呼和浩特市城市轨道交通建设管理有限责任公司 内蒙古呼和浩特 010010
摘要：本文主要对当前轨道交通车辆转向架牵引电机滚动轴承的可靠性进行研究。为了切实提升轨道交通运行的稳定性和安全性需要对轨道车辆运营中转向架牵引电机滚动轴承的稳定运行进行研究，从而有效地提升城市内部轨道交通运输系统的安全性与稳定性。
关键词：城市轨道交通；转向架；牵引电机滚动轴承
在城市轨道交通系统中，牵引电机属于车辆驱动装置中不可或缺的组成部分，其运行状况好坏将会对车辆性能和运输效率产生决定性的影响。在牵引电机中，滚动轴承得到了广泛的应用，其具有传递载荷、承受载荷的作用。滚动轴承是牵引电机中极易出现运行故障的零部件，在牵引电机失效中轴承损坏约占44%的比例，因此做好滚动轴承可靠性研究至关重要，以此来确保滚动轴承的安全、可靠运行，提高轨道车辆运行效率。
1.城市轨道交通车辆转向架概述
随着城市交通网络的发展，当前城市轨道交通已经成为城市交通网络当中的重要组成部分，对缓解城市交通压力起着非常大的作用。当前城市轨道交通车辆的承载能力主要受轨道交通车辆内部转向架影响，车辆内部的转向架对地铁车辆的容积和长度起着极大的影响，因此科学、合理的应用转向架能够有效地提升列车的乘客运载量，提升城市轨道交通运输能力并保障地铁车辆的稳健运行。地铁车辆的转向架能够起到承载、牵引、缓冲、导向以及制动的作用。
承载就是通过转向架能够平均分配地铁车辆的轴重，对转向架上放置的重量进行承载和转移。转向架的导向作用能够有效的提升车辆运行当中曲线轨道上转向的安全性与稳定性。转向架的缓冲作用依靠的是转向架内部的弹簧装置，通过弹簧装置的设置能够有效地提升转向架的减震特性，从而对地铁车辆运行过程中的冲击进行减震和缓释，有效地保障地铁车辆的平稳运行。转向架的牵引作用主要表现在对车辆前进的牵引，在地铁车辆运行过程中，牵引车轮与钢轨接触，并且在接触点产生轮周牵引力并传送给车钩与车体部分，从而有效地保障车轮与轨道之间产生一定的黏着力，加强车辆前进时的安全性与稳定性。最后转向架的制动功能体现在对轨道交通车辆制动力的生成，使车辆在规定的时间和距离内能够有效地进行减速和停车，保障车辆运行的安全性，并且能够对车辆的运行状态进行有效的控制。当前城市轨道交通车辆转向架故障中，转向架轴承故障、转向架出现裂痕以及转向架维修和管理工作出现疏漏都是较为常见的地铁车辆转向架故障情况，因此极大地影响了车辆转向架系统应用过程当中的可靠性和稳定性。在保障车辆转向架系统可靠性维修的过程中，需要坚持最少消耗维修资源的原则，对车辆转向架系统进行以可靠性为中心的维修。但当前国内在对轨道交通车辆进行保养维修过程中，以可靠性为中心的维修应用还存在一定的不足。
2.牵引电机滚动轴承可靠性研究
在轨道交通车辆驱动装置中，车辆转向架牵引电机直接影响着轨道车辆的整体运营状态，对车辆性能和运输效率具有非常大的影响。在轨道交通车辆转向架牵引电机中，滚动轴承具有较为广泛的应用，以实现对牵引电机中的载荷进行承担和传递。当前在牵引电机失效事故当中，受滚动轴承损坏影响造成的电机失效情况超过四成，滚动轴承已经成为牵引电机当中最容易发生故障的零部件，因此为了切实提升城市轨道交通车辆运行的安全和稳定性需要及时对牵引电机内部滚动轴承的运行状态进行检测，一旦发现问题就需要及时对滚动轴承进行更换和维修，从而有效地避免牵引电机设备故障对城市轨道交通车辆运载安全与稳定的影响。
