動車組齒輪箱運用狀態(tài)檢測技術探討

馬聘天

摘 ?要：本文詳細敘述了動車組齒輪箱運用狀態(tài)檢測監(jiān)測裝置的基本構造，并結合試驗過程對相關分析方法的實用性和準確性進行驗證，結合試驗中采用的齒輪箱振動數(shù)據(jù)分析算法和診斷流程，對動車組運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)進行采集，以初步總結出動車組齒輪箱運用狀態(tài)的評判建議，結合試驗的檢測監(jiān)測結果，作為日后對動車組齒輪箱檢修工作的參考。

關鍵詞：動車組;齒輪箱;運用狀態(tài);檢測監(jiān)測裝置

引言：

在動車組運行過程中，齒輪箱是重要的組成部分，在牽引傳動系統(tǒng)中占據(jù)重要地位。結合相關參考資料以及近些年動車組齒輪箱的故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，對于齒輪箱故障確認存在不足，幾乎都是在故障完全爆發(fā)產(chǎn)生較大事故后才能準確的確認故障。結合相關內(nèi)容發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段各種型號的動車組齒輪箱幾乎都沒有設置振動監(jiān)控系統(tǒng)，對于齒輪箱運行狀態(tài)的檢測方式僅靠定期抽樣送檢結果進行判斷，由于此方式送檢周期間隔較長，檢測花費時間也較長，同時油液溫度監(jiān)控存在滯后性，很難提前發(fā)現(xiàn)潛在隱患或者及時對早期故障準確確認，這對于齒輪箱的正常運行有嚴重的影響。本文通過對齒輪箱采用旋轉設備振動測試的方法，對動車組齒輪箱的運行狀態(tài)檢測監(jiān)測技術進行深入研究，并結合試驗數(shù)據(jù)，總結形成檢測監(jiān)測系統(tǒng)，進而對動車組齒輪箱檢修進行科學合理的指導。

1齒輪箱運用狀態(tài)檢測監(jiān)測裝置

動車組齒輪箱開展運用狀態(tài)檢測監(jiān)測技術研究時需要用到專業(yè)設備，通常會運用車載式電子設備檢測監(jiān)測裝置進行研究。其中信號采集處理單元內(nèi)部包含數(shù)據(jù)采集、基本處理和硬件驅(qū)動等程序，同時還可以借助相關需要設計嵌入相關數(shù)據(jù)分析程序[1]。在此主要應用溫度傳感器和信號采集處理單元收集處理數(shù)據(jù)。其中應用率6個溫度傳感器，將其分別安放在齒輪箱的不同位置，測試油溫和環(huán)境溫度。溫度傳感器按照測量方式不同可以分為兩種類別，分別是接觸式傳感器和非接觸式傳感器，按照傳感器的不同材質(zhì)和電子元件的性質(zhì)可分為熱電阻和熱電偶兩種類別。本此試驗主要采用的是接觸類的溫度傳感器。

信號采集處理單元主要由5個部分組成，通過這5個部分的協(xié)同合作對動車組齒輪箱運用狀態(tài)數(shù)據(jù)信息進行采集、處理分析等步驟，這5部分主要是壓電集成電路（IEPE）信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)模數(shù)（AD）轉換模塊、CompactRIO控制器、GPS定位測速模塊和WiFi/4G路由模塊[3]。其中信號采集處理單元的核心器件是CompactRIO控制器，此部分可以通過GPS定位測速模塊獲得動車的位置和行駛速度等信息，同時也具備信息采集處理功能，然后借助WiFi/4G路由模塊映射無線網(wǎng)絡檢測監(jiān)測終端，最后借助網(wǎng)絡連接信號采集處理單元[1]。實現(xiàn)采集任務從上到下、處理結果從下到上的傳輸。IEPE信號調(diào)理模塊的主要功能是提供電力支持，振動加速度傳感器便是由其提供電力的。數(shù)據(jù)AD轉換模塊的作用是通過IEPE信號調(diào)理模塊，使用低噪聲同軸電纜對傳感器進行連接，然后對齒輪箱的振動波形進行采集和預處理，將頻率設置在20 000 Hz進行采集，使其盡可能完全充分的捕捉信號中所有的時頻信息。信號采集處理單元的電源設計主要分為兩種模式，分別是內(nèi)部DC 12 V鋰電池組供電和外接動車組DC 110 V車載電源通過轉換模式進行供電。同時為了提升電源模式切換的速率以及延長電池的使用時間，在這兩種供電模式上安裝一套雙裝無線遙控開關[2]。

2齒輪箱檢測監(jiān)測技術驗證過程

為了更好的驗證齒輪箱的運行狀態(tài)監(jiān)測技術的效果，在此進行了以下幾個試驗，本次探究主要通過對溫度進行分析，從而探知齒輪箱的運行狀態(tài)，。為了使試驗數(shù)據(jù)更具有說服力，選擇了6個測溫點，其中四個測溫點分布在四個軸承的各自對應軸承座上，來反映不同軸承的溫度，在齒輪箱的放油螺堵處也設置了一個測溫點，此測溫點可以測試齒輪組在運行時內(nèi)部潤滑油的溫度，但需要注意次個測溫點在布置時需要將放油螺堵卸下用油溫傳感器進行替代，最后一個溫度傳感器放置在外部環(huán)境中，主要測試環(huán)境溫度，通過進行分析，最大限度排出環(huán)境溫度的影響。在進行試驗時詳細記錄數(shù)據(jù)[3]。

