共振解調技術在HXD3C機車驅動裝置故障鑒定中的應用

林存增　王心明　呂長寧　張順

摘要：為滿足我國鐵路現(xiàn)代化向著高速重載的發(fā)展要求，對機車可靠性的要求也應不斷提高。運用共振解調技術對機車驅動裝置運用狀態(tài)進行監(jiān)測，是目前最行之有效的方法。文章通過統(tǒng)計分析HXD3C型電力機車JK11430車載監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過利用沖擊值SV進行定量分析、共振解調譜和故障特征頻譜進行定性分析，來判斷HXD3C型電力機車驅動裝置運用狀態(tài)。

關鍵詞：HXD3C機車；驅動裝置；共振解調技術；JK11430；故障鑒定 文獻標識碼：A

中圖分類號：TH17 文章編號：1009-2374（2016）30-0047-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.30.023

1 概述

為滿足列車提速對機車走行部質量更高的要求，中車大連機車車輛有限公司對在段運用車載監(jiān)測裝置報警的HXD3C驅動裝置返廠拆檢，通過對檢測數(shù)據(jù)進行理論分析和現(xiàn)場實際拆檢情況相結合的方法，歸納出了在不解體狀態(tài)下判定驅動裝置故障原因的方法。

2 廣義共振和共振解調原理

2.1 廣義共振

經(jīng)典物理學所述的“共振”是指“作用力的頻率f1與物體的固有頻率f0相同”時發(fā)生的持久而強大的震動過程。在共振現(xiàn)象的基礎上，提出了“廣義共振”理論，將經(jīng)典共振擴充到它所不包括的共振建立和結束的過渡過程，奠定了廣義共振故障診斷技術的理論基礎，見圖1：

2.2 共振解調技術

機器上存在大量的低頻振動，它們將掩蓋故障所引起的沖擊。共振解調技術是在傳感器中設置一個比低頻震動頻率高得多的機械諧振器，它選擇敏感故障引發(fā)的沖擊，產(chǎn)生高頻（超聲波）的廣義共振，但是該超聲波很難分離、檢測。將所采集到的信號送進一個能夠自動選擇并提取廣義共振的電子諧振器中，再經(jīng)過一個電子解調器，提出高頻成分后提取其輪廓，得到了廣義共振信號的解調波，見圖2。

圖2中序號5的振動+沖擊波中的每一次沖擊（小脈沖）都對應激發(fā)一次共振解調，獲得一個“共振解調波”，這便是對應性——共振解調波與軸承等故障沖擊一一對應，不遺漏任何一次故障沖擊。

向著大鐘輕輕投出硬幣能激起小的聲響，重重投出硬幣能激起大的聲響，這就是比例性——廣義共振的幅度與原始的故障沖擊幅度成比例。

硬幣落到大鐘上，立刻彈跳離去，說明沖擊的時間很短，我們看不到?jīng)_擊的發(fā)生和解除過程；而激發(fā)的廣義共振響聲卻延續(xù)了很長時間，使我們能清楚地聽到。這就是共振解調的展寬性——廣義共振的持續(xù)時間寬度遠大于沖擊脈沖的寬度，我們能很容易發(fā)現(xiàn)它。

硬幣對于大鐘的小撞擊也能激發(fā)大鐘發(fā)出很大的響聲，這就是共振解調的放大性——微小的故障沖擊就能夠激發(fā)很大的共振解調波。

共振解調波的重復率和它的高階諧波都是低頻信號，即共振解調將沖擊的高頻能量調理為低頻信號的方式出現(xiàn)，方便于采集和FFT分析，這就是低頻性。

共振解調波的頻譜是多階的梳狀譜線，這就是共振解調譜獨有的多階性。

2.3 故障定量和定性分析方法

通過研究機械的結構幾何學、運動規(guī)律，建立診斷軸承、齒輪、踏面等故障的一系列模型，從定量（幅值大小）和定性（故障部位）兩個角度可以對故障進行確定性的診斷。

