DF8B型機車走行部齒輪慣性故障的診斷

郭志明

摘要：本文簡述了齒輪振動信號的提取方法，并就齒輪故障的判定與齒輪不報警的早期故障診斷方法進行了深入分析，希望能夠為同行業(yè)者提供一些幫助。

Abstract： This paper briefly describes the extraction method of gear vibration signal， and deeply analyzes the judgment of gear fault and the early fault diagnosis method of gear without alarm， hoping to provide some help for the same industry.

關(guān)鍵詞：DF8B型機車走行部;齒輪;慣性故障;診斷

Key words： running gear of DF8B locomotive;gear;inertia fault;diagnosis

中圖分類號：U269? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）23-0137-02

0? 引言

為提高機車效率，某城市機務(wù)段為機車安裝了走行部檢測裝置，用以對輪對軸承、電機以及抱軸滑動軸承進行監(jiān)測，獲得了較為突出的檢測效果，降低了故障發(fā)生風險，為機車走行部的安全提供了有力保障。但需要注意到的是，由于該型號基礎(chǔ)功率較大，在其應(yīng)用過程中表現(xiàn)出了牽引力過大以及負荷高等特點，這也是增大齒輪故障的主要原因。而由于發(fā)生齒輪故障受到周圍環(huán)境不確定因素較多，因此偶爾會出現(xiàn)即使齒輪出現(xiàn)故障也不會自動報警的現(xiàn)象，嚴重影響問題解決的及時性，同時由于其特殊的結(jié)構(gòu)與報警機制，對其故障進行深入分析并定位故障原因也具有較大難度。

1? 齒輪振動信號的提取

一般情況下，針對于軸承以及齒輪等具有旋轉(zhuǎn)特點的機械進行故障檢測時，選擇的主要檢測方法為振動法。此種情況下可以根據(jù)時域信號特征參數(shù)，以及所對應(yīng)的頻譜分析內(nèi)容對所包含的運行狀態(tài)進行判斷。而齒輪與軸承卻由于被安裝在同一根軸承上，使得想要對其檢測由于測點只有一個，因此極容易因為兩者產(chǎn)生振動并疊加而導致較為嚴重的信號干擾[1]。在此種情況下想要獲得單獨的準確齒輪振動信號，就需要盡量將軸承振動信號排除，最大程度的降低信號干擾。

由于軸承所對應(yīng)產(chǎn)生的振動屬于高頻次振動的一種，其頻率大概在4000赫茲以上。當輪對轉(zhuǎn)速為每分鐘400轉(zhuǎn)時，所產(chǎn)生的振動信號通常情況下在8000赫茲以下，因此在對軸承進行信號檢測時確定的截止頻率就應(yīng)為8000赫茲。所導致產(chǎn)生的齒輪振動反映的主要內(nèi)容為其嚙合頻率，因此針對此種情況嚙合頻率的計算公式為：

Fm=fr×N

公式中各符號所代表的意思分別為：Fm是嚙合頻率，fr為軸轉(zhuǎn)頻，N代表齒輪齒數(shù)。

從公式推導分析中可以看到，在有單獨齒輪檢測需要時，其所對應(yīng)的截止頻率既需要涵蓋齒輪振動數(shù)據(jù)，又需要注意去除軸承振動的影響，尤其是應(yīng)仔細觀察嚙合頻率的具體倍頻情況，以截止頻率為依據(jù)選擇3至4倍的嚙合頻率。因此，可以將齒輪振動信號收集時的截止頻率設(shè)置為2000赫茲，此時就可以徹底消除原本軸承對振動信號收集過程中所帶來的嚴重干擾。

2? 齒輪故障的判定

2.1 大齒輪故障判定

大齒輪故障的表現(xiàn)一般為2位鄰齒輪報警，1位本齒輪報警，此時時域波形的具體內(nèi)容為包含10組具有沖擊脈沖較寬特點的故障波形，簡單來說就是在1轉(zhuǎn)條件下所反映出的故障沖擊波形相對較寬。而若是本身大齒輪中存在多種類型故障，那么反映出的較寬的沖擊波形在200點也就是1轉(zhuǎn)的條件下存在的可能性更高[2]。由于大齒輪的自身特殊性，使得其故障具有突發(fā)性特點，尤其是在有沖擊趨勢的情況下將會有明顯的沖擊突發(fā)性的特征表現(xiàn)。此時需要注意的是，在針對大齒輪做具體的故障判斷時，需要尤其關(guān)注是否由于踏面的傳遞原因而導致產(chǎn)生的傳遞信號誤報。而對于踏面故障信號來說，其主要特征則主要包括：剝離或擦傷，這種情況下所對應(yīng)的時域波形將會呈現(xiàn)較為清晰的等腰三角形的形狀;若有內(nèi)部缺陷存在，則時域波形反映出的具體形狀為直角三角波;而輪對圓度不正常的情況下所反映出的具體沖擊波形則為一大一小，兩個波形通常是連接在一起且同時表現(xiàn)。

