CN108225763B - 一种识别齿轮扭转广义共振引发的胶合故障及其防范方法 - Google Patents
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Abstract
一种识别齿轮扭转广义共振引发的胶合故障及其防范方法，在轨道交通领域，转速与扭矩的传递往往是依靠一对或多对大小齿轮啮合实现的，针对大齿轮易发胶合故障的情况，本发明可以识别定点疲劳激励所引起的低阻尼震荡冲击而对可能引起的胶合事故实现在线监测预警，并指导旨在消除或减少故障内因的科学维修，即从识别故障报警的信息机理，推导故障发生的结构机理，实现结构维修设计的进步以减少故障发生几率的目的。
Description
技术领域
本发明属于轨道交通的可靠性设计技术领域，具体涉及一种识别齿轮扭转广义共振引发的胶合故障及其防范方法。
背景技术
在轨道交通领域，转速与扭矩的传递往往是依靠一对或多对大小齿轮啮合实现的，大小齿轮由于传递同一载荷，因此，同样材质情况下直观的感觉应该是小齿轮较大齿轮容易出现故障(尽管在设计时可能会考虑小齿轮的强度及可靠性优于大齿轮)，但发明人在长期从事轨道交通车辆走行部故障监测、诊断的过程中发现：某些类型的机车，诊断系统所发现的齿轮故障中大部分为大齿轮故障，如附图1和附图2所示，而几乎少有小齿轮故障。特别是在大齿轮上某些固定齿与小齿轮啮合时出现(因定点疲劳所致的)强大啮合力，其齿面相继与小齿轮的任意齿摩擦，出现高温，引起表面金属熔融，将任意小齿轮的齿面毛刺吸附融合而突出，或其表面熔融层被小齿轮“带走”，所形成的既有局部突出也有局部凹陷的齿面损伤，在所属行业中谓之“胶合”。
大量的报警统计均反映的这一规律，绝非偶然，而一定存在某些固有的内因，以及促成该内因根据发展为故障的外因条件。本发明人此前的发明专利《一种减少齿轮传动系统故障率的轴承、齿轮匹配设计方法》ZL20080043838.3，和《一种诊断传动系统轴承齿轮故障的定点疲劳识别方法》201210138145.9所揭示的便是这种外因：当所用齿轮与轴承匹配不当，使得本齿轮存在若干定点疲劳(如附图1对应的齿轮存在3定点疲劳)，容易引发故障。
如果无法从根本上找到并消除引发故障的内因，以致在面临故障多发的现实时，所采取的维修对策是按照原设计的选型将故障齿轮更换为新品，即所谓“换件维修”。其结果是：导致在换新齿轮之后，同样的故障形式(例如前述的“胶合”)很快发生，严重地影响了机械装备的寿命、可靠性和安全。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，研究齿轮发生胶合故障的机理，提供一种识别齿轮扭转广义共振引发的胶合故障及其防范方法，以利于有效降低齿轮胶合故障率。
一种识别齿轮扭转广义共振引发的胶合故障方法，包括如下步骤：
1、识别定点疲劳冲击或/和胶合冲击，给出“定点X级”“胶合X级”报警信息，但报警信息不输出给司机，不干预营运，而是通过现有车载监测装置将检测得到的数据下载到对应的现有地面软件，如北京唐智科技发展有限公司生产的车载监控装置及其对应的地面软件进行提示，由机车厂或机务段决策是否维修；因为胶合和定点疲劳故障有两种发展趋向：一为磨合缓解，即在继续运行一段(发生强烈冲击的)时间后其冲击将逐渐减小，诊断报警消失；二为恶性扩展，引起后续的更强烈的报警和事故。营运部门期望通过报警变化的趋势决定：磨合则继续运行已节约维修开支；扩展则立即维修以防止发生事故。
进一步的技术方案在于：所述识别定点疲劳冲击或/和胶合冲击，给出“定点X级”“胶合X级”报警信息的方法是：根据“定点疲劳理论”，计算所述传动齿轮与其支承轴承匹配时齿轮存在的定点疲劳数D；根据考察齿轮1、2、3阶谱或D阶谱确定报警的经典诊断，计算对应的测量级差A及报警级别，其中X级的定义为：A<54dB为安全，则X级定义为“安全”，60dB>A>＝54dB则X级为“预警”，66dB>A>＝60dB则X级为“一级”报警，A>＝66dB则X级为“二级”报警，记录监测到的第一次出现存在定点疲劳数D而触发的报警，含预警、一级和二级报警，在后续监测中，如果仍出现X级报警，只要报警级别X未降低，地面软件仍输出相应的“定点X级”，但若报警级别突然消失或降低后，再次出现X级报警，同时满足定点疲劳冲击发展到定点疲劳引发胶合冲击的确认条件时，地面软件则将输出调整为相应的“胶合X级”。
