大型養路機械車軸齒輪箱早期故障智能診斷

沙中玉

（宿遷澤達職業技術學院，江蘇 宿遷 223800）

隨著公路建設快速發展，機械車作為養路工程中的主流用車，其保有量也在逐漸增加。但是在使用過程中，機械車也會產生故障，為避免造成嚴重損失，減少人工排查的運維成本，機械車的早期故障診斷成為一項重要的研究課題。在使用機械車的過程中，車軸齒輪箱漏油、齒輪箱工作時溫度太高以及螺旋錐齒輪打齒等質量問題影響機車轉向架的質量。機械車通過齒輪箱的傳動帶動車軸運行，如果齒輪箱出現問題，就會導致設備損壞、失效或甚至發生事故，對人員和設備安全極易造成危害。隨著技術發展，對車軸齒輪箱進行故障診斷的方法也越來越多，文獻[1]中采用支持向量機的方法對診斷齒輪機進行說明；文獻[2]中通過優化齒輪的參數，延長齒輪的使用壽命，減少故障。

1 大型養路機械車軸齒輪箱早期故障智能診斷方法

1.1 確定車軸齒輪箱傳動設計模式

在養路機械車的車軸齒輪箱選型過程中，根據原動機和工作機的運行設置以及車型等因素，選擇傳動裝置會有差異。。改變傳動裝置，會極大地影響養路機械車的工作性能，為合理分析養路機械車的齒輪箱故障，須確定齒輪箱的設計模式。設計模式基于原動機和工作機的運行設置以及車型等因素而有所差別。確定齒輪箱的設計模式需要綜合考慮很多因素，通過評估原動機和工作機的功率和扭矩要求，確定齒輪箱所須的傳動比例和承載能力；須考慮養路機械車的工作環境和工況，包括工作負載、工作時間和運行速度等。這些因素有助于確定齒輪箱的耐久性和可靠性要求；齒輪箱的結構也是在選型過程中的考慮因素。需要綜合考慮養路機械車的整體結構，保證齒輪箱與其他組件協調，最大程度地提高傳動效率以及空間利用率；要考慮維護和維修便捷，因此選擇易于維護和維修的設計模式，能縮短停機時間和減少維修成本，提高養路機械車的可用性。

根據上述因素，確定車軸齒輪箱傳動設計模式。首先是雙擊圓柱齒輪，該齒輪通常采用斜齒，齒輪兩端主要故障原因為軸變形，變形導致荷載分布不均，因此該型號的齒輪需要較大的剛度，適應機械車在運行中出現變形情況。該齒輪箱示意如圖1所示。

圖1 雙擊圓柱齒輪箱

其次是分流式圓柱齒輪箱，該齒輪箱為抵消運動中的軸向力，通過齒輪的嚙合傳動，讓兩端軸承對稱排列，使其受力均勻。但是結構有些復雜，在組裝過程中，不易清除車軸中油污，易發生阻塞，導致齒輪箱發生故障。

最后是以單級為基礎的圓錐齒輪模式，該形式的齒輪是以軸線的垂直相交為主要進給傳動過程，荷載分布均勻，因此限制了齒寬中的系數。除圓錐型的齒輪模型外，單級齒輪傳動中還有圓柱齒輪模式，該模式可以用于荷載較大或速度較高的場合。該文提出養路機械車用雙極圓柱齒輪進行運動，并對該齒輪箱進行分析[3]。

1.2 調制車軸齒輪箱振動頻率

確定車軸齒輪箱模式，可以根據對該模式的齒輪箱進行振動頻率分析。通過齒輪振動信號的變化，能夠在信號信息的數據分析中，體現齒輪荷載以及旋轉剛度等，故障齒輪能夠以嚙合頻率為傳動核心，對故障齒輪箱所在的軸進行位移調整，在調制變頻帶的過程中，設置齒輪的振動頻率，用振動信號的頻域表示，齒輪箱中的參數計算如公式（1）所示。

