第1章 机车故障诊断检测绪论

电力机车检测与故障诊断陈小勤136281835922024年2月26日本课程的学习任务及要求掌握电力机车的基本结构掌握检测技术、传感器技术和故障诊断技术了解列车通信网络技术熟悉电力机车走行部和传动系统的检测与故障诊断2024年2月26日第1章绪论陈小勤136281835922024年2月26日2024年2月26日

本章内容：1.1机车检测与故障诊断的意义

1.2故障诊断的发展1.3机车检测与故障诊断系统1.4高速铁路的高新技术1.5动车组概述1.1

机车检测和故障诊断的意义提高机车运行的可靠性和安全性为机车维修提供重要的依据可检测、显示、记录、存储和分析数据。为机车的改进和发展提供依据2024年2月26日1.2故障诊断技术的发展故障诊断(FD)始于(机械)设备故障诊断，其全名是状态监测与故障诊断(CMFD)。它包含两方面内容：一是对设备的运行状态进行监测；二是在异常发生后进行故障分析和诊断。2024年2月26日状态监测识别有无故障明确故障严重程度作出故障趋势分析故障诊断确定故障部位确定故障原因提出维修建议状态监测和故障诊断的过程检测缩小故障范围状态判别搜集征兆定期检测故障定位原因分析维修决策趋势分析正常参数开始尚可正常不可异常到20世90年代初，设备状态监测与故障诊断技术基本上发展成为一门独立的新兴的综合性交叉学科。在此同时，世界各国铁路行业也相继展开对机车车辆检测诊断技术研究，主要目的是实现对机车车辆故障做出及时预警与快速有效诊断，并提出维修建议，以减少或避免不必要的安全事故的发生。2024年2月26日1.2.1国内机车车辆故障诊断技术的发展铁道科学研究院等科研所和高等院校等单位积极开展机车车辆故障诊断技术的研究、应用，在理论和应用上都取得了重大进展。在机车车辆故障诊断研究中主要采用的诊断方法有:温度探测、光谱分析、电气参数检测、动态压力检测及振动诊断等。同时引入新的先进算法，如小波变换、专家系统、模式识别、神经网络、模糊数学等。2024年2月26日1.2.1国内机车车辆故障诊断技术的发展机车车辆机械部分故障诊断主要包括对车体、轮对及轴承进行故障诊断，常用设备及方法主要有:铁道科学研究院、哈尔滨铁路局哈尔滨科研所、原航空部502所等单位研制的基于红外温度探测技术的道旁红外热轴探测系统，实现对货车轴承状态实时监测的功能，现已在主要干线上成功应用。2024年2月26日1.2.1国内机车车辆故障诊断技术的发展机车车辆电气部分故障诊断较为复杂，不仅涉及不同类型电路故障，还涉及电路中的各种电气设备自身故障，目前为止对电气部分的故障诊断研究较多。常见设备及方法主要有:齐齐哈尔铁路科研所开发的DF4机车主电路及控制电路检测仪，应用较广泛。北京交通大学研究了基于专家系统和神经网络方法的DF4机车电路故障的智能诊断技术，提出了机车电器电路故障诊断系统的基本组成及车载诊断系统的基本结构。2024年2月26日1.2.1国内机车车辆故障诊断技术的发展上世纪90年代以来，我国研发的准高速、动车组以及高速电力机车基本上都配备了具有控制和故障诊断双重功能的车载微机控制系统，如SS8型、SS9型电力机车，其车载微机控制系统都具有简单的故障监控、故障记录和故障诊断功能。2024年2月26日1.2.1国内机车车辆故障诊断技术的发展株洲电力机车研究所等开发的列车运行监控记录装置及机车安全信息综合监测装置，可随车对机车的运行信息以及受电弓与接触网的状态信息进行实时监测和记录。另外，由株洲电力机车研究所、中南大学铁道学院等研制的电力机车逻辑控制单元能获取电力机车部分开关量状态，对电力机车电气部分故障诊断尤为重要.。2024年2月26日1.2.1国内机车车辆故障诊断技术的发展自上世纪80年代中期，美国铁道协会(AAR)及其所属研究机构运输技术中心(TTCI)、Seryo公司、Conrail公司、联合太平洋铁路等积极参与了货车轴承声学和振动诊断技术的研究开发，其所开发的声学探测系统是通过在道旁安装声学传感器，然后进行处理分析获取驶过列车时轴承的声信号，该系统既可独立工作，也可和红外热轴探测系统相互配合，以尽早发现轴承故障，实现轴承故障预警，确保列车运行安全。