“根据“定点疲劳理论”，计算所述传动齿轮与其支承轴承匹配时齿轮存在的定点疲劳数D”，为现有技术，具体请参见申请号为201210138145.9，发明名称为《一种诊断传动系统轴承齿轮故障的定点疲劳识别方法》的发明专利。
“根据考察齿轮1、2、3阶谱或D阶谱确定报警的经典诊断，计算对应的测量级差A及报警级别X”为现有标准，如中华人民共和国铁道部运输局“关于发布《机车走行部车载监测装置检修规范(暂行)的通知，运装机检(2010)175号文件”。
进一步的技术方案在于：在记录监测到的第一次出现存在定点疲劳数D而触发的报警时，判定存在定点疲劳数D的识别方法是：在根据“定点疲劳理论”，计算出所述轴承与传动齿轮匹配时齿轮存在的定点疲劳数D后，例如D＝3，如果发现相应的冲击信号频谱中出现突出的满足该齿轮整数阶的高阶阶数D，则确定为存在定点疲劳数D。
进一步的技术方案在于：满足定点疲劳冲击发展到定点疲劳引发胶合冲击的确认条件是：如果齿轮的D阶谱幅度大于1阶谱的幅度之3倍，则该冲击为定点疲劳冲击；若齿轮1阶谱的幅度上升到大于D阶谱的幅度之1/2倍以上，即为定点疲劳扩展到胶合。例如，附图1的1级报警是3定点疲劳报警，而附图2的2级报警则是3定点疲劳扩展到胶合的报警。
2、若地面软件输出“胶合X级”报警信息，则按下述次序进行维修：
A，修磨胶合点，至传动齿轮的齿形检查合格；
B，在厂内试车运行，若胶合冲击消失，则正线空载试车运行；若胶合冲击也消失，则证明胶合是诱发报警的当前原因；
C，此后的胶合报警，则可以在机务段内或机车厂内修磨胶合点至合格后，试车验证。
一种齿轮扭转广义共振引发的胶合故障的防范方法，为了消除发生齿轮胶合故障的内因，防止胶合发生及其强烈震荡冲击，其对策是增大谐振阻尼。
进一步的技术方案在于：所述增大谐振阻尼，相应实施对策是降低电机驱动扭矩的“瞬态硬度”，即增大电机驱动PID控制的瞬态阻尼。特别是，若扭转广义共振是上述“定点疲劳扩展到胶合”现象的主要因素，则建议改进电机驱动PID控制的软件，主要是增大PID(即比例、积分、微分控制)的积分因素以增大抑制谐振的阻尼，这较之改进(增大)驱动轴系的横向阻尼而言，更为便利。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
使用本发明，可以识别定点疲劳激励所引起的低阻尼震荡冲击而对可能引起的胶合事故实现在线监测预警，并指导旨在消除或减少故障内因的科学维修，即从识别故障报警的信息机理，推导故障发生的结构机理，实现结构维修设计的进步以减少故障发生几率的目的。
附图说明
图1为某HXD3D车64位，大齿轮3定点疲劳冲击并一级报警的诊断信息图；
图2为某HXD3D车64位，大齿轮二级报警的诊断信息图；
图3为某HXD3D车的大齿轮定点疲劳分析的信息图；
图4为利用本发明方法识别的定点一级的诊断信息图；
图5为利用本发明方法识别的胶合预警的诊断信息图；
图6a为不存在横向广义共振则没有啮合震荡的仿真分析图；
图6b为存在横向广义共振则出现啮合震荡的仿真分析图；
图7a为早期出现的3定点疲劳，表现出大齿轮每转周期内出现3个冲击脉冲的诊断信息图；
图7b为由于大小齿轮轴系存在低阻尼扭转或横向广义共振，后期产生成簇冲击的诊断信息图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
某HXD3D车型的大齿轮齿数DC＝98，小齿轮齿数XC＝26，根据齿端轴箱轴承、齿端电机轴承、齿端抱轴承和非齿端抱轴承的相应参数，根据发明人之前的专利《一种诊断传动系统轴承齿轮故障的定点疲劳识别方法》(201210138145.9)，计算出大齿轮存在定点疲劳数D＝1、3、5和7，如图3所示。
