振動監(jiān)測故障診斷系統(tǒng)在礦車電動輪上的應(yīng)用

段振中，張再利，王偉康，孟德斌

（1.中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司，江蘇 常州 213000；2.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司 齊大山鐵礦，遼寧 鞍山 114005）

近年來，在線監(jiān)測故障診斷技術(shù)逐漸運用于工業(yè)設(shè)備運維領(lǐng)域，在傳統(tǒng)運維管理的基礎(chǔ)上增加在線監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)模塊，通過監(jiān)測設(shè)備運行狀態(tài)，實時評估設(shè)備的性能；并通過分析運行數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備早期異常[1]。利用這一技術(shù)，設(shè)備的維護(hù)方式可由原來的事后維修（BM）、周期性的預(yù)防維修（PM）轉(zhuǎn)變?yōu)榛谠O(shè)備實際運行狀態(tài)的視情維修（PDM），能有效的減小故障影響范圍，降低維修難度和維護(hù)費用[2]。電動輪作為礦用卡車的傳動、行走部件和主要承載機(jī)構(gòu)，在礦車行駛作業(yè)過程中承受巨大的車身載荷以及來自路面復(fù)雜沖擊，是最容易發(fā)生故障的關(guān)鍵部件之一。電動輪一旦損壞，礦車將難以正常工作。目前電動輪運維仍在使用傳統(tǒng)的基于預(yù)防修和故障修維修機(jī)制，難以在早期發(fā)現(xiàn)故障，故障定位模糊，應(yīng)急處置不準(zhǔn)確，維修作業(yè)不及時。因此利用在線監(jiān)測故障診斷技術(shù)對電動輪的狀態(tài)監(jiān)測，實現(xiàn)早期故障預(yù)判和定位，提高運維效率。為能加強(qiáng)對電動輪故障的有效預(yù)判，在故障早期及時檢修，保障礦車的出車率，通過在線監(jiān)測電動輪的運行振動數(shù)據(jù)，利用基于變速變載下振動信號的階次分析技術(shù)，開發(fā)了集成電動輪機(jī)械故障預(yù)判、異常診斷等功能的電動輪在線監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)。

1 整體方案

電動輪在線監(jiān)測系統(tǒng)由現(xiàn)場端的“電動輪振動數(shù)據(jù)在線采集系統(tǒng)”和服務(wù)端的“運行狀態(tài)監(jiān)測故障診斷系統(tǒng)”2 部分組成。安裝在礦車上的高頻采集器同步采集礦車后橋左右兩側(cè)電動輪的振動和轉(zhuǎn)速信號，按內(nèi)置程序?qū)π盘栠M(jìn)行降噪預(yù)處理，同時將信號數(shù)據(jù)分包傳至現(xiàn)場端本地服務(wù)器。服務(wù)器自動提取有效振動特征值組與預(yù)設(shè)振動報警閾值作對比，超出閾值則報警，向服務(wù)端發(fā)出故障提示的同時將數(shù)據(jù)傳至服務(wù)端進(jìn)行詳細(xì)的故障分析診斷，靶向定位故障零件，分析故障模式，將診斷報告和維護(hù)意見發(fā)至現(xiàn)場端指導(dǎo)維修維護(hù)工作。

2 電動輪振動信號采集及分析

2.1 振動采集與濾波

基于振動監(jiān)測的故障診斷需要分析設(shè)備運行時內(nèi)部旋轉(zhuǎn)件的振動參數(shù)，電動輪由輪邊減速器和牽引電機(jī)組成，需要監(jiān)測的振動參數(shù)有電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)頻和各軸承內(nèi)、外圈、保持架、滾子故障特征頻率，輪邊減速器內(nèi)各轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)頻、各齒輪嚙頻以及軸承內(nèi)、外圈、保持架、滾子故障特征頻率。其中在礦車車速最高時電動輪被監(jiān)測振動參數(shù)最高頻率不超過1 500 Hz。根據(jù)香農(nóng)采樣定理，在對模擬信號進(jìn)行離散化時，采樣頻率fz至少應(yīng)2 倍于被分析的信號的最高頻率f0，即fz≥2f0；否則可能出現(xiàn)因采樣頻率不夠高，模擬信號中的高頻信號折疊到低頻段，出現(xiàn)虛假頻率成分的現(xiàn)象[3]。因此針對礦車電動輪，選擇采樣頻率大于3 000 Hz 的采集器對電動輪的振動和轉(zhuǎn)速信號等時重采樣。