2.1常規(guī)跑合試驗

2.1.1主要過程

在常規(guī)跑合試驗過程中需要確認的是：有無漏油、溫升特性以及回轉時的聲響狀況等。常規(guī)跑合試驗后要確認潤滑油的清潔度，磁性螺堵上的吸附物以及齒面的狀況。通過常規(guī)跑合試驗的測試，對正常的裝配作業(yè)進行整體確認。在如下各部位通過溫度傳感器或手持測溫儀對其進行溫度測定，并記錄各軸承座部位、油溫和室溫[4]。

2.1.2試驗要領

本次試驗需要在驅(qū)動裝置處于空車狀態(tài)下進行驅(qū)動，此時油箱內(nèi)油量按照空車時油位在右面計上限，通過溫度傳感器測試結果可知，此時處于室溫狀態(tài)，另外此時處于空載負荷。

在進行試驗過程中，小齒輪轉速 N1：等同電機 1900r/min

小齒輪轉速 N2：等同車輛最高運行速度時電機轉速4162r/min（100km/h）

2.2低溫模擬回送試驗

本次試驗主要是試驗當齒輪箱的驅(qū)動裝置處于最惡劣的條件時的運行情況。本次試驗處于空車狀態(tài)下進行，此時油量處于空車時油面計中央。試驗時正轉、反轉各實施 1 次[5]。此時試驗的環(huán)境溫度為-25℃～+40℃，回送時的速度為最高時速 100km本次試驗需要測定以下幾方面內(nèi)容，第一是各軸承座部位溫度，第二是油溫，第三是室溫。

2.3高溫特性、漏油確認試驗

由于驅(qū)動裝置的迷宮密封采用旋轉密封結構。因此在齒輪箱內(nèi)的潤滑油通過齒輪的攪拌，隨著溫度的上升粘度會變低（變?。?，各迷宮部位處容易漏油。因此，進行本試驗目的有兩個：其一是確認其溫度特性;其二是確認迷宮部位及各部件的結合面有沒有漏油現(xiàn)象。本次試驗的驅(qū)動裝置處于滿載負重×1.3G狀態(tài)，此時油量為空車時油位在油面計上限。為了保證試驗效果的客觀性，正轉、反轉各進行一次[6]

T 存在兩種情形：一種是油溫在 90℃以內(nèi)就達到平衡，熱平衡狀態(tài)按照標準TB/T 3134《動車組用驅(qū)動齒輪箱》，是指齒輪箱油溫在20分鐘內(nèi)變化不超過3℃，T 表示油溫達到平衡的過程，另一種是油溫在 90℃以內(nèi)不能平衡，T 表示油溫到達 90℃的過程，N1之前的加速，不作特別要求，逐漸加速至 N1。本次試驗需要測試以下幾部分內(nèi)容的溫度，各軸承座部位、油溫和室溫。

2.4噪音試驗

確定噪聲測試方法，把驅(qū)動裝置的噪音指標定量化。其中噪音計位置在離驅(qū)動裝置 1.5m 遠的 A～C 3 個點，而噪音計的高度和小齒輪軸中心高度一致。根據(jù)機理的不同，可將齒輪組的噪聲分成加速度噪聲和自鳴噪聲兩種。在齒輪輪齒嚙合時，由于沖擊而使齒輪產(chǎn)生很大的加速度并會引起周圍介質(zhì)擾動，由這種擾動產(chǎn)生的聲輻射稱為齒輪的加速度噪聲，在齒輪動態(tài)嚙合力作用下，系統(tǒng)的各零部件會產(chǎn)生振動，這些振動所產(chǎn)生的聲輻射稱為自鳴噪聲。自鳴噪聲則由齒輪體的振動通過傳動軸引起支座振動，從而通過齒輪箱箱壁的振動而輻射出來。噪聲強度不僅與輪齒嚙合的動態(tài)激勵力有關，而且還與輪體、傳動軸.軸承及箱體等的結構形式、動態(tài)特性以及動態(tài)嚙合力在它們之間的傳遞特性有關[7]。

驅(qū)動裝置的狀態(tài)為空車狀態(tài)，空車時油位在油面計上限，回轉方向：正轉和反轉小齒輪轉數(shù)：車速每增加 20km/h 時進行一次測量，到最高速為止。每次噪聲持續(xù)測定時間：30s。

