基于故障樹(shù)診斷方法的機(jī)車(chē)齒輪傳動(dòng)裝置故障研究

丁鑫梁 王磊

摘要：轉(zhuǎn)向架是軌道交通機(jī)車(chē)車(chē)輛的走行部，其性能的好壞影響著機(jī)車(chē)車(chē)輛運(yùn)行的安全性，而機(jī)車(chē)用齒輪傳動(dòng)裝置是轉(zhuǎn)向架核心傳動(dòng)部件，一旦發(fā)生故障，輕者會(huì)造成列車(chē)機(jī)破，重者會(huì)造成機(jī)車(chē)車(chē)輛脫軌、追尾和切軸等惡性事故。本論述闡述了機(jī)車(chē)齒輪傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)組成和工作原理;分析了齒輪傳動(dòng)裝置對(duì)機(jī)車(chē)行車(chē)安全的影響;詳細(xì)介紹了故障樹(shù)診斷方法在軌道交通機(jī)車(chē)車(chē)輛上的應(yīng)用;梳理了機(jī)車(chē)齒輪傳動(dòng)裝置的典型故障類(lèi)別、產(chǎn)生原因、檢查方法和應(yīng)對(duì)措施;并利用故障樹(shù)方法搭建了鐵道機(jī)車(chē)齒輪傳動(dòng)裝置故障診斷模型。

關(guān)鍵詞：齒輪傳動(dòng)裝置;故障樹(shù);故障診斷方法

中圖分類(lèi)號(hào)：THl32.41;TH165.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

轉(zhuǎn)向架是機(jī)車(chē)機(jī)械裝置中最重要的部件，運(yùn)用過(guò)程中要承擔(dān)著機(jī)車(chē)車(chē)輛上部的車(chē)體、電氣和機(jī)械設(shè)備的重量，傳遞機(jī)車(chē)車(chē)輛的牽引力和制動(dòng)力，引導(dǎo)著機(jī)車(chē)車(chē)輛在平直和曲線的軌道上運(yùn)行，并緩沖來(lái)自機(jī)車(chē)車(chē)輛、軌道、線路不平順等因素對(duì)機(jī)車(chē)車(chē)輛的振動(dòng)和沖擊，確保機(jī)車(chē)車(chē)輛的安全和平穩(wěn)運(yùn)行。齒輪傳動(dòng)裝置是機(jī)車(chē)轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵裝置，其性能好壞決定了機(jī)車(chē)車(chē)輛運(yùn)行的安全性，隨著機(jī)車(chē)車(chē)輛的速度逐漸提高，齒輪傳動(dòng)裝置故障可能造成的損失和危害也逐漸增大，輕則造成機(jī)破、臨時(shí)停車(chē)，嚴(yán)重的會(huì)造成機(jī)車(chē)車(chē)輛脫軌、追尾等嚴(yán)重事故。

齒輪傳動(dòng)裝置故障診斷理論與技術(shù)是涵蓋系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、診斷和預(yù)測(cè)系統(tǒng)工作狀態(tài)和故障的綜合學(xué)科，包括感知和獲取信號(hào)、故障機(jī)理和關(guān)聯(lián)表征、信號(hào)處理與特征提取、智能診斷與做出決策。目前，國(guó)內(nèi)外科研工作者對(duì)齒輪傳動(dòng)裝置故障診斷方法研究，主要集中在專(zhuān)家系統(tǒng)、故障樹(shù)及PCA等方法的研究。本論述分析研究了故障樹(shù)診斷方法，做了機(jī)車(chē)齒輪傳動(dòng)裝置定性分析，并搭建了對(duì)應(yīng)的事故樹(shù)。

1齒輪傳動(dòng)裝置故障研究

齒輪傳動(dòng)裝置是機(jī)車(chē)轉(zhuǎn)向架傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵系統(tǒng)，其主要作用是將牽引電機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)能傳遞給輪對(duì)，保證高速機(jī)車(chē)的安全運(yùn)行。齒輪傳動(dòng)裝置主要由齒輪箱，主、從動(dòng)齒輪，軸承等組成，如圖1所示。齒輪箱是齒輪傳動(dòng)裝置中扭矩傳遞的關(guān)鍵零件，它起到連接機(jī)車(chē)和傳遞動(dòng)力的作用。齒輪傳動(dòng)裝置中的主、從動(dòng)齒輪是傳遞動(dòng)力主要零件，它們依靠齒輪間的嚙合來(lái)傳遞動(dòng)力。

齒輪傳動(dòng)裝置是影響機(jī)車(chē)運(yùn)行質(zhì)量的關(guān)鍵零部件，若在運(yùn)行過(guò)程中一旦出現(xiàn)裝置故障，機(jī)車(chē)將會(huì)產(chǎn)生不平穩(wěn)振動(dòng)，不平穩(wěn)振動(dòng)將通過(guò)機(jī)車(chē)轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架裝置直接傳遞到車(chē)體上，這些異常振動(dòng)不僅影響車(chē)廂內(nèi)旅客乘坐的舒適性，而且容易造成機(jī)車(chē)上零部件松動(dòng)或過(guò)早疲勞損壞，威脅機(jī)車(chē)的安全運(yùn)行。此外齒輪傳動(dòng)裝置容易出現(xiàn)齒輪箱箱體破損與漏油，齒輪出現(xiàn)異常磨耗和軸承失效的故障，輕微的可能會(huì)污染轉(zhuǎn)向架和降低機(jī)車(chē)的運(yùn)行質(zhì)量，嚴(yán)重的可能造成列車(chē)切軸的事故發(fā)生。

