唐德堯，李修文，黃貴發(fā)，曾承志

（1.唐智科技湖南發(fā)展有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410083；2.北京唐智科技發(fā)展有限公司，北京 100096）

機(jī)械故障診斷是保障裝備安全運(yùn)行的有效手段，對(duì)于傳統(tǒng)的故障模式如軸承故障、齒輪故障、轉(zhuǎn)子故障、車輪踏面故障，目前國(guó)內(nèi)外已有大量成功應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)。當(dāng)前機(jī)械故障診斷的熱點(diǎn)是如何更早地發(fā)現(xiàn)早期故障，這主要是依靠提高檢測(cè)技術(shù)和微弱信號(hào)處理技術(shù)；如何進(jìn)行故障預(yù)測(cè)，這主要是依靠機(jī)械系統(tǒng)模型仿真和機(jī)器學(xué)習(xí)方法；如何進(jìn)行歷史的大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，這主要是依靠數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和模糊處理方法。有學(xué)者提出了“機(jī)械故障診斷基礎(chǔ)研究‘何去何從’”的討論。故障診斷工作者易忽視研究故障產(chǎn)生的根源，以及如何通過(guò)科學(xué)維修消除故障產(chǎn)生的原因。本文提出了“免疫維修設(shè)計(jì)”理念，指出機(jī)械故障診斷應(yīng)立足系統(tǒng)工程的高度，研究機(jī)械各組成部件的相互作用，不僅要及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，更要研究故障高發(fā)的原因，提出減少故障率的“免疫維修、免疫設(shè)計(jì)”方法，防止故障頻發(fā)、多發(fā)、再發(fā)，鼎助裝備長(zhǎng)期安全運(yùn)行和智慧運(yùn)維。同時(shí)結(jié)合多年來(lái)在軌道交通領(lǐng)域針對(duì)故障機(jī)理、診斷理論研究所積累的經(jīng)驗(yàn)，列出了部分支持免疫維修設(shè)計(jì)理念的實(shí)例。

1 免疫維修設(shè)計(jì)

免疫維修設(shè)計(jì)是指利用基于故障機(jī)理分析的主動(dòng)、實(shí)時(shí)診斷和預(yù)警技術(shù)，確認(rèn)故障頻發(fā)、多發(fā)的根因，指導(dǎo)機(jī)械裝備的設(shè)計(jì)、維修、制造、裝配、運(yùn)維，從頂層設(shè)計(jì)或科學(xué)維修、合理運(yùn)維環(huán)節(jié)消除或減少那些導(dǎo)致故障的原因。

1.1 特殊自然規(guī)律的普遍性

機(jī)械裝備發(fā)生故障“病患”的主要因素，也是如同人類的“器質(zhì)”缺陷等內(nèi)因所導(dǎo)致的一樣。

1.2 免疫維修設(shè)計(jì)與自愈工程的聯(lián)系與區(qū)別

“人工自愈及自愈工程”理論的方法論和優(yōu)越性在于：對(duì)設(shè)備“增加故障自愈調(diào)控系統(tǒng)（FSR），可在確保安全的前提下大幅度地減少故障停機(jī)”，其特征在于以監(jiān)測(cè)診斷數(shù)據(jù)為依據(jù)，以附加的自愈調(diào)控系統(tǒng)進(jìn)行主動(dòng)控制，克服危害機(jī)械安全的“病態(tài)”，實(shí)現(xiàn)機(jī)械故障或故障狀態(tài)的“自愈”，達(dá)到保障其安全和延長(zhǎng)其壽命的目的。似乎是增設(shè)某種外因條件來(lái)克服、改善或改變將導(dǎo)致故障的內(nèi)因。由此導(dǎo)致的對(duì)機(jī)械“增加故障自愈調(diào)控系統(tǒng)（FSR）”在若干情況下是必要的、必須的。

因此，“自愈工程”關(guān)鍵是需要增加一套故障自愈調(diào)控系統(tǒng)，然而對(duì)于軌道交通領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，再增加需經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)和FSR機(jī)電附件進(jìn)行的復(fù)雜的主動(dòng)控制，卻幾乎是難以接受的。

免疫維修設(shè)計(jì)不是額外增加自愈調(diào)控系統(tǒng)，而是在設(shè)計(jì)、維修、制造、裝配或運(yùn)維階段，根據(jù)故障機(jī)理分析的主動(dòng)、實(shí)時(shí)診斷所發(fā)現(xiàn)的多發(fā)故障原因，包括內(nèi)因和外因，進(jìn)行針對(duì)性的維修策略、制造工藝、運(yùn)用規(guī)則等頂層設(shè)計(jì)，以期通過(guò)實(shí)施，達(dá)到消除或減少故障或抑制故障快速發(fā)展、延長(zhǎng)部件壽命的目標(biāo)。

