JD160牽引電機齒輪軸失效智能診斷研究

寧華冰

（中國鐵路南寧局集團有限公司 科學技術研究所，工程師，廣西 南寧 530029）

引言

HXD1C型機車JD160牽引電機齒輪軸、軸套失效，易導致行車事故，嚴重威脅行車安全，干擾行車秩序。由于出現(xiàn)故障的窗口期約為7天，時間較短，過了窗口期故障特征波形消失；故障產(chǎn)生的特征振動dB值偏低，低于觸發(fā)報警的最低閾值51dB，上述因素使故障精準診斷變得異常困難。因此，急需研究高效使用的故障診斷技術方案，提高故障診斷準確率。

1 原因分析

HXD1C型機車JD160牽引電機齒輪軸、軸套結(jié)構(gòu)（參考圖1）。對首例故障進行金相組織分析，分析報告表明：故障主動齒輪軸雙油槽結(jié)構(gòu)，齒輪軸出現(xiàn)裂紋的第一道油槽處于外部軸承配合承載區(qū)域，在運用過程中承受較大應力，由于油槽與徑向油孔相貫線位置未做好圓滑倒角處理，容易在表面缺陷處因應力集中且在長時間累積損傷作用下產(chǎn)生疲勞裂紋的萌生與擴展。對小齒輪軸油槽與徑向油孔相貫線處進行修磨處理過程中發(fā)現(xiàn)個別位置亦未能保證光滑過渡，存在較深的加工刀紋及溝槽，在服役載荷作用下，油孔倒角特別是表面加工刀紋溝槽較深區(qū)域因應力集中效應繼續(xù)誘發(fā)開裂，并不斷疲勞擴展導致斷裂，斷裂面（參考圖2），初期裂痕（參考圖3）。后續(xù)檢測的單油槽齒輪軸故障原因可參考雙油槽。

圖1 JD160牽引電機主動齒輪軸結(jié)構(gòu)圖

圖2 JD160牽引電機主動齒輪軸斷裂面

圖3 JD160牽引電機齒輪軸裂痕

2 智能診斷方案

2.1 制定智能化診斷方案

JD160牽引電機主動齒輪軸首例故障前81天的完整6A系統(tǒng)AT1子系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析表明，故障產(chǎn)生圓錐運動周期信號，最明顯位置為斜對稱的2、4位。以D端電機軸承中心線為界，4位懸臂長于2位，2位距離振動源較4位近(參考圖4)。4位信號強度略強于2位，4位信號強度較2位高1～3dB。因此選擇2、4位作為該故障振動信號的檢測點。

圖4 JD160電機裝置結(jié)構(gòu)及2、4位傳感器位置

2.1.1 AT1數(shù)據(jù)分析地面分析軟件自動機篩將JD160牽引電機齒輪軸故障診斷的AT1傳感器安裝在2、4位。JD160牽引電機齒輪軸故障分析定量標準為：2、4位齒輪軸圖譜異常值Y設定為45dB≤Y＜51dB，以地面分析軟件齒輪軸故障識別工具補丁方式植入AT1軟件，實現(xiàn)軟件自動篩查功能，提高故障篩查效率。如圖5，AT1數(shù)據(jù)分析中，2、4位檢測值Y滿足45dB≤Y＜51dB；自動機篩定性標準：頻域譜圖中存在齒輪、臨齒輪1、2、3階均對應的圖譜樣本。滿足上述兩個條件，系統(tǒng)產(chǎn)生臨齒輪故障“關注”提示。

圖5 2位AT1數(shù)據(jù)分析真故障波形圖

2.1.2 接收臨齒輪故障“關注”提示后，人工確認時域圖人工根據(jù)AT1地面分析主界面“關注”提示字樣，按以下標準進行精密分析。確認時域譜圖的“小齒輪周期線”波峰，即故障波形黑色豎線數(shù)量占小齒輪周期線（灰色豎線）數(shù)量的80%以上。以圖5為例，全域共有65條灰色豎線，實際檢測的故障波形黑色豎線共60條，占比92.3%。滿足這個條件可以判斷該測點故障特征明顯，需提報故障：

JD160牽引電機齒輪軸圖譜異常II類故障：2、4位同時出現(xiàn)齒輪嚙合振動異常圖譜，定義為“齒輪軸圖譜異常II類故障”。

JD160牽引電機齒輪軸圖譜異常I類故障：2、4位單獨出現(xiàn)異常圖譜，上述故障定義為“齒輪軸圖譜異常I類故障”。

2.1.3 技術響應措施JD160牽引電機齒輪軸圖譜異常處置優(yōu)先級：JD160齒輪軸圖譜異常II類故障＞JD160牽引電機齒輪軸圖譜異常I類故障。

II類故障技術響應方案：更新牽引電機。

I類故障技術響應方案：落故障位齒輪箱下箱，外觀檢查主動齒輪齒面、齒輪軸可視部分；對齒輪軸、軸套進行超聲波無損檢測。

2.1.4 齒輪軸、軸套超聲波無損檢測包括探傷器材，探傷儀校驗，探傷過程。

探傷器材。采用數(shù)字式超聲波探傷儀。4P20 3.5°縱波小角度探頭。探傷試塊。TZS-R、CSK-1。標準試塊。牽引電機齒輪軸實物對比、牽引電機齒輪軸套實物對比試塊。

