林新海 ， 董 婷 ， 許 行

（中車(chē)戚墅堰機(jī)車(chē)車(chē)輛工藝研究所有限公司，江蘇 常州 213001）

0 引言

齒輪箱是動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵部件，其主要作用是將牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)速扭矩轉(zhuǎn)化為輪對(duì)走行的轉(zhuǎn)速扭矩。齒輪箱的加工制造及安裝誤差，以及服役過(guò)程中的疲勞、磨損、腐蝕等，都會(huì)導(dǎo)致齒輪箱軸承產(chǎn)生振動(dòng)，直接影響整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)精度與平穩(wěn)性，甚至?xí)l(fā)嚴(yán)重的安全事故。由于齒輪箱的性能和可靠性與動(dòng)車(chē)組的安全運(yùn)行直接相關(guān)，因此，通過(guò)試驗(yàn)方法檢測(cè)齒輪箱性能及判定其健康狀態(tài)，是一項(xiàng)至關(guān)重要的研究?jī)?nèi)容[1-2]。

振動(dòng)是一切運(yùn)動(dòng)機(jī)械以及承受動(dòng)態(tài)載荷的工程結(jié)構(gòu)所具有的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。振動(dòng)信號(hào)中包含著機(jī)械及結(jié)構(gòu)的內(nèi)在特性和運(yùn)行狀況信息。經(jīng)驗(yàn)表明，齒輪箱由一種或多種上述情況引起的故障損壞可通過(guò)振動(dòng)水平的提高而顯現(xiàn)出來(lái)，通過(guò)振動(dòng)信號(hào)的采集與處理來(lái)研究齒輪箱的狀態(tài)是一種非常有效的檢測(cè)、診斷方法[3-7]。齒輪箱振動(dòng)的分析方法主要包括時(shí)域、頻域和時(shí)頻域3 類(lèi)。丁保華等[8]針對(duì)齒輪箱故障振動(dòng)信號(hào)傳統(tǒng)的時(shí)域、頻域分析方法，列舉了一些不同故障所應(yīng)用的分析方法，并介紹了一些基于非平穩(wěn)信號(hào)處理的方法特點(diǎn)及應(yīng)用，指出了齒輪箱故障診斷的發(fā)展趨勢(shì)。候有忠[9]對(duì)CRH2 型動(dòng)車(chē)組齒輪箱的跑合試驗(yàn)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，通過(guò)不同工況下的頻譜、峭度、偏度等指標(biāo)，對(duì)比分析了齒輪箱的運(yùn)行狀態(tài)。趙春等[10]對(duì)動(dòng)車(chē)組齒輪箱在振動(dòng)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行了模態(tài)試驗(yàn)和線路跟蹤測(cè)試，通過(guò)頻譜分析發(fā)現(xiàn)振動(dòng)主頻介于500～600 Hz 之間，研究確定齒輪箱的異常振動(dòng)來(lái)源于輪軌的高頻激擾所引起的結(jié)構(gòu)共振。

目前動(dòng)車(chē)組齒輪箱的型式試驗(yàn)主要是依據(jù)TB/T 3134—2013 規(guī)定的振動(dòng)速度有效值進(jìn)行測(cè)試評(píng)價(jià)[11]。為進(jìn)一步提升齒輪箱故障的監(jiān)測(cè)與評(píng)估，本研究通過(guò)提取動(dòng)車(chē)組齒輪箱試驗(yàn)中振動(dòng)信號(hào)的特征值，將不同運(yùn)行速度、不同故障模式下的各類(lèi)特征值與正常狀態(tài)的齒輪箱振動(dòng)特征值進(jìn)行對(duì)比，篩選出具有良好敏感性的特征值，為動(dòng)車(chē)組齒輪箱故障檢測(cè)與診斷提供理論與技術(shù)基礎(chǔ)。

1 齒輪箱振動(dòng)特征值

當(dāng)機(jī)器零件類(lèi)型不同、具體故障不同以及損傷程度不同時(shí)，其損傷特征的類(lèi)型各不相同。因此，基于不同的特征值，就可能定位有缺陷的零件（如軸承或齒輪）和隔離零件中的具體故障，并確定其損傷程度。

