动车组转向架系统故障模式及影响分析.docx

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动车组转向架系统故障模式及影响分析

绪论

电动车组动车转向架是高速动车组的走行装置，具有承载、减振、导向、牵引和制动等重要功能，是动车组的重要组成部分，决定了列车运营速度和运行品质。

在实际运行中列车转弯频繁，使用状态复杂多变，加之操纵使用与维护中的环境不利因素，导致出现各种故障。

在铁路高速重载的运营条件下,动车组转向架一旦发生故障,会影响铁路运输安全。

因此，开展动车组转向架可靠性分析与故障诊断的研究，对保证运营安全、提高维修效率和避免不必要的损失等都具有重要的意义。

本文依据动车组转向架数年内出现的故障数据，统计了故障的类型，分析了主要故障的原因，故障模式、影响及致命性，从而能对设计、制造、管理与使用方而提出针对性措施,减少动车转向架系统故障的发生，确保转向架系统使用正常和动车组的运行安全.

摘要

根据动车组原始故障数据使用SPSS统计动车组的故障类型,分析了故障原因，并使用FMFCA分析方法

关键词动车组；转向架;FMECA分析方法;故障模式

第一章转向架的背景简介

1。

1转向架的简介

转向架是轨道车辆结构中最为重要的部件之一，其主要作用如下：

1）车辆上采用转向架是为增加车辆的载重、长度与容积、提高列车运行速度，以满足铁路运输发展的需要；

2）保证在正常运行条件下，车体都能可靠地坐落在转向架上,通过轴承装置使车轮沿钢轨的滚动转化为车体沿线路运行的平动；

3）支撑车体，承受并传递从车体至车轮之间或从轮轨至车体之间的各种载荷及作用力,并使轴重均匀分配。

4）保证车辆安全运行，能灵活地沿直线线路运行及顺利地通过曲线。

5）转向架的结构要便于弹簧减振装置的安装,使之具有良好的减振特性，以缓和车辆和线路之间的相互作用，减小振动和冲击，减小动应力，提高车辆运行平稳性和安全性.

6）充分利用轮轨之间的粘着，传递牵引力和制动力,放大制动缸所产生的制动力,使车辆具有良好的制动效果，以保证在规定的距离之内停车。

7）转向架是车辆的一个独立部件，在转向架于车体之间尽可能减少联接件

1。

2转向架的历史

20世纪50年这个时期，我国首次自行设计了转向架，主要型号有101、102、103型，是21型客车使用的导框式转向架，构造速度是100km/h,其结构复杂，笨重，运行性能差,现已淘汰！

202型

202转向架是四方厂为22型客车生产的无导框C轴转向架，构造速度为120km/h,自1959年起制造.它采用铸钢H型构架，导柱式轴箱定位装置，摇动台式摇枕弹簧悬挂装置，两系圆弹簧，摇枕弹簧加油压减振器，吊挂式闸瓦基础制动等。

该转向架已经于1986年停产。

206型70年代，四方厂研制了U型结构的206型转向架，浦镇厂研制了H型构架的209转向架。

206型转向架采用侧部中梁下凹的U型构架，干摩擦导柱式轴箱定位装置,带横向拉杆的小摇动台式摇枕弹簧悬挂装置，双片吊环式单节长摇枕吊杆外侧悬挂以及吊挂式闸瓦基础制动装置等,结构可靠,运行平稳，磨损少，检修方便,1993年开始在中央悬挂部分装横向油压减振器，加装两端具有弹性节点的纵向牵引拉杆，形成206G型转向架，后加装盘型制动装置，形成206P型转向架。

209转向架是浦镇厂在205转向架的基础上研制的，于1975年开始批量生产。

它采用H型构架，导柱式轴箱定位装置,摇动台式摇枕弹簧悬挂装置，长吊杆，构架外侧悬挂，两高圆弹簧，摇枕弹簧带油压减振器,吊挂式闸瓦基础制动装置等.1980年后，又生产了具有弹性定位套的轴箱定位结构和牵引拉杆装置的209T转向架。

在此基础上，还生产了采用盘型制动的209P转向架。

在209T转向架的基础上，浦镇厂又开发了供双层客车使用的209PK转向架，其构造速度为160km/h。

主要有以下方面的改进：

采用盘型制动和单元制动缸，取消踏面制动；设空重调整阀；采用空气弹簧和高度调整阀;安装抗侧滚扭杆；保留了摇动台结构。

209PK转向架（P代表盘型制动，K代表空气弹簧）

在这段时期内,我国还制造了少量用于公务车的三轴转向架，在原德意志民主共和国进口的软座，软卧车上采用了211等型号的转向架.