3試驗結果

3.1跑臺試驗結果

3.1.1試驗結果的評價方法

根據(jù)跑臺試驗的結果評價內(nèi)容進行分析，想要確保符合標準需要齒輪箱在試驗過程中表現(xiàn)以下幾方面內(nèi)容，其一便是常規(guī)跑合試驗中各迷宮密封部位及各零件結合處不存在漏油現(xiàn)象，且在運轉時沒有異常響動。另外整個試驗過程各測溫點溫差要求：T Tz t 80c。其中：Tz —試驗結束時各測溫點的溫度， t —初始環(huán)境溫度。常規(guī)跑合試驗后試驗停止后迷宮部位及各部件結合面不存在漏油現(xiàn)象，磁性螺堵上的沒有異常物吸附，潤滑油中沒有產(chǎn)生污垢。滿足了以上條件即可判定為合格。

3.1.2試驗結果

試驗過程中，被試樣品運轉正常，各密封處、結合處無滲漏油現(xiàn)象;各連接件、緊固件無松動;齒輪箱運行無異常聲音;油溫和軸承溫升符合要求。

3.2低溫模擬回送試驗

3.2.1低溫模擬回送試驗的評價方法

各軸承部位的溫度緩慢上升，不存在溫度急劇上升的現(xiàn)象。各部位溫升

3.2.2試驗結果

3.3高溫特性、漏油確認試驗

3.3.1本次試驗結果的評價方法

①迷宮部位及各部件結合面不存在漏油現(xiàn)象。

②溫度特性方面，不存在短時間內(nèi)溫度急劇上升的現(xiàn)象。滿足①，②項，即可判定為合格。

3.3.2試驗結果

試驗過程中，被試樣品運轉正常，各密封處、結合處無滲漏油現(xiàn)象;各連接件、緊固件無松動;齒輪箱運行無異常聲音;油溫和軸承溫升符合試驗大綱要求。

3.4噪音試驗

3.4.1試驗結果的評價方法

正常情況下噪音指標按 90 dB（A） 以下進行控制。

3.4.2試驗結果

測試點距離被試箱1.5m。最后檢測結果如下。

4檢測技術探究

本次測試試驗通過溫度的數(shù)據(jù)變化以及噪聲值對齒輪箱的運行狀態(tài)進行判定。通過試驗數(shù)據(jù)可知，跑臺試驗的正常溫度是各測溫點測得的溫升T不能超過80℃，最后試驗結果顯示各軸承溫升T均在80℃以下，表明符合要求;低溫模擬回送試驗時，各軸承測溫點的溫度不能超過60℃，結合最后結果來看，進行試驗時，各測溫點溫升T 均低于60℃;在進行高溫特性、漏油確認試驗時，各測溫點溫升T應低于80℃，試驗結果符合要求;而噪音試驗主要測試齒輪箱在工作時是否存在噪音，噪音指標應按 90 dB（A） 以下進行控制，試驗結果也滿足要求。綜合這幾個試驗來看，并非依靠溫度一個指標進行判定，在以溫度為主要因素時，齒輪箱是否漏油，是否存在異動、異響也是輔助最后判定結果的因素，噪音試驗主要是更加詳細全面的判定齒輪箱是否存在異常噪音，進而輔助前幾個試驗的判定結論[8]。

基于試驗數(shù)據(jù)，在此初步總結出幾點動車組齒輪箱運行狀態(tài)的評定建議，也就是當齒輪箱的軸承溫度高于一定數(shù)值時，便說明此時齒輪箱運行存在隱患，需要進行詳細檢查。但此種判定結果較為籠統(tǒng)，得出的結論可能存在誤差，在條件允許的情況下，還需要進行其它測試對試驗結果給予驗證。需要通過預制故障實車檢驗運行才能更準確的對數(shù)據(jù)進行分析。因此結合實際情況可知，運用軸承溫度來判定齒輪運行狀態(tài)需要繼續(xù)優(yōu)化相關技術，當前可作為在線監(jiān)測模式為動車組的穩(wěn)定運行提供參考，且監(jiān)測數(shù)據(jù)和結果可作為動車組運維部門對齒輪箱進行檢修的判定依據(jù)，以及處理故障時的參考。

5結語

根據(jù)相關結果數(shù)據(jù)可知，動車組齒輪箱運用狀態(tài)評估方法還需要進行相關優(yōu)化才能更好地發(fā)揮作用，此種方式可以作為齒輪箱的在線檢測監(jiān)測平臺，得出的相關結論可以作為動車組運行維護管理部門制定齒輪箱檢修計劃的參考，為盡最大限度處理齒輪箱故障提供依據(jù)，盡量減少由于意外情況而造成的積極損失。

參考文獻

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[2] 董婷， 馬善民， 林新海，等. 動車組齒輪箱在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設計[J]. 機車車輛工藝， 2019， 000（001）：4-6.

[3] 王遠霏， 孫海榮， 王東星. 基于Lasso回歸的高速動車組齒輪箱性能檢測方法[J]. 城市軌道交通研究， 2020， v.23（03）：134-137+142.

[4] 劉漫. 基于振動信號的風機發(fā)電機組齒輪箱狀態(tài)檢測和故障診斷技術的研究[D]. ?2019.

[5] 徐啟圣， 白琨， 徐厚昌，等. 風電齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 潤滑與密封， 2019（8）：138-147.

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