時(shí)域分析是根據(jù)信號(hào)的時(shí)間歷程記錄波形，分析信號(hào)的組成和特征量，從而在時(shí)間坐標(biāo)軸上顯示出振動(dòng)信息的方法。根據(jù)齒輪箱的振動(dòng)特點(diǎn)，以時(shí)域振動(dòng)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)量作為損傷（或故障）的敏感性特征，通過(guò)在齒輪箱表面安裝的振動(dòng)加速度傳感器獲取時(shí)域信號(hào)。當(dāng)齒輪箱發(fā)生故障時(shí)，信號(hào)本身會(huì)出現(xiàn)能量的變化，對(duì)于一組離散測(cè)試信號(hào)[X1,X2,…,Xn]，可用不同統(tǒng)計(jì)量捕獲原始信號(hào)的不同特性[12-13]。

1）有效值XRMS描述振動(dòng)信號(hào)的能量，是機(jī)械故障診斷系統(tǒng)中用于判斷是否存在故障的重要指標(biāo)，它反應(yīng)振動(dòng)對(duì)時(shí)間變化的過(guò)程。

2）峰值Xp是描述波形與零線的最大偏離度，是在一個(gè)周期中的最大瞬時(shí)值。產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性破壞直接與峰值有關(guān)。

3）標(biāo)準(zhǔn)差σ度量時(shí)間序列幅值關(guān)于均值的離散程度。當(dāng)零件從初始損傷狀態(tài)發(fā)展到下一更高程度損傷時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)差會(huì)顯著增加。

4）偏度Cw反映振動(dòng)信號(hào)的非對(duì)稱(chēng)性。當(dāng)機(jī)械結(jié)構(gòu)存在某一方向的摩擦或者碰撞時(shí)，會(huì)造成振動(dòng)波形的不對(duì)稱(chēng)，偏度會(huì)增大。

5）峭度Cp反映波形的平緩程度，用于描述變量的分布。在高斯振動(dòng)下的峭度為3。在峭度大于3 的隨機(jī)振動(dòng)中，會(huì)有一部分極大值超過(guò)3 倍標(biāo)準(zhǔn)差，引起產(chǎn)品的疲勞和損傷。

6）波形系數(shù)K用于檢測(cè)機(jī)械設(shè)備的磨損情況。若波形系數(shù)指標(biāo)增大，說(shuō)明有效值XRMS比平均值X增大快，即磨損導(dǎo)致的間隙增大。

7）峰值系數(shù)C是和波形有關(guān)的無(wú)因次量，是信號(hào)峰值與有效值（RMS）的比值，代表的是峰值在波形中的極端程度。

8）沖擊系數(shù)I是信號(hào)峰值與整流平均值（絕對(duì)值的平均值）的比值。沖擊系數(shù)和峰值系數(shù)的區(qū)別在分母上，由于對(duì)于同一組數(shù)據(jù)整流平均值小于有效值，所以沖擊系數(shù)大于峰值系數(shù)。

2 試驗(yàn)方法

齒輪箱空載試驗(yàn)如圖1 所示。試驗(yàn)對(duì)象為動(dòng)車(chē)組齒輪箱，齒輪箱速比為2.379，輸入端與輸出端均為圓錐滾子軸承。試驗(yàn)最高轉(zhuǎn)速可達(dá)6070 r/min。在齒輪箱輸入端軸承座安裝一個(gè)三向加速度傳感器，采樣率為10 240 Hz，高于齒輪的一般工作頻率（0～2000 Hz）。在測(cè)試期間，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪箱運(yùn)轉(zhuǎn)，在500～6070 r/min 選擇8 種轉(zhuǎn)速以模擬動(dòng)車(chē)組齒輪箱在運(yùn)行期間經(jīng)歷的各種轉(zhuǎn)速狀態(tài)，正反轉(zhuǎn)分別運(yùn)行。

圖1 齒輪箱空載試驗(yàn)臺(tái)Fig.1 No-load test bed for gearboxes

被試齒輪箱分別安裝正常軸承與故障模擬軸承。故障模擬軸承是對(duì)主動(dòng)齒輪的軸承進(jìn)行人為破壞。圖2 為滾道裂紋故障軸承。

圖2 故障模擬軸承Fig.2 Fault simulation bearing

3 試驗(yàn)結(jié)果

為了對(duì)比不同軸承故障模式下振動(dòng)特征值的變化規(guī)律，分別截取齒輪箱在不同轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)下的加速度信號(hào)進(jìn)行分析。時(shí)域信號(hào)特征值分為有量綱特征值和無(wú)量綱特征值兩類(lèi)，其中，有量綱特征值包括有效值XRMS、峰值Xp、標(biāo)準(zhǔn)差σ等，無(wú)量綱特征值包括偏度Cw、峭度Cp、波形系數(shù)K、峰值系數(shù)C和沖擊系數(shù)I等。因此，按照振動(dòng)時(shí)域信號(hào)特征值分類(lèi)進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比。