当前在进行轨道交通车辆转向架牵引电机滚动轴承可靠性研究过程中，较为常见的滚动轴承状态和运行可靠性检测方案为振动测试分析法，通过一段时间的应用与发展已经逐步形成了一套较为完善的针对滚动轴承运行状态的检测体系。在进行车辆转向架牵引电机滚动轴承测试过程中，首先需要对电机轴承进行特征信号的提取，在得到原始特征信号之后对电机轴承的震动数据进行提纯处理。通常情况下，借助经验模态分解（EMD）对原始信号进行分解处理后，将会产生一系列从高频向低频分布的基于本征模态函数（IMF）的分量，但是在该过程中可能会因为分解、背景噪声和插值误差等多种因素的影响，导致分解结果中存在噪声或虚假IMF分量。此时，在EMD基础上构建的筛选降噪方法，可以有效规避IMF中噪声的影响，从而实现对特征信号的有效提纯。然而，EMD在分解过程中，将会出现模态混叠现象，导致IMF分量丧失物理意义。大量的调查与研究发现，在IMF分量提取过程中，可以借助与阈值进行对比的方法来使IMF全部剔除，但是该过程中也会导致部分有用信息被剔除，进而降低结果的精确度。
但是在对轨道交通车辆转向架牵引电机滚动轴承的振动数据进行分解研究过程中，受到背景噪声等多种因素的影响，进而会对最终电机滚动轴承可靠性研究结果造成一定的影响。因此本文在进行电机轴承运行可靠性评估的过程中，基于本征模态分量和主成分分析法相结合的模式对电机轴承运行的可靠性进行科学的、有效的评估，评估测试的过程中，通过专业的筛选剔除方法对电机滚动轴承振动数据中的干扰因素进行排除，再借助PCA可以把不同信息成分中发挥主导作用的IMF分量转化为有用信息和虚假分量，甚至可以转化为由噪声组成的一系列主分量。随后借助相对应的筛选剔除手段就可以有效剔除噪声或虚假分量，而且把剔除后所获得的有用信息进行IMF重构，最终就可以获得敏感、纯净的振动信号，从中提取出频域、时域和时频域。借助PCA进行特征信息加权融合，还可以构建一套可以表征电机轴承运行状态的特征指标，以便为牵引电机滚动轴承可靠性研究提供保障。
最后，威布尔比例故障模型可以以融合后的特征指标为响应协变量，并结合可靠度来构建数学关系模型，以便对电机滚动轴承的可靠度进行计算，从而实现对轨道交通车辆转向架牵引电机滚动轴承的可靠性评估。
3.牵引电机滚动轴承可靠性分析
为了切实提升轨道交通车辆转向架牵引电机滚动轴承运行的安全性与稳定性，需要对牵引电机滚动轴承的振动信号进行采集，通过对振动信号内部相关系数以及各个信息进行分析和研究，能够有效的反应牵引电机滚动轴承的实时运行状态，从而判断轨道交通车辆转向架牵引电机滚动轴承是否具备运行的可靠性，并对牵引电机滚动轴承进行评估。
3.1电机轴承震动信号采集
为了对牵引电机滚动轴承的可靠性进行分析需要对电机轴承的振动信号进行采集，当前常见的电机轴承为牵引电机驱动端深沟球轴承类型，常见的传感器类型为三相振动加速度传感器。在进行电机轴承振动信号采集过程中，为了保证实验数据的可靠性，需要同时采集两组相同型号的电机轴承的振动数据，在实验过程中一共采集了120组数据，每个电机轴承采集60组并将采集时间设定为60秒。每组数据中将数据长度控制在10240个采样点，采样时的频率控制在10240赫兹。图1所示为采集到的原始振动加速度信号图。
图 1 振动加速度原始信号时域图
3.2基于振动信号的电机轴承可靠性评估