准高速客车型

1994年，四方厂、长客厂、浦镇厂相继研制出了206WP、206KP、CW-2、209HS转向架，在广深线动力学试验中最高时速达到了174km/h，这些转向架的研制成功,标志着我国客车转向架技术上了一个新台阶.

206KP、206WP转向架是四方厂为广深线准高速客车和发电车设计的转向架,二者除中央悬挂部分和构架侧梁

局部不同外（206WP中央悬挂为无摇动台高圆簧外侧悬挂，206KP则为空气弹簧，并加装抗侧滚扭杆），其他部分完全相同其构架，摇枕均为焊接结构，U型侧梁，采用单转臂式轴箱定位，采用盘型制动和踏面复合制动。

四方厂还在206KP，206WP转向架的基础上研制了适用于160-200km/h的SW—160转向架（SW代SifangWork）,它主要有以下特点:

构架由两片U型压型梁改为四块钢板拼焊结构；轴距由2400mm增加到2560mm；采用空气弹簧；空气弹簧横向间距由1956mm增加到2300mm,以改善车辆抗侧滚性能。

209HS（HS指HighSpeed）转向架是浦镇厂在209PK转向架的基础上研制的，构造速度为160km/h,主要有以下改进：

轴箱定位结构由弹性摩擦套定位改成无磨耗的橡胶堆定位；摇动台吊杆端部由销孔结构改为无磨耗弹性吊杆结构；改心盘支重为全旁承支重；取消空气弹簧阻尼孔,加装垂直油压减振器；轴箱悬挂系统加装垂直油压减振器；采用钢板焊接型构架以减轻自重;加装电子防滑器等。

CW—1、CW-2转向架（CW代表ChangchunWork）是长客厂在吸收进口英国样车的T10-1转向架技术后,设计的两种准高速转向架，其中CW—1型中央悬挂采用纲簧和油压减振器，供准高速空调发电车使用；CW—2型中央悬挂为空气弹簧和可变节流阀，用于其他车种。

CW—2转向架是：

构架，摇枕为焊接结构;装用转臂轴箱定位装置和控制杆；全旁承支重；中央悬挂为有摇动台结构；设带橡胶套的中心销轴牵引拉杆横向挡，横向拉杆，横向油压减振器,抗侧滚扭杆;轴箱悬挂系统设垂直油压减振器；基础制动装置为单元盘型制动，设电子防滑器;广泛采用橡胶元件,改善隔振、隔音性能，减小磨耗.

高速型

1998年起，各工厂相继推出了自己的高速转向架，例如浦镇厂的PW—200转向架，长客厂的CW—200转向架，四方厂的SW—200、SW—220K转向架等.

PW-200转向架（PW代表PuzhenWork）是在209HS转向架的基础上重新研制的，它优化了一系和二系悬挂参数；采用了无磨耗的橡胶堆轴箱弹性定位装置；采用高速轻型轮对；轴颈中心距改为2000mm;更换轴箱减振器安装位置；装用带可调阻尼和弹性支承的空气弹簧，采用两端为球铰的纵向拉杆；装用新型盘轴式基础制动装置;优化了结构设计。

SW—200转向架结构与SW—160转向架基本相同，其改进如下：

优化了一系、二系悬挂系数;采用轴盘式基础制动装置,适用于200km/h的高速列车.该转向架在1998年6月的郑武线动力学试验中最高时速达到了240km/h。

在这一阶段，长客厂生产了我国第一台CW-200型无摇枕转向架。

其构架采用4块钢板拼焊，横梁采用无缝钢管，与侧梁连通作为附加空气室,中央悬挂采用无摇枕的空气弹簧悬挂，采用抗蛇行油压减振器，单拉杆牵引，设两个横向油压减振器和抗侧滚装置,其轴箱为转臂式无磨耗定位，并使用油压减振器,基础制动为每轴3个盘的轴盘式盘型制动装置。