3.1 有量綱特征值對(duì)比分析

振動(dòng)有量綱特征值的數(shù)值大小常因外界試驗(yàn)條件的變化而變化，從有量綱特征值中選取振動(dòng)加速度有效值進(jìn)行對(duì)比分析。圖3、圖4 分別為不同轉(zhuǎn)速下無(wú)故障軸承和滾道裂紋軸承的齒輪箱振動(dòng)加速度有效值變化曲線，其中PWX、PWY、PWZ分別表示軸承振動(dòng)的3 個(gè)方向（下同）。通過(guò)對(duì)比可知，隨著轉(zhuǎn)速增加，3 個(gè)方向的振動(dòng)加速度有效值隨轉(zhuǎn)速變化明顯；在相同轉(zhuǎn)速下，故障軸承的振動(dòng)加速度有效值相對(duì)于無(wú)故障軸承都有一定的增大，且轉(zhuǎn)速越高，增幅越明顯。

圖3 無(wú)故障軸承振動(dòng)加速度有效值曲線Fig.3 RMS curves of vibration acceleration of vault-free bearing

圖4 滾道裂紋軸承振動(dòng)加速度有效值曲線Fig.4 RMS curves of vibration acceleration of raceway cracking bearing

3.2 無(wú)量綱特征值對(duì)比分析

無(wú)量綱特征能夠排除工作條件的擾動(dòng)影響，因此，不同運(yùn)行速度下的特征值可以直接對(duì)比。從無(wú)量綱特征值中選取振動(dòng)加速度峭度為典型特征值進(jìn)行分析。圖5、圖6 分別為不同轉(zhuǎn)速下無(wú)故障軸承和滾道裂紋軸承的齒輪箱振動(dòng)加速度峭度變化曲線。從圖中可以看出，在同一軸承狀態(tài)下，峭度特征值不隨運(yùn)行轉(zhuǎn)速的變化而變化；但對(duì)于不同的軸承來(lái)說(shuō)，軸承損壞越嚴(yán)重，峭度越大越離散，這也說(shuō)明試驗(yàn)運(yùn)行過(guò)程中具有較大的振動(dòng)沖擊。

圖5 無(wú)故障軸承振動(dòng)加速度峭度曲線Fig.5 Kurtosis curves of vibration acceleration of fault-free bearing

圖6 滾道裂紋軸承振動(dòng)加速度峭度曲線Fig.6 Kurtosis curves of vibration acceleration of raceway cracking bearing

3.3 敏感度分析

為分析7 個(gè)特征值指標(biāo)在各種狀態(tài)下的評(píng)價(jià)敏感性，將正常軸承在各工況下的特征值計(jì)為X1，損壞軸承在各工況的特征值計(jì)為X2，X2與X1相除所得敏感系數(shù)計(jì)為Z。Z越大，說(shuō)明該特征值分類(lèi)距離感越強(qiáng)，特征值指標(biāo)越敏感。

以等比系數(shù)1.25 來(lái)區(qū)分各特征值敏感度，分為4 級(jí)：1）Z＜1.25，代表此特征值不敏感；2）1.25≤Z≤1.56，代表輕微敏感；3）1.56＜Z≤1.95，代表中度敏感；4）Z＞1.95，代表高度敏感。各特征值在所有轉(zhuǎn)速工況下各級(jí)敏感性的占比見(jiàn)圖7。

圖7 振動(dòng)特征值敏感度分布Fig.7 Vibration eigenvalue sensitivity distribution

從圖7 可知，有量綱特征值的敏感度整體上高于無(wú)量綱特征值的敏感度。特征值指標(biāo)按其敏感度從高到底的排序?yàn)榉逯?、有效值、?biāo)準(zhǔn)差、偏度、峭度、沖擊系數(shù)、峰值系數(shù)。

4 結(jié)論

1）動(dòng)車(chē)組齒輪箱不同的故障模式將直接影響振動(dòng)特征值。

2）有量綱振動(dòng)特征值受運(yùn)行轉(zhuǎn)速影響較明顯，運(yùn)行轉(zhuǎn)速越高，相應(yīng)特征值變化越明顯。

3）無(wú)量綱振動(dòng)特征值受軸承故障模擬形式影響較大，與運(yùn)行轉(zhuǎn)速關(guān)系較小。

4）通過(guò)對(duì)比故障狀態(tài)下振動(dòng)特征值的敏感度，有量綱特征值比無(wú)量綱特征值對(duì)故障更加敏感。