齒輪傳動(dòng)裝置在使用過(guò)程中，一旦發(fā)出異常的響聲和振動(dòng)，很有可能表明齒輪傳動(dòng)裝置發(fā)生了故障。無(wú)論出現(xiàn)何種故障時(shí)，都必須及時(shí)排查，以確保機(jī)車(chē)齒輪傳動(dòng)裝置能夠正常工作。表1中列出了機(jī)車(chē)齒輪傳動(dòng)裝置的典型故障及解決措施。

2齒輪傳動(dòng)裝置故障樹(shù)診斷方法研究

故障樹(shù)分析方法（簡(jiǎn)稱(chēng)FTA）也是一種基于定性模型的故障診斷方法，它使用圖像分析邏輯的方法來(lái)預(yù)測(cè)系統(tǒng)故障的故障原因。它是以估算頂事件（系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)或者將要出現(xiàn)的故障）的發(fā)生概率和底事件重要度為目標(biāo)時(shí)間，通過(guò)自頂而下層層分析并逐級(jí)找出目標(biāo)事件發(fā)生的原因，使用特定的符號(hào)表示，并在故障事件和各級(jí)故障原因之間建立邏輯關(guān)系，是系統(tǒng)可靠性分析、故障檢測(cè)與診斷常用的一種分析方法。

故障樹(shù)方法既可用定性模型也可以用定量模型，因果關(guān)系較為清晰，對(duì)導(dǎo)致事故的各種原因及邏輯關(guān)系能做出全面、簡(jiǎn)潔、形象的描述，對(duì)故障源的搜尋直觀簡(jiǎn)單。但在實(shí)際診斷上并非都可以建立正確的故障樹(shù)結(jié)構(gòu)，一旦故障樹(shù)建立不全面或不正確都能將無(wú)法進(jìn)行故障診斷。

故障樹(shù)分析法（FTA）己被國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用于鐵路、汽車(chē)、核電、航空、軍工、風(fēng)電等行業(yè)。在鐵路行業(yè)主要用于機(jī)車(chē)電器系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、高壓系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)等。

齒輪傳動(dòng)裝置的故障診斷方法研究主要集中在狀態(tài)監(jiān)測(cè)儀器和分析系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、提取典型故障特征，診斷方法研究、振動(dòng)信號(hào)處理與分析、故障機(jī)理研究以及人工智能AI技術(shù)應(yīng)用等多方面，但由于齒輪傳動(dòng)裝置安裝隱蔽、拆卸困難、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障多且復(fù)雜，無(wú)疑增加了齒輪傳動(dòng)裝置的故障診斷。目前通過(guò)振動(dòng)噪聲診斷方法對(duì)齒輪傳動(dòng)裝置中齒輪和軸承工作中產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲信號(hào)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)工作狀態(tài)下的故障診斷。在狀態(tài)監(jiān)視和故障診斷的信號(hào)處理和分析方法上也有大量的研究，如應(yīng)用于鐵路機(jī)車(chē)轉(zhuǎn)向架的共振調(diào)解故障診斷技術(shù)。目前基于故障樹(shù)法被認(rèn)為是一種簡(jiǎn)單且有效的齒輪傳動(dòng)裝置故障診斷方法。

以齒輪傳動(dòng)裝置中核心的齒輪箱部件為例，采用故障樹(shù)法進(jìn)行故障診斷分析。故障樹(shù)分析診斷法建立步驟如下：

（1）收集事故案例，進(jìn)行事故統(tǒng)計(jì)，假想給定系統(tǒng)可能發(fā)生的事故。

（2）選擇合理的頂事件（一般以待測(cè)對(duì)象故障為頂事件）。

（3）搭建正確合理的故障樹(shù)。

（4）根據(jù)建立的故障樹(shù)，對(duì)故障進(jìn)行搜尋和診斷。

根據(jù)齒輪傳動(dòng)裝置的主要失效模式，以和諧系列電力機(jī)車(chē)“齒輪傳動(dòng)裝置”作為頂事件創(chuàng)建齒輪傳動(dòng)裝置故障樹(shù)事件表，見(jiàn)表2所列，并根據(jù)故障樹(shù)事件表搭建了故障樹(shù)總圖，如圖2所示。

3結(jié)語(yǔ)和展望

機(jī)車(chē)齒輪傳動(dòng)裝置是機(jī)車(chē)轉(zhuǎn)向架的核心部件，其性能可靠性對(duì)于行車(chē)安全的重要性不言而喻，采用故障樹(shù)診斷方法可有效地節(jié)省故障診斷時(shí)間，快速地形成解決方案，并在實(shí)際工作中可幫助檢修人員快速準(zhǔn)確地查找出故障原因并及時(shí)處理，確保行車(chē)安全。

目前，機(jī)車(chē)齒輪傳動(dòng)裝置的故障診斷方法雖在軌道交通現(xiàn)場(chǎng)得到了一定應(yīng)用，但仍面臨諸如：實(shí)際應(yīng)用不足，方法單一復(fù)雜等不足，需要我們?cè)趯?shí)際運(yùn)用中不斷改進(jìn)現(xiàn)有故障診斷方法，并開(kāi)展多信息融合、多算法結(jié)合的智能診斷技術(shù)等，以進(jìn)一步提高機(jī)車(chē)轉(zhuǎn)向架齒輪傳動(dòng)裝置故障診斷的智能化、準(zhǔn)確性和快速性。