共振解調(diào)技術(shù)在HXD3C機(jī)車驅(qū)動裝置故障鑒定中的應(yīng)用

林存增　王心明　呂長寧　張順

摘要：為滿足我國鐵路現(xiàn)代化向著高速重載的發(fā)展要求，對機(jī)車可靠性的要求也應(yīng)不斷提高。運(yùn)用共振解調(diào)技術(shù)對機(jī)車驅(qū)動裝置運(yùn)用狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，是目前最行之有效的方法。文章通過統(tǒng)計分析HXD3C型電力機(jī)車JK11430車載監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過利用沖擊值SV進(jìn)行定量分析、共振解調(diào)譜和故障特征頻譜進(jìn)行定性分析，來判斷HXD3C型電力機(jī)車驅(qū)動裝置運(yùn)用狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：HXD3C機(jī)車；驅(qū)動裝置；共振解調(diào)技術(shù)；JK11430；故障鑒定 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TH17 文章編號：1009-2374（2016）30-0047-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.30.023

1 概述

為滿足列車提速對機(jī)車走行部質(zhì)量更高的要求，中車大連機(jī)車車輛有限公司對在段運(yùn)用車載監(jiān)測裝置報警的HXD3C驅(qū)動裝置返廠拆檢，通過對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行理論分析和現(xiàn)場實際拆檢情況相結(jié)合的方法，歸納出了在不解體狀態(tài)下判定驅(qū)動裝置故障原因的方法。

2 廣義共振和共振解調(diào)原理

2.1 廣義共振

經(jīng)典物理學(xué)所述的“共振”是指“作用力的頻率f1與物體的固有頻率f0相同”時發(fā)生的持久而強(qiáng)大的震動過程。在共振現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，提出了“廣義共振”理論，將經(jīng)典共振擴(kuò)充到它所不包括的共振建立和結(jié)束的過渡過程，奠定了廣義共振故障診斷技術(shù)的理論基礎(chǔ)，見圖1：

2.2 共振解調(diào)技術(shù)

機(jī)器上存在大量的低頻振動，它們將掩蓋故障所引起的沖擊。共振解調(diào)技術(shù)是在傳感器中設(shè)置一個比低頻震動頻率高得多的機(jī)械諧振器，它選擇敏感故障引發(fā)的沖擊，產(chǎn)生高頻（超聲波）的廣義共振，但是該超聲波很難分離、檢測。將所采集到的信號送進(jìn)一個能夠自動選擇并提取廣義共振的電子諧振器中，再經(jīng)過一個電子解調(diào)器，提出高頻成分后提取其輪廓，得到了廣義共振信號的解調(diào)波，見圖2。

圖2中序號5的振動+沖擊波中的每一次沖擊（小脈沖）都對應(yīng)激發(fā)一次共振解調(diào)，獲得一個“共振解調(diào)波”，這便是對應(yīng)性——共振解調(diào)波與軸承等故障沖擊一一對應(yīng)，不遺漏任何一次故障沖擊。

向著大鐘輕輕投出硬幣能激起小的聲響，重重投出硬幣能激起大的聲響，這就是比例性——廣義共振的幅度與原始的故障沖擊幅度成比例。

硬幣落到大鐘上，立刻彈跳離去，說明沖擊的時間很短，我們看不到?jīng)_擊的發(fā)生和解除過程；而激發(fā)的廣義共振響聲卻延續(xù)了很長時間，使我們能清楚地聽到。這就是共振解調(diào)的展寬性——廣義共振的持續(xù)時間寬度遠(yuǎn)大于沖擊脈沖的寬度，我們能很容易發(fā)現(xiàn)它。

硬幣對于大鐘的小撞擊也能激發(fā)大鐘發(fā)出很大的響聲，這就是共振解調(diào)的放大性——微小的故障沖擊就能夠激發(fā)很大的共振解調(diào)波。

共振解調(diào)波的重復(fù)率和它的高階諧波都是低頻信號，即共振解調(diào)將沖擊的高頻能量調(diào)理為低頻信號的方式出現(xiàn)，方便于采集和FFT分析，這就是低頻性。

共振解調(diào)波的頻譜是多階的梳狀譜線，這就是共振解調(diào)譜獨(dú)有的多階性。

2.3 故障定量和定性分析方法

通過研究機(jī)械的結(jié)構(gòu)幾何學(xué)、運(yùn)動規(guī)律，建立診斷軸承、齒輪、踏面等故障的一系列模型，從定量（幅值大?。┖投ㄐ裕ü收喜课唬﹥蓚€角度可以對故障進(jìn)行確定性的診斷。

