免疫維修設計鼎助裝備安全運行與智慧運維

唐德堯，李修文，黃貴發，曾承志

（1.唐智科技湖南發展有限公司，湖南 長沙 410083；2.北京唐智科技發展有限公司，北京 100096）

機械故障診斷是保障裝備安全運行的有效手段，對于傳統的故障模式如軸承故障、齒輪故障、轉子故障、車輪踏面故障，目前國內外已有大量成功應用的經驗。當前機械故障診斷的熱點是如何更早地發現早期故障，這主要是依靠提高檢測技術和微弱信號處理技術；如何進行故障預測，這主要是依靠機械系統模型仿真和機器學習方法；如何進行歷史的大數據統計，這主要是依靠數據統計和模糊處理方法。有學者提出了“機械故障診斷基礎研究‘何去何從’”的討論。故障診斷工作者易忽視研究故障產生的根源，以及如何通過科學維修消除故障產生的原因。本文提出了“免疫維修設計”理念，指出機械故障診斷應立足系統工程的高度，研究機械各組成部件的相互作用，不僅要及時發現故障，更要研究故障高發的原因，提出減少故障率的“免疫維修、免疫設計”方法，防止故障頻發、多發、再發，鼎助裝備長期安全運行和智慧運維。同時結合多年來在軌道交通領域針對故障機理、診斷理論研究所積累的經驗，列出了部分支持免疫維修設計理念的實例。

1 免疫維修設計

免疫維修設計是指利用基于故障機理分析的主動、實時診斷和預警技術，確認故障頻發、多發的根因，指導機械裝備的設計、維修、制造、裝配、運維，從頂層設計或科學維修、合理運維環節消除或減少那些導致故障的原因。

1.1 特殊自然規律的普遍性

機械裝備發生故障“病患”的主要因素，也是如同人類的“器質”缺陷等內因所導致的一樣。

1.2 免疫維修設計與自愈工程的聯系與區別

“人工自愈及自愈工程”理論的方法論和優越性在于：對設備“增加故障自愈調控系統（FSR），可在確保安全的前提下大幅度地減少故障停機”，其特征在于以監測診斷數據為依據，以附加的自愈調控系統進行主動控制，克服危害機械安全的“病態”，實現機械故障或故障狀態的“自愈”，達到保障其安全和延長其壽命的目的。似乎是增設某種外因條件來克服、改善或改變將導致故障的內因。由此導致的對機械“增加故障自愈調控系統（FSR）”在若干情況下是必要的、必須的。

因此，“自愈工程”關鍵是需要增加一套故障自愈調控系統，然而對于軌道交通領域來說，再增加需經過監測和FSR機電附件進行的復雜的主動控制，卻幾乎是難以接受的。

免疫維修設計不是額外增加自愈調控系統，而是在設計、維修、制造、裝配或運維階段，根據故障機理分析的主動、實時診斷所發現的多發故障原因，包括內因和外因，進行針對性的維修策略、制造工藝、運用規則等頂層設計，以期通過實施，達到消除或減少故障或抑制故障快速發展、延長部件壽命的目標。

因此，“免疫維修設計”與“人工自愈工程”所能達到的效果是相似的，但實現途徑卻并不相同。

2 支持免疫維修設計理念的實例

2.1 定點疲勞理論及軸承齒輪匹配免疫維修、設計方法

SS4某機車上安裝的走行部在線監測故障診斷系統發生齒輪報警，共振解調檢測的沖擊波形和譜圖特征均體現為4組均布故障，見圖1所示。探傷檢查發現，大齒輪出現多處裂紋，基本的分布規律為沿圓周等分為4組，其中的3組被探傷證實，還有可能的一組沒有探測到明顯的故障。

圖1 大齒輪存在4組均布故障點

在提出定點疲勞理論之前，人們認為齒輪是均衡承載的，故障總是從1個位置首先隨機發生的，即使有多故障出現也不可能是均布的和幾乎同步發生的，以致根據“多個同類故障的歸類診斷準則”判斷初期故障的預警信息特征，應當是齒輪每轉動一周出現一次故障沖擊，或者盡管有多個故障但一定有只存在一個故障時必然出現的1階譜，以致對于檢測發現的齒輪每轉動一周出現多個幾乎均布的故障沖擊困惑不解。但在提出了定點疲勞理論后，通過對齒輪和軸承參數匹配關系的計算得悉該齒輪的疲勞規律之后，才認識到齒輪上多個均布故障同時出現是有理論依據的。