探傷儀校驗。測距標定:將探頭置于CSK-1A試塊上,校準探頭對應通道的聲速、零值、K值，設置探測范圍為400mm。初始靈敏度調(diào)節(jié):將探頭置于電機齒輪軸實物試塊探測面上（端面），外圓面范圍移動探頭，找出轉(zhuǎn)軸實物試塊上254.5 mm處2mm深度的人工切槽的最高反射波，并調(diào)至顯示屏滿幅度的80%，作為探傷初始靈敏度。

探傷過程。探測面為齒輪軸、軸套的端面，由此入射的超聲波能達到的內(nèi)部區(qū)域為超聲波探傷區(qū)域（參考圖6）。探頭重點掃查距齒輪軸端面245mm～260mm部位處，耦合劑涂抹均勻，保證耦合良好。探頭置于探測面靠近內(nèi)圓面范圍，聲束指向壓裝部，以鋸齒形方式全面掃查，在先確定油槽后沿波的基礎上，觀察是否存在異常波，應盡量掃查到工件的整個被檢區(qū)域，掃查速度≤50mm∕s。掃查時觀察波形，閘門內(nèi)波形為故障反射波（參考圖7）。缺陷定量：以人工切槽深度±2mm缺陷波高與基準缺陷反射波的差值dB數(shù)來表示。缺陷處理。缺陷超標的電機齒輪軸，更新處理。

圖6 4P20 3.5°探頭在齒輪軸試塊探傷檢測

圖7 4P20 3.5°探頭檢測齒輪軸試塊缺陷反射波形

以HXD1C型600機車第2軸JD160牽引電機2、4位為例，同時滿足機篩頻域譜對應關系和人工確認時域譜對應關系的有效AT1數(shù)據(jù)參考圖5、圖8：AT1軟件自動機篩2、4位出現(xiàn)疑似故障，人工篩查判斷為真故障。以HXD1C型6012機車第3軸JD160牽引電機4位為例，僅滿足機篩頻域譜對應關系，人工確認時域譜不滿足對應關系的無效AT1數(shù)據(jù)見（參考圖9）：3軸4位AT1軟件自動機篩出現(xiàn)疑似故障，人工篩查判斷為偽故障。

圖8 4位AT1數(shù)據(jù)分析真故障波形圖

圖9 4位AT1數(shù)據(jù)分析偽故障波形圖

這個技術方案將故障診斷分析的陣地前移至數(shù)據(jù)分析組進行實時監(jiān)測，贏得寶貴的普查先機，并為常態(tài)化分析奠定基礎。

3 效果分析

3.1 應用實例

通過智能化診斷方案應用篩查出的部分故障案例見表1。

表1 部分故障案例AT1數(shù)據(jù)分析及分解結(jié)果

3.2 制定的故障智能化診斷方案應用效果分析

2021年中國鐵路南寧局集團有限公司南寧機務段實施AT1數(shù)據(jù)分析分級標準響應技術措施前，2021年通過初篩提報的2、4位疑似故障案例227例。實施AT1數(shù)據(jù)分析分級標準響應技術措施后，篩查HXD1C牽引電機主動齒輪軸及軸套裂損故障30例。故障篩查有效率由方案實施之前的13.2%提高至方案實施之后的100%，杜絕HXD1C牽引電機電樞軸（軸套）帶病運行。

該技術方案聚焦AT1數(shù)據(jù)分析定性定量篩查＋超聲波無損檢測技術，提升AT1分析工程技術人員素質(zhì)與提升AT1診斷系統(tǒng)功能相結(jié)合，提升探傷人員素質(zhì)與提升超聲波設備功能相結(jié)合。該技術方案有效融合發(fā)揮AT1具備實時監(jiān)測檢測且數(shù)據(jù)庫龐大的優(yōu)點、無損檢測精準度高的優(yōu)點；摒棄AT1檢測精準度較低，無損檢測工作量偏大、勞效偏低的缺點，有效提高該技術方案綜合診斷精準度及效率，是該故障智能化診斷方案的核心要素。實施該套技術方案后故障診斷有效率提升至100%，提高了AT1數(shù)據(jù)分析、探傷人員的技術信心，進一步提高機務檢修從業(yè)人員科技素養(yǎng)，在數(shù)據(jù)分析及探傷標準-效果驗證-提高分析精確性-回歸數(shù)據(jù)分析的良性循環(huán)方面提供豐富的實際案例支撐。

4 結(jié)論

圍繞JD160型電機電樞軸、軸套故障難以診斷的特點，提出AT1數(shù)據(jù)分析分級標準并引入超聲波無損檢測的技術措施。2020年12月至2022年6月，在中國鐵路南寧局集團有限公司南寧機務段通過落實AT1數(shù)據(jù)分析分級標準響應技術措施，JD160型電機電樞軸、軸套故障診斷準確率達到100%，杜絕HXD1C牽引電機齒輪軸（軸套）帶病運行。