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西南交通大学工程硕士研究生学位论文

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Abstract

Locomotive running gear is one of the most important parts of the locomotive. The operation of locomotive is in danger，when Locomotive running gear fails to work.So we must carry on the real-time monitoring and fault diagnosis. The current method of

machinery fault diagnosis mostly based on vibration theory, vibration signal processing technology is the most effective and commonly method in fault diagnosis .Vehicle load monitoring device of Locomotive running gear is failure diagnosis system which is a special dynamic monitoring and early warning of online vehicle device developed for ensuring the safe operation of the railway locomotive，it’s based on the demand of locomotive running gear fault diagnosis and with \diagnosis technology as the foundation, combined with the research of

multi-disciplines .The device can be Online monitoring and automatic diagnosis for

temperature of the locomotive axlebox, motor and the working hollow axles,and for fault impact information of wheels,shaft, gear which reminds trainman’s attendant to take timely measures and ensures the safety of locomotive. This study aim to the diagnosis method of mechanical fault , running gear fault diagnosis and monitoring techniques,compare and analysis the advantages and disadvantages of the use of locomotive for vehicle load

monitoring device, combined with the depth of the localization of type HXD1 locomotive bogie structure characteristics, put forward the suggestion of using the depth of domestic HXD1 type locomotive fault diagnosis and monitoring device.At the same time the device puts forward the Crown wheel detection and take effective supplement for fault diagnosis of locomotive , through the continuous accumulation of experience, improves the ability of data analysis , fault judgement and processing , explores the adjustment of threshold value of fault diagnosis and monitoring system of 6A threshold value, makes the device more effectively for the locomotive safe operation and status maintenance play a role.

key words：locomotive; walking; fault diagnosis; monitoring; traffic safety

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目 录

第1章 绪论…………………………………………………………………………………………………………….. 1.1 问题的提出 ……………………………………………………………………………………………….. 1.2 机车走行部的构成………………………………………………………………………………………. 1.3 故障诊断与监测技术的发展现状与趋势 ………………………………………………….. 1.4 机车故障诊断与监测技术的发展现状与趋势…………………………………………….. 1.5 本文研究的主要内容、目标………………………………………………………………………… 第2章 故障的诊断与监测技术………………………………………………………………………………... 2.1 时域分析法……………………………………………………………………………………………………..

2.1.1 故障诊断特征量示性指标……………………………………………………………………………. 2.1.2 时域故障诊断的概率分析法………………………………………………………………………… 2.1.3 时域同步平均法………………………………………………………………………………………….

2.2 频域分析法……………………………………………………………………………………………………..

2.2.1 响应频谱诊断法…………………………………………………………………………………………. 2.2.2 高阶频谱诊断法………………………………………………………………………………………….

2.3 时频分析法………………………………………………………………………………………………………

2.3.1 短时傅立叶变换……………………………………………………………………………………….... 2.3.2 连续小波变换……………………………………………………………………………………………..

2.4 共振解调技术…………………………………………………………………………….…………………….

2.4.1 共振解调技术原理简介………………………………………………………………………………… 2.4.2 共振解调技术基本原理…………………………………………………………………………………

第3章 机车走行部监测与故障诊断技术…………………………………………………………………….. 3.1 齿轮的监测与故障诊断技术……………………………………….........................................

3.1.1 齿轮失效的基本形式…………………………………………………………………………………….. 3.1.2 齿轮的振动信号特征…………………………………………………………………………………….. 3.1.3 齿轮的振动监测及振动信号分析……………………………………………………………………. 3.1.4 齿轮故障的时域诊断分析……………………………………………………………………………….

3.2 滚动轴承的监测与故障诊断技术……………………………………...................................

3.2.1 滚动轴承故障的基本形式………………………………………………………………………………. 3.2.2 滚动轴承的振动…………………………………………………………………………………………….. 3.2.3 滚动轴承异常振动的诊断方法…………………………………………………………………………. 3.2.4 滚动轴承故障诊断系统……………………………………………………………………………………

3.3 轮对踏面的监测和故障诊断……………………………………………………………………………….

3.3.1 轮对故障的基本形式……………………………………………………………………………………….. 3.3.2 机车轮对故障诊断与在线监测系统…………………………………………………………………….

第4章 机车走行部车载监测装置概述…………………………………………………………………………..

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4.1 JK00430型机车走行部车载监测装置（JK11430 装置）……….............................

