北京唐智科技發(fā)展有限公司 唐德堯

介紹了筆者基于故障機理分析所提出的“定點疲勞與軸承齒輪匹配”、“軌道波磨與系統(tǒng)工程”和“結(jié)構(gòu)廣義共振與自適應(yīng)阻尼減振”等理論及其在鐵路、城軌交通和風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用，說明了故障機理分析不僅有益于實現(xiàn)先進主動診斷，還能支持對機械裝備在減少故障發(fā)生率方面的發(fā)展、創(chuàng)新。

傳統(tǒng)的機械裝備故障診斷多以研究已有故障的信號特征為基礎(chǔ)，但對于新的裝備故障預(yù)警便因沒有故障案例可循而不免漏診。故障機理分析就是針對從未監(jiān)測過的裝備做出其可能發(fā)生的故障模式及信息特征的推理，為自動化主動診斷提供理性指導(dǎo)，以期在故障出現(xiàn)時，立即捕獲信息并預(yù)警，還能為維修、制造、設(shè)計部門提供解除或延緩裝備故障的合理化建議。

一、定點疲勞故障與軸承齒輪匹配設(shè)計

裝備傳動系統(tǒng)設(shè)計選用專業(yè)工廠獨立設(shè)計、制造的軸承與齒輪時，往往沒有考慮軸承齒輪的匹配要求，從而出現(xiàn)定點疲勞，導(dǎo)致故障多發(fā)、信息異常、常規(guī)診斷漏診[1]、[2]。如普遍認為齒輪故障總是因材質(zhì)、制造等隨機因素而首先在單處發(fā)生，診斷只需捕獲共振解調(diào)信號中出現(xiàn)的齒輪轉(zhuǎn)頻的一階譜便能發(fā)現(xiàn)故障。但SS4機車的大齒輪故障信號卻首先出現(xiàn)在四、八階譜。定點疲勞理論[3]、[4]分析證明：88個齒的SS4大齒輪有八個或四組均布的定點疲勞點，JK00430診斷系統(tǒng)據(jù)此自動捕捉信息（圖1、2）。調(diào)查發(fā)現(xiàn)：設(shè)計和技術(shù)改造中凡是按照定點疲勞理論實現(xiàn)了軸承齒輪匹配的，則故障率甚低；反之，則很快發(fā)生定點疲勞故障，且其故障信息規(guī)律符合定點疲勞理論的計算結(jié)果。

二、軌道波磨監(jiān)測、治理和系統(tǒng)工程

軌道交通的鐵路鋼軌出現(xiàn)的波浪式磨損簡稱“波磨”。自有鐵路以來，人們一直在探索其發(fā)生機理及治理方法?；谙到y(tǒng)工程的故障機理分析[5]、[6]，發(fā)現(xiàn)的理論規(guī)律是：引發(fā)波磨的內(nèi)因是轉(zhuǎn)向架的軸距L（單位：m）、行車的車速V（單位：m/s）及構(gòu)架的低阻尼共振頻率FG（單位：Hz），而外因則是彎道行車的輪緣沖擊、軌道不平順沖擊和路基松弛沖擊。提出上述理論的初衷在于實現(xiàn)準(zhǔn)確的主動診斷，由以下公式(1)，特別是公式(2)、(3)的運行模式，必然引發(fā)接近于構(gòu)架縱梁前后端出現(xiàn)交替上下共振（蹺蹺板式）模態(tài)等頻率FG的輪軌強烈振動與沖擊，JK10450地鐵車輛走行部車載診斷系統(tǒng)安裝在軸箱上的傳感器能敏銳發(fā)現(xiàn)，見圖3、圖4。而其拓展應(yīng)用，則為減緩波磨的發(fā)生和擴展提供了一條可行的途徑：按照公式(1)的車速VJ運行，可以減緩發(fā)生和自動磨合波磨，應(yīng)當(dāng)避免誘發(fā)、擴展波磨的有害車速VB1；及時識別松弛的路基（其特征之一是出現(xiàn)波長接近于枕距LZ的沖擊，見圖4）并及時處理，避免在松弛路段使用接近車速VB2以防止松弛路段的軌枕（枕距LZ）沖擊的整數(shù)次諧波引發(fā)構(gòu)架縱梁等共振，繼而引發(fā)波磨。

