基于故障機理分析的故障診斷技術的應用和發展

北京唐智科技發展有限公司 唐德堯

介紹了筆者基于故障機理分析所提出的“定點疲勞與軸承齒輪匹配”、“軌道波磨與系統工程”和“結構廣義共振與自適應阻尼減振”等理論及其在鐵路、城軌交通和風力發電領域的應用，說明了故障機理分析不僅有益于實現先進主動診斷，還能支持對機械裝備在減少故障發生率方面的發展、創新。

傳統的機械裝備故障診斷多以研究已有故障的信號特征為基礎，但對于新的裝備故障預警便因沒有故障案例可循而不免漏診。故障機理分析就是針對從未監測過的裝備做出其可能發生的故障模式及信息特征的推理，為自動化主動診斷提供理性指導，以期在故障出現時，立即捕獲信息并預警，還能為維修、制造、設計部門提供解除或延緩裝備故障的合理化建議。

一、定點疲勞故障與軸承齒輪匹配設計

裝備傳動系統設計選用專業工廠獨立設計、制造的軸承與齒輪時，往往沒有考慮軸承齒輪的匹配要求，從而出現定點疲勞，導致故障多發、信息異常、常規診斷漏診[1]、[2]。如普遍認為齒輪故障總是因材質、制造等隨機因素而首先在單處發生，診斷只需捕獲共振解調信號中出現的齒輪轉頻的一階譜便能發現故障。但SS4機車的大齒輪故障信號卻首先出現在四、八階譜。定點疲勞理論[3]、[4]分析證明：88個齒的SS4大齒輪有八個或四組均布的定點疲勞點，JK00430診斷系統據此自動捕捉信息（圖1、2）。調查發現：設計和技術改造中凡是按照定點疲勞理論實現了軸承齒輪匹配的，則故障率甚低；反之，則很快發生定點疲勞故障，且其故障信息規律符合定點疲勞理論的計算結果。

二、軌道波磨監測、治理和系統工程

軌道交通的鐵路鋼軌出現的波浪式磨損簡稱“波磨”。自有鐵路以來，人們一直在探索其發生機理及治理方法。基于系統工程的故障機理分析[5]、[6]，發現的理論規律是：引發波磨的內因是轉向架的軸距L（單位：m）、行車的車速V（單位：m/s）及構架的低阻尼共振頻率FG（單位：Hz），而外因則是彎道行車的輪緣沖擊、軌道不平順沖擊和路基松弛沖擊。提出上述理論的初衷在于實現準確的主動診斷，由以下公式(1)，特別是公式(2)、(3)的運行模式，必然引發接近于構架縱梁前后端出現交替上下共振（蹺蹺板式）模態等頻率FG的輪軌強烈振動與沖擊，JK10450地鐵車輛走行部車載診斷系統安裝在軸箱上的傳感器能敏銳發現，見圖3、圖4。而其拓展應用，則為減緩波磨的發生和擴展提供了一條可行的途徑：按照公式(1)的車速VJ運行，可以減緩發生和自動磨合波磨，應當避免誘發、擴展波磨的有害車速VB1；及時識別松弛的路基（其特征之一是出現波長接近于枕距LZ的沖擊，見圖4）并及時處理，避免在松弛路段使用接近車速VB2以防止松弛路段的軌枕（枕距LZ）沖擊的整數次諧波引發構架縱梁等共振，繼而引發波磨。

建議克服構架/波磨共振的車速：

圖3 JK10450發現的路基松弛和波磨沖擊

圖4 松弛和波磨沖擊的頻率與波長

圖5 風機塔架廣義共振/沖擊分析

避免結構/波磨發生共振的車速：

避免構架/波磨發生共振的車速：

式中，K為整數。顯然，波磨治理應是一項包括路基、軌道、轉向架阻尼和軸距及車速的系統工程。

三、結構廣義共振與自適應阻尼減振

風力發電機的龐大機組由高聳的塔筒和兩端懸臂的底盤支撐在高空，形成了多種低阻尼共振系統。由于風機的運行轉頻無法回避陣風、松動等諸多外因引發的廣義共振及進而引發的沖擊，以致常規的針對轉速頻率的振動監測時，合格的系統常發生意外損壞。

根據廣義共振機理分析，JK10460風電機組在線故障診斷系統增設了診斷這些特征的功能，并能敏銳地識別此種“另類”故障，給出有效的維修指南[7]、[8]、[9]。

例如，某風機檢測數據的塔架東西方向振幅達到109mm，還出現塔架松動的沖擊，并有84mm的扭振(圖5)。維修人員據此對三層塔筒檢查，發現每層都出現近半圈的連接螺栓松動。

例如，某風機主軸出現了不隨轉速變化的、頻率基本固定（0.54～0.56Hz）的沖擊如圖6，這是隨機外力引發的底盤相對塔筒發生蹺蹺板式的強大廣義共振，進而引發存在間隙的偏航軸承與壓蓋發生沖擊所致(圖7)。顯然，“治標”維修的對策不應更換軸承，而應緊固壓蓋；“治本”的對策則是增加自適應阻尼減振措施以抑制廣義共振的幅度。

圖6 風機主軸廣義共振/沖擊分析

圖7 底盤廣義共振引發壓蓋沖擊示意圖

為此提出的基于廣義共振自適應阻尼的減振方法[10]，在縮尺模型驗證中[11]，取得了將塔筒振動幅度和時間大幅度降低的良好效果。據此原理，同樣可以降低底盤的振幅和振動持續時間，防止損壞偏航軸承、軸系的動態不對中及其引發的軸承、齒輪、聯軸器等故障。

四、結束語

筆者以三組實例證明：故障診斷技術有必要發展到基于故障機理分析的先進主動診斷。故障機理分析和故障診斷還有利于識別裝備的設計缺陷，從而可為提高裝備可靠性和降低故障率提供可靠性的理論與技術支持。增加了上述理論所支持功能的診斷系統，在鐵路、城軌交通和風力發電領域取得了良好的推廣和服務效果。

[1]唐德堯，王定曉，張鵬，李輝，宋辛暉.初論故障診斷與先進維修和先進設計[J].中國設備工程，2009，8.

[2]唐德堯，李輝，宋辛暉，黃貴發.運載設備故障診斷與先進的維修設計[J].中國鐵路裝備，2009，3.

[3]唐德堯，李輝.減少軌道交通傳動系統故障率的軸承齒輪匹配維修和設計[J]，世界軌道交通，2009，11.

[4]唐德堯等.一種減少齒輪傳動系統故障率的軸承、齒輪匹配設計方法.中國專利ZL200810043838.3.

[5]唐德堯等.一種軌道交通車輛走行部及鋼軌故障車載在線監測診斷系統.中國專利ZL200920073984.4.

[6]唐德堯等.一種降低彎道軌面波磨產生的方法.中國專利201010177033.5.

[7]唐德堯，曾承志.風電機組故障診斷與傳動系統的先進維修及設計[J].風能產業，2009.11.

[8]唐德堯，曾承志.風電柔性聯軸器時變剛度引發的齒輪嚙合沖擊的危害[J].中國風能，2009.9.

[9]唐德堯，曾承志，李合林.雙饋風力發電機電刷滑環故障信息分析及維修建議[J].中國風能，2010.8.

[10]唐德堯等.一種風力發電機塔架減振裝置及設計方法.中國專利，201010202086.8.

[11]黃超，唐德堯.一種風力發電機塔架減震裝置的仿真分析[J].風能產業，2011.3.