等组成。直流电动机通过传动轴、齿轮箱经万向联轴器驱动轨道滚动。轨道轮安装在工作台上。工作台可以绕垂直中心线和水平纵向转动，并可沿水平纵向移动，以进行轴距调整，以及曲线半径和曲线超高的模拟。试验台通过引导梁被试