2024年2月26日1.2.2国外机车车辆故障诊断技术的发展90年代中期，TTCl采用基于声传感器阵列技术和神经网络的方法研制了新一代轴承道旁声学监测系统，极大的提高了诊断准确率。此外，TTCl等还研究开发了轴承振动检测系统，通过采集轴承旋转时产生的振动信号，并对振动信号采用包络分析技术与神经网络方法进行特征提取和模式识别，该系统能识别出轴承的多种故障或缺陷。2024年2月26日1.2.2国外机车车辆故障诊断技术的发展近年来，通用公司电力驱动分部(EMD)研发了基于商业无线通讯网络的机车远程监测诊断系统，其主要原理是:通过车载监测装置测量保存机车运行状态信息，再通过无线网络将监测到的数据发送到EMD的机车管理中心，该中心的行业专家对数据进行分析以及判断机车状态，并将机车状态信息发送到相关部门。该系统能使铁路部门及时了解机车运行状态数据和发现并排除故障，提高了列车运行安全性。2024年2月26日1.2.2国外机车车辆故障诊断技术的发展在20世纪60年代，日本率先开通了第一条新干线铁路，开始了铁路高速化进程。由于运行速度大幅度提升一，日本极度重视对机车、车辆的故障诊断技术的研究，并组织成立专门的研究会—铁道机车、动车诊断技术联络会。深入开展了牵引电机、牵引变压器、辅助电机等机车设备故障诊断研究，还成功开发了几种应用于故障诊断专家系统，对日本铁路诊断技术起了积极的推动作用。2024年2月26日1.2.2国外机车车辆故障诊断技术的发展日本近年来还研究开发了车载监测诊断系统，以提高列车运行的舒适性和安全性，在200系高速动车组上安装了可同时监测8个被测部位的纵向和横向振动情况的仪器，该仪器根据相关的舒适性指标对列车运行状态进行判断，推测不良部位，以实现快速有效的检修。2024年2月26日1.2.2国外机车车辆故障诊断技术的发展日本近年来还研究开发了车载监测诊断系统，以提高列车运行的舒适性和安全性，在200系高速动车组上安装了可同时监测8个被测部位的纵向和横向振动情况的仪器，该仪器根据相关的舒适性指标对列车运行状态进行判断，推测不良部位，以实现快速有效的检修。后来，在700系动车组上利用智能化监测系统，实现对主要电气装置的动作与状态进行监测。2024年2月26日1.2.2国外机车车辆故障诊断技术的发展德国从1975年开始研究铁路故障诊断技术。GunterSehultes等将机车车辆诊断系统分为外部诊断、内部诊断和自身诊断3种，自身诊断是充分利用机车的控制系统的功能组件，实现对机车控制的同时还进行状态监测与故障诊断。在外部诊断方面，开发了针对轮对踏面剥落、擦伤等故障诊断装置，并得到广泛应用。内部诊断和自身诊断装置是车载装置，其诊断结果可及时存储和显示，供列车员、地面维修人员等参考。2024年2月26日1.2.2国外机车车辆故障诊断技术的发展德国ICE高速列车上装配了计算机辅助故障管理系统，该系统能对机车的故障产生到故障排除的作用及统计分析结果起全面有效的管理作用，并且涉及了车上的大多数主要部件或系统，其包含100多个诊断分系统，分系统诊断结果通过串行通讯方式向上传输，在机车或车辆上集中显示，以省略各分系统的显示装置。该系统能够实现故障通报、故障定位、诊断结果显示及存储、用户查询等功能。2024年2月26日1.2.2国外机车车辆故障诊断技术的发展后来，ICE3和ICE一T列车采用了基于列车通讯网络(TCN)的监测和控制系统。车上采用100%冗余列车总线与车辆总线，绞列式总线通过网关与2辆端车上的车辆总线连接，将诊断子系统的信息传送到故障诊断总系统。故障诊断总系统通过处理所有诊断子系统传输过来的事件，并将相关信息或处理结果显示给司机、技术人员等，或通过无线网络将数据传输到诊断基地供专家进行处理。2024年2月26日1.2.2国外机车车辆故障诊断技术的发展法国TGV列车安装了司机室计算机、牵引电机控制计算机与拖车控制计算机，三台计算机联合工作，基本上能实现列车上绝大多数设备的监控与故障诊断，并可以通过车载网络与无线网络进行数据实时传输2024年2月26日1.2.2国外机车车辆故障诊断技术的发展2024年2月26日功能：