式中：M為齒輪在運行中的嚙合頻率；am（t）為齒輪箱中的幅值；Am為齒輪箱中的齒輪m頻率的初始相位；f為齒輪的嚙合頻率。

基于振動理論，對齒輪的振動幅值進行計算，在齒輪的傳動中設置嚙合產生的振動諧波，在齒輪箱的設置中對齒輪箱的沖擊進行計算，通過機械車的行進傳遞在振動中出現的耦合現象，齒輪嚙合頻率如公式（2）所示。

式中：XK（t）為振動中的載波信號；DE（t）為齒輪箱所連接的車軸轉頻產生的信號。

在齒輪傳動中，由齒輪嚙合產生沖擊振動，在振動過程中會出現互相耦合的現象，通過齒輪箱與車軸間傳遞振動，在齒輪箱與車軸間的傳遞過程中，振動信號受到齒輪箱結構的限制和特性的影響。齒輪箱內部的阻尼效應和傳遞路徑上的各種共振現象也會對傳遞振動信號產生影響。箱體接收振動信號[4]，其作為振動信號的傳輸介質非常重要，能反映齒輪傳動系統中的振動情況。對箱體的振動信號進行齒輪箱早期故障特征提取，可以得到有關齒輪傳動系統的整體工作狀態和性能信息。

1.3 提取齒輪箱早期故障特征

在調制車軸齒輪箱振動頻率完成后，提取和分析齒輪箱的故障特征，建立相應的診斷模型，對故障進行智能診斷。

齒輪箱作為養路機械車中的主要傳動部件，通過傳輸柴油機的功率，以齒輪的傳動帶動車軸運行，使整個機械性能夠運動，該文以養路機械車的齒輪箱為建模對象，通過模型對故障特征進行排查。

在養路機械車運行過程中，柴油機轉動產生扭矩，轉矩通過聯軸器傳遞到小齒輪軸，根據大、小齒輪齒數比帶動大齒輪旋轉，大齒輪直接固定在機械車的車軸上，使車輪旋轉，進而驅動機械車向前行駛。通過諧波計算，根據上述的振動信號，在建立模型的基礎上，對機械車的故障模型進行初步向量計算，通過構建高維模型映射故障，為減少計算量，對其進行降維處理，在高維空間對低維的特征映射中，設置故障振動信號的振動頻率，并且設定相應的故障約束。對振動信號的頻率進行周期性分析，計算如公式（3）所示。

式中：n為振動信號內的振動波數，不僅連接故障問題中的特征向量，也對E進行歸一化處理，構造特征向量T。通過在模型中體現的故障問題，提取齒輪箱的故障特征[5]。

1.4 實現齒輪箱早期故障智能診斷

基于齒輪箱中磨損、剝落斷齒等問題，通過分析振動信號，診斷齒輪箱的故障。齒輪箱的工作環境較為惡劣，并且工況多變，因此在分析幀振動信號的過程中，故障診斷基于智能化基礎設計。

當軸承出現裂縫或者剝落等故障時，損傷部位會隨著軸承的周期性轉動產生沖擊振動，在頻域中表現特征頻率，盡管帶寬較寬，但多數會淹沒在軸承配合運動的過程中，這就是常見的共振和諧振。在車軸和齒輪的配合運動中，按照齒輪的要求對齒輪箱結構進行設定，進而通過連接箱體間軸承，確定車軸的型號。該文以大齒輪一側的車軸為研究對象，首先確認機械零件的型號，設定診斷中的數值。其次以振動信號的特征頻率為分析基點，分析故障位置的頻率，通過頻率信號的振動幅值以及分析固有幅值的頻率，設置故障頻率的傳動模式，最后分析齒輪箱的故障問題，對故障進行智能診斷[6]。

2 試驗論證

2.1 試驗說明

在該大型養路機械車軸齒輪箱早期故障智能診斷試驗中，為驗證該文設計的智能診斷方法的有效性，通過搭建仿真試驗環境，對診斷方法進行精度驗證。在仿真試驗環境中，將該文提出的方法與傳統的齒輪箱早期故障智能診斷方法進行比較，為簡潔表述該文的對比試驗，以該文設計的方法為試驗組，傳統方法為對照組。