4.1.1 JK00430 装置简介…………………………………………………………………………………………. 4.1.2 JK00430装置技术特点……………………………………………………………………………………

4.2 JK11430 机车走行部车载监测装置（JK11430 装置）…………………………………….

4.2.1 JK11430 装置简介………………………………………………………………………………………….. 4.2.2 JK11430装置技术特点……………………………………………………………………………………..

4.3 YZB-1型机车熔断式轴温报警装置（YZB-1装置）………………...............................

4.3.1 YZB-1装置简介………………………………………………………………………………………………. 4.3.2 YZB-1装置技术特点…………………………………………………………………………………………

4.4 机车车载安全防护系统（6A系统）……………………………………………………………………..

4.4.1 6A 系统简介…………………………………………………………………………………………………… 4.4.2 走行部故障监测子系统简介……………………………………………………………………………… 4.4.3 6A 系统技术特点……………………………………………………………………………………………

4.5 机车走行部车载监测装置比较与分析……………………………………………………………… 结论………………………………………………………………………………………………………………………………….. 致谢………………………………………………………………………………………………………………………………….. 参考文献 ………………………………………………………………………………………………………………………..

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第1章 绪论

1.1 问题的提出

近几年来，中国铁路建设取得了举世瞩目的成就。我国自主开发的CRH型动车组及“和谐”系列大功率交流传动机车等新型高速、重载客、货运机车广泛应用，标志着铁路技术水平跃上了新的台阶。不断提高的运行速度与牵引质量，对铁路行车安全技术提出了更高的要求。随着计算机技术的不断提高和普遍应用，我国的列车运行监控和检测装置技术也在迅速发展，并逐渐在动车组及内燃、电力机车上推广普及，为保证运输安全发挥了重要作用。

近年来随着机车交路的不断延长，运行速度的不断提高及牵引重量的不断加大，机车在运用现场的安全事故也时有发生，直接和间接损失巨大，影响了运用安全和运营秩序。其中走行部轴箱轴承、电机轴承等故障；列车在运行中发生折角塞门非正常关闭引发的冒进、冲撞事故；机车高压绝缘破坏，引起接触网烧损，造成大面积停电；机车内部电线电缆短路、过热及其他原因而引起的机车火灾；列车供电故障，造成列车不能正常出库、发车等均严重破坏了铁路运行安全基础。因此，如何用技术手段体系化的解决机车安全的管控问题，已经成为机车运用部门的关注重点。为了解决上述问题，我们现有机车上已安装有相关的安全监测设备。安全监测设备种类多，范围广，涉及机车走行部、电器、辅助、制动等系统。其中机车走行部是关系到铁路运输安全的关键部件，机车走行部长时间处予高速、高负载运动中，冲击振动、腐蚀、金属疲劳等都会影响到行车安全，更有甚者由于轮对擦伤、剥离、崩箍等引发的机车脱轨及轴承故障会引发的机车热轴、切轴事故，因此铁路部门对机车走行部故障的研究非常重视。

机车走行部车载监测装置较具代表性的是JK00430型机车走行部车载监测装置。目前广泛运用与我国直流传动内燃、电力机车，此装置是北京唐智科技发展有限公司以唐德尧教授发展的“共振解调”等设备故障诊断技术为基础，针对机车走行部故障诊断的需求，结合多学科的研究，开发的机车走行部故障诊断系统，是专门为保证铁路机车安全运行而研制的在线车载动态监测预警装置。可对机车轴箱、电机、空心轴工作温度及车轮、轴系、齿轮故障冲击信息在线监测并自动诊断，提醒乘务员及时采取措施，确保列车运行安全。

深度国产化HXD1型电力机车是在HXD1型八轴电力机车的基础上，机车整体性能与HXD1型八轴电力机车25t轴重条件下的性能保持一致，机械间设备布置和机车整体尺寸也基本保持一致的情况下，仅对机车的牵引变流系统和微机控制系统进行深度国产化产品的等同替代工作和机车性能的技术提升工作。2013年1月，武汉铁路局襄阳机务段配属30台装用自主研发牵引变流器和网络控制系统的HXD1型电力机车，这是该型机车国产化后的首次大批量运用，因此，探索和研究该型机车的机车走行部故障诊断与监测技术，预防走行部安全是很有必要的。

1.2 机车走行部的构成

机车走行部一般多采用转向架的结构形式，由于机车的用途、运行条件、制造和检修能力等因素不同，转向架的类型很多，结构各异。机车转向架主要由轮对、驱动装置、弹簧悬挂装置、构架、牵引装置和基础制动装置等组成。机车走行部结构和作用大致相同，但在部分部件上又有所区别。