通过检测数据的统计分析，如图4所示，可以看到：2014年08月15发出了最晚的3定点疲劳1级报警，之前有3次1级报警；根据所述的“监测到的第一次出现存在定点疲劳数D而触发的报警(含预警、一级和二级报警)，在后续监测中，如果仍出现X级报警，只要报警级别X未降低，地面软件仍输出相应的“定点X级”，由于齿轮的测量级差A＝64dB，符合齿轮一级报警标准，因此地面软件输出“定点一级”。
最早的1级报警，是因为只有每周有3定点疲劳引起的3簇分散均布的冲击，其幅度调制谱为大齿轮的3阶，决策的幅度是64dB，触发了考察齿轮1、2、3阶谱均定报警的经典诊断(由于采用转速跟踪采样，大齿轮)。
然而，因为定点疲劳是系统结构所决定的而不是齿面的微量不平顺所决定的，所以随后的状态不是磨合，而是每簇冲击“复制”而相互连接，使得3“簇”的特征变得不明显，3阶谱的幅度下降，2014年08月15～2015年03月15日降低为只有3定点疲劳预警39次，如图5所示，经典决策幅度降低为58dB；特别是，附图4大齿轮的D＝3阶谱幅度(等于9335)大于1阶谱的幅度(等于1735)之3倍，则该冲击为定点疲劳冲击；而附图5的齿轮1阶谱的幅度(等于3772)上升到大于D＝3阶谱的幅度(等于6071)之1/2倍。
显然，上述发展过程不是定点疲劳的磨合，而是震荡扩展，是对齿轮的扩大损害。根据本发明所述方法，出现了低于早期的一级报警的预警和1阶幅度大于3阶(定点疲劳谱)幅度的1/2，满足定点疲劳冲击发展到定点疲劳引发胶合冲击的确认条件，因此地面软件输出“胶合预警”。
报警级别下降，似乎是磨合，而实际是从具有多簇冲击的特征演变为整圈都冲击的更严重的、表征啮合震荡的冲击。其发展趋向将如附图2一样发展到1级、2级报警。
利用本发明方法固然可以改进到晚5个月，即从2014年08月07日(第一次出现齿轮一级报警的时间)延迟至2015年03月15日对胶合震荡状况报警，但在这5个月中的齿轮状况不仅终究危害了自己，还必然危害相邻部件。
因此，重要的不是报警早晚问题，而是通过报警及早消除隐患以保障装备寿命不至于快速终结的问题，是努力消除定点疲劳激励(这较为困难)和消除该激励所引起的低阻尼震荡冲击的科学维修问题。即从故障报警的信息机理，推导故障发生的结构机理，实现结构维修设计的进步以减少故障发生的几率。这是将“(诊断)技术保安全”进步到促进“(改进)装备保安全”的更高境界。
实施例2：
当所用齿轮与轴承匹配不当，使得本齿轮存在若干定点疲劳，则形成诱发齿轮胶合故障的外因。
如果无法在根本上找到并消除引发故障的内因，以致在面临故障多发的现实时，所采取的维修对策是按照原设计的选型将故障齿轮更换为新品，即所谓“换件维修”。导致在换新之后，同样的故障形式很快发生，严重地影响了机械装备的可靠性和安全。
通过本发明对大数据的云统计，提出引发齿轮胶合故障高发的内因是：大小齿轮轴系存在低阻尼扭转或横向广义共振，由胶合突出点啮合冲击引发广义共振，进而激发抖动啮合，产生成簇的冲击。如仿真分析的图6a所示，假如不存在横向广义共振，仿真大齿轮转频fn＝10Hz、大齿轮齿数DC＝96，小齿轮齿数XC＝26，若无胶合，齿轮啮合正常，则没有谐振啮合；但若大齿轮存在1个胶合突出点，则每0.1秒啮合冲击1次，则小齿轮也存在一个胶合凹进点，大齿轮转一周该点啮合98/26次，大小齿轮转动，其胶合点分别引发正冲击和负冲击，大齿轮每转13周，其胶合点发生一次不冲击，大齿轮胶合突出点的冲击是单调的，啮合冲击不引起谐振。
同样，假如存在横向广义共振，如图6b所示，仿真大齿轮转频fn＝10Hz，若无胶合，齿轮啮合正常，由于冲击引起谐振，引起了谐振啮合，若齿轮存在1个胶合突出点，则每0.1秒冲击1次，则小齿轮也存在1个胶合凹点，大齿轮转一周该点啮合98/26次，大、小齿轮转动，其胶合点分别引起正冲击并谐振和负冲击，大齿轮转13周，其胶合点只出现1次不冲击、不谐振，大齿轮胶合突出点的冲击是一簇震荡冲击，这是由于冲击引起了系统谐振，即出现了扭转或横向谐振，一次胶合点冲击将引起一次广义共振，产生按照广义共振频率发生的、多次的、幅度逐渐衰减的冲击。显然，若大齿轮存在均布的3个定点疲劳引起的胶合点及啮合冲击，则大齿轮转一周的3簇广义共振震荡冲击就将连接为一大簇震荡冲击，使得3个胶合点对应的3簇震荡冲击波形特征变得不明显，而形成明显的(连接、合并的)一簇冲击。附图4在早期的3定点疲劳引发明显的3簇冲击，发展到附图5的变为明显主要为1簇的冲击，就是由上述分析的原因所决定的。
