郭志明

摘要：本文簡(jiǎn)述了齒輪振動(dòng)信號(hào)的提取方法，并就齒輪故障的判定與齒輪不報(bào)警的早期故障診斷方法進(jìn)行了深入分析，希望能夠?yàn)橥袠I(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(jī)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(hào)：U269? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）23-0137-02

0? 引言

為提高機(jī)車效率，某城市機(jī)務(wù)段為機(jī)車安裝了走行部檢測(cè)裝置，用以對(duì)輪對(duì)軸承、電機(jī)以及抱軸滑動(dòng)軸承進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲得了較為突出的檢測(cè)效果，降低了故障發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，為機(jī)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(hào)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(fù)荷高等特點(diǎn)，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(huì)出現(xiàn)即使齒輪出現(xiàn)故障也不會(huì)自動(dòng)報(bào)警的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響問題解決的及時(shí)性，同時(shí)由于其特殊的結(jié)構(gòu)與報(bào)警機(jī)制，對(duì)其故障進(jìn)行深入分析并定位故障原因也具有較大難度。

1? 齒輪振動(dòng)信號(hào)的提取

一般情況下，針對(duì)于軸承以及齒輪等具有旋轉(zhuǎn)特點(diǎn)的機(jī)械進(jìn)行故障檢測(cè)時(shí)，選擇的主要檢測(cè)方法為振動(dòng)法。此種情況下可以根據(jù)時(shí)域信號(hào)特征參數(shù)，以及所對(duì)應(yīng)的頻譜分析內(nèi)容對(duì)所包含的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)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(duì)其檢測(cè)由于測(cè)點(diǎn)只有一個(gè)，因此極容易因?yàn)閮烧弋a(chǎn)生振動(dòng)并疊加而導(dǎo)致較為嚴(yán)重的信號(hào)干擾[1]。在此種情況下想要獲得單獨(dú)的準(zhǔn)確齒輪振動(dòng)信號(hào)，就需要盡量將軸承振動(dòng)信號(hào)排除，最大程度的降低信號(hào)干擾。

由于軸承所對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的振動(dòng)屬于高頻次振動(dòng)的一種，其頻率大概在4000赫茲以上。當(dāng)輪對(duì)轉(zhuǎn)速為每分鐘400轉(zhuǎn)時(shí)，所產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)通常情況下在8000赫茲以下，因此在對(duì)軸承進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)時(shí)確定的截止頻率就應(yīng)為8000赫茲。所導(dǎo)致產(chǎn)生的齒輪振動(dòng)反映的主要內(nèi)容為其嚙合頻率，因此針對(duì)此種情況嚙合頻率的計(jì)算公式為：

Fm=fr×N

公式中各符號(hào)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(dǎo)分析中可以看到，在有單獨(dú)齒輪檢測(cè)需要時(shí)，其所對(duì)應(yīng)的截止頻率既需要涵蓋齒輪振動(dòng)數(shù)據(jù)，又需要注意去除軸承振動(dòng)的影響，尤其是應(yīng)仔細(xì)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(dòng)信號(hào)收集時(shí)的截止頻率設(shè)置為2000赫茲，此時(shí)就可以徹底消除原本軸承對(duì)振動(dòng)信號(hào)收集過程中所帶來(lái)的嚴(yán)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(bào)警，1位本齒輪報(bào)警，此時(shí)時(shí)域波形的具體內(nèi)容為包含10組具有沖擊脈沖較寬特點(diǎn)的故障波形，簡(jiǎn)單來(lái)說就是在1轉(zhuǎn)條件下所反映出的故障沖擊波形相對(duì)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(diǎn)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(diǎn)，尤其是在有沖擊趨勢(shì)的情況下將會(huì)有明顯的沖擊突發(fā)性的特征表現(xiàn)。此時(shí)需要注意的是，在針對(duì)大齒輪做具體的故障判斷時(shí)，需要尤其關(guān)注是否由于踏面的傳遞原因而導(dǎo)致產(chǎn)生的傳遞信號(hào)誤報(bào)。而對(duì)于踏面故障信號(hào)來(lái)說，其主要特征則主要包括：剝離或擦傷，這種情況下所對(duì)應(yīng)的時(shí)域波形將會(huì)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(shí)域波形反映出的具體形狀為直角三角波;而輪對(duì)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(gè)波形通常是連接在一起且同時(shí)表現(xiàn)。

2.2 小齒輪故障判定

通常情況下2位報(bào)本齒輪，1位報(bào)鄰齒輪產(chǎn)生報(bào)警現(xiàn)象對(duì)應(yīng)的為小齒輪故障，具體表現(xiàn)特征同樣在時(shí)域波形中反映較為明顯。簡(jiǎn)單來(lái)說就是在時(shí)域波形較為完整的狀態(tài)下，其中涵蓋著齒輪傳動(dòng)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(shì)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(shí)有報(bào)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(duì)應(yīng)的大齒輪齒數(shù)的具體譜號(hào)通常為76*10.24。以某機(jī)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(jí)報(bào)警次數(shù)，數(shù)量為13次。以數(shù)據(jù)波形圖為依據(jù)對(duì)其進(jìn)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(gè)數(shù)，數(shù)量通常大于44個(gè)。車間解體齒輪箱的檢查需要保證其及時(shí)性，在經(jīng)過對(duì)齒輪箱進(jìn)行拆解檢查后可以發(fā)現(xiàn)，有打齒嚴(yán)重現(xiàn)象的齒數(shù)為7個(gè)，最后將不得不對(duì)其電機(jī)做更換處理。