在試驗的仿真環境中，為有足夠的對照數據，該文選擇機械車軸齒輪箱中的歷史故障數據，通過分析試驗環境的數據，提取236份樣本，隨機選擇其中的部分樣本，將提取的樣本作為訓練樣本，以提高智能診斷的診斷精度。再從剩下的故障數據中隨機選擇部分數據，分為5組試驗樣本，分別為樣本1到樣本5。樣本中的故障數據分別為12份、19份、26份、34份和49份，為減少誤差，通過隨機化數量的排列對其進行改進。為避免智能診斷方法失真，需要間隔性進行故障診斷，在多次試驗后，獲得試驗結果。

2.2 試驗準備

養路機械車采用液力換向的傳動方式，分為不同的軸重形式，轉向架以不同的牽引噸位設置車軸的齒輪箱，機械車的動力設備由柴油機發動，通過萬向軸傳動帶動輸入軸，進而由輪帶動機械車運行，因此車軸的齒輪箱是機械車運動的核心。

車軸齒輪箱的故障包括漏油、工作時間過久導致溫度升高以及螺旋錐齒輪打齒。車軸在齒輪箱中組合，其運行出現問題會使齒輪箱箱體變形導致箱體受損，出現漏油的情況。當齒輪箱組裝的開口墊切口過大時，會導致車軸與齒輪箱組裝后，開口點的間隙出現漏油現象；在齒輪箱組裝的過程中，車軸面上的污物清理不足會導致回油阻力過大，造成齒輪箱的漏油問題。當機械車選型不正確時，在養路工程中產生超負荷作業，會導致齒輪箱中的齒輪瞬間扭矩過大，傘齒輪連接不好，出現打齒問題。齒輪正常嚙合與非正常嚙合的區別如圖2所示。

圖2 齒輪齒隙對比圖（單位：mm）

基于精度試驗對上述問題進行測定，首先，在齒輪箱加工前，確定箱體的加工過程，消除齒輪加工后的變形，避免齒輪箱在作業中碰傷。其次，齒輪開口墊的加工過程，由原先的大開口變成小開口，并且對開口處進行相應填充，最后，對箱體進行組裝，密封膠充分固化后進行分箱組裝，防止液態密封膠流動后堵塞回油孔，合理配置機車型號，避免機車選型不當導致機車超負荷作業。在養路機械車運行過程中，工作的齒輪參數見表1。

表1 齒輪參數

養路機械車行進時為兩軸驅動，前轉向架的兩軸為主動軸，傳動路線為：發動機-液力變矩器-變速箱-輸出軸-分動箱-傳動軸-車軸齒輪箱-車輪，根據機械車的故障問題及行進流程，搭建基于機械車的齒輪箱早期故障的仿真環境。

2.3 試驗結果

對比試驗組和對照組的故障智能診斷方法，在多次故障智能診斷試驗中，既能仿真模擬，也能延遲保護相應的齒輪嚙合。不同診斷方法的智能診斷結果見表2。

表2 兩種配網設備故障智能診斷對比結果

在多次試驗故障樣本的診斷中，對該文設計的方法進行充分測定。根據表2的試驗結果可知，試驗組在5組樣本中智能診斷的平均精確度為93.67%，對照組智能診斷的平均精確度為74.55%。在樣本4中存在34份故障數據，試驗組能對其進行準確診斷，但是隨著樣本故障次數增加，試驗組的診斷精度有所下降，該試驗為驗證診斷方法的精確度，設置了較多故障次數，因此在實際情況中，通常不會出現多次短間隔故障問題。對照組的智能診斷存在不穩定性，隨著故障次數增加，不穩定性也更明顯。所以分析試驗結果，可以得出該文設計的方法對大型養路機械車軸齒輪箱故障智能診斷有效，可以保證智能診斷精確度。

3 結語

該文對大型養路機械車軸齒輪箱進行研究，分析早期故障的智能診斷方法。在該文研究中，通過車軸齒輪箱的設計模型，對齒輪箱的傳動工況以及故障特征進行分析，在模型診斷中實現智能化運用，排除機械車的故障。但是該文的試驗設計缺少機械車型號的分類，對齒輪箱的設計過程考慮不夠全面，后續會查閱相關文獻，繼續研究。