维普资讯 http://www.cqvip.com 第4卷第2期 2006年6月 南京工程学院学报(自然科学版) Journal of Nanjing Institute of Technology(Natural Science Ediiton) Vo1.4,No.2 Jun.,2006 文章编号:1672—2558(2006)02—0043—07 城市轨道车辆动力传动装置 运行状态振动监测的分析 赵建华 (南京港汽车修理厂,江苏 南京,210011) 摘要:讨论了对城市轨道车辆动力传动装置运行状态进行振动监测研究的意义.分析了若开展此项研究将面临 的4方面难题,给出了解决难题的对应思路.回顾了国内外对大型复杂重要不可接近型机电设备如大型汽轮机组、 大型柴油主机、大型船舶轴系、航空涡轮发动机进行类似的振动监测研究工作的现状.详细制定了进行城市轨道车 辆动力传动装置运行状态振动监测的研究内容和研究方法. 关键词:城市轨道车辆;动力传动装置;运行状态;振动监测 中图分类号:U262.31;U269.32 2 文献标识码:A The Vibration Monitoring of Power Driver Operation Condition of City Rail Vehicle ZHA0 Jian.hua (The Automobile Maintenance Factory of Nanjing Harbor,Nanjing 21001 1,China) Abstract:The signiifcance of vibration monitoring research of power driver operation condition of city rail vehicle (PDOCCRV)has been discussed,the four dificult problems confontring the resesl'ch analyzed,and the corresponding consideration of solving them offered.After reviewing the vibration monitoring of such large-scale,complicated and unap— proachable mechatonirc equipment as lrge-scalae steamers,diesel engines,ship shift,navigation turbines,the paper de・ tailed the research conten ̄and methods of the monitoring of PDOCCRV. Key words:city rail vehicle;power driver;operation condition;vibration monitoring 我国城市轨道交通事业起步较晚而发展迅速,已经运行或在建的城市轨道交通线在境内有10个城市 共计16条总长约500 km….长三角、津京唐、珠三角、长株潭等地区正在或即将规划区域性城市轨道交通 网.在国家“十五”规划中和编制“十一五”规划时,都将发展城市轨道交通作为解决我国大城市交通拥堵、 推动城市化和工业化进程的主要途径,这一方针必将推动全国大城市轨道交通的发展,同时对于城市轨道 交通系统的安全预警、监测及防灾减灾技术亦提出了相应的更高要求. 城市轨道车辆的动力转向架,无论是采用直流电机或是交流电机,均须通过一套动力传动装置,将电 机的扭矩传递至转向架轮对,利用轮轨的粘着作用,驱使车辆沿着钢轨运行.城市轨道车辆的列车通讯网 络(TNC系统)担负着监视列车各种设备的运行状态并进行故障诊断的任务,但是该网络并未对动力传动 装置(以下简称“装置”)的运行状态进行监测. 