2.3.1 定量分析。內(nèi)外環(huán)相對運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速N（r/min）、軸承軸經(jīng)D（mm）對于沖擊值SV的影響，可通過下式進(jìn)行修正：

Adb=20*log

2.3.2 定性分析。若軸承中徑為Do（mm），滾動體的直徑為d（mm），內(nèi)外環(huán)的相對轉(zhuǎn)速頻率為fn（Hz），滾動體的數(shù)量為Z，軸承滾動體的接觸角是A，則按著唐德堯在1984年提出的“多個同類故障的歸類診斷準(zhǔn)則”進(jìn)行簡化，軸承各零件故障的特征頻率如表1所示：

3 共振解調(diào)技術(shù)在故障鑒定中的應(yīng)用

3.1 齒輪故障診斷

主動齒輪故障案例中，沖擊時域圖中每一個小齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)周期內(nèi)存在一簇尖銳的沖擊脈沖，圖3中49.2號譜線突出，高階譜線明顯，通過計算故障特征頻譜可知本小齒輪的故障譜號為49.25，而頻譜圖中的49.2號譜線與小齒輪理論故障譜線幾乎吻合，故而可以確定該沖擊信號為齒輪嚙合故障，按照故障定量公式計算后可以確定該齒輪的沖擊強(qiáng)度為53dB已超標(biāo)，拆解后發(fā)現(xiàn)主動齒輪有一出貫穿性裂紋與理論分析相吻合。

3.2 軸承故障診斷

3.2.1 軸承內(nèi)環(huán)剝離。軸承內(nèi)環(huán)剝離案例中，圖4中381號譜線突出，其高階譜線明顯，通過計算故障特征頻譜可知內(nèi)環(huán)故障理論譜為380.69，而頻譜圖中的381號譜線與380.69號譜線幾乎吻合，進(jìn)而可以斷定該沖擊信號為軸承內(nèi)環(huán)故障，經(jīng)按照故障定量公式計算后可以確定該內(nèi)環(huán)的沖擊強(qiáng)度為53dB已超標(biāo)，拆解后在軸承內(nèi)環(huán)表面發(fā)現(xiàn)一處剝離與理論分析相吻合。

3.2.2 軸承外環(huán)剝離。軸承外環(huán)剝離案例中，沖擊時域圖中每一個等滾子間隔內(nèi)一簇尖銳的沖擊脈沖，圖5中77.8號譜線突出，其高階譜線明顯，通過計算故障特征頻譜可知外環(huán)故障理論譜為79.12，而頻譜圖中的77.8號譜線與79.12號譜線幾乎吻合，進(jìn)而可以判斷該沖擊信號為軸承外環(huán)故障信息，經(jīng)按照故障定量公式計算后可以確定該外環(huán)的沖擊強(qiáng)度為58dB已超標(biāo)，拆解后在軸承外環(huán)表面發(fā)現(xiàn)一處剝離與理論分析相吻合。

3.2.3 軸承保持架裂紋。軸承保持架裂紋案例中，沖擊時域圖中每個保持架與外環(huán)相對的運(yùn)轉(zhuǎn)周期內(nèi)存在一簇沖擊脈沖，圖6中19.8號譜線突出，其高階譜線明顯。通過計算故障特征頻譜可知保持架刮碰外環(huán)故障理論譜為19.97，而頻譜圖中的19.8號譜線與19.97號譜線幾乎吻合，由此判斷該沖擊信號為保持架刮碰外環(huán)的故障信息，經(jīng)按照故障定量公式計算后可以確定該保持架的沖擊強(qiáng)度為53dB已超標(biāo)，拆解后在保持架兜口處發(fā)現(xiàn)一出裂紋，且保持架有明顯的磨碰痕跡。

4 結(jié)語

部件早期故障沖擊幅度非常輕微，引起的沖擊脈沖強(qiáng)度非常小，所以其振動響應(yīng)信號的故障特征很不明顯，運(yùn)用一般的振動分析方法很難辨別出來，采用共振解調(diào)技術(shù)由于放大和分離了故障特征信號。通過進(jìn)行定性和定量分析，既可確定故障性質(zhì)，又可以確定故障程度，在保證機(jī)車可靠運(yùn)用的同時，降低了不必要的返修成本，具有實時監(jiān)控、準(zhǔn)確性高的優(yōu)點(diǎn)。該方法不僅適用于機(jī)車驅(qū)動裝置的故障診斷，也可推廣到其他旋轉(zhuǎn)設(shè)備故障鑒定應(yīng)用中。

參考文獻(xiàn)

[1] 唐德堯.廣義共振、共振解調(diào)故障診斷與安全工程[M].北京：中國鐵道出版社，2006.