JD160牽引電機(jī)齒輪軸失效智能診斷研究

寧華冰

（中國(guó)鐵路南寧局集團(tuán)有限公司 科學(xué)技術(shù)研究所，工程師，廣西 南寧 530029）

引言

HXD1C型機(jī)車JD160牽引電機(jī)齒輪軸、軸套失效，易導(dǎo)致行車事故，嚴(yán)重威脅行車安全，干擾行車秩序。由于出現(xiàn)故障的窗口期約為7天，時(shí)間較短，過(guò)了窗口期故障特征波形消失；故障產(chǎn)生的特征振動(dòng)dB值偏低，低于觸發(fā)報(bào)警的最低閾值51dB，上述因素使故障精準(zhǔn)診斷變得異常困難。因此，急需研究高效使用的故障診斷技術(shù)方案，提高故障診斷準(zhǔn)確率。

1 原因分析

HXD1C型機(jī)車JD160牽引電機(jī)齒輪軸、軸套結(jié)構(gòu)（參考圖1）。對(duì)首例故障進(jìn)行金相組織分析，分析報(bào)告表明：故障主動(dòng)齒輪軸雙油槽結(jié)構(gòu)，齒輪軸出現(xiàn)裂紋的第一道油槽處于外部軸承配合承載區(qū)域，在運(yùn)用過(guò)程中承受較大應(yīng)力，由于油槽與徑向油孔相貫線位置未做好圓滑倒角處理，容易在表面缺陷處因應(yīng)力集中且在長(zhǎng)時(shí)間累積損傷作用下產(chǎn)生疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展。對(duì)小齒輪軸油槽與徑向油孔相貫線處進(jìn)行修磨處理過(guò)程中發(fā)現(xiàn)個(gè)別位置亦未能保證光滑過(guò)渡，存在較深的加工刀紋及溝槽，在服役載荷作用下，油孔倒角特別是表面加工刀紋溝槽較深區(qū)域因應(yīng)力集中效應(yīng)繼續(xù)誘發(fā)開(kāi)裂，并不斷疲勞擴(kuò)展導(dǎo)致斷裂，斷裂面（參考圖2），初期裂痕（參考圖3）。后續(xù)檢測(cè)的單油槽齒輪軸故障原因可參考雙油槽。

圖1 JD160牽引電機(jī)主動(dòng)齒輪軸結(jié)構(gòu)圖

圖2 JD160牽引電機(jī)主動(dòng)齒輪軸斷裂面

圖3 JD160牽引電機(jī)齒輪軸裂痕

2 智能診斷方案

2.1 制定智能化診斷方案

JD160牽引電機(jī)主動(dòng)齒輪軸首例故障前81天的完整6A系統(tǒng)AT1子系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析表明，故障產(chǎn)生圓錐運(yùn)動(dòng)周期信號(hào)，最明顯位置為斜對(duì)稱的2、4位。以D端電機(jī)軸承中心線為界，4位懸臂長(zhǎng)于2位，2位距離振動(dòng)源較4位近(參考圖4)。4位信號(hào)強(qiáng)度略強(qiáng)于2位，4位信號(hào)強(qiáng)度較2位高1～3dB。因此選擇2、4位作為該故障振動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)點(diǎn)。

圖4 JD160電機(jī)裝置結(jié)構(gòu)及2、4位傳感器位置

2.1.1 AT1數(shù)據(jù)分析地面分析軟件自動(dòng)機(jī)篩將JD160牽引電機(jī)齒輪軸故障診斷的AT1傳感器安裝在2、4位。JD160牽引電機(jī)齒輪軸故障分析定量標(biāo)準(zhǔn)為：2、4位齒輪軸圖譜異常值Y設(shè)定為45dB≤Y＜51dB，以地面分析軟件齒輪軸故障識(shí)別工具補(bǔ)丁方式植入AT1軟件，實(shí)現(xiàn)軟件自動(dòng)篩查功能，提高故障篩查效率。如圖5，AT1數(shù)據(jù)分析中，2、4位檢測(cè)值Y滿足45dB≤Y＜51dB；自動(dòng)機(jī)篩定性標(biāo)準(zhǔn)：頻域譜圖中存在齒輪、臨齒輪1、2、3階均對(duì)應(yīng)的圖譜樣本。滿足上述兩個(gè)條件，系統(tǒng)產(chǎn)生臨齒輪故障“關(guān)注”提示。