收稿日期:2005一lO一28 作者简介:赵建华(1966一),男,学士,工程师,主要从事车辆维修的管理工作 E-mall: ̄h66Ol17@sina.corn 维普资讯 http://www.cqvip.com 44 南京工程学院学报(自然科学版) 2006年6月 传统的城市轨道车辆动力传动装置有 :爪形轴承传动型、横向牵引电机一空心轴传动型、两轴一纵 向驱动骑马结构型、全弹性结构两轴一纵向驱动型、牵引电机对角配置的单独轴一纵向驱动型.而较为新 型的城市轨道车辆动力传动装置有三种基本类型 :轮毂电机(Hub motor)型、万向轴驱动型和纵向电 机型. 轮毂电机型装置是将牵引电机直接安装在车轮的轮毂部位,电机的转子与轮毂外面的轮辐相连, 驱动车轮转动,由庞巴迪(Bombardier)生产的LRV2000型轻轨车采用了这种动力传动方式;万向轴驱动型 装置是将牵引电机悬挂在车体上,通过万向轴和齿轮箱驱动车轮,由瑞士Schindler和SIG公司生产的 Cobra370型轻轨车采用了这种动力传动方式;纵向电机型装置是将牵引电机布置于车轮外侧,通过圆锥齿 轮副连接与车轮同轴固连的短轴驱动车轮转动,由Siemens公司设计的Combino型轻轨车采用了这种动 力传动方式. 无论何种类型的城市轨道车辆动力传动装置,其共性是在该“装置”内安置了一套处于高速、大负荷、 全封闭(或半封闭)、不可接近环境中的回转机构群,结构复杂且环境恶劣.当由第三轨或受电弓输入的电 能通过牵引电机转换为机械能之后,该装置担负着将牵引电机输出的功率有效传递至驱动轮的重任.国内 目前运行中的城市轨道交通系统主要是利用列车进出终点站的间隙或列车在车辆段期间,采取人工经验 方法对该装置进行检视,发现问题后进厂在地沟上检修故障.人工经验诊断的弊端是检修工作量大,不能 及时发现早期故障,诊断的时间长短、范围深度和准确度受制于检修人员经验的完备程度,不能及时跟踪 并适应新型城市轨道车辆动力传动装置的诊断要求. 1 研究工作的意义和有待解决的问题 我国目前对于干线列车主要装备进行智能状态监测与故障诊断的现状是:①对于机车主柴油机曾经 试验并分别采用了振动监测 和铁谱监测 -6j两套方案,但是目前尚未见广泛推广与应用,英国斯旺大学 推崇并试验了机车主柴油机铁谱监测方案;②对于将主柴油机动力经发电机一电动机系统传递至动力轮 的动力传递装置基本上是采用人工定期经验监测的方式,同时也在开展智能诊断的研究 ;③对于列车 转向架车轮轮毂轴承温度监测已经基本实现了电子自动报警监测方式,有车载监测和陆基监测 两套方 案,并辅以人工检视. 城市轨道车辆与干线列车的重要差别之一是载荷变动频繁程度的差异:前者由于在城区行驶,站间距 短,加速度大,列车经常处于起动一制动的状态,导致“装置”内传递动力的回转机构群载荷变动幅度大且 变动频繁.我国的北京市和上海市,都要求城市轨道车辆运营单位应当按照国家和本市有关城市 轨道交通设备设施的安全标准和技术规范 ,定期对城市轨道车辆的“防灾监控系统、环境与设备监控系 统等安全保障系统进行检测、维修、更新和改造,保证良好的运行状态”.因此为了保障“装置”内回转机构 群安全运行,必须对其进行状态监测,并使监测装置或系统具备实时、智能、远程的功效,这对于封闭在 “装置”内部的回转机构群,已非人工经验监测所能胜任,也非简单仪器监测可以实现.因此研究“装置”运 行状态监测关键技术的基础理论并予以应用¨ ,将是解决问题的关键,并有望在国内对该装置率先开展 运行状态智能监测的理论研究和技术应用. 维普资讯 http://www.cqvip.com 第4卷第2期 赵建华:城市轨道车辆动力传动装置运行状态振动监测的分析 45 “装置”的状态信息可以通过油液 、振动 、温度 等监测参数(群)予以表达.