2.2 小齒輪故障判定

通常情況下2位報本齒輪，1位報鄰齒輪產(chǎn)生報警現(xiàn)象對應(yīng)的為小齒輪故障，具體表現(xiàn)特征同樣在時域波形中反映較為明顯。簡單來說就是在時域波形較為完整的狀態(tài)下，其中涵蓋著齒輪傳動比為10*4.47的故障沖擊脈沖波形[3]。與大齒輪故障相似的是，小齒輪故障的突發(fā)性表現(xiàn)同樣較為明顯，尤其是在沖擊趨勢下，各類型沖擊突發(fā)性特征的表現(xiàn)將更加明顯。

2.3 齒輪綜合類故障判定

該種故障的判定通常是指大齒輪與小齒輪同時有報警現(xiàn)象出現(xiàn)，產(chǎn)生的故障則包括齒輪偏心、狀態(tài)發(fā)生不正常改變以及其嚙合間隙過小等，在頻譜中的具體表現(xiàn)則為大小齒輪的具體嚙合譜，對應(yīng)的大齒輪齒數(shù)的具體譜號通常為76*10.24。以某機車走行部齒輪慣性故障為例，其波形圖中顯示出的內(nèi)容則為在32位齒輪下發(fā)生的1級報警次數(shù)，數(shù)量為13次。以數(shù)據(jù)波形圖為依據(jù)對其進行深入分析后，可以判斷出具體的小齒輪故障的波形特征，包括產(chǎn)生沖擊的具體個數(shù)，數(shù)量通常大于44個。車間解體齒輪箱的檢查需要保證其及時性，在經(jīng)過對齒輪箱進行拆解檢查后可以發(fā)現(xiàn)，有打齒嚴重現(xiàn)象的齒數(shù)為7個，最后將不得不對其電機做更換處理。

3? 齒輪不報警的早期故障診斷分析方法

3.1 單齒或多齒折斷

在出現(xiàn)此種故障后，所反映出的波形特征為：單齒故障對應(yīng)的原始數(shù)據(jù)時域波形圖將會有分布均勻或是占空比相等等特征，此時所表現(xiàn)出的形式為故障沖擊脈沖。在輪對轉(zhuǎn)動一周后可以發(fā)現(xiàn)，導致出現(xiàn)故障沖擊脈沖的個數(shù)的計算方式分別為：若小齒輪有故障沖擊產(chǎn)生，則受到?jīng)_擊影響的個數(shù)等于折斷的齒數(shù)乘以傳動比;此時的大齒輪出現(xiàn)故障沖擊的個數(shù)與折斷齒數(shù)相等。該種現(xiàn)象在頻域波形圖中反映出的圖形變化情況較為清楚，尤其是對于齒輪故障譜線來說，其所對應(yīng)的一、二以及三階排列均較為整齊，尤其是在保持固定沖擊趨勢的過程中，多紀錄作圖環(huán)節(jié)內(nèi)偶爾會有反映出齒輪沖擊趨勢的曲線生成，但往往是在一段時間后就會自行消失。導致出現(xiàn)此種情況的主要原因為若本身有打齒故障，隨著齒輪保持連續(xù)性運轉(zhuǎn)的時間逐漸延長，在打齒動作的影響下齒的折斷部分尖銳位置將會逐漸被磨合，原本的鋒利邊緣反而會變鈍，此時在時域波形圖中并不會發(fā)現(xiàn)有不正常的曲線出現(xiàn)。從這一點中就可以看到，出現(xiàn)的類似于這一類的故障具有突發(fā)特性，簡單來說就是上一交路并不會出現(xiàn)這種現(xiàn)象，但事實是正常的行進過程中有齒輪故障沖擊譜出現(xiàn)，打齒故障出現(xiàn)的概率極大，因此在發(fā)現(xiàn)有此類沖擊脈沖現(xiàn)象出現(xiàn)時，應(yīng)究其源頭進行實時分解。

3.2 齒輪徑向裂紋

發(fā)生此種故障的波形特征與打齒故障產(chǎn)生的波形相類似，較為明顯的區(qū)別為時域波形圖中顯現(xiàn)出的齒輪裂紋類的故障沖擊脈沖所占空比相對較窄，形狀近似于針狀。拋除這種現(xiàn)象來看，在對齒輪裂紋類故障進行初級診斷時所產(chǎn)生的值相較于打齒故障，明顯要小得多。因此在有類似故障處理需要時，應(yīng)準確把握不同故障所對應(yīng)的特點，簡單來說就是故障的突發(fā)性。針對于齒輪本身所存在的突發(fā)性問題，應(yīng)保證其解決的及時性，尤其是針對于多次交路過程來說，其包含的多種故障需要首先將踏面對問題的影響去除，并等待至有明顯沖擊趨勢上升現(xiàn)象時才需要做進一步分解處理。