故障检测故障识别故障显示故障记录、存储与传输整备作业和定期维修中的检验1.3机车检测与故障诊断系统2024年2月26日系统构成：

地面故障诊断系统车载故障诊断系统（列车诊断中心、车辆诊断装置、设备诊断单元）内容：外部和内部

供电、牵引传动、制动装置、转向架、车门、防滑装置、轴箱温度监测、空调装置故障诊断等。1.3机车检测与故障诊断系统1.4高速铁路的高新技术车体轻量化、车厢密封及气动力学技术转向架系统集成技术制动2024年2月26日牵引传动（交流传动）自动控制网络信息故障诊断电力机车新技术介绍轨道交通装备制造业始于第一次工业革命时期，1825年英国开通了世界第一条铁路，开创了轨道交通新纪元，直到1881年我国才出现第一条铁路。与此同时，轨道交通装备牵引动力的发展也在不断变革，内燃机车、电力机车逐渐替代了传统的蒸汽机车。速度始终是带动交通运输技术发展的动力，轨道交通运输也不例外。1964年世界上第一条高速铁路（日本新干线）通车，从而拉开铁路高速的序幕，其后法国、德国和意大利等国家相继取得高速的成功，世界上涌现先进的电力牵引动力的高速列车。重载是交通运输技术发展的又一动力，目前国际上编组的重载列车牵引吨位已超过2万吨，我国在大秦线也成功的开行了万吨列车，充分体现了轨道交通大运量的优势。电力机车新技术介绍系统集成技术电力机车由于其多学科性和机电一体化特征，要求系统集成技术越来越先进。从早期的“机械技术”为主的传统技术逐渐向现代的“机械、电气、信息技术”集成的方向发展，机电一体化已成为轨道交通装备制造企业综合技术实力的表现。系统集成不是一个简单的搭“积木”，它包括几何特性的集成、物理特性的集成、网络特性的集成，同时也是轨道交通装备全寿命周期工程技术的总成。系统集成技术的范畴1）先进的虚拟机车平台2）关键部件研究开发平台，包括车体、转向架、主变压器、主变流器、高性能控制装置、牵引电机、网络控制等3）标准化、模块化4)系统可靠性设计5）全寿命设计电力机车新技术介绍交流电传动技术轨道交通装备的高速、重载需要强大的功率配置，传统的交直传动系统已经难以满足要求。现代交流驱动电传动系统被认为是一种理想的选择，它包括牵引变压器、VVVF牵引变流器、交流牵引电机、计算机控制系统等在内，其工程技术已迅速发展成熟。现代变流技术模式的DC-AC和AC-DC-AC变流器被广泛应用，最新研究的AC-AC变流技术不需要中间直流变换，更具有高效、节能优势，已开始在中、小功率城轨电力牵引领域试用。结构紧凑、节能高效、大功率、小体积、轻量化、低噪声、少维护、低成本的交流异步牵引电机的研发已成就显著，而新的永磁式同步交流牵引电机已是当前研究的亮点。电力机车新技术介绍交流电传动技术