1.构架。构架由侧梁、中间横梁、牵引端梁和后端梁等组成。构架是转向架的重要组成部分，构架把转向架的各个部件联系在一起构成一个整体。车体的重量通过构

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架两侧的钢弹簧或橡胶堆传递到构架上，再由构架传到轮对轴箱，然后通过轮对作用于钢轨；而牵引力由牵引电机、驱动装置通过轮轨粘着而产生，制动力一般由制动装置通过轮轨粘着而产生，牵引、制动力经由轮对轴箱传递到构架，再通过牵引装置传递到车体；各种振动载荷主要由轮轨激扰产生，部分振动载荷为钩缓传递的列车振动研究侧风载荷等；上述振动载荷沿牵引、制动力或重量的传递路径，在机车各部分之间耦合传递。当机车在不同状态运行时，构架除了承受垂直静载荷外，同时还要承受附加垂直力、纵向水平力和横向水平力等。

2.轮对。轮对由车轴、车轮及轴箱构成。轮对是机车走行部分最重要的零件之一，轮对由一根车轴和两个车轮压装成一体。在机车运行过程中，车轮和车轴之间不容许有相对位移。机车的全部静载荷通过轮对传递到钢轨；牵引电机的转矩也通过轮对作用于钢轨而产生牵引力，当机车沿着轨道运行时，轮对还刚性地承受来自钢轨接头、道岔及线路不平顺等线路激扰引起的全部动态作用力，同时轮对本身也将这些作用力刚性地作用到线路。

3.驱动装置。驱动装置包括车轮、车轴、牵引电机和齿轮传动装置等，其主要作用是：使牵引电机的扭矩转化为轮对或车轮上的转矩，利用轮轨间的粘着作用产生牵引力，驱动机车沿钢轨运行。货运机车驱动装置一般采用滚动抱轴半悬挂方式，一侧通过抱轴承箱和抱轴承与车轴联结，另一侧采用１个电机吊杆悬挂于构架上。电机吊杆上安装有橡胶弹性元件，可实现轮对与构架之间相对位移，隔离轮对通过牵引电机传递到构架的振动和冲击。

4.齿轮装置。齿轮装置由齿轮箱、齿轮箱支撑轴承、小齿轮轴和大齿轮等构成。齿轮装置是传递驱动扭矩或制动扭矩的关键部件。齿轮装置的作用是将主电动机的扭转力矩传递到车轴，或是将车轴的转矩传递给发电机。

5.深度国产化HXD1型电力机车走行部结构。深度国产化HXD1型电力机车是八轴机车，轴式为2（Bo- Bo），为铁路干线用机车。2012年6月，南车株洲电力机车有限公司完成2台车的生产工作，并完成机车在北京环形铁道进行的型式试验项点。转向架主要由构架、轮对、驱动单元、一系悬挂和二系悬挂、一系减振器和二系减振器、牵引装置（转向架和车体的连接）、制动装置和转向架附属装置等组成。轮对驱动系统结构，牵引电机采用抱轴式半悬挂，由轮对、轴箱、牵引电机、齿轮箱、抱轴等主要零部件组成。牵引电动机为交流异步电动机，额定功率1225kW。

1.3 故障诊断方法的发展现状与趋势

故障诊断学是识别机器或机组运行状态的科学，它研究的是机器或机组运行状态的变化在诊断信息中的反映。随着科学技术不断发展和工业化程度的不断提高，机械设备精密程度、复杂程度及自动化程度不断提高，凭个人的感观经验进行诊断己经远远不够。故障诊断技术集数学、物理、化学、电子技术、通讯技术、信息技术、计算机技术、模式识别、人工智能等多种综合技术发展起来的一门多学科交叉和融合的新技术。早在二次世界大战期间，由于大量军事装备缺乏诊断技术和维修手段，而造成非战斗性的损坏，使人们意识到故障诊断与监测技术的重要性。60年代以来，由于半导体的发展，集成电路的出现，电子技术、计算机技术的更新换代，特别是1965 年FFT方法获得突破性进展后出现了数字信号处理和分析技术的新分支，为故障诊断和监测技术的发展奠定了重要的技术基础。

目前国内外学者的对于故障诊断的一些方法的研究工作主要集中在以下几个方面:

1.时域分析法。时域分析法是滚动轴承故障诊断技术发展最早的一种方法，在时域诊断中，提取信号特征的主要方法有相关分析和时序分析，普遍采用振动信号的基