此后，长客厂又开发了CW-200KD、CW-300等型号的无摇枕转向架。

第二章构架的常见故障与分析

转向架构架承受并传递车体的垂直载荷及纵、横向作用力，经过轮对传给钢轨，它是转向架受力最大的部件。

转向架构架的主要损伤形式有裂纹、弯曲变形和磨耗。

 转向架的架构采用焊接架构，由于焊接工艺、结构设计和运用等方面的原因，易于在弯角处、吊座耳孔处、原有焊缝缺陷处等受力较大部位产生集中应力，在往复动载荷作用下就易于出现裂纹. 

1。

产生构架裂纹的主要原因有

⑴架构弯角处断面尺寸的突然变化，易产生应力集中而出现裂纹。

⑵由于焊接工艺不良产生内应力而出现裂纹。

⑶有焊接缺陷,如气孔、砂眼、加渣等,减弱了断面强度产生局部应力过大而出现裂纹。

⑷焊接工艺不当，如未焊接、产生气孔、夹咬边等缺陷，加之焊修前、后热处理不当，在焊修处易发生脆裂。

⑸构架上受力较大部位，侧梁导框、中心销边缘易出现裂纹。

 裂纹的检查方法，一般为目视外观检查，观察易发生裂纹处有无锈线或在油垢处有无细线，也可借助手电筒光线与被检查处成斜交照射来发现.对不易辨认的可疑迹象,可用乙炔焰烘烤的办法来判断，若被烤出呈现明显的缝隙则为裂纹。

2。

产生磨耗的主要原因有

架构的磨耗主要发生在制动梁吊座耳孔、支杆吊座耳孔处、侧梁导槽的接触面等处。

 磨耗的检查方法，一般用目视外观检查即可，但也可用样板尺测量磨耗的深度,以确定磨耗的具体尺寸.

3。

产生弯曲变形的主要原因有

架构弯曲变形有垂直弯曲变形（扭曲）和水平弯曲变形（翘曲）两种形式.架构垂直弯曲的原因多是由于架构受水平冲击使侧梁变形引起；水平弯曲则是架构受到较大的垂直载荷或由于焊接是产生的内应力随着时间的推移而引起永久性变形所致。

 弯曲变形的检查方法，应在平台上用量具进行测量,以判断架构弯曲变形的程度.

4.减震装置的常见故障与分析

金属橡胶弹簧既承受和传递垂向、纵向及横向载荷,又缓和车辆的振动与冲击，因此，金属橡胶弹簧的状态对转向架的性能影响甚大。

 金属橡胶弹簧的损伤形式主要是橡胶的老化。

橡胶弹簧生产出来半年后,橡胶就逐渐开始老化，静态挠度也逐渐减小，严重者表现为橡胶块龟裂、明显变形、与金属板间粘接脱离等症状，此时,金属橡胶弹簧就必须更换。

4.1金属螺旋弹簧

金属螺旋圆柱弹簧不仅能缓和运行中产生的振动和冲击.还能承受和传递载荷，从而可以减轻车辆各部件及钢轨的损伤，使车辆在线路上平稳运行.如若弹簧发生了故障，轻者失去缓和车辆振动的作用，重者会造成车体倾斜影响行车安全，甚至引起车辆颠覆事故。

因此，对弹簧认真检查，发现事故及时处理。

金属螺旋圆弹簧的损伤形式主要有裂损、衰弱、腐蚀及磨耗等。

凡发现弹簧有裂纹、折损、腐蚀和磨耗过限时，都应更换。

弹簧的修理，主要是修复出现衰弱的弹簧。

4。

2裂纹和折损

圆弹簧的裂纹和折损经常发生于两端的1。

5—2圈内,裂纹一般自簧条内侧开始,这是因为弹簧受扭转与剪切的最大合成应力产生的簧条截面内侧边缘。

此外,当弹簧受冲击载荷作用时，支持圈及其附近又首当其冲,这些情况都使此处最易发生折损。

圆弹簧裂纹和折损的原因，一方面是因为运用中所受的冲击过大，超出了弹簧的负荷能力;另一方面是由于在弹簧制造或修理是工艺上的缺陷，如淬火回火时温度规范不合要求,或钢组织不均匀，硬度不一致引起局部应力集中等所致；另外，在检修和更换弹簧时,过多的使用锤击造成伤痕也是一个重要原因。

