DF8B型机车走行部齿轮惯性故障的诊断

郭志明

摘要：本文简述了齿轮振动信号的提取方法，并就齿轮故障的判定与齿轮不报警的早期故障诊断方法进行了深入分析，希望能够为同行业者提供一些帮助。

Abstract： This paper briefly describes the extraction method of gear vibration signal， and deeply analyzes the judgment of gear fault and the early fault diagnosis method of gear without alarm， hoping to provide some help for the same industry.

关键词：DF8B型机车走行部;齿轮;惯性故障;诊断

Key words： running gear of DF8B locomotive;gear;inertia fault;diagnosis

中图分类号：U269                                        文献标识码：A                                文章編号：1674-957X（2020）23-0137-02

0  引言

为提高机车效率，某城市机务段为机车安装了走行部检测装置，用以对轮对轴承、电机以及抱轴滑动轴承进行监测，获得了较为突出的检测效果，降低了故障发生风险，为机车走行部的安全提供了有力保障。但需要注意到的是，由于该型号基础功率较大，在其应用过程中表现出了牵引力过大以及负荷高等特点，这也是增大齿轮故障的主要原因。而由于发生齿轮故障受到周围环境不确定因素较多，因此偶尔会出现即使齿轮出现故障也不会自动报警的现象，严重影响问题解决的及时性，同时由于其特殊的结构与报警机制，对其故障进行深入分析并定位故障原因也具有较大难度。

1  齿轮振动信号的提取

一般情况下，针对于轴承以及齿轮等具有旋转特点的机械进行故障检测时，选择的主要检测方法为振动法。此种情况下可以根据时域信号特征参数，以及所对应的频谱分析内容对所包含的运行状态进行判断。而齿轮与轴承却由于被安装在同一根轴承上，使得想要对其检测由于测点只有一个，因此极容易因为两者产生振动并叠加而导致较为严重的信号干扰[1]。在此种情况下想要获得单独的准确齿轮振动信号，就需要尽量将轴承振动信号排除，最大程度的降低信号干扰。

由于轴承所对应产生的振动属于高频次振动的一种，其频率大概在4000赫兹以上。当轮对转速为每分钟400转时，所产生的振动信号通常情况下在8000赫兹以下，因此在对轴承进行信号检测时确定的截止频率就应为8000赫兹。所导致产生的齿轮振动反映的主要内容为其啮合频率，因此针对此种情况啮合频率的计算公式为：

Fm=fr×N

公式中各符号所代表的意思分别为：Fm是啮合频率，fr为轴转频，N代表齿轮齿数。

从公式推导分析中可以看到，在有单独齿轮检测需要时，其所对应的截止频率既需要涵盖齿轮振动数据，又需要注意去除轴承振动的影响，尤其是应仔细观察啮合频率的具体倍频情况，以截止频率为依据选择3至4倍的啮合频率。因此，可以将齿轮振动信号收集时的截止频率设置为2000赫兹，此时就可以彻底消除原本轴承对振动信号收集过程中所带来的严重干扰。

2  齿轮故障的判定

2.1 大齿轮故障判定

大齿轮故障的表现一般为2位邻齿轮报警，1位本齿轮报警，此时时域波形的具体内容为包含10组具有冲击脉冲较宽特点的故障波形，简单来说就是在1转条件下所反映出的故障冲击波形相对较宽。而若是本身大齿轮中存在多种类型故障，那么反映出的较宽的冲击波形在200点也就是1转的条件下存在的可能性更高[2]。由于大齿轮的自身特殊性，使得其故障具有突发性特点，尤其是在有冲击趋势的情况下将会有明显的冲击突发性的特征表现。此时需要注意的是，在针对大齿轮做具体的故障判断时，需要尤其关注是否由于踏面的传递原因而导致产生的传递信号误报。而对于踏面故障信号来说，其主要特征则主要包括：剥离或擦伤，这种情况下所对应的时域波形将会呈现较为清晰的等腰三角形的形状;若有内部缺陷存在，则时域波形反映出的具体形状为直角三角波;而轮对圆度不正常的情况下所反映出的具体冲击波形则为一大一小，两个波形通常是连接在一起且同时表现。