2.3.1 定量分析。內外環(huán)相對運轉轉速N（r/min）、軸承軸經(jīng)D（mm）對于沖擊值SV的影響，可通過下式進行修正：

Adb=20*log

2.3.2 定性分析。若軸承中徑為Do（mm），滾動體的直徑為d（mm），內外環(huán)的相對轉速頻率為fn（Hz），滾動體的數(shù)量為Z，軸承滾動體的接觸角是A，則按著唐德堯在1984年提出的“多個同類故障的歸類診斷準則”進行簡化，軸承各零件故障的特征頻率如表1所示：

3 共振解調技術在故障鑒定中的應用

3.1 齒輪故障診斷

主動齒輪故障案例中，沖擊時域圖中每一個小齒輪運轉周期內存在一簇尖銳的沖擊脈沖，圖3中49.2號譜線突出，高階譜線明顯，通過計算故障特征頻譜可知本小齒輪的故障譜號為49.25，而頻譜圖中的49.2號譜線與小齒輪理論故障譜線幾乎吻合，故而可以確定該沖擊信號為齒輪嚙合故障，按照故障定量公式計算后可以確定該齒輪的沖擊強度為53dB已超標，拆解后發(fā)現(xiàn)主動齒輪有一出貫穿性裂紋與理論分析相吻合。

3.2 軸承故障診斷

3.2.1 軸承內環(huán)剝離。軸承內環(huán)剝離案例中，圖4中381號譜線突出，其高階譜線明顯，通過計算故障特征頻譜可知內環(huán)故障理論譜為380.69，而頻譜圖中的381號譜線與380.69號譜線幾乎吻合，進而可以斷定該沖擊信號為軸承內環(huán)故障，經(jīng)按照故障定量公式計算后可以確定該內環(huán)的沖擊強度為53dB已超標，拆解后在軸承內環(huán)表面發(fā)現(xiàn)一處剝離與理論分析相吻合。

3.2.2 軸承外環(huán)剝離。軸承外環(huán)剝離案例中，沖擊時域圖中每一個等滾子間隔內一簇尖銳的沖擊脈沖，圖5中77.8號譜線突出，其高階譜線明顯，通過計算故障特征頻譜可知外環(huán)故障理論譜為79.12，而頻譜圖中的77.8號譜線與79.12號譜線幾乎吻合，進而可以判斷該沖擊信號為軸承外環(huán)故障信息，經(jīng)按照故障定量公式計算后可以確定該外環(huán)的沖擊強度為58dB已超標，拆解后在軸承外環(huán)表面發(fā)現(xiàn)一處剝離與理論分析相吻合。

3.2.3 軸承保持架裂紋。軸承保持架裂紋案例中，沖擊時域圖中每個保持架與外環(huán)相對的運轉周期內存在一簇沖擊脈沖，圖6中19.8號譜線突出，其高階譜線明顯。通過計算故障特征頻譜可知保持架刮碰外環(huán)故障理論譜為19.97，而頻譜圖中的19.8號譜線與19.97號譜線幾乎吻合，由此判斷該沖擊信號為保持架刮碰外環(huán)的故障信息，經(jīng)按照故障定量公式計算后可以確定該保持架的沖擊強度為53dB已超標，拆解后在保持架兜口處發(fā)現(xiàn)一出裂紋，且保持架有明顯的磨碰痕跡。

4 結語

部件早期故障沖擊幅度非常輕微，引起的沖擊脈沖強度非常小，所以其振動響應信號的故障特征很不明顯，運用一般的振動分析方法很難辨別出來，采用共振解調技術由于放大和分離了故障特征信號。通過進行定性和定量分析，既可確定故障性質，又可以確定故障程度，在保證機車可靠運用的同時，降低了不必要的返修成本，具有實時監(jiān)控、準確性高的優(yōu)點。該方法不僅適用于機車驅動裝置的故障診斷，也可推廣到其他旋轉設備故障鑒定應用中。

參考文獻

[1] 唐德堯.廣義共振、共振解調故障診斷與安全工程[M].北京：中國鐵道出版社，2006.