高速动车组转向架故障原因分析及改进

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摘 要

动车组是城际和市郊铁路实现小编组、大密度的高效运输工具。转向架是高速动车组的走行装置，决定了列车运营速度和运行品质。动车组转向架轴承的工作状况是影响铁路运输安全的重要因素之一。因此，开展动车组转向架轴承可靠性分析与故障诊断的研究，对保证运营安全、提高维修效率和避免不必要的损失等都具有重要的意义。

本文应用故障树分析法建立了动车组转向架轴承故障模型，并提出了提高其可靠性的要求，并简要介绍了动车组转向架轴承振动机理、故障特征频率等。在轴承故障的监测技术中，本文利用振动监测技术监测动车组转向架轴承，并深入研究了故障诊断领域比较先进的理论与方法。

本文采用两种方法对轴承故障进行诊断和监测。一种是时频域参数指标诊断方法，另一种方法是:智能诊断方法，先对振动信号进行小波包消噪提高其信噪比，再采用基于EMD经验模态分解)的方法来提取轴承故障特征，把故障信号分解得到IMF，对几个重要的 IMF进行分析，获得每个IMF分量的能量，作为BP神经网络的输入向量;根据遗传算法寻优的特点，结合改进遗传算法对BP神经网络的参数进行优化，再利用其对轴承的故障进行诊断，分析了该方法诊断的效果。 系统是以软件为核心的虚拟仪器开发，使得系统具有扩展性强、灵活定义、性能高和维护费用低等优势。系统软件开发的流程平台使用LabWindows/CVI。并在实验中，证实了动车组转向架轴承故障诊断系统能准确的预测其故障并提供合理的维修建议。

关键词:动车组转向架轴承，可靠性分析，EMD,BP神经网络，改进遗传算法

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目 录

绪 论............................................................................................................................ 1 第1章 动车组转向架轴承故障分析与可靠性模型的建立...................................... 2

1.1动车组转向架轴承结构................................................................................. 2 1.2动车组转向架轴承可靠性研究概述............................................................. 3 1.3动车组转向架轴承的故障树分析 ................................................................. 4

1.3.1故障树原理介绍 .................................................................................. 4 1.4动车组转向架轴承可靠性模型与故障树..................................................... 6 1.5可靠性提高的措施....................................................................................... 11 2.1动车组转向架轴承故障诊断的基本内容................................................... 13 2.2动车组转向架轴承故障监测常用技术....................................................... 13 2.3机车车辆轴承故障机理分析....................................................................... 15 2.3.1动车组转向架轴承缺陷产生的特征频率............................................... 16 第3章 转向架轴承故障诊断相关理论的研究........................................................ 18

3.1时频域参数指标诊断方法........................................................................... 18 3.2基于小波变换的轴承故障诊断方法........................................................... 20 3.3基于EMD的时频分析的轴承故障诊断方法............................................... 21 第4章 转向架轴承诊断系统设计............................................................................ 22

4.1轴承故障诊断系统的硬件集成................................................................... 22 4.2机箱............................................................................................................... 22 4.2.1加速度传感器........................................................................................... 23 4.3车组转向架轴承故障诊断系统的软件的研究........................................... 25 4.3.1软件的设计............................................................................................... 26

4.3.2动信号的采集 .................................................................................... 27

第5章 总结与展望 ................................................................................................... 28

5.1论文总结 ....................................................................................................... 28 5.2下一步工作 ................................................................................................... 28 参考文献........................................... 错误！未定义书签。

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绪 论

动车组是城际和市郊铁路实现小编组、大密度的高效运输工具，以其编组灵活、方便、快捷、安全，可靠、舒适为特点备受世界各国铁路运输和城市轨道交通运输的青睐。动车组在我国投入运营，标志着中国进入高铁时代。根据铁道部相关人员表述，到2012年，我国建成了1. 3万公里“四纵四横”高速客运专线，其中时速350公里的线路达到8000公里，时速250公里的线路达到5000公里，时速350公里的高速动车组将成为未来铁路客运专线的主力。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。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:

（1)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。

(2)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。

(3)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。管棚钻机是在一般钻机的基础上发展起来的，尤其是近几十年得到了迅猛的发展。钻机具有的功能越来越多，钻进的效率越来越高，提高了劳动生产率，也节约了成本，保护了施工人员的生命安全。

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第1章 动车组转向架轴承故障分析与可靠性模型的建立

1.1动车组转向架轴承结构

转向架是动车组的走行机构，对于运行中的动车组，它具有导向、承载、减振、牵引和制动等功能，也是重点的检查部位之一，是保证动车安全运行的核心因素之一。图2-1是转向架结构示意，可见轴承通过轴箱与转向架相连，轴箱的轴承支撑着车辆静负荷和车辆运行中的纵向与横向冲击等动负荷，因此轴承要有较大的承重负荷能力与冲击负荷能力;必须有较高的寿命;制约的尺寸和重量;容易保养与检修以及具有很高的安全性和可靠性。

图2-1 转向架简图

动车组转向架轴承一般由外圈、内圈、滚动体和保持架四部分组成。见图2-2，内圈的作用是与轴相配合并与轴一起旋转;外圈作用是与轴承座相配合，起支撑作用。多数情况下是内圈随轴旋转，外圈不动。滚动体是滚动轴承中的核心原件，他是借助于保持架均匀的将滚动体分布在内圈和外圈之间，其形状大小和数量直接影响着滚动轴承的使用性能和寿命，它使相对运动表面间的滑动摩擦变为滚动摩擦，其形状也分为很多种，但我国动车组转向架轴承的滚动体为圆柱形和圆锥形。在球轴承内、外圈上都有凹槽滚道，它起着降低接触应力和限制滚动体轴向移动的作用。保持架使滚动体均匀分布并引导滚动体旋转起润滑作用，转向架轴承目前都为进口轴箱轴承，大部分为瑞典SKF、德国FAG、日本NTN等国际巨头企业生产，一般为圆柱滚子轴承与圆锥滚子轴承。我国现在无法生产配套高铁轴承，但我国轴承行业正在大力研究，进行核心技术攻关，实现国产替代的过程势必不会漫长。

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