2。

弹簧衰弱圆弹簧经过长期运用，特别是经过多次修理之后，弹簧易产生自由高降低的现象称为弹簧衰弱。

弹簧的衰弱既弹簧的自由高或荷重高降低，是弹簧经常发生的另一种损伤。

弹簧衰弱的主要原因有：

⑴由于在长期使用中，弹簧承受超载和偏载，负荷过大；⑵因弹簧腐蚀、磨耗后截面积缩小，使工作应力升高；⑶由于多次修理进行加热，造成弹簧表面氧化和严重脱碳，从而降低了弹簧材质的强度极限。

个别弹簧衰弱能引起车体倾斜和弹簧承担的载荷不均匀而更进一步导致弹簧的损坏，弹簧衰弱严重时起不到应有的缓和冲击作用.腐蚀及磨耗圆弹簧的腐蚀主要表现在簧条直径的减小.产生腐蚀的原因主要是氧化腐蚀；其次是由于弹簧在多次修理时因加热致使弹簧表面产生氧化皮脱落而造成。

弹簧的腐蚀，不仅使弹簧的截面积减小，而且腐蚀处会引起应力集中，成为裂损的因素。

圆弹簧的磨耗主要发生在弹簧上、下两端支撑面处，这主要由于弹簧在载荷作用下发生转动摩擦所造成

5。

液压减振器

液压减振器常见的故障有泄漏、锈蚀和性能不良

5.1泄漏由于液压减振器工作时，缸筒内油压可达250KN/m㎡，若缸端密封部的橡胶密封圈有损坏、老化变质、组装时状态不良或密封盖不紧密均能引起工作油泄漏。

漏油不但污染环境，而且当油量不足时，液压减振器会失去作用，故密封性能是检修工作中的重要项目，必要时，应更换损坏的密封件。

5。

2.锈蚀液压减振器位于车体下部，很容易受污水等腐蚀。

防护套锈穿后会失去保护活塞及其它零件的作用；两端连接螺栓锈蚀则造成拆装困难。

5.3。

性能不良液压减振器的主要性能指标是阻尼系数。

经过长期使用后,液压减振器阻尼系数的大小会发生变化,超出规定的范围，是液压减振器起不到良好的减震作用。

液压减振器阻尼系数发生变化的原因有:

内部零件如活塞、活塞环、缸筒等磨损；磨损下得微粒及侵入的尘土使油液污染变质。

所以，液压减振器每年都要在专用试验台上进行性能试验，不合格的液压减振器应及时修理或更换。

其试验方法和性能指标，要严格按照有关规定。

6动车转向架故障类型统计

在分析产品故障时,一般是从产品故障的现象入手，通过故障现象（故障模式）找出原因和故障机理。

对机械产品而言，故障模式的识别是进行故障分析的基础之一。

由于故障分析的目的是采取措施、纠正故障，因此在进行故障分析时，需要在调查、了解产品发生故障现场所记录的系统或分系统故障模式的基础上，通过分析、试验逐步追查到组件、部件或零件级（如螺母）的故障模式，并找出故障产生的机理。

故障的表现形式，更确切地说，故障模式一般是对产品所发生的、能被观察或测量到的故障现象的规范描述川.

故障模式一般按发生故障时的现象来描述。

由于受现场条件的限制，观察到或测量到的故障现象可能是系统的，如制动系统不能制动；也可能是某一部件，如传动箱有异常响声;也可能就是某一具体的零件,如油管破裂等。

因此，针对产品结构的不同层次，其故障模式有互为因果的关系.