3.3 齒輪嚙合不良

該種故障所對應(yīng)的波形特征為多次的上下無規(guī)律起伏，這種現(xiàn)象在有多次交路的環(huán)節(jié)中表現(xiàn)的將更加明顯，這樣就可以根據(jù)波形特征判斷出其為齒輪嚙合不良而導致出現(xiàn)的故障現(xiàn)象。出現(xiàn)這種情況多是由于輪對的剝離與擦傷原因，該種類型機車由于多采用實心軸形式，因此一旦有踏面故障出現(xiàn)，就會有齒輪嚙合不良的現(xiàn)象產(chǎn)生。除此之外，若齒輪箱內(nèi)有雜物（硬質(zhì)）或齒輪表面出現(xiàn)剝離現(xiàn)象，也將會導致類似情況出現(xiàn)。因此，在有此類故障產(chǎn)生時，應(yīng)根據(jù)齒輪所顯示出的具體故障沖擊波形進行深入分析。若同時輪對的踏面也有報警現(xiàn)象出現(xiàn)，在相同顯示現(xiàn)象的譜線出現(xiàn)時，也應(yīng)先處理好踏面情況，隨后在對具體的運用情況進行觀察。

某機務(wù)段上傳軸報文件時，在不存在齒輪報警的條件下卻依然發(fā)現(xiàn)有位于1軸2位處的采集樣點有故障沖擊脈沖的現(xiàn)象產(chǎn)生。在對其進行深入分析后，能夠發(fā)現(xiàn)其波形圖中表現(xiàn)出的現(xiàn)象無論是上升還是下降均較為陡峭，這種現(xiàn)象是有齒輪故障出現(xiàn)時反映出的時域波形圖的最為典型的特征。此時的頻譜圖三階與診斷抽象圖譜一一對應(yīng)，同位地域沖擊趨勢，此種現(xiàn)象就可以判斷為典型的電機齒輪故障。在對車間發(fā)出通知對齒輪箱進行拆解檢查后可以發(fā)現(xiàn)，車輪上有一明顯破損，且有多個齒已經(jīng)被磨損的極為嚴重。

3.4 齒輪箱故障

①原因分析。第一是由于采用的主要為單密性密封槽，在僅僅只有一道密封槽的情況下相對來說密封效果較差。再加上結(jié)構(gòu)設(shè)置不合理，在壁板厚度與加強筋的設(shè)置無法達到標準要求的情況下，極容易導致出現(xiàn)裂損現(xiàn)象;第二是所選用的齒輪箱螺栓若是緊固力矩不足，將會隨著使用時間的延長而導致出現(xiàn)松動現(xiàn)象。長此以往必然會導致油封口逐漸磨損，在尺寸有明顯加大的情況下氈條非常容易因為被磨平而導致竄出，齒輪箱油脂也將會在這一情況下被甩出。

②建議解決措施。1）雙密封槽齒輪箱的應(yīng)用。經(jīng)過對比能夠很輕松的發(fā)現(xiàn)，由于兩道密封槽的存在使得其密封效果相較于單密封槽要好得多。另外由于所采用的螺栓底座材質(zhì)為45號鋼，因此無論是強度還是加工精度相較于傳統(tǒng)材料性能都要好得多。再加上配合較好，即使在長時間使用后也不會導致出現(xiàn)路口現(xiàn)象，裂損風險大大降低。2）新型防緩螺栓的應(yīng)用。當下不同單位所應(yīng)用的防緩螺栓不僅型號較為雜亂，且有著不同的應(yīng)用原理，主要包括改進型、膨脹型以及破壞型等。第一是破壞型，雖然該種螺栓緊固效果極佳，但由于其結(jié)構(gòu)特殊性使得其會對體扣造成嚴重破壞，最終的結(jié)果只能為僅僅只能使用此種螺栓;第二是改進型螺栓，其主要通過涂刷涂層層來增強緊固力。但經(jīng)過后續(xù)簡單試驗后發(fā)現(xiàn)，此種螺栓的拆裝極為困難;第三是膨脹型螺栓。這種螺栓由于結(jié)構(gòu)簡單因此相對而言故障率要低得多，但由于其分為內(nèi)、外六角兩種形式在實際應(yīng)用前應(yīng)做對應(yīng)的性能試驗。在試驗后，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用外六角防緩螺栓具有更好的應(yīng)用效果。

4? 結(jié)束語

綜上所述，機務(wù)段在經(jīng)過一段時間的故障判斷方法應(yīng)用后，發(fā)現(xiàn)相較于以往走行部齒輪慣性故障的判斷效果更為精準，無論是故障位置定位還是解決措施的制定，速度均有明顯提升。維修人員應(yīng)針對該類故障做好故障診斷記錄，不斷優(yōu)化診斷流程，為齒輪應(yīng)用壽命的延長奠定基礎(chǔ)。

參考文獻：

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