圖5 2位AT1數(shù)據(jù)分析真故障波形圖

2.1.2 接收臨齒輪故障“關(guān)注”提示后，人工確認(rèn)時(shí)域圖人工根據(jù)AT1地面分析主界面“關(guān)注”提示字樣，按以下標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行精密分析。確認(rèn)時(shí)域譜圖的“小齒輪周期線”波峰，即故障波形黑色豎線數(shù)量占小齒輪周期線（灰色豎線）數(shù)量的80%以上。以圖5為例，全域共有65條灰色豎線，實(shí)際檢測(cè)的故障波形黑色豎線共60條，占比92.3%。滿足這個(gè)條件可以判斷該測(cè)點(diǎn)故障特征明顯，需提報(bào)故障：

JD160牽引電機(jī)齒輪軸圖譜異常II類故障：2、4位同時(shí)出現(xiàn)齒輪嚙合振動(dòng)異常圖譜，定義為“齒輪軸圖譜異常II類故障”。

JD160牽引電機(jī)齒輪軸圖譜異常I類故障：2、4位單獨(dú)出現(xiàn)異常圖譜，上述故障定義為“齒輪軸圖譜異常I類故障”。

2.1.3 技術(shù)響應(yīng)措施JD160牽引電機(jī)齒輪軸圖譜異常處置優(yōu)先級(jí)：JD160齒輪軸圖譜異常II類故障＞JD160牽引電機(jī)齒輪軸圖譜異常I類故障。

II類故障技術(shù)響應(yīng)方案：更新?tīng)恳姍C(jī)。

I類故障技術(shù)響應(yīng)方案：落故障位齒輪箱下箱，外觀檢查主動(dòng)齒輪齒面、齒輪軸可視部分；對(duì)齒輪軸、軸套進(jìn)行超聲波無(wú)損檢測(cè)。

2.1.4 齒輪軸、軸套超聲波無(wú)損檢測(cè)包括探傷器材，探傷儀校驗(yàn)，探傷過(guò)程。

探傷器材。采用數(shù)字式超聲波探傷儀。4P20 3.5°縱波小角度探頭。探傷試塊。TZS-R、CSK-1。標(biāo)準(zhǔn)試塊。牽引電機(jī)齒輪軸實(shí)物對(duì)比、牽引電機(jī)齒輪軸套實(shí)物對(duì)比試塊。

探傷儀校驗(yàn)。測(cè)距標(biāo)定:將探頭置于CSK-1A試塊上,校準(zhǔn)探頭對(duì)應(yīng)通道的聲速、零值、K值，設(shè)置探測(cè)范圍為400mm。初始靈敏度調(diào)節(jié):將探頭置于電機(jī)齒輪軸實(shí)物試塊探測(cè)面上（端面），外圓面范圍移動(dòng)探頭，找出轉(zhuǎn)軸實(shí)物試塊上254.5 mm處2mm深度的人工切槽的最高反射波，并調(diào)至顯示屏滿幅度的80%，作為探傷初始靈敏度。

探傷過(guò)程。探測(cè)面為齒輪軸、軸套的端面，由此入射的超聲波能達(dá)到的內(nèi)部區(qū)域?yàn)槌暡ㄌ絺麉^(qū)域（參考圖6）。探頭重點(diǎn)掃查距齒輪軸端面245mm～260mm部位處，耦合劑涂抹均勻，保證耦合良好。探頭置于探測(cè)面靠近內(nèi)圓面范圍，聲束指向壓裝部，以鋸齒形方式全面掃查，在先確定油槽后沿波的基礎(chǔ)上，觀察是否存在異常波，應(yīng)盡量掃查到工件的整個(gè)被檢區(qū)域，掃查速度≤50mm∕s。掃查時(shí)觀察波形，閘門(mén)內(nèi)波形為故障反射波（參考圖7）。缺陷定量：以人工切槽深度±2mm缺陷波高與基準(zhǔn)缺陷反射波的差值dB數(shù)來(lái)表示。缺陷處理。缺陷超標(biāo)的電機(jī)齒輪軸，更新處理。

圖6 4P20 3.5°探頭在齒輪軸試塊探傷檢測(cè)