上述仿真也证明了：大小齿轮轴系存在低阻尼扭转或横向广义共振，由胶合突出点啮合冲击引发广义共振，进而激发抖动啮合，产生成簇的冲击，这是导致齿轮易发胶合故障的内因。
实施例3：
设备运转初期，当所用齿轮与轴承匹配不当，使得本齿轮存在若干定点疲劳D，如图7a所示，大齿轮表现出明显的3定点疲劳，其信号的时域表现出大齿轮每转周期内出现3个冲击脉冲，信号的频谱表现出突出的大齿轮3阶谱，3阶谱幅度大于1阶谱的幅度之3倍，由于存在低阻尼扭转或横向广义共振，由胶合突出点啮合冲击引发广义共振，进而激发抖动啮合，产生成簇的冲击，每个冲击不易快速衰减，如图7b所示，其信号的时域不再表现出大齿轮每转周期内出现3个冲击脉冲，而是成簇的、连续的波动，信号的频谱1阶谱的幅度上升到大于3阶谱的幅度之1/2倍及以上。
Claims (4)
1.一种识别齿轮扭转广义共振引发的胶合故障方法，其特征在于，包含以下2个步骤:
步骤一，识别定点疲劳冲击或/和胶合冲击，给出“定点X级”或“胶合X级”报警信息，但报警信息不输出给司机，不干预营运，而是通过现有车载监测装置将检测得到的数据下载到对应的现有地面软件进行提示，由机车厂或机务段决策是否维修；
步骤二，若地面软件输出“胶合X级”报警信息，则按下述次序进行维修：
A，修磨胶合点，至传动齿轮的齿形检查合格；
B，在厂内试车运行，若胶合冲击消失，则正线空载试车运行；若胶合冲击也消失，则证明胶合是诱发报警的当前原因；
C，此后的胶合报警，则可以在机务段内或机车厂内修磨胶合点至合格后，试车验证；
所述识别定点疲劳冲击或/和胶合冲击，给出“定点X级”“胶合X级”报警信息的步骤为：根据“定点疲劳理论”，计算所述传动齿轮与其支承轴承匹配时齿轮存在的定点疲劳数D；根据考察齿轮1、2、3阶谱或D阶谱确定报警的经典诊断，计算对应的测量级差A及报警级别，其中X级的定义为：A<54dB为安全，则X级定义为“安全”，60dB>A>=54dB则X级为“预警”，66dB>A>=60dB则X级为“一级”报警，A>=66dB则X级为“二级”报警，记录监测到的第一次出现存在定点疲劳数D而触发的报警，含预警、一级和二级报警，在后续监测中，如果仍出现X级报警，只要报警级别X未降低，地面软件仍输出相应的“定点X级”，但若报警级别突然消失或降低后，再次出现X级报警，同时满足定点疲劳冲击发展到定点疲劳引发胶合冲击的确认条件时，地面软件则将输出调整为相应的“胶合X级”。
2.根据权利要求1所述的识别齿轮扭转广义共振引发的胶合故障方法，其特征在于，在记录监测到的第一次出现存在定点疲劳数D而触发的报警时，判定存在定点疲劳数D的方法是：在根据“定点疲劳理论”，计算出所述传动齿轮与其支承轴承匹配时齿轮存在的定点疲劳数D后，如果发现相应的冲击信号频谱中出现突出的满足齿轮整数阶的高阶阶数D，则确定为存在定点疲劳数D。
3.根据权利要求1所述的识别齿轮扭转广义共振引发的胶合故障方法，其特征在于，满足定点疲劳冲击发展到定点疲劳引发胶合冲击的确认条件是：如果齿轮的D阶谱幅度大于1阶谱的幅度之3倍，则该冲击为定点疲劳冲击；若齿轮1阶谱的幅度上升到大于D阶谱的幅度之1/2倍以上，即为定点疲劳扩展到胶合。
4.一种齿轮扭转广义共振引发的胶合故障的防范方法，其特征在于，为了消除发生齿轮胶合故障的内因，防止胶合发生及其强烈震荡冲击，其对策是增大谐振阻尼；
所述增大谐振阻尼，相应实施对策是降低电机驱动扭矩的“瞬态硬度”，即增大电机驱动PID控制的瞬态阻尼，若扭转广义共振是如权利要求3中所述的“定点疲劳扩展到胶合”现象的主要因素，则建议改进电机驱动PID控制的软件，主要是增大PID即比例、积分、微分控制的积分因素以增大抑制谐振的阻尼。
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Legal Events
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