動(dòng)車組萬(wàn)向軸振動(dòng)監(jiān)控裝置報(bào)警閾值分析

諶 亮 尹振坤 王顯亮 張英春 陳 丞 唐凱強(qiáng)

(中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司國(guó)家軌道客車工程研究中心，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)車組運(yùn)行安全和運(yùn)行品質(zhì)。動(dòng)車組運(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)，甚至危及行車安全。

針對(duì)此問(wèn)題，本文開(kāi)發(fā)研制了動(dòng)車組車載萬(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)車組萬(wàn)向軸現(xiàn)車振動(dòng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，制定并優(yōu)化車載報(bào)警閾值，同時(shí)根據(jù)故障分級(jí)提供車載預(yù)警、報(bào)警信息，對(duì)提高動(dòng)車組萬(wàn)向軸傳動(dòng)系統(tǒng)可靠性具有重要意義。

1 動(dòng)車組萬(wàn)向軸振動(dòng)監(jiān)控裝置結(jié)構(gòu)

某動(dòng)車組傳動(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)車組傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由于動(dòng)車組運(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(多功能車輛總線)輸出的方式將報(bào)警信號(hào)傳送至車上的TCMS(列車監(jiān)控管理系統(tǒng))，車上的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)控裝置在車下轉(zhuǎn)向架及車上設(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

2 動(dòng)車組動(dòng)平衡與振動(dòng)響應(yīng)關(guān)聯(lián)性研究

2.1 理論力學(xué)基礎(chǔ)

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。

2.2 仿真分析

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)。

2.3 臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證

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)加速度有效值與車速間的關(guān)系

3 監(jiān)控裝置報(bào)警閾值及邏輯制定

3.1 振動(dòng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)樣本

對(duì)152列動(dòng)車組萬(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。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

3.2 報(bào)警閾值制定原則

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)

3.3 濾波頻率

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

3.4 報(bào)警邏輯

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

3.5 閾值合理性驗(yàn)證

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)車組及部分裝用正常萬(wàn)向軸的動(dòng)車組進(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)

4 結(jié)語(yǔ)

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)車組萬(wàn)向軸現(xiàn)車振動(dòng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，制定并優(yōu)化了車載報(bào)警閾值，根據(jù)故障分級(jí)提供了車載預(yù)警和報(bào)警信息，對(duì)提高動(dòng)車組萬(wàn)向軸傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性具有重要意義。