電動輪與礦車后橋、輪轂剛性連接，安裝在電動輪上的振動傳感器采集的振動信號中混有路面對輪胎的沖擊以及固定在后橋上的設(shè)備如柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)等的通過后橋傳遞來的振動干擾；在對模擬信號進(jìn)行離散化時，模擬信號中的高頻信號會折疊到低頻段，出現(xiàn)虛假頻率成分的現(xiàn)象，需要進(jìn)行濾波降噪。針對電動輪工況，為解決頻率混疊，在對模擬信號進(jìn)行離散化采集前，采用低通濾波器濾除高于1/2 采樣頻率的頻率成份，低通濾波器的截止頻率fc為：fc＝fz/2.56，同時采用帶通，過濾掉來自地面的低頻沖擊振動[4]。

2.2 有量綱無量綱特征值綜合分析

在旋轉(zhuǎn)設(shè)備故障診斷中，特征參數(shù)的故障識別性能直接影響設(shè)備對故障的判斷[5]；特征參數(shù)分為有量綱特征參數(shù)和無量綱特征參數(shù)，在旋轉(zhuǎn)設(shè)備機(jī)械故障診斷中，有量綱的特征參數(shù)如均方值、峰峰值等，由于對大多類型故障敏感，且與故障程度相關(guān)性較大，但常因為工況差異及功率、轉(zhuǎn)速等輸入條件的變化大而產(chǎn)生較大的波動，穩(wěn)定性欠佳；而無量綱的特征參數(shù)如峭度指標(biāo)、裕度指標(biāo)等，由于是以概率分布函數(shù)為基礎(chǔ)，外部對輸入條件的變化對其影響不明顯，在變載荷下情況下作為反映運行狀態(tài)的對比評價指標(biāo)[6]。但對故障敏感性有限或僅對特定類型故障敏感。在針對礦車電動輪的故障診斷中，根據(jù)運行歷史振動特征值數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計分析找出1 組相關(guān)性較強(qiáng)的，能夠綜合反應(yīng)電動輪運行狀態(tài)的有量綱和無量綱特征值，并將其作為初步故障判斷依據(jù)，形成有效的電動輪運行故障判斷指標(biāo)。

2.3 振動階次分析

在實際運行中，負(fù)載和車速往往隨時間變化，從而使礦車電動輪通常在變載工況下工作。目前工業(yè)領(lǐng)域常用的頻譜分析技術(shù)不足以準(zhǔn)確解釋實際設(shè)備中隨時間變化的故障特征：在穩(wěn)態(tài)工況下對振動信號進(jìn)行頻譜分析，可以有效地揭示被分析信號在全過程中的頻率成分，而在變速工況下，轉(zhuǎn)速的變化表現(xiàn)在頻譜圖上是頻率分量的模糊，使得頻譜圖上的基頻以及其各次諧波分量會分散在一連串的頻率譜線上。這種被模糊了的頻率分量將給幅值測量造成誤差，使得傳統(tǒng)的頻譜分析難以達(dá)到預(yù)期效果[7]。

針對變速工況下運行的礦車電動輪，階次分析是一種直觀有效的頻率結(jié)構(gòu)分析方法。利用階次跟蹤將等時間間隔采樣的非平穩(wěn)信號轉(zhuǎn)化成等角度間隔采樣的平穩(wěn)信號，從而轉(zhuǎn)化為平穩(wěn)信號的分析問題[8]；通過同步高頻采樣電動輪振動頻率信號和速度信號進(jìn)行處理，得到不隨轉(zhuǎn)速變化的階次信號，形成變速工況下清晰的階次譜，并根據(jù)電動輪結(jié)構(gòu)將不同階次和電動輪內(nèi)不同部件對應(yīng)起來，實現(xiàn)基于階次譜的電動輪故障診斷與故障零件定位。

3 工業(yè)試驗

3.1 變速變載荷下故障障診斷功能測試

1）試驗方式。臺架試驗，在試驗臺安裝2 臺的電動輪，編號QY0001、QY0002，其中QY0001 各零件狀態(tài)正常，QY0002 齒圈有輕微點蝕的早期故障。按照同樣的變速載荷譜對2 臺電動輪進(jìn)行加載測試。通過采集器分別對2 臺電動輪進(jìn)行轉(zhuǎn)速和振動的等時重采樣并按預(yù)設(shè)值進(jìn)行信號處理。根據(jù)采集的信號在本地服務(wù)器進(jìn)行基于階次分析的故障診斷，并將比診斷結(jié)果與實際情況作對比。電動輪測試前狀態(tài)對比如圖1。

