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；故障產生的特征振動dB值偏低，低于觸發報警的最低閾值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、軸套結構（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構，齒輪軸出現裂紋的第一道油槽處于外部軸承配合承載區域，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現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域因應力集中效應繼續誘發開裂，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構圖

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AT1子系統數據分析表明，故障產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電機裝置結構及2、4位傳感器位置

2.1.1 AT1數據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，實現軟件自動篩查功能，提高故障篩查效率。如圖5，AT1數據分析中，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，系統產生臨齒輪故障“關注”提示。

圖5 2位AT1數據分析真故障波形圖

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量占小齒輪周期線（灰色豎線）數量的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。初始靈敏度調節: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部區域為超聲波探傷區域（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域，掃查速度≤50mm∕s。掃查時觀察波形，閘門內波形為故障反射波（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數據參考圖5、圖8：AT1軟件自動機篩2、4位出現疑似故障，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數據見（參考圖9）：3軸4位AT1軟件自動機篩出現疑似故障，人工篩查判斷為偽故障。

圖8 4位AT1數據分析真故障波形圖

圖9 4位AT1數據分析偽故障波形圖

這個技術方案將故障診斷分析的陣地前移至數據分析組進行實時監測，贏得寶貴的普查先機，并為常態化分析奠定基礎。

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數據分析及分解結果

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數據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數據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數據分析定性定量篩查＋超聲波無損檢測技術，提升AT1分析工程技術人員素質與提升AT1診斷系統功能相結合，提升探傷人員素質與提升超聲波設備功能相結合。該技術方案有效融合發揮AT1具備實時監測檢測且數據庫龐大的優點、無損檢測精準度高的優點；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數據分析、探傷人員的技術信心，進一步提高機務檢修從業人員科技素養，在數據分析及探傷標準-效果驗證-提高分析精確性-回歸數據分析的良性循環方面提供豐富的實際案例支撐。

4 結論

圍繞JD160型電機電樞軸、軸套故障難以診斷的特點，提出AT1數據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數據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。