2017.3.21 动车组齿轮箱故障检测监测系统-可行性报告_修改 (自孙效杰)

上海铁路局

科研开发(示范性推广)项目可行性报告

项目名称动车组齿轮箱故障检测监测系统

起止年月2017年1月—2017年12月

承担单位上海铁路局科研所（盖章）

上海铁路局车辆处

上海铁路局上海动车段

上海应用技术大学轨道交通学院项目负责人方火根

联系人/电话王恒亮/21093

二O一六年十月十七日

一、趋势判断和需求分析

动车组齿轮箱故障实例：

2016年2月1日13时07分，上海铁路局担当G7697次交路（徐州东-江山）的CRH2C-2108动车组运行至义乌-金华区间时，随车机械师发现07车2位端车底有异音，立即将情况汇报上海动车段应急台。13时09分，动车组停于K207+301处，随车机械师下车检查发现07车4轴齿轮箱存在轻微渗油现象，其他可视范围内无异常情况。应急台要求随车机械师在后续途中密切关注07车运行情况，14时12分左右，随车机械师发现异音情况逐渐明显，立即向段应急台汇报。段应急台指示随车机械师到前方站申请救援，14时16分，动车组到达衢州站，后续交路启用杭州动车所热备车组CRH380BL-3505担当。当晚，CRH2C-2108动车组停衢州站，经检查发现7车4轴齿轮箱破损，油位低于最低刻度线。

CRH2C-2108动车组回所后进行了详细检查分析，此次齿轮箱破损的原因是，由于加工装配问题产生的保持架内部破损物进入齿轮箱内部，使齿轮动作时造成持续性的疲劳磨损，磨损时造成的金属屑进入润滑油，混有金属屑的润滑油破坏了齿轮上已形成的油膜，并阻止新油膜的生成，造成齿轮工作时载荷过高，最终导致齿轮破损，破损物击穿箱体。

动车组齿轮箱是动车组走行部的重要组成部分。根据近年来动车组齿轮箱故障统计显示，只有当齿轮箱故障完全爆发时，才能准确的确认故障。但在实际运行过程中发现，当齿轮箱故障完全爆发时，所造成的结果已相当严重。齿轮箱故障主要归因于以下几种原因：疲劳磨损、润滑不良、载荷过高、异物入侵、加工装配问题。

现有的齿轮箱定期油样送检制度可对齿轮箱工作状态进行掌控，但现有的油样送检周期长，不能完全提前及时发现齿轮箱早期故障。研制动车组齿轮箱故障检测监测系统，对齿轮箱使用状态进行实时检测监测，并对齿轮箱早期故障进行识别与诊断，从而降低动车组因齿轮箱故障爆发而造成的事故率，对于保障动车组安全、稳定运行具有重要意义。

二、研究内容、技术路线和技术关键

研究内容：

1、齿轮箱振动数据采集系统的构建；

2、齿轮箱故障模拟及识别诊断算法的研究；

3、齿轮箱故障检测监测系统的软件开发；

4、系统装车调试、积累数据、试验考核。

技术路线：

齿轮箱故障的本质是齿轮表面摩擦过程的异常变化，异常振动信号是齿轮摩擦异常变化的外在表现。基于振动分析技术的齿轮箱故障诊断起始较早，技术也较为成熟。首先，采用动力学仿真方式模拟齿轮箱的典型故障，简单、高效的获取齿轮箱故障工况的振动信号特征；其次，对动车构建一套数据采集系统，采集动车组齿轮箱的振动信号及电机转速信号；然后，对采集的齿轮箱振动信号进行倒谱分析，与模拟获取的典型故障特征进行匹配，在线确定动车组齿轮箱典型故障模式；最后，再利用齿轮箱循环平稳理论程序，离线分析动车组齿轮箱故障特征，获取平稳假设下所不能得到的隐藏故障特征信息，有效地分离和识别旋转机械早期微弱故障特征，作为齿轮箱故障诊断系统的早期预警模块。