就各种监测参数相 互间比较而言,振动参数具有实时性、定位性和传递性的特点… ,适合于快速不解体地监测“装置”内回转 机构群关键部位的技术状态¨ 一 .可考虑在对应于回转机构群关键部位的“装置”外表面布设振动传感 器,利用表面振动信号辨识“装置”内部回转机构群的运行状态,但是应用这种方法有几个要解决的关键 问题 : ①如何确定“装置”内回转机构群的关键部位,从而确定传感器布设点.要综合考虑测点对信号信噪 比的影响、测点数量、振动信号类型、传感器与后续仪表之间的空间距等因素. ②如何有效地对振动信号提纯除噪.由于“装置”回转机构群关键部位的表面振动是行车振动、装置 振动、工作负荷等各个激励源形成的复合振动,其谐波构成复杂.装置表面振动信号与背景噪声之间在量 级上往往具有同级性,当装置内部发生失效时,由表面获得的故障特征相比于背景噪声可能相当微弱. ⑧选择何种振动特征参数.由于回转机构群出现故障时往往是某些回转零件配合性质发生变化,如 轴承间隙超差、齿轮对啮合不良、轴系非对中等,是回转机构群微观尺度的变化,并不影响仅能反映装置各 部分贡献总和的全局性参数——模态参数的变化,因此也就难于用固有频率或阻尼比等结构固有参数描 述回转机构群内部零件的变化并进行状态监测¨ . ④如何确定振动特征参数的阈值.对于“装置”,尽管可以先在实验室条件下通过试验获得振动特征 参数的安全阈值,但是由于不能完全模拟行车振动、装置振动、工作负荷等各个激励源形成的复合振动环 境,故这样确定出的阈值其实用意义不大;而当试图通过实车试验来获得失效时振动特征参数的阈值时, 这样做的成本很高、风险太大. 2类似研究工作的国内外现状 城市轨道车辆动力传动装置属于大型复杂重要不可接近型机电设备,由于设备自身的重要性、设备对 系统安全性的影响和设备的高价值性,目前国内外对于这类设备的技术状态监测和故障诊断工作都相当 重视,在基础理论和实用技术等方面日益取得进步. (1)大型汽轮机组 由于国内外的大型汽轮机组转子轴都曾经发生过临界振动甚至飞车的事故,因此对转子轴工作状态 的监测引起人们关注,通过监测转子轴和轴承的振动幅值及频率¨ ,辅以温度、压力等相关参数,可以获 得转子轴工作状态是否异常的信息,近年来已经有效地控制了大型汽轮机组转子轴的重大事故. (2)大型柴油主机 大型柴油主机广泛装备于船舶、电站、干线机车中,具有大型、中低速、结构复杂、高价值、连续工作、状 态信息丰富多变等诸多特点.常见的机构故障有各缸活塞一气缸间隙值异常 ," 、排气门烧蚀m]、连杆轴 承磨损、曲轴轴段不平衡、曲轴扭转振动、地基缺陷等.柴油机机身振动信号是一类典型的非平稳、低信噪 比时变信号,将现代信号辨识理论应用于大型柴油主机状态监测,可以获取机身振动信号中的有用信 自【 9—2 ] (3)大型船舶轴系 维普资讯 http://www.cqvip.com 南京工程学院学报(自然科学版) 2006年6月 大型船舶轴系受到因温度、装载、风浪等因素导致的船舶双层底变形、螺旋桨水动力、螺旋桨质量的影 响,轴系轴线并非直线,各个轴承上的载荷不均,单个轴承在长度方向出现偏载,引起轴系振动、轴承发热、 艉轴管轴承漏水.自20世纪80年代以来,通过“动态校中”辅以振动监测的方法,已经有效地控制了大型 船舶轴系的振动失效 引. (4)航空涡轮发动机 ‘ 因温度和材料蠕变等原因造成的转子一定子触碰故障(机匣相磨故障)是航空涡轮发动机状态监测 与故障诊断的重点与难点 .由于静态时转子与定子间可能并不发生触碰故障,而转子一定子系统位于 发动机厚重的壳体内,动态时强大的背景噪音将干扰甚至完全屏蔽掉由壳体外表面测得的转子一定子触 碰微弱信息,因此对此故障至今尚无的解决方案. 