故障模式不仅是故障原因分析的依据，也是产品研制过程中进行可靠性设计的基础。

如在产品设计中,要对组成系统的各部分、组件潜在的各种故障模式对系统功能的影响及产生后果的严重程度进行故障模式、影响及危害性分析，以确定各种故障模式的严酷度等级和危害度，提出可能采取的预防改进措施。

3}。

因此将故障的现象用规范的词句进行描述是故障分析工作中不可缺少的基础工作。

依据某检修部门几年内积累的故障数据；故障数据中的列车号主要是从002A到190A；车辆编号是从1车厢到8车厢；二级系统包括车体系统、车外系统、电气系统、给水卫生系统、供风系统、内装系统、转向架系统7大系统;各系统的故障百分比如表1所示.

由表1可知转向架系统在整个动车组系统中故障

频率所占有效百分比达20％以上。

根据转向架系统的结构特点和功能，将转向架划分为悬挂装置、架构组成、轮对轴箱定位装置、排障装置、驱动装置、制动装置、转向架配管及配线等川.

依据某机车车辆股份有限公司采集积累的大量使用维护数据，进行了分类处理，得到动车组转向架的故障部位和故障类型表，如表2所示。

从表2中明显看出，转向架系统总共有42个故障模式，制动装置包括轮对等故障达到30条,占26。

7800，应重点加强与制动装置相

关部件的管理维修和保养工

7动车组转向架故障原因分析

7。

1：

部件设备漏油分析

通过表2分析可知零部件设备漏油在转向架故障中较为常见，可以占到总故障数的25%。

通过对设备运行的观察发现可能故障原因是

（1）动车在运转时,在相对封闭的机械箱里,机器在运转时会产生大量的热量。

动车组在全日制工作时,箱内温度逐渐升高,箱内压力也会逐渐增大.油液在箱内压力作用下从密封间隙处渗出。

（2）设计不合理；制造质量不良;使用维护不当，检查不及时。

设备上的某些静、动配合而缺少密封装置,或采用的密封方案不合适；设备上的某些润滑系统只有给油路，而没有回油路，使油压越来越大，造成泄漏。

7。

2制动装置故障分析

动车组制动装置故障在转向架系统故障中占到最大的比例，达到了26%以上。

动车组转向架制动装置采用空液转换液压制动方式曰。

制动装置故障不仅会造成动车组途中晚点，而且如处理不当会导致动车组发生事故，严重影响运输秩序，威胁乘客的生命财产安全。

制动系统的常见故障包括了制动控制装置传输良、制动控制装置故障、制动控制装置速度发电机断线、制动力不足、制动不缓解、监控显示器显示抱死、列车紧急制动不能复位、监控器等控制设备无电等。

制动控制装置传输不良时,制动时会检测制动力不足。

传输不良主要是光连接器的连接插头松动、接触不良,终端装置接口卡板故障.当制动控制装置速度发电机断线时,车辆将无法进行滑行控制。

制动力不足时,可能是UB-TRTD继电器故障、电路故障、制动管系泄漏、EP阀故障、检测传感器故障、BC’。

U故障等。

但出现制动抱死故障显示时，可能是由速度传感器断线、PCIS防滑阀故障、CI与BC’。

U信息传输故障导致再生制动与空气制动同时发生、BC'.U内部滑行、抱死检测控制错误显示制动系统故障等造成的。

7。

3其他零部件的故障分析

轮对组成故障损伤,因其裸露车体外，且直接与地而钢轨接触,运行状况复杂,且轮对组成乃转向架的重要部件,如有故障易造成严重的事故。

其次空气弹簧故障因其材质特殊为橡胶所制,较易被划伤,若运行时间长易造成空气弹簧的故障。

其次还有横向减振器和抗蛇行减振器，这两者均为油压减振器,易造成漏油故障，从而降低减振效果.制动夹钳的长时间使用及检修维护不当，使制动装置易出现故障叫。

8系统功能模块描述

8.1动车部件配置

动车部件库包含的字段包括：

车型、所属系统、子系统、零部1级、零部件2级、零部件3级、动车/拖车、数量和描述。

每一部件可附加图片描述.其中零部件3级用于特殊结构的描述.系统按照部件之间的配置关系建立树形结构的动车组部件层次描述.所有需要提交的故障记录中相应的部件名称必须与部件配件库中的信息一致。

对部件名称进行标准化描述不仅有助于设备的管理，并且可以实现故障发生部位的精确统计。

8.2典型故障定义

典型故障即为动车组发生过且需要关注的故障。

对典型故障进行定义的目的是突出故障管理重点，统一故障名称，规范故障填报中输入的故障信息，提高故障分析的准确性。

典型故障包含的字段包括:

车型、所属系统、子系统、零部件1级、故障名称、故障类型、故障代码和故障描述。

其中前5项为必填项，车型、系统、子系统和零部件1级对应的信息山系统自动从动车部件配置表中获取.