基于NI Compact-RIO虚拟仪器开发平台，在LabVIEW环境中编写动车组齿轮箱故障检测监测系统软件。软件主要功能：显示动车组运行基本信息、显示齿轮箱振动时域和频域变化情况、在线检测监测齿轮箱故障发生情况、存储齿轮箱振动数据并可作离线播放与计算分析、动车组齿轮箱故障检测监测的大数据管理、自动生成动车段等车辆管理部门所需的检测报告。

技术关键：

1、数据采集与处理技术；

2、齿轮箱故障模拟技术；

3、倒谱分析及循环平稳理论；

4、LabVIEW编程技术。

三、执行年限和计划进度

1、2017年1月，深入动车段调研动车组齿轮箱故障情况；

2、2017年2-3月，研究制定系统开发总体技术方案；

3、2017年4 -6月，搭建系统硬件实验室测试平台及齿轮箱故障模拟仿真平台，编写系统软件DEMO；

4、2017年7月，申请系统装车实测；

5、2017年8-11 月，系统模拟数据考核，装车试验考核，修正系统缺陷、优化系统功能；

6、2017年12月，整理资料，申报验收。

四、工作条件和环境保障

1、上海铁路局科研所有较强的动车组检测技术团队，负责本项目的方案制订、研究开发、实验试验等；

2、上海铁路局车辆处有经验丰富的动车组运维管理人员，负责本课题的方案审核、试验协调、效果分析等；

3、上海铁路局上海动车段有大量动车组运维技术人员，负责本课题的试验配合、设备检查、系统试用等；

4、上海应用技术大学轨道交通学院有专业的机车车辆工程研究团队，动力学研究人员负责本课题中齿轮箱故障特征模拟分析及故障识别等相关技术支持。

5、上海应用技术大学轨道交通学院有专业的列车运行动态监测研究团队，负责本课题中数据信号分析、软件开发等相关技术支持。

五、达到的目标、成果形式、技术考核指标及转化前景

达到的目标：

实现动车组齿轮箱使用状态的在线监测、离线分析及故障识别诊断功能。

成果形式：

一套动车组齿轮箱故障检测监测系统

考核指标：

◆采集通道：8路（每个动力转向架2个齿轮箱，每个齿轮箱安装3个方向振动加速度传感器，1个电机转速传感器）

◆采样速率：最高可达52kS/s

◆测量精度：24位同步AD转换

◆灵敏度：10mV/g

◆测量范围：±500g

◆网络接口：WiFi/4G路由

◆传输速率：最高可达150Mbps

◆传输范围：最大可达300m

◆内部储存：缓存1MB，内存1GB，非易失性存储4GB

◆外部存储：可移动SDHC卡，最大支持32G

◆供电电源：12V/1A

◆工作环境：温度﹣40℃～﹢85℃，湿度5～95%

◆振动冲击（compactRIO可承受振动）：5g（10～500Hz），冲击30g（11ms半正弦）、50g（3ms半正弦）

◆防护等级：IP20

转化前景：

动车组随车机械师在客室内使用笔记本电脑即可实时观测走行部齿轮箱振动情况，明确人为感知是否正确、准确；同时，及时存储至动车组齿轮箱故障管理数据库的信息可为动车组运维管理部门关于齿轮箱养护维修制度的优化提供重要依据。因此，通过研发实验、试验考核、鉴定验收等环节后，可为每个动车组动力转向架安装配置一套该系统。

六、预期效果和风险分析

针对动车组齿轮箱运用过程中可能出现的问题，提供有效的齿轮箱故障检测监测系统，可作为动车组随车机械师行车安全检查的重要辅助工具。动车组走行部故障报警与行车组织紧密联系，一旦系统识别诊断出齿轮箱将要出现某种故障，随车机械师要报告动车段应急台，及时采取相关安全措施，甚至临时停车。因此，对该系统的可靠性、检测数据的准确性以及监测情况的确报率提出了很高的要求。

七、合作形式和合作单位意见

合作单位：上海铁路局车辆处、上海铁路局上海动车段、上海应用技术大学轨道交通学院。

八、经费预算

上海铁路局科技研究开发项目经费预算表