動(dòng)車(chē)組齒輪箱運(yùn)用狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)探討

馬聘天

摘 ?要：本文詳細(xì)敘述了動(dòng)車(chē)組齒輪箱運(yùn)用狀態(tài)檢測(cè)監(jiān)測(cè)裝置的基本構(gòu)造，并結(jié)合試驗(yàn)過(guò)程對(duì)相關(guān)分析方法的實(shí)用性和準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)合試驗(yàn)中采用的齒輪箱振動(dòng)數(shù)據(jù)分析算法和診斷流程，對(duì)動(dòng)車(chē)組運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，以初步總結(jié)出動(dòng)車(chē)組齒輪箱運(yùn)用狀態(tài)的評(píng)判建議，結(jié)合試驗(yàn)的檢測(cè)監(jiān)測(cè)結(jié)果，作為日后對(duì)動(dòng)車(chē)組齒輪箱檢修工作的參考。

關(guān)鍵詞：動(dòng)車(chē)組;齒輪箱;運(yùn)用狀態(tài);檢測(cè)監(jiān)測(cè)裝置

引言：

在動(dòng)車(chē)組運(yùn)行過(guò)程中，齒輪箱是重要的組成部分，在牽引傳動(dòng)系統(tǒng)中占據(jù)重要地位。結(jié)合相關(guān)參考資料以及近些年動(dòng)車(chē)組齒輪箱的故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于齒輪箱故障確認(rèn)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(zhǔn)確的確認(rèn)故障。結(jié)合相關(guān)內(nèi)容發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段各種型號(hào)的動(dòng)車(chē)組齒輪箱幾乎都沒(méi)有設(shè)置振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)于齒輪箱運(yùn)行狀態(tài)的檢測(cè)方式僅靠定期抽樣送檢結(jié)果進(jìn)行判斷，由于此方式送檢周期間隔較長(zhǎng)，檢測(cè)花費(fèi)時(shí)間也較長(zhǎng)，同時(shí)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(shí)對(duì)早期故障準(zhǔn)確確認(rèn)，這對(duì)于齒輪箱的正常運(yùn)行有嚴(yán)重的影響。本文通過(guò)對(duì)齒輪箱采用旋轉(zhuǎn)設(shè)備振動(dòng)測(cè)試的方法，對(duì)動(dòng)車(chē)組齒輪箱的運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行深入研究，并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，總結(jié)形成檢測(cè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)而對(duì)動(dòng)車(chē)組齒輪箱檢修進(jìn)行科學(xué)合理的指導(dǎo)。

1齒輪箱運(yùn)用狀態(tài)檢測(cè)監(jiān)測(cè)裝置

動(dòng)車(chē)組齒輪箱開(kāi)展運(yùn)用狀態(tài)檢測(cè)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究時(shí)需要用到專(zhuān)業(yè)設(shè)備，通常會(huì)運(yùn)用車(chē)載式電子設(shè)備檢測(cè)監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行研究。其中信號(hào)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(dòng)等程序，同時(shí)還可以借助相關(guān)需要設(shè)計(jì)嵌入相關(guān)數(shù)據(jù)分析程序[1]。在此主要應(yīng)用溫度傳感器和信號(hào)采集處理單元收集處理數(shù)據(jù)。其中應(yīng)用率6個(gè)溫度傳感器，將其分別安放在齒輪箱的不同位置，測(cè)試油溫和環(huán)境溫度。溫度傳感器按照測(cè)量方式不同可以分為兩種類(lèi)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(lèi)別。本此試驗(yàn)主要采用的是接觸類(lèi)的溫度傳感器。

