基于故障树诊断方法的机车齿轮传动装置故障研究

丁鑫梁 王磊

摘要：转向架是轨道交通机车车辆的走行部，其性能的好坏影响着机车车辆运行的安全性，而机车用齿轮传动装置是转向架核心传动部件，一旦发生故障，轻者会造成列车机破，重者会造成机车车辆脱轨、追尾和切轴等恶性事故。本论述阐述了机车齿轮传动装置的结构组成和工作原理;分析了齿轮传动装置对机车行车安全的影响;详细介绍了故障树诊断方法在轨道交通机车车辆上的应用;梳理了机车齿轮传动装置的典型故障类别、产生原因、检查方法和应对措施;并利用故障树方法搭建了铁道机车齿轮传动装置故障诊断模型。

关键词：齿轮传动装置;故障树;故障诊断方法

中图分类号：THl32.41;TH165.3 文献标志码：A

0引言

转向架是机车机械装置中最重要的部件，运用过程中要承担着机车车辆上部的车体、电气和机械设备的重量，传递机车车辆的牵引力和制动力，引导着机车车辆在平直和曲线的轨道上运行，并缓冲来自机车车辆、轨道、线路不平顺等因素对机车车辆的振动和冲击，确保机车车辆的安全和平稳运行。齿轮传动装置是机车转向架的关键装置，其性能好坏决定了机车车辆运行的安全性，随着机车车辆的速度逐渐提高，齿轮传动装置故障可能造成的损失和危害也逐渐增大，轻则造成机破、临时停车，严重的会造成机车车辆脱轨、追尾等严重事故。

齿轮传动装置故障诊断理论与技术是涵盖系统监测、诊断和预测系统工作状态和故障的综合学科，包括感知和获取信号、故障机理和关联表征、信号处理与特征提取、智能诊断与做出决策。目前，国内外科研工作者对齿轮传动装置故障诊断方法研究，主要集中在专家系统、故障树及PCA等方法的研究。本论述分析研究了故障树诊断方法，做了机车齿轮传动装置定性分析，并搭建了对应的事故树。

1齿轮传动装置故障研究

齿轮传动装置是机车转向架传动系统的关键系统，其主要作用是将牵引电机产生的动能传递给轮对，保证高速机车的安全运行。齿轮传动装置主要由齿轮箱，主、从动齿轮，轴承等组成，如图1所示。齿轮箱是齿轮传动装置中扭矩传递的关键零件，它起到连接机车和传递动力的作用。齿轮传动装置中的主、从动齿轮是传递动力主要零件，它们依靠齿轮间的啮合来传递动力。

齿轮传动装置是影响机车运行质量的关键零部件，若在运行过程中一旦出现装置故障，机车将会产生不平稳振动，不平稳振动将通过机车转向架的构架装置直接传递到车体上，这些异常振动不仅影响车厢内旅客乘坐的舒适性，而且容易造成机车上零部件松动或过早疲劳损坏，威胁机车的安全运行。此外齿轮传动装置容易出现齿轮箱箱体破损与漏油，齿轮出现异常磨耗和轴承失效的故障，轻微的可能会污染转向架和降低机车的运行质量，严重的可能造成列车切轴的事故发生。

齿轮传动装置在使用过程中，一旦发出异常的响声和振动，很有可能表明齿轮传动装置发生了故障。無论出现何种故障时，都必须及时排查，以确保机车齿轮传动装置能够正常工作。表1中列出了机车齿轮传动装置的典型故障及解决措施。

2齿轮传动装置故障树诊断方法研究

故障树分析方法（简称FTA）也是一种基于定性模型的故障诊断方法，它使用图像分析逻辑的方法来预测系统故障的故障原因。它是以估算顶事件（系统已经出现或者将要出现的故障）的发生概率和底事件重要度为目标时间，通过自顶而下层层分析并逐级找出目标事件发生的原因，使用特定的符号表示，并在故障事件和各级故障原因之间建立逻辑关系，是系统可靠性分析、故障检测与诊断常用的一种分析方法。

故障树方法既可用定性模型也可以用定量模型，因果关系较为清晰，对导致事故的各种原因及逻辑关系能做出全面、简洁、形象的描述，对故障源的搜寻直观简单。但在实际诊断上并非都可以建立正确的故障树结构，一旦故障树建立不全面或不正确都能将无法进行故障诊断。

故障树分析法（FTA）己被国内外广泛应用于铁路、汽车、核电、航空、军工、风电等行业。在铁路行业主要用于机车电器系统、牵引系统、高压系统、网络控制系统、转向架系统等。

齿轮传动装置的故障诊断方法研究主要集中在状态监测仪器和分析系统的开发、提取典型故障特征，诊断方法研究、振动信号处理与分析、故障机理研究以及人工智能AI技术应用等多方面，但由于齿轮传动装置安装隐蔽、拆卸困难、结构复杂、故障多且复杂，无疑增加了齿轮传动装置的故障诊断。目前通过振动噪声诊断方法对齿轮传动装置中齿轮和轴承工作中产生的振动噪声信号进行分析，实现实时工作状态下的故障诊断。在状态监视和故障诊断的信号处理和分析方法上也有大量的研究，如应用于铁路机车转向架的共振调解故障诊断技术。目前基于故障树法被认为是一种简单且有效的齿轮传动装置故障诊断方法。

以齿轮传动装置中核心的齿轮箱部件为例，采用故障树法进行故障诊断分析。故障树分析诊断法建立步骤如下：

（1）收集事故案例，进行事故统计，假想给定系统可能发生的事故。

（2）选择合理的顶事件（一般以待测对象故障为顶事件）。

（3）搭建正确合理的故障树。

（4）根据建立的故障树，对故障进行搜寻和诊断。

根据齿轮传动装置的主要失效模式，以和谐系列电力机车“齿轮传动装置”作为顶事件创建齿轮传动装置故障树事件表，见表2所列，并根据故障树事件表搭建了故障树总图，如图2所示。

3结语和展望

机车齿轮传动装置是机车转向架的核心部件，其性能可靠性对于行车安全的重要性不言而喻，采用故障树诊断方法可有效地节省故障诊断时间，快速地形成解决方案，并在实际工作中可帮助检修人员快速准确地查找出故障原因并及时处理，确保行车安全。

目前，机车齿轮传动装置的故障诊断方法虽在轨道交通现场得到了一定应用，但仍面临诸如：实际应用不足，方法单一复杂等不足，需要我们在实际运用中不断改进现有故障诊断方法，并开展多信息融合、多算法结合的智能诊断技术等，以进一步提高机车转向架齿轮传动装置故障诊断的智能化、准确性和快速性。