交流传动电力机车的发展起源于20世纪70年代，它的发展与新型功率半导体器件的层出不穷和微机控制技术的进步密切相关。由于大功率变流技术的发展、控制理论和微机控制技术的完善以及变频器技术的成熟，交流传动技术取得了突破性的进展，轨道车辆电传动系统进入了交流传动时期。目前已有多种型号的交流电力机车、交流电传动内燃机车和高速电动车组广泛应用于铁路牵引。欧洲主要制造商如西门子、庞巴迪、阿尔斯通等相继开发了大量的干线交流传动机车和电动车组。日本在1990年开始也陆续研制成功了交-直-交电力机车和新干线300、500、700系列的交-直-交高速电动车组。投入商业运行的交流传动电力机车和电动车组充分地展现了交流牵引传动有着显著优越的技术经济指标，主要表现为：

(1)有良好的牵引性能；(2)电网功率因数高；(3)功率大、体积小、重量轻、运行可靠；(4)动态性能和粘着利用好。目前，随着既有电力机车的更新换代和高速铁路的蓬勃发展，国外主要制造企业均已停止了直流传动和交直传动电力机车的生产，电力机车的研制全部转向交流传动。电力机车新技术介绍交流电传动技术

我国交流传动技术研究始于70年代初，90年代初研制成功了1.0MW的电压型交—直—交传动系统，并在此基础上于1996年试制了国内第一台采用快速晶闸管元件的4.0MW4轴AC4000交流传动电力机车（原型车），1999年研制成功了2800kVAGTO工程化油冷变流器及高性能控制系统，并通过了地面试验，2000年研制成1200kWIGBT风冷牵引变流器的并应用于地铁工程车。在“十五”期间，我国已开发、应用了两种功率等级的交流传动系统：一种基于GTO(4500V/3000A)开关器件的大功率交流传动系统，另一种是基于IGBT（3300V/1200A）器件的中功率交流传动系统，两者均已装车应用。在传动系统研究和关键部件的研制方面，取得了以下主要成果：·交流传动系统技术模式与国际接轨，主要技术指标与国际上同等产品接近。·掌握了现有主型中大功率器件的应用及工程化开发技术。其中，器件极限应用指标达到国际先进水平。·采用高效、环保冷却方式，冷却效果达到国际先进水平。·开发成功模块化、多微机、网络化的传动控制系统，实现了高性能交流传动直接转矩控制策略，控制器主要指标与上世纪末国际先进水平相当。·牵引电机设计水平达到国际先进水平，在关键技术（如绝缘技术、转子导条材料、高速轴承的润滑等）取得突破。电力机车新技术介绍交流电传动技术交流传动系统是一项复杂的系统工程，它涉及电力电子学、微电子学、计算机科学、自动控制理论等多项学科，并与电力电子器件、电机工程、机械工程、电子工程等多种产业密切相联。其系统的合理配置、资源的优化、现代高新技术的应用、系统性能的提升更是一个纷繁复杂、且需循序渐进的过程。由于起步晚、基础工业技术落后、关键零部件的市场化采购受到知识产权保护的限制、现场运用经验的缺乏等，都使得当前交流传动系统产品还达不到“先进、成熟、经济、实用、可靠”的要求，也未能构成标准化、系列化的完整产品型谱。与国际先进水平相比，在系统的稳定性上，在等效干扰电流、粘着利用率等方面的性能指标上，在参数辨识、无速度传感器控制等新技术的应用上，在查找、分析问题的工具和手段上等方面，都还有着较大的差距，这也正是当前实现技术跨越和现代化战略的瓶颈所在。电力机车新技术介绍转向架技术