信號(hào)采集處理單元主要由5個(gè)部分組成，通過(guò)這5個(gè)部分的協(xié)同合作對(duì)動(dòng)車(chē)組齒輪箱運(yùn)用狀態(tài)數(shù)據(jù)信息進(jìn)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(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)模數(shù)（AD）轉(zhuǎn)換模塊、CompactRIO控制器、GPS定位測(cè)速模塊和WiFi/4G路由模塊[3]。其中信號(hào)采集處理單元的核心器件是CompactRIO控制器，此部分可以通過(guò)GPS定位測(cè)速模塊獲得動(dòng)車(chē)的位置和行駛速度等信息，同時(shí)也具備信息采集處理功能，然后借助WiFi/4G路由模塊映射無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)監(jiān)測(cè)終端，最后借助網(wǎng)絡(luò)連接信號(hào)采集處理單元[1]。實(shí)現(xiàn)采集任務(wù)從上到下、處理結(jié)果從下到上的傳輸。IEPE信號(hào)調(diào)理模塊的主要功能是提供電力支持，振動(dòng)加速度傳感器便是由其提供電力的。數(shù)據(jù)AD轉(zhuǎn)換模塊的作用是通過(guò)IEPE信號(hào)調(diào)理模塊，使用低噪聲同軸電纜對(duì)傳感器進(jìn)行連接，然后對(duì)齒輪箱的振動(dòng)波形進(jìn)行采集和預(yù)處理，將頻率設(shè)置在20 000 Hz進(jìn)行采集，使其盡可能完全充分的捕捉信號(hào)中所有的時(shí)頻信息。信號(hào)采集處理單元的電源設(shè)計(jì)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(dòng)車(chē)組DC 110 V車(chē)載電源通過(guò)轉(zhuǎn)換模式進(jìn)行供電。同時(shí)為了提升電源模式切換的速率以及延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間，在這兩種供電模式上安裝一套雙裝無(wú)線(xiàn)遙控開(kāi)關(guān)[2]。

2齒輪箱檢測(cè)監(jiān)測(cè)技術(shù)驗(yàn)證過(guò)程

為了更好的驗(yàn)證齒輪箱的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的效果，在此進(jìn)行了以下幾個(gè)試驗(yàn)，本次探究主要通過(guò)對(duì)溫度進(jìn)行分析，從而探知齒輪箱的運(yùn)行狀態(tài)，。為了使試驗(yàn)數(shù)據(jù)更具有說(shuō)服力，選擇了6個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，其中四個(gè)測(cè)溫點(diǎn)分布在四個(gè)軸承的各自對(duì)應(yīng)軸承座上，來(lái)反映不同軸承的溫度，在齒輪箱的放油螺堵處也設(shè)置了一個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，此測(cè)溫點(diǎn)可以測(cè)試齒輪組在運(yùn)行時(shí)內(nèi)部潤(rùn)滑油的溫度，但需要注意次個(gè)測(cè)溫點(diǎn)在布置時(shí)需要將放油螺堵卸下用油溫傳感器進(jìn)行替代，最后一個(gè)溫度傳感器放置在外部環(huán)境中，主要測(cè)試環(huán)境溫度，通過(guò)進(jìn)行分析，最大限度排出環(huán)境溫度的影響。在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)詳細(xì)記錄數(shù)據(jù)[3]。

2.1常規(guī)跑合試驗(yàn)

2.1.1主要過(guò)程

在常規(guī)跑合試驗(yàn)過(guò)程中需要確認(rèn)的是：有無(wú)漏油、溫升特性以及回轉(zhuǎn)時(shí)的聲響狀況等。常規(guī)跑合試驗(yàn)后要確認(rèn)潤(rùn)滑油的清潔度，磁性螺堵上的吸附物以及齒面的狀況。通過(guò)常規(guī)跑合試驗(yàn)的測(cè)試，對(duì)正常的裝配作業(yè)進(jìn)行整體確認(rèn)。在如下各部位通過(guò)溫度傳感器或手持測(cè)溫儀對(duì)其進(jìn)行溫度測(cè)定，并記錄各軸承座部位、油溫和室溫[4]。

2.1.2試驗(yàn)要領(lǐng)