由上述国内外对于几类大型复杂重要不可接近型机电设备的状态监测和故障诊断所作的同类工作来 看,采用振动参数进行实时监测是共性技术方案,但是尚未见将有关的研究成果应用于城市轨道车辆动力 传动装置状态监测与故障诊断的案例.人们往往以干线列车的眼光和思维来考虑并定位城市轨道车辆装 备的管理模式,而忽略了其自身的特点和规律性,尤其是对于城市轨道车辆动力传动装置,由于频繁起动 的大加速度工况导致“装置”内回转机构群的载荷变动幅度和频率都大大高于干线列车动力传动装置的 载荷变动幅度和频率,从而使得前者的故障率高于后者.就如同对于由离合器一变速箱一传动轴一主减速 器一差速器所构成的汽车动力传动装置来说,城市公共汽车的动力传动装置其使用寿命大大低于长途客 运汽车的动力传动装置,前者故障率大大高于后者,需要更加注重对前者的维护管理. 3研究工作思路 故障机理分析是复杂设备状态检测与故障诊断工作的源头 .通过对“装置”内回转机构群的常见故 障进行机理分析,能够找寻常见的故障特征和合理有效的检测手段,从而确定“装置”内回转机构群的关 键部位,设定传感器布设点位置,获得信号信噪比较大的测点. 小波变换具有传递信号和抑制噪声的双重特性 -2 ,可以较好地屏蔽背景噪声,对含噪信号进行去 噪提纯.同时小波变换良好的时一频局部化特性,具有多尺度和多分辨率处理信号的能力,既可以进行整 体分析,又能反映细节内容,从而可以较好地对非稳态时变信号中的特征进行辨识.还可以辅以数字滤波 器,选择合适频段滤除噪声. 一般来说,复杂机械设备的运行信息具有多特征性、非线性、模糊性和低信噪比性,这些特性影响了对 设备故障诊断的准确性 .“装置”在正常状态时,由于其回转机构群的工作特点,其振动参数基本上具有 平稳随机、各态历经的特征.随着使用时间延续,回转机构群的技术状态将逐渐劣化、振动能量逐渐加大. 值得注意的是,由于回转机构群中的零件出现缺陷并逐渐失效后,运行中的振动信号将逐渐丧失平稳随 机、各态历经的特征,取而代之的是非平稳性特征逐渐增强,具体表现为振动信号的阶矩(如均值、方差或 均方值、歪度、峭度等)序列采用轮次检验后的序列变化情况既有规律性又有趋势性 ‘加j,即由平稳性逐 渐向非平稳性演变是“装置”内回转机构群技术状态劣化的基本特征 ¨.采用适当的参数,例如采用可同 时表达信号非平稳性和振动能量的幅值域参数——均方值 ,考察装置振动信号非平稳性随装置技术状 维普资讯 http://www.cqvip.com 第4卷第2期 赵建华:城市轨道车辆动力传动装置运行状态振动监测的分析 47 态劣化的变化情况,辅以考察振动能量,并由此设定检测参数. 模糊聚类方法可以在不依赖先验样本的前提下,通过对初始样本的定位而自动分类后续样本相对于 初始样本的差异 .在“装置”经过磨合后获得初始样本,将模糊聚类方法应用于研究中,则运行中检测样 本相对于初始样本的差异越大,“装置”的运行状态相对于磨合后初始状态的偏差越大,“装置”内回转机 构群技术状态劣化程度越甚. 4研究内容和研究方法 4.1研究内容 (1)“装置”的故障机理分析及其振动信号获取技术该项工作有下列内容:①城市轨道车辆动力传 动装置内回转机构群故障机理分析;②振源与“装置”外表面之间的传递特性研究;③“装置”外表面关键 部位振动检测技术.研究以获取“装置”有用振动信息为目的,讨论传感器布点、仪器配置、参数选择、检测 工况等检测振动时要考虑的基本问题. (2)基于小波变换和带通数字滤波器提纯“装置”的状态信息 该项工作采用类Mexican hat小波基 并进行二进制离散的小波变换,辅以带通数字滤波器,对由“装置”外表面关键部位检测获得的振动信号 提纯去噪,为后续信号处理服务. (3)基于模糊聚类方法和信号非平稳性提取“装置”的状态特征该项工作利用模糊聚类方法不依 赖于先验样本的特性和信号非平稳性依赖于回转机构群技术状态劣化程度的特性,自动分类并辨识经提 纯去噪后的振动信号样本.