圖7 4P20 3.5°探頭檢測(cè)齒輪軸試塊缺陷反射波形

以HXD1C型600機(jī)車第2軸JD160牽引電機(jī)2、4位為例，同時(shí)滿足機(jī)篩頻域譜對(duì)應(yīng)關(guān)系和人工確認(rèn)時(shí)域譜對(duì)應(yīng)關(guān)系的有效AT1數(shù)據(jù)參考圖5、圖8：AT1軟件自動(dòng)機(jī)篩2、4位出現(xiàn)疑似故障，人工篩查判斷為真故障。以HXD1C型6012機(jī)車第3軸JD160牽引電機(jī)4位為例，僅滿足機(jī)篩頻域譜對(duì)應(yīng)關(guān)系，人工確認(rèn)時(shí)域譜不滿足對(duì)應(yīng)關(guān)系的無(wú)效AT1數(shù)據(jù)見(jiàn)（參考圖9）：3軸4位AT1軟件自動(dòng)機(jī)篩出現(xiàn)疑似故障，人工篩查判斷為偽故障。

圖8 4位AT1數(shù)據(jù)分析真故障波形圖

圖9 4位AT1數(shù)據(jù)分析偽故障波形圖

這個(gè)技術(shù)方案將故障診斷分析的陣地前移至數(shù)據(jù)分析組進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，贏得寶貴的普查先機(jī)，并為常態(tài)化分析奠定基礎(chǔ)。

3 效果分析

3.1 應(yīng)用實(shí)例

通過(guò)智能化診斷方案應(yīng)用篩查出的部分故障案例見(jiàn)表1。

表1 部分故障案例AT1數(shù)據(jù)分析及分解結(jié)果

3.2 制定的故障智能化診斷方案應(yīng)用效果分析

2021年中國(guó)鐵路南寧局集團(tuán)有限公司南寧機(jī)務(wù)段實(shí)施AT1數(shù)據(jù)分析分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)技術(shù)措施前，2021年通過(guò)初篩提報(bào)的2、4位疑似故障案例227例。實(shí)施AT1數(shù)據(jù)分析分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)技術(shù)措施后，篩查HXD1C牽引電機(jī)主動(dòng)齒輪軸及軸套裂損故障30例。故障篩查有效率由方案實(shí)施之前的13.2%提高至方案實(shí)施之后的100%，杜絕HXD1C牽引電機(jī)電樞軸（軸套）帶病運(yùn)行。

該技術(shù)方案聚焦AT1數(shù)據(jù)分析定性定量篩查＋超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，提升AT1分析工程技術(shù)人員素質(zhì)與提升AT1診斷系統(tǒng)功能相結(jié)合，提升探傷人員素質(zhì)與提升超聲波設(shè)備功能相結(jié)合。該技術(shù)方案有效融合發(fā)揮AT1具備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)檢測(cè)且數(shù)據(jù)庫(kù)龐大的優(yōu)點(diǎn)、無(wú)損檢測(cè)精準(zhǔn)度高的優(yōu)點(diǎn)；摒棄AT1檢測(cè)精準(zhǔn)度較低，無(wú)損檢測(cè)工作量偏大、勞效偏低的缺點(diǎn)，有效提高該技術(shù)方案綜合診斷精準(zhǔn)度及效率，是該故障智能化診斷方案的核心要素。實(shí)施該套技術(shù)方案后故障診斷有效率提升至100%，提高了AT1數(shù)據(jù)分析、探傷人員的技術(shù)信心，進(jìn)一步提高機(jī)務(wù)檢修從業(yè)人員科技素養(yǎng)，在數(shù)據(jù)分析及探傷標(biāo)準(zhǔn)-效果驗(yàn)證-提高分析精確性-回歸數(shù)據(jù)分析的良性循環(huán)方面提供豐富的實(shí)際案例支撐。

4 結(jié)論

圍繞JD160型電機(jī)電樞軸、軸套故障難以診斷的特點(diǎn)，提出AT1數(shù)據(jù)分析分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)并引入超聲波無(wú)損檢測(cè)的技術(shù)措施。2020年12月至2022年6月，在中國(guó)鐵路南寧局集團(tuán)有限公司南寧機(jī)務(wù)段通過(guò)落實(shí)AT1數(shù)據(jù)分析分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)技術(shù)措施，JD160型電機(jī)電樞軸、軸套故障診斷準(zhǔn)確率達(dá)到100%，杜絕HXD1C牽引電機(jī)齒輪軸（軸套）帶病運(yùn)行。