2.2 小齿轮故障判定

通常情况下2位报本齿轮，1位报邻齿轮产生报警现象对应的为小齿轮故障，具体表现特征同样在时域波形中反映较为明显。简单来说就是在时域波形较为完整的状态下，其中涵盖着齿轮传动比为10*4.47的故障冲击脉冲波形[3]。与大齿轮故障相似的是，小齿轮故障的突发性表现同样较为明显，尤其是在冲击趋势下，各类型冲击突发性特征的表现将更加明显。

2.3 齿轮综合类故障判定

该种故障的判定通常是指大齿轮与小齿轮同时有报警现象出现，产生的故障则包括齿轮偏心、状态发生不正常改变以及其啮合间隙过小等，在频谱中的具体表现则为大小齿轮的具体啮合谱，对应的大齿轮齿数的具体谱号通常为76*10.24。以某机车走行部齿轮惯性故障为例，其波形图中显示出的内容则为在32位齿轮下发生的1级报警次数，数量为13次。以数据波形图为依据对其进行深入分析后，可以判断出具体的小齿轮故障的波形特征，包括产生冲击的具体个数，数量通常大于44个。车间解体齿轮箱的检查需要保证其及时性，在经过对齿轮箱进行拆解检查后可以发现，有打齿严重现象的齿数为7个，最后将不得不对其电机做更换处理。

3  齿轮不报警的早期故障诊断分析方法

3.1 单齿或多齿折断

在出现此种故障后，所反映出的波形特征为：单齿故障对应的原始数据时域波形图将会有分布均匀或是占空比相等等特征，此时所表现出的形式为故障冲击脉冲。在轮对转动一周后可以发现，导致出现故障冲击脉冲的个数的计算方式分别为：若小齿轮有故障冲击产生，则受到冲击影响的个数等于折断的齿数乘以传动比;此时的大齿轮出现故障冲击的个数与折断齿数相等。该种现象在频域波形图中反映出的图形变化情况较为清楚，尤其是对于齿轮故障谱线来说，其所对应的一、二以及三阶排列均较为整齐，尤其是在保持固定冲击趋势的过程中，多纪录作图环节内偶尔会有反映出齿轮冲击趋势的曲线生成，但往往是在一段时间后就会自行消失。导致出现此种情况的主要原因为若本身有打齿故障，随着齿轮保持连续性运转的时间逐渐延长，在打齿动作的影响下齿的折断部分尖锐位置将会逐渐被磨合，原本的锋利边缘反而会变钝，此时在时域波形图中并不会发现有不正常的曲线出现。从这一点中就可以看到，出现的类似于这一类的故障具有突发特性，简单来说就是上一交路并不会出现这种现象，但事实是正常的行进过程中有齿轮故障冲击谱出现，打齿故障出现的概率极大，因此在发现有此类冲击脉冲现象出现时，应究其源头进行实时分解。

3.2 齿轮径向裂纹

发生此种故障的波形特征与打齿故障产生的波形相类似，较为明显的区别为时域波形图中显现出的齿轮裂纹类的故障冲击脉冲所占空比相对较窄，形状近似于针状。抛除这种现象来看，在对齿轮裂纹类故障进行初级诊断时所产生的值相较于打齿故障，明显要小得多。因此在有类似故障处理需要时，应准确把握不同故障所对应的特点，简单来说就是故障的突发性。针对于齿轮本身所存在的突发性问题，应保证其解决的及时性，尤其是针对于多次交路过程来说，其包含的多种故障需要首先将踏面对问题的影响去除，并等待至有明显冲击趋势上升现象时才需要做进一步分解处理。