重点要研究和建立回转机构群技术状态劣化程度与信号非平稳度之间的关系. (4)开发基于Lab Windows/CVI平台的城市轨道车辆动力传动装置车载监测系通过该系统对“装 置”技术状态实时检测,实现可视化和智能化监测,其功能包括前端检测单元、振动监测信号小波变换提 纯和带通数字滤波器去噪、计算均方值和高阶矩、模糊聚类和非平稳性计算、城市轨道车辆动力传动装置 运行状态可视化显示等. 上述研究内容中的关键问题是:①分析城市轨道车辆动力传动装置的关键部位和主要故障;②编制 信号检测一提纯一辨识一分析软件包;③开发基于Lab Windows/CVI系统的城市轨道车辆动力传动装置 状态车载监测系统. 4.2研究方法 (1)研制城市轨道车辆动力传动装置内回转机构群的模拟试验系统,获得该模拟试验系统动力参数 和运动参数的动力相似准则;对原型系统进行故障机理分析,获得城市轨道车辆动力传动装置的重要故 障、关键监测部位、有效检测方案. (2)进行实车检测获得城市轨道车辆动力传动装置在正常工况下的振动信号样本. (3)分别利用模拟试验系统和实车检测的样本考核基于小波变换和带通数字滤波器的运行信息提纯 去噪软件,考核基于模糊聚类和信号非平稳性的运行信息特征获取软件,实验室环境下考核基于Lab Win. dows/CVI的城市轨道车辆动力传动装置车载监测系统. (4)进行实车检测,检验城市轨道车辆动力传动装置车载监测系统. 维普资讯 http://www.cqvip.com 48 南京工程学院学报(自然科学版) 2006年6月 5 结语 系统地研究城市轨道车辆动力传动装置状态振动监测所涉及的理论基础和实用技术,通过故障机理 分析获得该“装置”内回转机构群的关键部位和常见故障,与现代数学方法相结合,研究信号检测、信息去 噪、特征辨识的方法,最终研究出一套基于Lab Windows/CVI平台开发的城市轨道车辆动力传动装置状态 监测车载系统,仅考虑每台城市轨道车辆需要安装两副前端检测装置,其需求量非常之大,将具有显著的 经济效益,成为依托城市轨道交通行业的规模化新产品增长点.本文提出的研究工作对于保障城市轨道车 辆安全运行,提高城市轨道运营企业的设备管理水平,将有着现实的社会效益和经济效益. 参考文献: [1] 周翔民.发展中的城市轨道交通[R].成都:西南交通大学,2002. [2] 张振淼.城市轨道交通车辆[M].北京:中国铁道出版社,1998. [3]黄运华,李芾,张丽平.轮对在轻轨车轮上的应用[J].交通运输工程学报,2001,l(2):2l一25. [4]杨建国,冯春晃,于东,等.机车柴油机主要运动部件的振动诊断研究[c]∥中国机械工程学会,中国振动工程学会.第六届全国振 动理论及应用学术会议论文集.武汉:华中理工大学出版社,1997:485—489. [5] 周楚华,周跃庭.铁谱技术在东风4B机车柴油机中的应用[J].武汉交通科技大学学报,1994,18(S1):43—48. [6]宋登轩,杜永平,曾昭翔,等.机车柴油机故障预报及铁谱分析[J].武汉交通科技大学学报,1994,18(S1):38—42. [7]艾延廷,盛元生,张广生,等。东Jg4型内燃机车启动变速箱故障诊断标准的研究[J].振动、测试与诊断,1994,14(1):38—43. [8]屈梁生,何正嘉.机械故障诊断学[M].上海:上海人民出版社,1988. [9]2004年4月北京市第23次常务会议.北京市城市轨道交通安全运营管理办法[EB/OL].[2004—04].城市轨道交通信息 网,http://www.china—umt.com/ziliao.asp. 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