一种高速动车组振动监测系统研究

中国铁路建设正处于快速发展阶段，随着营业里程不断增加，中国的高速铁路网络已成为全球最大和最复杂的网络之一。同时，中国高速动车组的发展在科技创新的引领下，不断实现技术突破。在动车组的高速运行中，由于受到各种因素的激扰，车辆与轨道之间必然会产生相互作用，通过相互作用产生横向和纵向的不平衡力。另外，在制造工艺中，铁轨不可能绝对平直，绝对刚性，机车的车轮也不可能是理想的几何圆形。正是由于这种不平衡力与制造误差，动车组在沿钢轨运行时会呈现复杂的运动规律，因此振动便不可避免的产生，对动车组运行的安全性产生关键性影响。[1]本文研究了一种车载智能轴箱振动监测系统，实现了对动车组轴箱振动参数的实时监测，当振动数值超过设定的阈值时，振动监测系统将发出预报警，提示检修人员对动车组或铁路轨道状态进行相关检查，避免造成更严重的影响。

高速动车组在运行过程中面临的振动问题是一个复杂的问题，它涉及到内外部多个方面的因素。一个是由外部因素引起的，如轨面硌伤、轨道局部不平顺、轨道垂向变形、轨道接缝处形状不规则、道岔等；二是车体自身结构特点的激振因素，如车轮踏面擦伤、硌伤，轮对存在高阶多边形，轮对质量偏心，抗蛇、垂向、横向减震器失效，空簧失效等。这些问题的存在不仅会影响动车组的运行稳定性，还可能导致乘客舒适度降低，甚至可能对动车组的结构造成损害。因此，对于这些问题的研究和解决具有重要意义。[2]

智能轴箱振动监测系统原理介绍

智能轴箱振动监测系统主要包含轴箱振动模块及轴箱振动传感器。传感器采集信号包括8通道横向振动信号、8通道垂向振动信号、8通道横向冲击信号、8通道垂向冲击信号。采样频率10kHz，1秒内所有通道采集数据组包后，转换成米每二次方秒为单位的加速度后保存为原始数据，转换成g为单位的加速度再经过滤波后对应振动模型诊断或计算，其中轴箱轴承振动模型包括外圈、内圈、滚子（滚动体）。

根据轴承信息和转速计算轴承故障特征频率，对滤波后的原始数据进行包络解调。从包络解调谱中，找到对应故障特征频率计算值（如外圈故障特征频率计算值为120Hz）±1.2Hz范围内的最大幅值，并使用公式计算对应的dB值（即轴承外圈故障特征指标值），将指标值与判断阈值进行比较，当值超过对应门限并连续10次以上，即报出对应报警门限的报警信息。

选取 1s 轴箱振动数据，进行50Hz-10000Hz 带通滤波。轴承指标诊断过程如图1所示

同时，车载振动监测系统对实时采集到的振动信号数据进行存储，当乘务人员反馈动车组经过某区间体感振动较大时，可通过解析相关振动数据进行分析。

试验验证

2023年9月1日，某局和谐号动车组运行至青荣城际夏格庄站-即墨北站间上行线K55+600处，司机反馈经过该区间时，司机室振动大。由于和谐号动车组无车载振动监测系统，因此需使用手持振动监测设备进行数据采集，同时对经过相同区间的装有车载轴箱振动监测系统的复兴号数据进行下载，并将数据进行时频解析，分析结果如下：

9月2日添乘该列和谐号动车组使用手持设备对相同区间振动数据进行监测，解析后发现车体垂向上存在21Hz的主频的振动能量，而横向、纵向方向无21Hz的主频振动能量，如下图4所示；发现在上行线体感振动大区段，车体垂向加速度存在21Hz振动主频。因此判断：司机室地板垂向21Hz振动是导致体感振动大的原因。

轴分析经过相同区间装有车载轴箱振动监测系统的动车组箱振动数据，发现上行线莱西-即墨北区间，轴箱垂向振动加速度在21Hz主频附近存在明显较高的振动能量，与和谐号手持设备采集到的数据分析结果一致。

结束语

车体振动是影响动车组安全性能的重要指标之一，本文针对动车组车载轴箱振动系统进行了相关研究，通过对轴箱振动信号进行采集分析，可以为研究动车组异常振动提供一种有效的分析方案，为寻找动车组振动源提供参考，以进一步保障动车行驶安全。

参考文献

[1]张冰玉.关于高速动车组车辆振动原因的探究[J].工业C， 2016（3）：297-297.

[2]卜继玲，傅茂海.动车组结构可靠性与动力学[M].西南交通大学出版社，2009.5.