基于故障樹診斷方法的機車齒輪傳動裝置故障研究

丁鑫梁 王磊

摘要：轉向架是軌道交通機車車輛的走行部，其性能的好壞影響著機車車輛運行的安全性，而機車用齒輪傳動裝置是轉向架核心傳動部件，一旦發生故障，輕者會造成列車機破，重者會造成機車車輛脫軌、追尾和切軸等惡性事故。本論述闡述了機車齒輪傳動裝置的結構組成和工作原理;分析了齒輪傳動裝置對機車行車安全的影響;詳細介紹了故障樹診斷方法在軌道交通機車車輛上的應用;梳理了機車齒輪傳動裝置的典型故障類別、產生原因、檢查方法和應對措施;并利用故障樹方法搭建了鐵道機車齒輪傳動裝置故障診斷模型。

關鍵詞：齒輪傳動裝置;故障樹;故障診斷方法

中圖分類號：THl32.41;TH165.3 文獻標志碼：A

0引言

轉向架是機車機械裝置中最重要的部件，運用過程中要承擔著機車車輛上部的車體、電氣和機械設備的重量，傳遞機車車輛的牽引力和制動力，引導著機車車輛在平直和曲線的軌道上運行，并緩沖來自機車車輛、軌道、線路不平順等因素對機車車輛的振動和沖擊，確保機車車輛的安全和平穩運行。齒輪傳動裝置是機車轉向架的關鍵裝置，其性能好壞決定了機車車輛運行的安全性，隨著機車車輛的速度逐漸提高，齒輪傳動裝置故障可能造成的損失和危害也逐漸增大，輕則造成機破、臨時停車，嚴重的會造成機車車輛脫軌、追尾等嚴重事故。

齒輪傳動裝置故障診斷理論與技術是涵蓋系統監測、診斷和預測系統工作狀態和故障的綜合學科，包括感知和獲取信號、故障機理和關聯表征、信號處理與特征提取、智能診斷與做出決策。目前，國內外科研工作者對齒輪傳動裝置故障診斷方法研究，主要集中在專家系統、故障樹及PCA等方法的研究。本論述分析研究了故障樹診斷方法，做了機車齒輪傳動裝置定性分析，并搭建了對應的事故樹。

1齒輪傳動裝置故障研究

齒輪傳動裝置是機車轉向架傳動系統的關鍵系統，其主要作用是將牽引電機產生的動能傳遞給輪對，保證高速機車的安全運行。齒輪傳動裝置主要由齒輪箱，主、從動齒輪，軸承等組成，如圖1所示。齒輪箱是齒輪傳動裝置中扭矩傳遞的關鍵零件，它起到連接機車和傳遞動力的作用。齒輪傳動裝置中的主、從動齒輪是傳遞動力主要零件，它們依靠齒輪間的嚙合來傳遞動力。

齒輪傳動裝置是影響機車運行質量的關鍵零部件，若在運行過程中一旦出現裝置故障，機車將會產生不平穩振動，不平穩振動將通過機車轉向架的構架裝置直接傳遞到車體上，這些異常振動不僅影響車廂內旅客乘坐的舒適性，而且容易造成機車上零部件松動或過早疲勞損壞，威脅機車的安全運行。此外齒輪傳動裝置容易出現齒輪箱箱體破損與漏油，齒輪出現異常磨耗和軸承失效的故障，輕微的可能會污染轉向架和降低機車的運行質量，嚴重的可能造成列車切軸的事故發生。

齒輪傳動裝置在使用過程中，一旦發出異常的響聲和振動，很有可能表明齒輪傳動裝置發生了故障。無論出現何種故障時，都必須及時排查，以確保機車齒輪傳動裝置能夠正常工作。表1中列出了機車齒輪傳動裝置的典型故障及解決措施。

2齒輪傳動裝置故障樹診斷方法研究

故障樹分析方法（簡稱FTA）也是一種基于定性模型的故障診斷方法，它使用圖像分析邏輯的方法來預測系統故障的故障原因。它是以估算頂事件（系統已經出現或者將要出現的故障）的發生概率和底事件重要度為目標時間，通過自頂而下層層分析并逐級找出目標事件發生的原因，使用特定的符號表示，并在故障事件和各級故障原因之間建立邏輯關系，是系統可靠性分析、故障檢測與診斷常用的一種分析方法。

故障樹方法既可用定性模型也可以用定量模型，因果關系較為清晰，對導致事故的各種原因及邏輯關系能做出全面、簡潔、形象的描述，對故障源的搜尋直觀簡單。但在實際診斷上并非都可以建立正確的故障樹結構，一旦故障樹建立不全面或不正確都能將無法進行故障診斷。

故障樹分析法（FTA）己被國內外廣泛應用于鐵路、汽車、核電、航空、軍工、風電等行業。在鐵路行業主要用于機車電器系統、牽引系統、高壓系統、網絡控制系統、轉向架系統等。

齒輪傳動裝置的故障診斷方法研究主要集中在狀態監測儀器和分析系統的開發、提取典型故障特征，診斷方法研究、振動信號處理與分析、故障機理研究以及人工智能AI技術應用等多方面，但由于齒輪傳動裝置安裝隱蔽、拆卸困難、結構復雜、故障多且復雜，無疑增加了齒輪傳動裝置的故障診斷。目前通過振動噪聲診斷方法對齒輪傳動裝置中齒輪和軸承工作中產生的振動噪聲信號進行分析，實現實時工作狀態下的故障診斷。在狀態監視和故障診斷的信號處理和分析方法上也有大量的研究，如應用于鐵路機車轉向架的共振調解故障診斷技術。目前基于故障樹法被認為是一種簡單且有效的齒輪傳動裝置故障診斷方法。

以齒輪傳動裝置中核心的齒輪箱部件為例，采用故障樹法進行故障診斷分析。故障樹分析診斷法建立步驟如下：

（1）收集事故案例，進行事故統計，假想給定系統可能發生的事故。

（2）選擇合理的頂事件（一般以待測對象故障為頂事件）。

（3）搭建正確合理的故障樹。

（4）根據建立的故障樹，對故障進行搜尋和診斷。

根據齒輪傳動裝置的主要失效模式，以和諧系列電力機車“齒輪傳動裝置”作為頂事件創建齒輪傳動裝置故障樹事件表，見表2所列，并根據故障樹事件表搭建了故障樹總圖，如圖2所示。

3結語和展望

機車齒輪傳動裝置是機車轉向架的核心部件，其性能可靠性對于行車安全的重要性不言而喻，采用故障樹診斷方法可有效地節省故障診斷時間，快速地形成解決方案，并在實際工作中可幫助檢修人員快速準確地查找出故障原因并及時處理，確保行車安全。

目前，機車齒輪傳動裝置的故障診斷方法雖在軌道交通現場得到了一定應用，但仍面臨諸如：實際應用不足，方法單一復雜等不足，需要我們在實際運用中不斷改進現有故障診斷方法，并開展多信息融合、多算法結合的智能診斷技術等，以進一步提高機車轉向架齒輪傳動裝置故障診斷的智能化、準確性和快速性。