諶 亮 尹振坤 王顯亮 張英春 陳 丞 唐凱強(qiáng)
(中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司國(guó)家軌道客車(chē)工程研究中心,130062,長(zhǎng)春//第一作者,正高級(jí)工程師)
萬(wàn)向軸作為動(dòng)車(chē)組傳動(dòng)系統(tǒng)主要機(jī)械的傳動(dòng)部件,不僅能夠?qū)崿F(xiàn)牽引電機(jī)至齒輪箱之間的扭矩傳遞,而且具備電機(jī)和齒輪箱之間的軸向位移和徑向位移的補(bǔ)償作用,很大程度上保障了高速動(dòng)車(chē)組運(yùn)行安全和運(yùn)行品質(zhì)。動(dòng)車(chē)組運(yùn)行中若出現(xiàn)萬(wàn)向軸軸承潤(rùn)滑故障,將會(huì)引起萬(wàn)向軸自身動(dòng)平衡超標(biāo)、傳動(dòng)系統(tǒng)異常振動(dòng),甚至危及行車(chē)安全。
針對(duì)此問(wèn)題,本文開(kāi)發(fā)研制了動(dòng)車(chē)組車(chē)載萬(wàn)向軸傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)監(jiān)控裝置。通過(guò)在齒輪箱體和電機(jī)上安裝振動(dòng)傳感器,以齒輪箱和電機(jī)測(cè)點(diǎn)的萬(wàn)向軸轉(zhuǎn)頻頻段的振動(dòng)信號(hào)為特征量,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)萬(wàn)向軸健康狀態(tài)。根據(jù)不同動(dòng)平衡量級(jí)萬(wàn)向軸在不同轉(zhuǎn)速下測(cè)點(diǎn)加速度響應(yīng)的仿真分析、臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證,以及不同線路運(yùn)行的動(dòng)車(chē)組萬(wàn)向軸現(xiàn)車(chē)振動(dòng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,制定并優(yōu)化車(chē)載報(bào)警閾值,同時(shí)根據(jù)故障分級(jí)提供車(chē)載預(yù)警、報(bào)警信息,對(duì)提高動(dòng)車(chē)組萬(wàn)向軸傳動(dòng)系統(tǒng)可靠性具有重要意義。
某動(dòng)車(chē)組傳動(dòng)系統(tǒng)(見(jiàn)圖1)由牽引電機(jī)、安全裝置、萬(wàn)向軸和帶軸裝齒輪箱的輪對(duì)組成。牽引電機(jī)采用體懸式結(jié)構(gòu),牽引電機(jī)和齒輪箱之間的扭矩通過(guò)萬(wàn)向軸進(jìn)行傳遞。
圖1 動(dòng)車(chē)組傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
由于動(dòng)車(chē)組運(yùn)行中萬(wàn)向軸為高速旋轉(zhuǎn)部件,且在其上固定振動(dòng)測(cè)點(diǎn)難度大,因此,采用齒輪箱-電機(jī)測(cè)點(diǎn),通過(guò)分析萬(wàn)向軸轉(zhuǎn)頻頻段下振動(dòng)信號(hào)的時(shí)頻特性,來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)萬(wàn)向軸的狀態(tài)。
動(dòng)車(chē)組萬(wàn)向軸振動(dòng)監(jiān)控裝置由特制的齒輪箱振動(dòng)溫度復(fù)合傳感器、電機(jī)振動(dòng)傳感器與采集診斷主機(jī)組成,分別監(jiān)控所有動(dòng)車(chē)萬(wàn)向軸的振動(dòng)及齒輪箱溫度。監(jiān)控裝置通過(guò)振動(dòng)溫度復(fù)合傳感器采集齒輪箱振動(dòng)及溫度信號(hào),同時(shí)通過(guò)電機(jī)側(cè)的振動(dòng)傳感器采集電機(jī)振動(dòng)信號(hào),并實(shí)時(shí)進(jìn)行診斷分析。若發(fā)現(xiàn)故障則通過(guò)MVB(多功能車(chē)輛總線)輸出的方式將報(bào)警信號(hào)傳送至車(chē)上的TCMS(列車(chē)監(jiān)控管理系統(tǒng)),車(chē)上的TCMS會(huì)將報(bào)警信號(hào)傳送到列控顯示系統(tǒng),司機(jī)及機(jī)械師均可及時(shí)獲得報(bào)警信息,并采取相應(yīng)的措施。萬(wàn)向軸振動(dòng)監(jiān)控裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 萬(wàn)向軸振動(dòng)監(jiān)控裝置結(jié)構(gòu)