3.3 齿轮啮合不良

该种故障所对应的波形特征为多次的上下无规律起伏，这种现象在有多次交路的环节中表现的将更加明显，这样就可以根据波形特征判断出其为齿轮啮合不良而导致出现的故障现象。出现这种情况多是由于轮对的剥离与擦伤原因，该种类型机车由于多采用实心轴形式，因此一旦有踏面故障出现，就会有齿轮啮合不良的现象产生。除此之外，若齿轮箱内有杂物（硬质）或齿轮表面出现剥离现象，也将会导致类似情况出现。因此，在有此类故障产生时，应根据齿轮所显示出的具体故障冲击波形进行深入分析。若同时轮对的踏面也有报警现象出现，在相同显示现象的谱线出现时，也应先处理好踏面情况，随后在对具体的运用情况进行观察。

某机务段上传轴报文件时，在不存在齿轮报警的条件下却依然发现有位于1轴2位处的采集样点有故障冲击脉冲的现象产生。在对其进行深入分析后，能够发现其波形图中表现出的现象无论是上升还是下降均较为陡峭，这种现象是有齿轮故障出现时反映出的时域波形图的最为典型的特征。此时的频谱图三阶与诊断抽象图谱一一对应，同位地域冲击趋势，此种现象就可以判断为典型的电机齿轮故障。在对车间发出通知对齿轮箱进行拆解检查后可以发现，车轮上有一明显破损，且有多个齿已经被磨损的极为严重。

3.4 齿轮箱故障

①原因分析。第一是由于采用的主要为单密性密封槽，在仅仅只有一道密封槽的情况下相对来说密封效果较差。再加上结构设置不合理，在壁板厚度与加强筋的设置无法达到标准要求的情况下，极容易导致出现裂损现象;第二是所选用的齿轮箱螺栓若是紧固力矩不足，将会随着使用时间的延长而导致出现松动现象。长此以往必然会导致油封口逐渐磨损，在尺寸有明显加大的情况下毡条非常容易因为被磨平而导致窜出，齿轮箱油脂也将会在这一情况下被甩出。

②建议解决措施。1）双密封槽齿轮箱的应用。经过对比能够很轻松的发现，由于两道密封槽的存在使得其密封效果相较于单密封槽要好得多。另外由于所采用的螺栓底座材质为45号钢，因此无论是强度还是加工精度相较于传统材料性能都要好得多。再加上配合较好，即使在长时间使用后也不会导致出现路口现象，裂损风险大大降低。2）新型防缓螺栓的应用。当下不同单位所应用的防缓螺栓不仅型号较为杂乱，且有着不同的应用原理，主要包括改进型、膨胀型以及破坏型等。第一是破坏型，虽然该种螺栓紧固效果极佳，但由于其结构特殊性使得其会对体扣造成严重破坏，最终的结果只能为仅仅只能使用此种螺栓;第二是改进型螺栓，其主要通过涂刷涂层层来增强紧固力。但经过后续简单试验后发现，此种螺栓的拆装极为困难;第三是膨胀型螺栓。这种螺栓由于结构简单因此相对而言故障率要低得多，但由于其分为内、外六角两种形式在实际应用前应做对应的性能试验。在试验后，发现应用外六角防缓螺栓具有更好的应用效果。

4  结束语

综上所述，机务段在经过一段时间的故障判断方法应用后，发现相较于以往走行部齿轮惯性故障的判断效果更为精准，无论是故障位置定位还是解决措施的制定，速度均有明显提升。维修人员应针对该类故障做好故障诊断记录，不断优化诊断流程，为齿轮應用寿命的延长奠定基础。

参考文献：

[1]杨建喜.交流机车牵引电机传动端轴承窜油故障分析[J].电力机车与城轨车辆，2019，42（S1）：45-46，49.

[2]潘林.频谱分析法在齿轮故障诊断中的应用[J].石油化工设备技术，2019，40（01）：19-21，5-6.

[3]向健.GKD2内燃机车抱轴瓦故障分析及防范措施[J].铜业工程，2019，03：78-79，83.