本次試驗(yàn)需要在驅(qū)動(dòng)裝置處于空車(chē)狀態(tài)下進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，此時(shí)油箱內(nèi)油量按照空車(chē)時(shí)油位在右面計(jì)上限，通過(guò)溫度傳感器測(cè)試結(jié)果可知，此時(shí)處于室溫狀態(tài)，另外此時(shí)處于空載負(fù)荷。

在進(jìn)行試驗(yàn)過(guò)程中，小齒輪轉(zhuǎn)速 N1：等同電機(jī) 1900r/min

小齒輪轉(zhuǎn)速 N2：等同車(chē)輛最高運(yùn)行速度時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速4162r/min（100km/h）

2.2低溫模擬回送試驗(yàn)

本次試驗(yàn)主要是試驗(yàn)當(dāng)齒輪箱的驅(qū)動(dòng)裝置處于最?lèi)毫拥臈l件時(shí)的運(yùn)行情況。本次試驗(yàn)處于空車(chē)狀態(tài)下進(jìn)行，此時(shí)油量處于空車(chē)時(shí)油面計(jì)中央。試驗(yàn)時(shí)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)各實(shí)施 1 次[5]。此時(shí)試驗(yàn)的環(huán)境溫度為-25℃～+40℃，回送時(shí)的速度為最高時(shí)速 100km本次試驗(yàn)需要測(cè)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(rèn)試驗(yàn)

由于驅(qū)動(dòng)裝置的迷宮密封采用旋轉(zhuǎn)密封結(jié)構(gòu)。因此在齒輪箱內(nèi)的潤(rùn)滑油通過(guò)齒輪的攪拌，隨著溫度的上升粘度會(huì)變低（變?。髅詫m部位處容易漏油。因此，進(jìn)行本試驗(yàn)?zāi)康挠袃蓚€(gè)：其一是確認(rèn)其溫度特性;其二是確認(rèn)迷宮部位及各部件的結(jié)合面有沒(méi)有漏油現(xiàn)象。本次試驗(yàn)的驅(qū)動(dòng)裝置處于滿(mǎn)載負(fù)重×1.3G狀態(tài)，此時(shí)油量為空車(chē)時(shí)油位在油面計(jì)上限。為了保證試驗(yàn)效果的客觀性，正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)各進(jìn)行一次[6]

T 存在兩種情形：一種是油溫在 90℃以?xún)?nèi)就達(dá)到平衡，熱平衡狀態(tài)按照標(biāo)準(zhǔn)TB/T 3134《動(dòng)車(chē)組用驅(qū)動(dòng)齒輪箱》，是指齒輪箱油溫在20分鐘內(nèi)變化不超過(guò)3℃，T 表示油溫達(dá)到平衡的過(guò)程，另一種是油溫在 90℃以?xún)?nèi)不能平衡，T 表示油溫到達(dá) 90℃的過(guò)程，N1之前的加速，不作特別要求，逐漸加速至 N1。本次試驗(yàn)需要測(cè)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(yàn)

確定噪聲測(cè)試方法，把驅(qū)動(dòng)裝置的噪音指標(biāo)定量化。其中噪音計(jì)位置在離驅(qū)動(dòng)裝置 1.5m 遠(yuǎn)的 A～C 3 個(gè)點(diǎn)，而噪音計(jì)的高度和小齒輪軸中心高度一致。根據(jù)機(jī)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(shí)，由于沖擊而使齒輪產(chǎn)生很大的加速度并會(huì)引起周?chē)橘|(zhì)擾動(dòng)，由這種擾動(dòng)產(chǎn)生的聲輻射稱(chēng)為齒輪的加速度噪聲，在齒輪動(dòng)態(tài)嚙合力作用下，系統(tǒng)的各零部件會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，這些振動(dòng)所產(chǎn)生的聲輻射稱(chēng)為自鳴噪聲。自鳴噪聲則由齒輪體的振動(dòng)通過(guò)傳動(dòng)軸引起支座振動(dòng)，從而通過(guò)齒輪箱箱壁的振動(dòng)而輻射出來(lái)。噪聲強(qiáng)度不僅與輪齒嚙合的動(dòng)態(tài)激勵(lì)力有關(guān)，而且還與輪體、傳動(dòng)軸.軸承及箱體等的結(jié)構(gòu)形式、動(dòng)態(tài)特性以及動(dòng)態(tài)嚙合力在它們之間的傳遞特性有關(guān)[7]。