建議克服構(gòu)架/波磨共振的車速：

圖3 JK10450發(fā)現(xiàn)的路基松弛和波磨沖擊

圖4 松弛和波磨沖擊的頻率與波長

圖5 風(fēng)機塔架廣義共振/沖擊分析

避免結(jié)構(gòu)/波磨發(fā)生共振的車速：

避免構(gòu)架/波磨發(fā)生共振的車速：

式中，K為整數(shù)。顯然，波磨治理應(yīng)是一項包括路基、軌道、轉(zhuǎn)向架阻尼和軸距及車速的系統(tǒng)工程。

三、結(jié)構(gòu)廣義共振與自適應(yīng)阻尼減振

風(fēng)力發(fā)電機的龐大機組由高聳的塔筒和兩端懸臂的底盤支撐在高空，形成了多種低阻尼共振系統(tǒng)。由于風(fēng)機的運行轉(zhuǎn)頻無法回避陣風(fēng)、松動等諸多外因引發(fā)的廣義共振及進而引發(fā)的沖擊，以致常規(guī)的針對轉(zhuǎn)速頻率的振動監(jiān)測時，合格的系統(tǒng)常發(fā)生意外損壞。

根據(jù)廣義共振機理分析，JK10460風(fēng)電機組在線故障診斷系統(tǒng)增設(shè)了診斷這些特征的功能，并能敏銳地識別此種“另類”故障，給出有效的維修指南[7]、[8]、[9]。

例如，某風(fēng)機檢測數(shù)據(jù)的塔架東西方向振幅達到109mm，還出現(xiàn)塔架松動的沖擊，并有84mm的扭振(圖5)。維修人員據(jù)此對三層塔筒檢查，發(fā)現(xiàn)每層都出現(xiàn)近半圈的連接螺栓松動。

例如，某風(fēng)機主軸出現(xiàn)了不隨轉(zhuǎn)速變化的、頻率基本固定（0.54～0.56Hz）的沖擊如圖6，這是隨機外力引發(fā)的底盤相對塔筒發(fā)生蹺蹺板式的強大廣義共振，進而引發(fā)存在間隙的偏航軸承與壓蓋發(fā)生沖擊所致(圖7)。顯然，“治標(biāo)”維修的對策不應(yīng)更換軸承，而應(yīng)緊固壓蓋；“治本”的對策則是增加自適應(yīng)阻尼減振措施以抑制廣義共振的幅度。

圖6 風(fēng)機主軸廣義共振/沖擊分析

圖7 底盤廣義共振引發(fā)壓蓋沖擊示意圖

為此提出的基于廣義共振自適應(yīng)阻尼的減振方法[10]，在縮尺模型驗證中[11]，取得了將塔筒振動幅度和時間大幅度降低的良好效果。據(jù)此原理，同樣可以降低底盤的振幅和振動持續(xù)時間，防止損壞偏航軸承、軸系的動態(tài)不對中及其引發(fā)的軸承、齒輪、聯(lián)軸器等故障。

四、結(jié)束語

筆者以三組實例證明：故障診斷技術(shù)有必要發(fā)展到基于故障機理分析的先進主動診斷。故障機理分析和故障診斷還有利于識別裝備的設(shè)計缺陷，從而可為提高裝備可靠性和降低故障率提供可靠性的理論與技術(shù)支持。增加了上述理論所支持功能的診斷系統(tǒng)，在鐵路、城軌交通和風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域取得了良好的推廣和服務(wù)效果。

[1]唐德堯，王定曉，張鵬，李輝，宋辛?xí)?初論故障診斷與先進維修和先進設(shè)計[J].中國設(shè)備工程，2009，8.

[2]唐德堯，李輝，宋辛?xí)煟S貴發(fā).運載設(shè)備故障診斷與先進的維修設(shè)計[J].中國鐵路裝備，2009，3.

[3]唐德堯，李輝.減少軌道交通傳動系統(tǒng)故障率的軸承齒輪匹配維修和設(shè)計[J]，世界軌道交通，2009，11.

[4]唐德堯等.一種減少齒輪傳動系統(tǒng)故障率的軸承、齒輪匹配設(shè)計方法.中國專利ZL200810043838.3.

[5]唐德堯等.一種軌道交通車輛走行部及鋼軌故障車載在線監(jiān)測診斷系統(tǒng).中國專利ZL200920073984.4.

[6]唐德堯等.一種降低彎道軌面波磨產(chǎn)生的方法.中國專利201010177033.5.

[7]唐德堯，曾承志.風(fēng)電機組故障診斷與傳動系統(tǒng)的先進維修及設(shè)計[J].風(fēng)能產(chǎn)業(yè)，2009.11.

[8]唐德堯，曾承志.風(fēng)電柔性聯(lián)軸器時變剛度引發(fā)的齒輪嚙合沖擊的危害[J].中國風(fēng)能，2009.9.

[9]唐德堯，曾承志，李合林.雙饋風(fēng)力發(fā)電機電刷滑環(huán)故障信息分析及維修建議[J].中國風(fēng)能，2010.8.

[10]唐德堯等.一種風(fēng)力發(fā)電機塔架減振裝置及設(shè)計方法.中國專利，201010202086.8.

[11]黃超，唐德堯.一種風(fēng)力發(fā)電機塔架減震裝置的仿真分析[J].風(fēng)能產(chǎn)業(yè)，2011.3.