萬(wàn)向軸振動(dòng)監(jiān)控裝置在車(chē)下轉(zhuǎn)向架及車(chē)上設(shè)備艙共有報(bào)警狀態(tài)線、電源線、振動(dòng)溫度傳感器線及速度信號(hào)線。該裝置(包括傳感器、采集器、布線等)獨(dú)立運(yùn)行,不會(huì)對(duì)車(chē)上現(xiàn)有設(shè)備造成干擾或損壞而影響其正常工作。萬(wàn)向軸振動(dòng)監(jiān)控裝置的主要功能如表1所示。報(bào)警閾值制定的技術(shù)路線如圖3所示。
圖3 報(bào)警閾值制定的技術(shù)路線
表1 萬(wàn)向軸振動(dòng)監(jiān)控裝置的主要功能
傳動(dòng)系統(tǒng)中萬(wàn)向軸既要傳遞牽引力矩,又要適應(yīng)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)關(guān)系,其工作環(huán)境較為惡劣。萬(wàn)向軸彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度很小,故車(chē)輛高速運(yùn)行過(guò)程中萬(wàn)向軸極易產(chǎn)生偏心,即動(dòng)不平衡超標(biāo)情況。
所謂動(dòng)不平衡是指旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的零部件圍繞旋轉(zhuǎn)軸的質(zhì)量不均勻分布。
根據(jù)理論力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)建立萬(wàn)向軸動(dòng)不平衡狀態(tài)理論模型,得出以下方程:
(1)
式中:
U——?jiǎng)硬黄胶饬浚?/p>
m——不平衡塊質(zhì)量;
r——不平衡塊到幾何中心的距離;
a——振動(dòng)加速度;
ω——轉(zhuǎn)速;
F——不平衡塊產(chǎn)生的離心力;
M——萬(wàn)向軸質(zhì)量。
由式(1)得到:
(2)
由式(2)可以看出,在ω恒定不變的條件下,a與U為線性函數(shù)關(guān)系;在U恒定不變的條件下,a與ω為二次函數(shù)關(guān)系。
建立萬(wàn)向軸傳動(dòng)系統(tǒng)仿真分析模型(見(jiàn)圖4)。運(yùn)用有限元方法,模擬計(jì)算傳動(dòng)系統(tǒng)安裝多種不同動(dòng)不平衡等級(jí)萬(wàn)向軸時(shí)的加速度傳感器安裝測(cè)點(diǎn)的加速度響應(yīng)情況,同時(shí)分析不同動(dòng)不平衡度對(duì)振動(dòng)傳遞關(guān)系的影響。
圖4 萬(wàn)向軸傳動(dòng)系統(tǒng)仿真分析模型
圖5為齒輪箱測(cè)點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)曲線。圖6為牽引電機(jī)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)曲線。由圖5~6可知,齒輪箱和牽引電機(jī)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度響應(yīng)值與萬(wàn)向軸動(dòng)不平衡量為線性關(guān)系。
圖5 齒輪箱測(cè)點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)曲線
圖6 牽引電機(jī)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)曲線