圖1 電動輪測試前狀態(tài)對比

2）試驗結(jié)果。電動輪振動階次譜對比如圖2。QY0001電動輪階次譜中各零件階次及其倍頻清晰，各方向階次譜均無明顯異常頻率存在；而QY0002 電動輪徑向水平放大階次譜（圖（b））和軸向水平階次譜（圖（d））中可以看到齒圈副嚙合頻率附近存在明顯的與內(nèi)齒圈轉(zhuǎn)頻率一致的等間隔邊頻帶，且邊頻幅值較小。說明內(nèi)齒圈存在輕度故障，與齒輪箱實際狀態(tài)相符，分析結(jié)果與實際情況基本一致。

圖2 電動輪振動階次譜對比

3.2 裝車工業(yè)試驗

試驗方式：在某露天礦進(jìn)行2 個月的振動監(jiān)測故障診斷系統(tǒng)工業(yè)試驗，在露天礦辦公區(qū)部署本地服務(wù)器，服務(wù)器裝有電動輪振動監(jiān)測軟件；在礦區(qū)2同臺電傳動礦車H1、H2 上安裝具有無線傳輸功能的移動在線采集系統(tǒng)，采集驅(qū)動輪上的振動與速度信號（每臺車2 個電動輪，共采集4 個電動輪的信號），采集系統(tǒng)通過Modbus 協(xié)議與本地服務(wù)器通訊；礦車作業(yè)時，采集器將礦車電動輪運行狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸至本地服務(wù)器，電動輪振動監(jiān)測軟件提取特征值組，通過判斷確認(rèn)電動輪實際運行狀態(tài)，同時將采集的數(shù)據(jù)通過4G 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至服務(wù)端進(jìn)行詳細(xì)診斷分析。

3.2.1 電動輪特征值組綜合分析

從有量綱特征參數(shù)趨勢看，H1 與H2 礦車電動輪振動有效值無明顯差別，根據(jù)ISO 10816－3 標(biāo)準(zhǔn)評判，數(shù)值均落在可接受分區(qū)（B 區(qū)）內(nèi)推測車輛行駛時路況負(fù)載變化以及由車架傳遞的柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)振動等疊加使有效值趨于一致性。有效值對比分析見表1。

表1 有效值對比分析

從無量綱特征參數(shù)趨勢看，段內(nèi)H1 礦車2 電動輪振動峭度指標(biāo)多次超1 000，最高值在3 000 左右；H2 礦車兩電動輪振動峭度指標(biāo)基本都在1 000以內(nèi)，僅最高值超1 000；H1 礦車電動輪振動峭度指標(biāo)明顯高于H2，說明H1 礦車2 個電動輪的運動沖擊和磨損要高于H2 礦車。

3.2.2 電動輪振動特征值階次分析

對H1、H2 2 臺礦車的4 個電動輪進(jìn)行階次分析，發(fā)現(xiàn)H1 左側(cè)電動輪階次譜中，太陽輪、行星輪嚙頻階次（數(shù)值15）及其倍頻附近存在于太陽輪轉(zhuǎn)頻階次（數(shù)值1）一致的等間隔邊頻帶，邊頻幅值小，推測H1 太陽輪齒面可能存在輕度磨損狀況。H2 兩側(cè)電動輪階次譜中未見異常成分。H1 礦車左側(cè)電動輪振動階次分析如圖3。

圖3 H1 礦車左側(cè)電動輪振動階次分析

經(jīng)拆解檢查，H1 礦車左側(cè)電動輪太陽輪表面存在肉眼可見輕度點蝕，并且齒向參與嚙合部分和未參與嚙合部分之間有明顯臺階，說明齒面以磨損。經(jīng)過測量，太陽輪齒厚減小但仍在可接受范圍內(nèi)，不必馬上更換，建議定期檢查油品狀況，著重監(jiān)測潤滑油品中金屬元素含量和顆粒度，若有明顯升高則需停機(jī)檢修更換太陽輪。

4 結(jié)語

在礦車電動輪上使用振動監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)，可以實現(xiàn)電動輪初期異常的及時發(fā)掘、報警；并能通過故障診斷系統(tǒng)對故障進(jìn)行在線快速準(zhǔn)確的“靶向”定位，明確具體運行異常的零件，完成故障預(yù)判。對實現(xiàn)電動輪維護(hù)方式由周期性預(yù)防性維修和事后維修轉(zhuǎn)變?yōu)榛陔妱虞唽嶋H運行狀態(tài)的預(yù)測性維修起到重大的作用。