驅(qū)動(dòng)裝置的狀態(tài)為空車(chē)狀態(tài)，空車(chē)時(shí)油位在油面計(jì)上限，回轉(zhuǎn)方向：正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)小齒輪轉(zhuǎn)數(shù)：車(chē)速每增加 20km/h 時(shí)進(jìn)行一次測(cè)量，到最高速為止。每次噪聲持續(xù)測(cè)定時(shí)間：30s。

3試驗(yàn)結(jié)果

3.1跑臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果

3.1.1試驗(yàn)結(jié)果的評(píng)價(jià)方法

根據(jù)跑臺(tái)試驗(yàn)的結(jié)果評(píng)價(jià)內(nèi)容進(jìn)行分析，想要確保符合標(biāo)準(zhǔn)需要齒輪箱在試驗(yàn)過(guò)程中表現(xiàn)以下幾方面內(nèi)容，其一便是常規(guī)跑合試驗(yàn)中各迷宮密封部位及各零件結(jié)合處不存在漏油現(xiàn)象，且在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)沒(méi)有異常響動(dòng)。另外整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程各測(cè)溫點(diǎn)溫差要求：T Tz t 80c。其中：Tz —試驗(yàn)結(jié)束時(shí)各測(cè)溫點(diǎn)的溫度， t —初始環(huán)境溫度。常規(guī)跑合試驗(yàn)后試驗(yàn)停止后迷宮部位及各部件結(jié)合面不存在漏油現(xiàn)象，磁性螺堵上的沒(méi)有異常物吸附，潤(rùn)滑油中沒(méi)有產(chǎn)生污垢。滿(mǎn)足了以上條件即可判定為合格。

3.1.2試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)過(guò)程中，被試樣品運(yùn)轉(zhuǎn)正常，各密封處、結(jié)合處無(wú)滲漏油現(xiàn)象;各連接件、緊固件無(wú)松動(dòng);齒輪箱運(yùn)行無(wú)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(yàn)

3.2.1低溫模擬回送試驗(yàn)的評(píng)價(jià)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(yàn)結(jié)果

3.3高溫特性、漏油確認(rèn)試驗(yàn)

3.3.1本次試驗(yàn)結(jié)果的評(píng)價(jià)方法

①迷宮部位及各部件結(jié)合面不存在漏油現(xiàn)象。

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

3.3.2試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)過(guò)程中，被試樣品運(yùn)轉(zhuǎn)正常，各密封處、結(jié)合處無(wú)滲漏油現(xiàn)象;各連接件、緊固件無(wú)松動(dòng);齒輪箱運(yùn)行無(wú)異常聲音;油溫和軸承溫升符合試驗(yàn)大綱要求。

3.4噪音試驗(yàn)

