共振解调技术在HXD3C机车驱动装置故障鉴定中的应用

林存增　王心明　吕长宁　张顺

摘要：为满足我国铁路现代化向着高速重载的发展要求，对机车可靠性的要求也应不断提高。运用共振解调技术对机车驱动装置运用状态进行监测，是目前最行之有效的方法。文章通过统计分析HXD3C型电力机车JK11430车载监测数据，通过利用冲击值SV进行定量分析、共振解调谱和故障特征频谱进行定性分析，来判断HXD3C型电力机车驱动装置运用状态。

关键词：HXD3C机车；驱动装置；共振解调技术；JK11430；故障鉴定 文献标识码：A

中图分类号：TH17 文章编号：1009-2374（2016）30-0047-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.30.023

1 概述

为满足列车提速对机车走行部质量更高的要求，中车大连机车车辆有限公司对在段运用车载监测装置报警的HXD3C驱动装置返厂拆检，通过对检测数据进行理论分析和现场实际拆检情况相结合的方法，归纳出了在不解体状态下判定驱动装置故障原因的方法。

2 广义共振和共振解调原理

2.1 广义共振

经典物理学所述的“共振”是指“作用力的频率f1与物体的固有频率f0相同”时发生的持久而强大的震动过程。在共振现象的基础上，提出了“广义共振”理论，将经典共振扩充到它所不包括的共振建立和结束的过渡过程，奠定了广义共振故障诊断技术的理论基础，见图1：

2.2 共振解调技术

机器上存在大量的低频振动，它们将掩盖故障所引起的冲击。共振解调技术是在传感器中设置一个比低频震动频率高得多的机械谐振器，它选择敏感故障引发的冲击，产生高频（超声波）的广义共振，但是该超声波很难分离、检测。将所采集到的信号送进一个能够自动选择并提取广义共振的电子谐振器中，再经过一个电子解调器，提出高频成分后提取其轮廓，得到了广义共振信号的解调波，见图2。

图2中序号5的振动+冲击波中的每一次冲击（小脉冲）都对应激发一次共振解调，获得一个“共振解调波”，这便是对应性——共振解调波与轴承等故障冲击一一对应，不遗漏任何一次故障冲击。

向着大钟轻轻投出硬币能激起小的声响，重重投出硬币能激起大的声响，这就是比例性——广义共振的幅度与原始的故障冲击幅度成比例。

硬币落到大钟上，立刻弹跳离去，说明冲击的时间很短，我们看不到冲击的发生和解除过程；而激发的广义共振响声却延续了很长时间，使我们能清楚地听到。这就是共振解调的展宽性——广义共振的持续时间宽度远大于冲击脉冲的宽度，我们能很容易发现它。

硬币对于大钟的小撞击也能激发大钟发出很大的响声，这就是共振解调的放大性——微小的故障冲击就能够激发很大的共振解调波。

共振解调波的重复率和它的高阶谐波都是低频信号，即共振解调将冲击的高频能量调理为低频信号的方式出现，方便于采集和FFT分析，这就是低频性。

共振解调波的频谱是多阶的梳状谱线，这就是共振解调谱独有的多阶性。

2.3 故障定量和定性分析方法

通过研究机械的结构几何学、运动规律，建立诊断轴承、齿轮、踏面等故障的一系列模型，从定量（幅值大小）和定性（故障部位）两个角度可以对故障进行确定性的诊断。

2.3.1 定量分析。内外环相对运转转速N（r/min）、轴承轴经D（mm）对于冲击值SV的影响，可通过下式进行修正：

Adb=20*log

2.3.2 定性分析。若轴承中径为Do（mm），滚动体的直径为d（mm），内外环的相对转速频率为fn（Hz），滚动体的数量为Z，轴承滚动体的接触角是A，则按着唐德尧在1984年提出的“多个同类故障的归类诊断准则”进行简化，轴承各零件故障的特征频率如表1所示：

3 共振解调技术在故障鉴定中的应用

3.1 齿轮故障诊断

主动齿轮故障案例中，冲击时域图中每一个小齿轮运转周期内存在一簇尖锐的冲击脉冲，图3中49.2号谱线突出，高阶谱线明显，通过计算故障特征频谱可知本小齿轮的故障谱号为49.25，而频谱图中的49.2号谱线与小齿轮理论故障谱线几乎吻合，故而可以确定该冲击信号为齿轮啮合故障，按照故障定量公式计算后可以确定该齿轮的冲击强度为53dB已超标，拆解后发现主动齿轮有一出贯穿性裂纹与理论分析相吻合。

3.2 轴承故障诊断

3.2.1 轴承内环剥离。轴承内环剥离案例中，图4中381号谱线突出，其高阶谱线明显，通过计算故障特征频谱可知内环故障理论谱为380.69，而频谱图中的381号谱线与380.69号谱线几乎吻合，进而可以断定该冲击信号为轴承内环故障，经按照故障定量公式计算后可以确定该内环的冲击强度为53dB已超标，拆解后在轴承内环表面发现一处剥离与理论分析相吻合。

3.2.2 轴承外环剥离。轴承外环剥离案例中，冲击时域图中每一个等滚子间隔内一簇尖锐的冲击脉冲，图5中77.8号谱线突出，其高阶谱线明显，通过计算故障特征频谱可知外环故障理论谱为79.12，而频谱图中的77.8号谱线与79.12号谱线几乎吻合，进而可以判断该冲击信号为轴承外环故障信息，经按照故障定量公式计算后可以确定该外环的冲击强度为58dB已超标，拆解后在轴承外环表面发现一处剥离与理论分析相吻合。

3.2.3 轴承保持架裂纹。轴承保持架裂纹案例中，冲击时域图中每个保持架与外环相对的运转周期内存在一簇冲击脉冲，图6中19.8号谱线突出，其高阶谱线明显。通过计算故障特征频谱可知保持架刮碰外环故障理论谱为19.97，而频谱图中的19.8号谱线与19.97号谱线几乎吻合，由此判断该冲击信号为保持架刮碰外环的故障信息，经按照故障定量公式计算后可以确定该保持架的冲击强度为53dB已超标，拆解后在保持架兜口处发现一出裂纹，且保持架有明显的磨碰痕迹。

4 结语

部件早期故障冲击幅度非常轻微，引起的冲击脉冲强度非常小，所以其振动响应信号的故障特征很不明显，运用一般的振动分析方法很难辨别出来，采用共振解调技术由于放大和分离了故障特征信号。通过进行定性和定量分析，既可确定故障性质，又可以确定故障程度，在保证机车可靠运用的同时，降低了不必要的返修成本，具有实时监控、准确性高的优点。该方法不仅适用于机车驱动装置的故障诊断，也可推广到其他旋转设备故障鉴定应用中。

参考文献

[1] 唐德尧.广义共振、共振解调故障诊断与安全工程[M].北京：中国铁道出版社，2006.