因此，“免疫維修設(shè)計(jì)”與“人工自愈工程”所能達(dá)到的效果是相似的，但實(shí)現(xiàn)途徑卻并不相同。

2 支持免疫維修設(shè)計(jì)理念的實(shí)例

2.1 定點(diǎn)疲勞理論及軸承齒輪匹配免疫維修、設(shè)計(jì)方法

SS4某機(jī)車上安裝的走行部在線監(jiān)測(cè)故障診斷系統(tǒng)發(fā)生齒輪報(bào)警，共振解調(diào)檢測(cè)的沖擊波形和譜圖特征均體現(xiàn)為4組均布故障，見(jiàn)圖1所示。探傷檢查發(fā)現(xiàn)，大齒輪出現(xiàn)多處裂紋，基本的分布規(guī)律為沿圓周等分為4組，其中的3組被探傷證實(shí)，還有可能的一組沒(méi)有探測(cè)到明顯的故障。

圖1 大齒輪存在4組均布故障點(diǎn)

在提出定點(diǎn)疲勞理論之前，人們認(rèn)為齒輪是均衡承載的，故障總是從1個(gè)位置首先隨機(jī)發(fā)生的，即使有多故障出現(xiàn)也不可能是均布的和幾乎同步發(fā)生的，以致根據(jù)“多個(gè)同類故障的歸類診斷準(zhǔn)則”判斷初期故障的預(yù)警信息特征，應(yīng)當(dāng)是齒輪每轉(zhuǎn)動(dòng)一周出現(xiàn)一次故障沖擊，或者盡管有多個(gè)故障但一定有只存在一個(gè)故障時(shí)必然出現(xiàn)的1階譜，以致對(duì)于檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的齒輪每轉(zhuǎn)動(dòng)一周出現(xiàn)多個(gè)幾乎均布的故障沖擊困惑不解。但在提出了定點(diǎn)疲勞理論后，通過(guò)對(duì)齒輪和軸承參數(shù)匹配關(guān)系的計(jì)算得悉該齒輪的疲勞規(guī)律之后，才認(rèn)識(shí)到齒輪上多個(gè)均布故障同時(shí)出現(xiàn)是有理論依據(jù)的。

機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)不免突現(xiàn)特殊徑向載荷，若齒輪和軸承存在不當(dāng)?shù)慕M合，將導(dǎo)致均布的若干齒和軸承的若干滾子單獨(dú)承載而加速特定齒和承載區(qū)滾道疲勞損壞，即定點(diǎn)疲勞。

圖2（a）和圖2（b）是SS4型機(jī)車定點(diǎn)疲勞計(jì)算的結(jié)果：SS4型機(jī)車大齒輪存在8和4等分定點(diǎn)疲勞。由于該車型大齒輪齒數(shù)為88，其8等分齒數(shù)為11個(gè)齒，而2個(gè)8等分齒數(shù)為22個(gè)齒，接近于小齒輪齒數(shù)21，故考慮外因條件，即小齒輪與之嚙合的周期作用力而擴(kuò)大搜索范圍，則計(jì)算還發(fā)現(xiàn)大齒輪發(fā)生4等分疲勞。

圖3（a）是SS4BS型機(jī)車定點(diǎn)疲勞計(jì)算的結(jié)果。雖然在大小齒數(shù)上與SS4型機(jī)車一致，大齒數(shù)為88，小齒數(shù)為21，但因更換了軸承型號(hào)，通過(guò)定點(diǎn)疲勞理論計(jì)算，證明已消除集中的齒輪定點(diǎn)疲勞因素，所以認(rèn)為其齒輪和軸承更為匹配，故障率會(huì)降低。

對(duì)2008～2013年的5年全國(guó)SS4和SS4BS車的齒輪報(bào)警統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表1所示，其中報(bào)警比的計(jì)算方法為：SS4BS報(bào)警次數(shù)/SS4報(bào)警次數(shù)/車數(shù)比。

可以看出，SS4BS車型較SS4車型的齒輪、軸承匹配更為合理，能大幅度降低齒輪的故障率。定點(diǎn)疲勞理論所述的軸承齒輪匹配免疫維修、設(shè)計(jì)方法，很大程度消除定點(diǎn)疲勞內(nèi)因，從而大幅度地降低齒輪、軸承故障率，延長(zhǎng)壽命，以利于保障安全運(yùn)行。

圖2

表1 2008-2013年的5年全國(guó)SS4和SS4BS車的齒輪報(bào)警統(tǒng)計(jì)