优越动力学性能的转向架是实现轨道交通装备安全、可靠、舒适的重要部件，也是实施机电一体化研究的终端，因为牵引动力由“电”产生，而靠“机”传递，再归宿到轮轨间牵引（制动）状态的形成。再好的电特性，再大的电功率，再全的电功能都要与机械特性相匹配，通过设计最佳动力学特性转向架，最终在轮轨的物理界面上实现黏着（滚动摩擦）利用的最大化。现代传动控制技术可通过先进的蠕滑控制技术获得机、电特性的最佳配合和实时控制，使轮轨间的牵引（制动）力得到最佳发挥，这就是轨道交通装备最根本的技术特征。反之，还要从现代摩擦学工程技术出发，解决好减少摩擦，降低磨损，改善润滑的工程问题，以提高性能和寿命，节约资源和能源，加强可靠和安全。“摩擦”无处不在，而如何利用好轮轨摩擦和弱化其他有害摩擦是现代转向架技术的重要课题之一。电力机车新技术介绍制动技术

轨道交通装备的牵引与制动技术如同双胞兄弟相互依赖，不可分离，牵引是利用能量去驱动车辆产生运动，而制动是吸收能量去消除运动。轨道交通装备在高速、重载状态下都有很大的运动能量，要可靠降速和停车，就必须设法转化和消耗这些动能，这就是制动技术的任务。现代制动技术主要有电气制动、机械制动两种，动力制动模式的电阻式和再生式电气制动应作为主要的调速制动模式，而摩擦制动模式的踏面式、轮盘式和轴盘式机械制动仅作为调速辅助和制动停车的制动模式。300km/h以上高速列车上为了安全，还应增加配置非黏着制动模式的涡流制动，新研究的气动阻力模式风阻制动的试用也初见成效。制动技术特别强调对信息技术和机电一体化技术的研究，现代的联合制动、模拟制动、电子防滑、黏着控制等新技术的应用，使制动技术更加完善。电力机车新技术介绍制动技术国外制动系统制造商主要有：德国KNORR-Bremse公司及控股的美国NYAB公司及英国WABCO公司；瑞典SABWABCO公司；美国WABCO公司；日本NABCO公司。德国Knorr公司是欧洲铁路制动系统主要供应商，美国铁路制动系统主要供应商之一，其制动系统在欧洲大部分机车、高速列车、目前最高速列车和中国现代地铁车辆上得到了广泛的应用。由WABCO公司生产的电－空联合控制制动系统叫EPIC，计算机控制装置及接口在EPIC系统中起大脑的作用。具有将制动指令进行逻辑控制及编译发送与灵活应变的能力，能对速度进行适时控制。1997年，WABCO公司铁路电子分部设计了EPIC的新一代产品EPICⅡ系统，EPICⅡ系统完全适用于原先应用26-L设备的机车，气动装备采用集成化设计，使得更换快捷便利，还增加了诊断功能，可对现场更换的气动模块进行性能诊断。由纽约空气制动机公司（NYAB）生产的计算机控制制动系统（CCB）是以微机为主的制动系统，其设计用来为干线货车和客车提供全自动和单独制动控制。CCBⅡ系统是CCB的下一代。它是一个基于网络的系统，设计成可为干线货车和客车提供全自动和单独制动控制。近几年，KNORR公司又在CCBⅡ制动系统的基础上推出了适合于欧洲大陆各国联运的模块化制动系统MBS，与CCBⅡ相似，MBS制动系统能够更大范围的适用于不同的机车。模块化的设计使得检修和更换有缺陷的零部件更加快捷便利，适时的自动诊断功能有助于取消不必要的维护工作。电力机车新技术介绍制动技术机车制动技术发展特点：