3.4.1試驗(yàn)結(jié)果的評(píng)價(jià)方法

正常情況下噪音指標(biāo)按 90 dB（A） 以下進(jìn)行控制。

3.4.2試驗(yàn)結(jié)果

測(cè)試點(diǎn)距離被試箱1.5m。最后檢測(cè)結(jié)果如下。

4檢測(cè)技術(shù)探究

本次測(cè)試試驗(yàn)通過(guò)溫度的數(shù)據(jù)變化以及噪聲值對(duì)齒輪箱的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判定。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，跑臺(tái)試驗(yàn)的正常溫度是各測(cè)溫點(diǎn)測(cè)得的溫升T不能超過(guò)80℃，最后試驗(yàn)結(jié)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(yàn)時(shí)，各軸承測(cè)溫點(diǎn)的溫度不能超過(guò)60℃，結(jié)合最后結(jié)果來(lái)看，進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，各測(cè)溫點(diǎn)溫升T 均低于60℃;在進(jìn)行高溫特性、漏油確認(rèn)試驗(yàn)時(shí)，各測(cè)溫點(diǎn)溫升T應(yīng)低于80℃，試驗(yàn)結(jié)果符合要求;而噪音試驗(yàn)主要測(cè)試齒輪箱在工作時(shí)是否存在噪音，噪音指標(biāo)應(yīng)按 90 dB（A） 以下進(jìn)行控制，試驗(yàn)結(jié)果也滿(mǎn)足要求。綜合這幾個(gè)試驗(yàn)來(lái)看，并非依靠溫度一個(gè)指標(biāo)進(jìn)行判定，在以溫度為主要因素時(shí)，齒輪箱是否漏油，是否存在異動(dòng)、異響也是輔助最后判定結(jié)果的因素，噪音試驗(yàn)主要是更加詳細(xì)全面的判定齒輪箱是否存在異常噪音，進(jìn)而輔助前幾個(gè)試驗(yàn)的判定結(jié)論[8]。

基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在此初步總結(jié)出幾點(diǎn)動(dòng)車(chē)組齒輪箱運(yùn)行狀態(tài)的評(píng)定建議，也就是當(dāng)齒輪箱的軸承溫度高于一定數(shù)值時(shí)，便說(shuō)明此時(shí)齒輪箱運(yùn)行存在隱患，需要進(jìn)行詳細(xì)檢查。但此種判定結(jié)果較為籠統(tǒng)，得出的結(jié)論可能存在誤差，在條件允許的情況下，還需要進(jìn)行其它測(cè)試對(duì)試驗(yàn)結(jié)果給予驗(yàn)證。需要通過(guò)預(yù)制故障實(shí)車(chē)檢驗(yàn)運(yùn)行才能更準(zhǔn)確的對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。因此結(jié)合實(shí)際情況可知，運(yùn)用軸承溫度來(lái)判定齒輪運(yùn)行狀態(tài)需要繼續(xù)優(yōu)化相關(guān)技術(shù)，當(dāng)前可作為在線(xiàn)監(jiān)測(cè)模式為動(dòng)車(chē)組的穩(wěn)定運(yùn)行提供參考，且監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和結(jié)果可作為動(dòng)車(chē)組運(yùn)維部門(mén)對(duì)齒輪箱進(jìn)行檢修的判定依據(jù)，以及處理故障時(shí)的參考。

5結(jié)語(yǔ)

根據(jù)相關(guān)結(jié)果數(shù)據(jù)可知，動(dòng)車(chē)組齒輪箱運(yùn)用狀態(tài)評(píng)估方法還需要進(jìn)行相關(guān)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(xiàn)檢測(cè)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，得出的相關(guān)結(jié)論可以作為動(dòng)車(chē)組運(yùn)行維護(hù)管理部門(mén)制定齒輪箱檢修計(jì)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(xiàn)

[1] 王恒亮. 動(dòng)車(chē)組齒輪箱運(yùn)用狀態(tài)檢測(cè)監(jiān)測(cè)技術(shù)探討[J]. 電力機(jī)車(chē)與城軌車(chē)輛， 2020， v.43;No.231（06）：95-98+106.

[2] 董婷， 馬善民， 林新海，等. 動(dòng)車(chē)組齒輪箱在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)車(chē)車(chē)輛工藝， 2019， 000（001）：4-6.

[3] 王遠(yuǎn)霏， 孫海榮， 王東星. 基于Lasso回歸的高速動(dòng)車(chē)組齒輪箱性能檢測(cè)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(dòng)信號(hào)的風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)組齒輪箱狀態(tài)檢測(cè)和故障診斷技術(shù)的研究[D]. ?2019.

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

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