圖7為齒輪箱測(cè)點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)與速度關(guān)系圖。圖8為牽引電機(jī)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)與速度關(guān)系圖。由圖7~8可知,動(dòng)不平衡量與速度總體上成二次函數(shù)關(guān)系,該分析結(jié)果與理論一致;動(dòng)不平衡量越大,頻域特征值變化率也越大。
圖7 齒輪箱測(cè)點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)與速度關(guān)系
圖8 牽引電機(jī)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)與速度關(guān)系
動(dòng)車(chē)組在高速運(yùn)行下,對(duì)采用標(biāo)準(zhǔn)新軸和標(biāo)準(zhǔn)舊軸的傳動(dòng)系統(tǒng),分別在240 km/h和 250 km/h兩種速度等級(jí)下進(jìn)行仿真計(jì)算。由計(jì)算得到的萬(wàn)向軸的振動(dòng)特征值可知,標(biāo)準(zhǔn)舊軸傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)特征值約是標(biāo)準(zhǔn)新軸的3倍。該倍數(shù)關(guān)系可為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的閾值設(shè)定提供理論依據(jù)。
在動(dòng)平衡狀態(tài)下,選擇 3 根不同的萬(wàn)向軸進(jìn)行臺(tái)架對(duì)比試驗(yàn),分析萬(wàn)向軸動(dòng)不平衡指標(biāo)在齒輪箱固定端的振動(dòng)響應(yīng)情況,如圖9所示。
圖9 試驗(yàn)臺(tái)布置
臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果顯示,振動(dòng)特征量能夠準(zhǔn)確反映萬(wàn)向軸的動(dòng)不平衡狀態(tài);對(duì)于低速旋轉(zhuǎn)的萬(wàn)向軸,動(dòng)不平衡量對(duì)振動(dòng)影響不顯著,但隨著轉(zhuǎn)速的提高,動(dòng)不平衡量對(duì)振動(dòng)影響十分顯著。萬(wàn)向軸振動(dòng)加速度有效值如表2所示。萬(wàn)向軸振動(dòng)加速度有效值與車(chē)速間的關(guān)系如圖10所示。
表2 試驗(yàn)檢測(cè)的萬(wàn)向軸振動(dòng)加速度有效值
圖10 萬(wàn)向軸振動(dòng)加速度有效值與車(chē)速間的關(guān)系
對(duì)152列動(dòng)車(chē)組萬(wàn)向軸傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)特征數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。其中,1 520根萬(wàn)向軸樣本分為正常萬(wàn)向軸和故障萬(wàn)向軸兩類(lèi)。其中,正常萬(wàn)向軸為1 512根,故障萬(wàn)向軸為8根。正常萬(wàn)向軸的振動(dòng)特征值經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析可作為其振動(dòng)特征值的上限值,故障萬(wàn)向軸的數(shù)據(jù)用于優(yōu)化后的結(jié)果驗(yàn)證。
圖11~12為正常萬(wàn)向軸齒輪箱側(cè)和牽引電機(jī)側(cè)振動(dòng)頻域特征值分布圖。表3為正常萬(wàn)向軸振動(dòng)頻域特征值的置信區(qū)間。
表3 正常萬(wàn)向軸振動(dòng)頻域特征值置信區(qū)間
圖11 正常萬(wàn)向軸齒輪箱側(cè)振動(dòng)頻域特征值分布圖
圖12 正常萬(wàn)向軸牽引電機(jī)側(cè)振動(dòng)頻域特征值分布圖
經(jīng)正態(tài)分布假設(shè)性檢驗(yàn),正常萬(wàn)向軸的振動(dòng)加速度有效值服從正態(tài)分布。選擇其統(tǒng)計(jì)特征值(算術(shù)平均值與標(biāo)準(zhǔn)差)作為制定閾值的依據(jù),即正常萬(wàn)向軸振動(dòng)加速度有效值的置信區(qū)間上限為:
Af=U1a+kU2σ
(3)
式中:
Af——正常萬(wàn)向軸的振動(dòng)頻域特征值;
U1a——正常萬(wàn)向軸振動(dòng)特征值的算術(shù)平均值;
U2σ——正常萬(wàn)向軸振動(dòng)特征值的標(biāo)準(zhǔn)差;
k——置信系數(shù),對(duì)于正態(tài)分布,k取3。
根據(jù)模擬仿真結(jié)果,標(biāo)準(zhǔn)舊軸加速度響應(yīng)幅值約為標(biāo)準(zhǔn)新軸的3倍。根據(jù)1 512根正常萬(wàn)向軸的振動(dòng)頻域特征值A(chǔ)f,利用理論知識(shí)求得預(yù)警狀態(tài)萬(wàn)向軸的振動(dòng)加速度能量應(yīng)為故障萬(wàn)向軸的振動(dòng)加速度能量的一半,即故障萬(wàn)向軸振動(dòng)頻域預(yù)警閾值Efw與Af的關(guān)系為:
(4)
(5)
式中:
Etw——故障萬(wàn)向軸振動(dòng)時(shí)域預(yù)警閾值。
根據(jù)既有報(bào)警閾值Efa約為預(yù)警閾值的1.2倍,則有:
Efa=1.2Efw
(6)
為消除輪對(duì)轉(zhuǎn)頻及齒輪嚙合頻率對(duì)振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響,在計(jì)算萬(wàn)向軸振動(dòng)特征值前需對(duì)數(shù)據(jù)帶通濾波,濾除輪對(duì)轉(zhuǎn)頻及齒輪嚙合頻率。表4為萬(wàn)向軸濾波頻率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。由表4可知,在100~147 km/h速度范圍內(nèi)定義帶通濾波器的下截止頻率為20 Hz;在147~250 km/h速度范圍內(nèi)定義帶通濾波器的下截止頻率為30 Hz;在100~250 km/h速度范圍內(nèi)定義帶通濾波器的上截止頻率為600 Hz。
表4 萬(wàn)向軸濾波頻率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù) 單位:Hz
通過(guò)監(jiān)測(cè)電機(jī)及齒輪箱的振動(dòng)加速度對(duì)萬(wàn)向軸動(dòng)不平衡故障進(jìn)行判別,通過(guò)齒輪箱、電機(jī)的時(shí)域與頻域振動(dòng)特征值實(shí)現(xiàn)故障診斷。監(jiān)控裝置的邏輯優(yōu)化結(jié)構(gòu)框圖如圖13所示。
圖13 監(jiān)控裝置報(bào)警邏輯結(jié)構(gòu)框圖
為驗(yàn)證報(bào)警閾值的準(zhǔn)確性,對(duì)裝用動(dòng)平衡超標(biāo)萬(wàn)向軸的動(dòng)車(chē)組及部分裝用正常萬(wàn)向軸的動(dòng)車(chē)組進(jìn)行了驗(yàn)證。圖14為故障萬(wàn)向軸及正常萬(wàn)向軸的振動(dòng)統(tǒng)計(jì)。驗(yàn)證結(jié)果表明,振動(dòng)報(bào)警閾值可對(duì)萬(wàn)向軸的狀態(tài)進(jìn)行正確診斷。
圖14 故障方向軸及正常萬(wàn)向軸的振動(dòng)統(tǒng)計(jì)
本文對(duì)不同動(dòng)平衡量級(jí)萬(wàn)向軸在不同轉(zhuǎn)速下測(cè)點(diǎn)的加速度響應(yīng)進(jìn)行了仿真分析以及臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證,并開(kāi)展了不同線路運(yùn)行的動(dòng)車(chē)組萬(wàn)向軸現(xiàn)車(chē)振動(dòng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,制定并優(yōu)化了車(chē)載報(bào)警閾值,根據(jù)故障分級(jí)提供了車(chē)載預(yù)警和報(bào)警信息,對(duì)提高動(dòng)車(chē)組萬(wàn)向軸傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性具有重要意義。