1）机车采用的电空制动技术已从第一代单纯的用继电器控制电空阀的制动系统，发展到模块化的具有逻辑控制和网络通讯功能的第三代电空制动系统。

2）机车制动系统具有空电联合制动功能。

3）客运和重载货运机车的空气制动系统具有列车电空制动功能。要实现重载货运列车的电空制动，货车车辆的制动系统必须是电空制动系统。在基础制动方面，货运机车采用踏面闸瓦制动或盘形制动；客运机车的速度一般不超过250km/h，故也采用踏面闸瓦制动或盘形制动。只有大于250km/h的动车组才考虑采用非黏着制动方式，如涡流制动、磁轨制动等。

电力机车新技术介绍信息技术

轨道交通装备对信息技术的依赖越来越突出：交流传动技术的应用离不开系统控制技术的发展，电动车组的普及离不开网络控制技术的发展等等。由于轨道电力牵引系统固有的强弱电纵横交叉出现的电磁场干扰，对系统控制提出了苛刻要求，尤其是在控制策略、控制方法、控制手段、控制软件的研发上特别重要。研发运行稳定、动态响应快、实时性良好、能有效抑制电气和机械干扰的控制系统是当前的热点。此外，为了轨道交通运输的安全性与可靠性，安全保障监控与诊断技术不断升华，技术覆盖面更广更深，从电量的电气系统诊断到非电量的机械系统、气动系统等诊断，从本机诊断到列车诊断，从车载诊断到无线远程诊断，从事后诊断到事前预诊断等新的研究不断涌现。电力机车新技术介绍信息技术

国内机车控制技术是在技术引进的基础上发展起来的，我国目前正在批量生产的电力机车控制系统有：·模拟电子控制系统及换代的SMT模拟电子控制系统·交直车微机控制系统(引进MICAS-S技术)·交流传动车微机控制（MVB）系统（引进MICAS-S2技术）·TCN列车网络（WTB）系统(引进芬兰EKETCN网关技术)其中：模拟电子控制系统以SS3B、SS4改、SS6B和SS7C等为代表，微机控制系统以SS8、SS4B、SS9、SS7D、SS7E等为代表。网络控制系统以近年新开发的交流传动机车和动车组为代表，如先锋号、奥星、中原之星、中华之星等，网络控制系统正推广到SS3B、SS7E等重联控制交直机车中。电力机车新技术介绍列车网络控制系统从设计的角度来看我们微机控制和网络系统包括交流传动控制系统的硬件和系统水平十分接近世界先进水平，但是从使用表现来看，装置的可靠性与国外同类产品相比还有一定的差距。从技术发展的角度来看，信息化技术和故障诊断技术是车载控制系统今后的发展的重点方向：·国内尚缺乏统一的车载故障诊断标准，诊断技术水平较低，配套地面分析能力明显不足。·车载通信接口或网络规范化程度不高，系统没有真正发挥信息共享和资源优化的优势。·没有形成标准化的车载网络信息平台、地面网络信息平台及车地互联的信息通道。·网络控制的模块化平台尚未统一，未形成标准化、系列化的控制模块。电力机车新技术介绍车体轻量化、车厢密封及气动力学技术

随着高速化的发展，为降低轨道交通装备对路轨的冲击，越来越多的部件采用轻量化材料，由此车体轻量化设计技术已成为关键核心技术之一，高强度的铝合金及复合材料得到了广泛的应用；为降低噪声、空调能耗以及交汇压力波的影响，车厢的密封技术也逐渐成为关键核心技术；高速列车由于空气摩擦阻力急剧增加，对头型、断面的气动外形要求极为严格，列车气动力学设计技术的重要性正日益增加。电力机车新技术介绍其他新技术为增强其未来的市场地位和企业的可持续发展能力，各国都在积极开发交流传动电力机车的新技术。例如：在牵引方式方面，采用变频装置，驱动永磁同步电机的技术正在受到关注。该技术与自换向同步牵引技术有本质的不同。在法国和德国都有试验机组在装车试验。永磁多极同步牵引电机可实现很高的转矩密度，因此为实现无传动齿轮的直接驱动创造了条件。采用直接驱动的永磁同步牵引电机已安装在