2.2 齒輪箱共振破裂理論及免疫維修和智慧運(yùn)維防范方法

齒輪箱是高速列車動(dòng)力傳動(dòng)的關(guān)鍵設(shè)備，是高速動(dòng)車組的十大配套技術(shù)之一，也是動(dòng)車組傳動(dòng)系統(tǒng)中最重要的傳動(dòng)環(huán)節(jié)之一，對(duì)精度和可靠性的要求高，設(shè)計(jì)制造難度大，與行車安全有很大關(guān)系。面對(duì)大量發(fā)生的齒輪箱及相關(guān)部件裂紋等故障，一些國(guó)際制造商均束手無(wú)策，既不能自動(dòng)識(shí)別已經(jīng)發(fā)生的嚴(yán)重故障，也未識(shí)別引發(fā)故障的原因，更沒(méi)有提出避免現(xiàn)有齒輪箱等部件快速發(fā)生、急劇擴(kuò)展故障的對(duì)策。

齒輪箱意外裂紋主要始于箱體多種高Q值低阻尼結(jié)構(gòu)模態(tài)在意外的同頻振動(dòng)激勵(lì)下發(fā)生共振，所述意外的同頻振動(dòng)包括齒輪嚙合振動(dòng)，多種軸承的外環(huán)、內(nèi)環(huán)、滾子在不同轉(zhuǎn)速下的正常振動(dòng)及定點(diǎn)疲勞激勵(lì)。

圖3

齒輪箱的設(shè)計(jì)師們?cè)谠O(shè)置齒輪箱的不可避免的共振頻率時(shí)，也許僅考慮了回避并高于高速軸的不平衡振動(dòng)頻率，認(rèn)為只要遠(yuǎn)高于它就能“相安無(wú)事”。而測(cè)試診斷卻發(fā)現(xiàn)：還需考慮更高頻率的若干激勵(lì)因素，如齒輪的嚙合頻率，多種軸承的內(nèi)環(huán)、外環(huán)、滾動(dòng)體振動(dòng)頻率。防止這些激勵(lì)與齒輪箱的、特別是低阻尼的固有頻率同頻共振。如果忽視了這些高頻激勵(lì)，就勢(shì)必出現(xiàn)出乎意料的共振。

在CRH5齒輪箱的振動(dòng)監(jiān)測(cè)中，我們不僅如前所述利用齒輪嚙合頻率振動(dòng)、軸承內(nèi)外環(huán)及滾動(dòng)體的振動(dòng)偵察到了齒輪箱的共振頻率，而且通過(guò)變轉(zhuǎn)速的振動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)該齒輪箱的共振阻尼甚低。因?yàn)橥粋€(gè)激勵(lì)源（非齒輪端軸承外環(huán)2階振動(dòng)）激勵(lì)齒輪箱，在約1507r/min共振轉(zhuǎn)速時(shí)，在齒輪側(cè)出現(xiàn)的振動(dòng)達(dá)到13．44g，如圖3（b）所示，但在轉(zhuǎn)速稍低（1488r/min）偏離共振轉(zhuǎn)速時(shí)的振動(dòng)1．26g，上述共振時(shí)的振動(dòng)至少10倍于此，如圖3（c）所示，折算共振阻尼約為0．05。其智慧運(yùn)維方法是通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)識(shí)別，從而避免所有引起大振動(dòng)的同頻共振因素，以利安全運(yùn)行。

這還為我們提示了另一個(gè)減小共振振動(dòng)的免疫維修設(shè)計(jì)途徑：增大齒輪箱的阻尼。例如在齒輪箱外表噴涂高附著能力的、散熱效果好的高分子材料。所增加的質(zhì)量甚微，但能將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為熱能，而大幅度地減小箱體疲勞。

3 結(jié)語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要闡述“免疫維修、免疫設(shè)計(jì)”思想、理念，旨在說(shuō)明：機(jī)械故障診斷應(yīng)立足系統(tǒng)工程的高度，研究機(jī)械各組成部件的相互作用，不僅要及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，更要研究故障高發(fā)的原因，提出減少故障率的“免疫維修、免疫設(shè)計(jì)”方法，防止故障頻發(fā)、多發(fā)、再發(fā)，鼎助裝備長(zhǎng)期安全運(yùn)行和智慧運(yùn)維。

同時(shí)基于本文提出的“免疫維修設(shè)計(jì)”理念，我們針對(duì)當(dāng)前熱點(diǎn)話題的PHM，提出“基于故障機(jī)理診斷與免疫維修設(shè)計(jì)的裝備安全保障、健康管理和智慧運(yùn)維體系”，即TZ-PHM；“圍繞軌道交通裝備的系統(tǒng)全壽命周期”，支持我國(guó)裝備安保領(lǐng)域建立裝備的相關(guān)免疫維修設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。