3? 齒輪不報(bào)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：?jiǎn)锡X故障對(duì)應(yīng)的原始數(shù)據(jù)時(shí)域波形圖將會(huì)有分布均勻或是占空比相等等特征，此時(shí)所表現(xiàn)出的形式為故障沖擊脈沖。在輪對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)一周后可以發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致出現(xiàn)故障沖擊脈沖的個(gè)數(shù)的計(jì)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(gè)數(shù)等于折斷的齒數(shù)乘以傳動(dòng)比;此時(shí)的大齒輪出現(xiàn)故障沖擊的個(gè)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(duì)于齒輪故障譜線來(lái)說，其所對(duì)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(shì)的過程中，多紀(jì)錄作圖環(huán)節(jié)內(nèi)偶爾會(huì)有反映出齒輪沖擊趨勢(shì)的曲線生成，但往往是在一段時(shí)間后就會(huì)自行消失。導(dǎo)致出現(xiàn)此種情況的主要原因?yàn)槿舯旧碛写螨X故障，隨著齒輪保持連續(xù)性運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間逐漸延長(zhǎng)，在打齒動(dòng)作的影響下齒的折斷部分尖銳位置將會(huì)逐漸被磨合，原本的鋒利邊緣反而會(huì)變鈍，此時(shí)在時(shí)域波形圖中并不會(huì)發(fā)現(xiàn)有不正常的曲線出現(xiàn)。從這一點(diǎn)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(jiǎn)單來(lái)說就是上一交路并不會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象，但事實(shí)是正常的行進(jìn)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(shí)，應(yīng)究其源頭進(jìn)行實(shí)時(shí)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(shí)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(duì)較窄，形狀近似于針狀。拋除這種現(xiàn)象來(lái)看，在對(duì)齒輪裂紋類故障進(jìn)行初級(jí)診斷時(shí)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(shí)，應(yīng)準(zhǔn)確把握不同故障所對(duì)應(yīng)的特點(diǎn)，簡(jiǎn)單來(lái)說就是故障的突發(fā)性。針對(duì)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(shí)性，尤其是針對(duì)于多次交路過程來(lái)說，其包含的多種故障需要首先將踏面對(duì)問題的影響去除，并等待至有明顯沖擊趨勢(shì)上升現(xiàn)象時(shí)才需要做進(jìn)一步分解處理。

3.3 齒輪嚙合不良

該種故障所對(duì)應(yīng)的波形特征為多次的上下無(wú)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(dǎo)致出現(xiàn)的故障現(xiàn)象。出現(xiàn)這種情況多是由于輪對(duì)的剝離與擦傷原因，該種類型機(jī)車由于多采用實(shí)心軸形式，因此一旦有踏面故障出現(xiàn)，就會(huì)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(huì)導(dǎo)致類似情況出現(xiàn)。因此，在有此類故障產(chǎn)生時(shí)，應(yīng)根據(jù)齒輪所顯示出的具體故障沖擊波形進(jìn)行深入分析。若同時(shí)輪對(duì)的踏面也有報(bào)警現(xiàn)象出現(xiàn)，在相同顯示現(xiàn)象的譜線出現(xiàn)時(shí)，也應(yīng)先處理好踏面情況，隨后在對(duì)具體的運(yùn)用情況進(jìn)行觀察。

某機(jī)務(wù)段上傳軸報(bào)文件時(shí)，在不存在齒輪報(bào)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(diǎn)有故障沖擊脈沖的現(xiàn)象產(chǎn)生。在對(duì)其進(jìn)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(wú)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(shí)反映出的時(shí)域波形圖的最為典型的特征。此時(shí)的頻譜圖三階與診斷抽象圖譜一一對(duì)應(yīng)，同位地域沖擊趨勢(shì)，此種現(xiàn)象就可以判斷為典型的電機(jī)齒輪故障。在對(duì)車間發(fā)出通知對(duì)齒輪箱進(jìn)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(gè)齒已經(jīng)被磨損的極為嚴(yán)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(duì)來(lái)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(qiáng)筋的設(shè)置無(wú)法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的情況下，極容易導(dǎo)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(huì)隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)而導(dǎo)致出現(xiàn)松動(dòng)現(xiàn)象。長(zhǎng)此以往必然會(huì)導(dǎo)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?yàn)楸荒テ蕉鴮?dǎo)致竄出，齒輪箱油脂也將會(huì)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(duì)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(hào)鋼，因此無(wú)論是強(qiáng)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(zhǎng)時(shí)間使用后也不會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)路口現(xiàn)象，裂損風(fēng)險(xiǎn)大大降低。2）新型防緩螺栓的應(yīng)用。當(dāng)下不同單位所應(yīng)用的防緩螺栓不僅型號(hào)較為雜亂，且有著不同的應(yīng)用原理，主要包括改進(jìn)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(huì)對(duì)體扣造成嚴(yán)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(jìn)型螺栓，其主要通過涂刷涂層層來(lái)增強(qiáng)緊固力。但經(jīng)過后續(xù)簡(jiǎn)單試驗(yàn)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(jiǎn)單因此相對(duì)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(shí)際應(yīng)用前應(yīng)做對(duì)應(yīng)的性能試驗(yàn)。在試驗(yàn)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(yǔ)

綜上所述，機(jī)務(wù)段在經(jīng)過一段時(shí)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(zhǔn)，無(wú)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(duì)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(zhǎng)奠定基礎(chǔ)。

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