基于振动信号的电机轴承可靠性评估过程中，需要应用一系列数学模型，涉及到威布尔比例故障率函数、协变量、形状参数、尺度参数、时间变量以及回归参数。在进行实验的时候需要将振动信号进行分解，常用的分解法为集成经验模态分解法。因此首先需要对原始信号采用集成经验模态分解法进行分解，从而能够得到20个本征模态分量，将这20个本征模模态分量通过相关函数进行计算归一。通过自相关函数的特点能够对本正模态分量进行判断筛选。通过函数特点，能够有效地将受到虚假信息和噪声起主导作用的本征模态分量进行去噪处理。一般通过阀值降噪法能够有效地实现对本征模态分量的降噪。针对不受噪声起主导影响的剩余本征模态分量数据需要再进行下一步计算，将主成分分解后产生的一系列本征模态分量与原始信号局部均值进行对比能够获得二者的相关性，通过相关性判断当前本征模态分量的贡献率，从而选择起主导作用的本征模态分量进行测算，最后形成20个纯净敏感的本征模态分量振动信号。第三步需要将筛选保留的本征模态分量进行重新的聚合，从而得到相关数据信号，之后需要对重新聚合后的振动信号进行数据的提取，包括信号的时域、频域和时域内的特征指标。将这些数据通过主成分分析进行加权融合，从而实现具备全能表征电机轴承状态的相关指标，并将其进行对比。通过对电机轴承早期退化趋势的特征指标进行对比和比较能够有效判断电机轴承是否出现了明显的故障趋势。
当前基于振动信号的电机轴承可靠性评估，在实际评估过程中，对性能状态检测的时间较短，因此得到了可靠度参数具有一定的时效性。此时可以应用极大似然估计法，来获取车辆转向牵引电机滚动轴承的3个待估参数，具体表表1所示。
表1 车辆转向牵引电机滚动轴承的3个待估参数
如果在检测过程中，获取电机滚动轴承的全寿命数据能够进一步提升轨道交通车辆转向架牵引电机滚动轴承的可靠性检测的科学性和有效性。图 2、3分别表示的是电机滚动轴承1、2运行过程中的可靠度曲线。通过对图2进行分析可以发现，电机轴承1的可靠度从最初的0.45下降至0.34左右，下降幅度比较大，但是其整体可靠度分布在0.34 ~ 0.45之间，主要是由于对电机轴承性能状态进行检测的时间有限，如果进一步延长检测时间，可以有效提高检测结果的整体可靠度。通过对图3进行分析可以发现，电机轴承2的可靠度范围在0.90 ~ 0.94，可靠度下降幅度相对比较小。
图2 电机轴承1的可靠度曲线图3 电机轴承2的可靠度曲线
4.小结
当前在进行轨道交通车辆转向架牵引电机滚动轴承可靠性研究的时候，采用实测的牵引电机滚动轴承振动信号进行研究，从而结合威布尔比例故障率模型，并通过主成分加权融合后的指标进行分析，从而能够实现对轨道车辆转向架牵引电机滚动轴承的可靠性进行评估，以此来确保轨道车辆转向架牵引电机滚动轴承的安全、高效运行。
参考文献：
[1]王立祥，廖爱华，丁亚琦等.基于比例故障率模型的转向架牵引电机滚动轴承可靠性评估[J].测控技术，2018，37（1）：14-18.
[2]丁亚琦，廖爱华.轨道交通车辆转向架牵引电机滚动轴承可靠性研究[J].城市轨道交通研究，2019，22（6）：115-119.
论文作者:张倩
论文发表刊物:《基层建设》2019年第18期
论文发表时间:2019/10/8
标签：转向架论文; 电机论文; 车辆论文; 可靠性论文; 轴承论文; 分量论文; 轨道交通论文; 《基层建设》2019年第18期论文;