8。

3动车履历管理

动车履历是对动车使用情况的记录。

动车履历管理可实现对动车转配属记录、动车技术改造记录、动车动态检修记录、动换记录等基础数据的维护。

系统提供批量导入功能实现对所有履历信息的数据库保存。

其中动车动态检修记录可为历史故障记录中需要修复的累计走行公路值提供计算依据.

8。

4故障填报

动车所采集到的故障信息可直接通过本系统进行填报.上报的故障记录信息中车型、系统、子系统、零部件1级、标准故障、车组号、发现时间和累计走行公里数为必填项，输入的故障若非典型故障则该项信息为“无”,以区别典型故障。

系统提供单条记录编辑和批量上传两种填报方式，批量导入时部件信息和典型故障名称必须与分别与部件配置库和典型故障库进行名称一致性检查，只有通过检查的数据才允许保存.未提交故障处理方法的记录对应的处理结果为“未处理”，一旦提交处理情况后则根据具体情况可变更为“运行观察”、“已处理"

除了动车组转向架故障信息外，系统还提供对转向架齿轮箱油样光谱检测数据进行维护.通过将测量数据中各种化学元素的实际含量与设置的参数值进行对比来分析元素含量是否超标。

用户只需上传Excel表格即可实现该信息的维护。

8.5查询统计

（D故障查询故障查询可以查看故障历史记录和动车履历,查询结果以报表形式显T，并可直接保存成Excel表格。

<2｝典型故障统计故障统计主要有两种形式，一种是按车号统计不同时间段或走行里程范围内指定典型故障在不同车号中分布；另一种是按故障名称统计不同时间段或走行公里范围内指定车号在不同典型故障中的数量分布。

通过统计结果可以总结各类典型故障发生规律,以便对设备的换、修周期进行适当的

调整。

图2为按典型故障统计结果不例。

<3）齿轮箱油样光谱数据统计齿轮箱油样光谱数据统计用于统计被检测油样中所含的铁、铬、铜、锌、铅、锡、铝等20种化学元素的在每一个ppm油样中的含量。

统计方式分两种:

一种是对同一个齿轮箱不同批次的检测数据进行对比;另外一种是对同一批次的不同齿轮箱油样所含相同元素数据进行比对。

两种统计方式均可自山选择被统计的油样元素.统计结果以图形和表格分别显

结语

本文提出的基于聚合经验模态分解和样本嫡的振动信号特征提取方法,利用EEMD自适应地将信号分解成若干个具有真实物理意义的本征模函数IMFs避免了小波分解中小波基和分解层数选择所带来的误差,与EMD方法相比，减小了分解过程中模态混叠的问题，具有良好的自适应性.应用本文方法对前6个IMFs提取样本嫡特征，较好地表征了振动信号的不规则性和复杂性，并对转向

架正常、空气弹簧失气、横向减震器故障和抗蛇行减震器故障4种工况准确地提取了多尺度下的信号复杂度特征，比传统方法能够更准确地反演识别出转向架关键部件的工作状态.列车在200km/h速度下,故障识别率可以达到88%.

参考文献

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动车组运行故障动态图像检测系统（TEDS）设计与实现北京邮电大学。

2012

致谢

在本论文的设计中，我遇到很多困难,不过在曹老师的帮助与指导下，所有的困难都一一解决。

在此我要感谢曹老师对我的悉心帮助与耐心而细致的指导。

本人的学位论文是在我的导师温老师的亲切关怀和悉心指导下完成的.他严肃的科学态度,严谨的治学精神,精益求精的工作作风,深深地感染和激励着我。

从课题的选择到项目的最终完成，温老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。

在此谨向温老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。

在此，我还要感谢在一起愉快的度过大学生活的每个可爱的同学们和尊敬的老师们，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。

在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!

谢谢你们！