機械傳動系統不免突現特殊徑向載荷，若齒輪和軸承存在不當的組合，將導致均布的若干齒和軸承的若干滾子單獨承載而加速特定齒和承載區滾道疲勞損壞，即定點疲勞。

圖2（a）和圖2（b）是SS4型機車定點疲勞計算的結果：SS4型機車大齒輪存在8和4等分定點疲勞。由于該車型大齒輪齒數為88，其8等分齒數為11個齒，而2個8等分齒數為22個齒，接近于小齒輪齒數21，故考慮外因條件，即小齒輪與之嚙合的周期作用力而擴大搜索范圍，則計算還發現大齒輪發生4等分疲勞。

圖3（a）是SS4BS型機車定點疲勞計算的結果。雖然在大小齒數上與SS4型機車一致，大齒數為88，小齒數為21，但因更換了軸承型號，通過定點疲勞理論計算，證明已消除集中的齒輪定點疲勞因素，所以認為其齒輪和軸承更為匹配，故障率會降低。

對2008～2013年的5年全國SS4和SS4BS車的齒輪報警統計，結果如表1所示，其中報警比的計算方法為：SS4BS報警次數/SS4報警次數/車數比。

可以看出，SS4BS車型較SS4車型的齒輪、軸承匹配更為合理，能大幅度降低齒輪的故障率。定點疲勞理論所述的軸承齒輪匹配免疫維修、設計方法，很大程度消除定點疲勞內因，從而大幅度地降低齒輪、軸承故障率，延長壽命，以利于保障安全運行。

圖2

表1 2008-2013年的5年全國SS4和SS4BS車的齒輪報警統計

2.2 齒輪箱共振破裂理論及免疫維修和智慧運維防范方法

齒輪箱是高速列車動力傳動的關鍵設備，是高速動車組的十大配套技術之一，也是動車組傳動系統中最重要的傳動環節之一，對精度和可靠性的要求高，設計制造難度大，與行車安全有很大關系。面對大量發生的齒輪箱及相關部件裂紋等故障，一些國際制造商均束手無策，既不能自動識別已經發生的嚴重故障，也未識別引發故障的原因，更沒有提出避免現有齒輪箱等部件快速發生、急劇擴展故障的對策。

齒輪箱意外裂紋主要始于箱體多種高Q值低阻尼結構模態在意外的同頻振動激勵下發生共振，所述意外的同頻振動包括齒輪嚙合振動，多種軸承的外環、內環、滾子在不同轉速下的正常振動及定點疲勞激勵。

圖3

齒輪箱的設計師們在設置齒輪箱的不可避免的共振頻率時，也許僅考慮了回避并高于高速軸的不平衡振動頻率，認為只要遠高于它就能“相安無事”。而測試診斷卻發現：還需考慮更高頻率的若干激勵因素，如齒輪的嚙合頻率，多種軸承的內環、外環、滾動體振動頻率。防止這些激勵與齒輪箱的、特別是低阻尼的固有頻率同頻共振。如果忽視了這些高頻激勵，就勢必出現出乎意料的共振。

在CRH5齒輪箱的振動監測中，我們不僅如前所述利用齒輪嚙合頻率振動、軸承內外環及滾動體的振動偵察到了齒輪箱的共振頻率，而且通過變轉速的振動數據發現該齒輪箱的共振阻尼甚低。因為同一個激勵源（非齒輪端軸承外環2階振動）激勵齒輪箱，在約1507r/min共振轉速時，在齒輪側出現的振動達到13．44g，如圖3（b）所示，但在轉速稍低（1488r/min）偏離共振轉速時的振動1．26g，上述共振時的振動至少10倍于此，如圖3（c）所示，折算共振阻尼約為0．05。其智慧運維方法是通過實時監測識別，從而避免所有引起大振動的同頻共振因素，以利安全運行。

這還為我們提示了另一個減小共振振動的免疫維修設計途徑：增大齒輪箱的阻尼。例如在齒輪箱外表噴涂高附著能力的、散熱效果好的高分子材料。所增加的質量甚微，但能將振動能量轉換為熱能，而大幅度地減小箱體疲勞。

3 結語

本文簡要闡述“免疫維修、免疫設計”思想、理念，旨在說明：機械故障診斷應立足系統工程的高度，研究機械各組成部件的相互作用，不僅要及時發現故障，更要研究故障高發的原因，提出減少故障率的“免疫維修、免疫設計”方法，防止故障頻發、多發、再發，鼎助裝備長期安全運行和智慧運維。

同時基于本文提出的“免疫維修設計”理念，我們針對當前熱點話題的PHM，提出“基于故障機理診斷與免疫維修設計的裝備安全保障、健康管理和智慧運維體系”，即TZ-PHM；“圍繞軌道交通裝備的系統全壽命周期”，支持我國裝備安保領域建立裝備的相關免疫維修設計標準。