大型养路机械车轴齿轮箱早期故障智能诊断

时间：2024-05-17

沙中玉

（宿迁泽达职业技术学院，江苏宿迁 223800）

随着公路建设快速发展，机械车作为养路工程中的主流用车，其保有量也在逐渐增加。但是在使用过程中，机械车也会产生故障，为避免造成严重损失，减少人工排查的运维成本，机械车的早期故障诊断成为一项重要的研究课题。在使用机械车的过程中，车轴齿轮箱漏油、齿轮箱工作时温度太高以及螺旋锥齿轮打齿等质量问题影响机车转向架的质量。机械车通过齿轮箱的传动带动车轴运行，如果齿轮箱出现问题，就会导致设备损坏、失效或甚至发生事故，对人员和设备安全极易造成危害。随着技术发展，对车轴齿轮箱进行故障诊断的方法也越来越多，文献[1]中采用支持向量机的方法对诊断齿轮机进行说明；文献[2]中通过优化齿轮的参数，延长齿轮的使用寿命，减少故障。

1 大型养路机械车轴齿轮箱早期故障智能诊断方法

1.1 确定车轴齿轮箱传动设计模式

在养路机械车的车轴齿轮箱选型过程中，根据原动机和工作机的运行设置以及车型等因素，选择传动装置会有差异。。改变传动装置，会极大地影响养路机械车的工作性能，为合理分析养路机械车的齿轮箱故障，须确定齿轮箱的设计模式。设计模式基于原动机和工作机的运行设置以及车型等因素而有所差别。确定齿轮箱的设计模式需要综合考虑很多因素，通过评估原动机和工作机的功率和扭矩要求，确定齿轮箱所须的传动比例和承载能力；须考虑养路机械车的工作环境和工况，包括工作负载、工作时间和运行速度等。这些因素有助于确定齿轮箱的耐久性和可靠性要求；齿轮箱的结构也是在选型过程中的考虑因素。需要综合考虑养路机械车的整体结构，保证齿轮箱与其他组件协调，最大程度地提高传动效率以及空间利用率；要考虑维护和维修便捷，因此选择易于维护和维修的设计模式，能缩短停机时间和减少维修成本，提高养路机械车的可用性。

根据上述因素，确定车轴齿轮箱传动设计模式。首先是双击圆柱齿轮，该齿轮通常采用斜齿，齿轮两端主要故障原因为轴变形，变形导致荷载分布不均，因此该型号的齿轮需要较大的刚度，适应机械车在运行中出现变形情况。该齿轮箱示意如图1所示。

图1 双击圆柱齿轮箱

其次是分流式圆柱齿轮箱，该齿轮箱为抵消运动中的轴向力，通过齿轮的啮合传动，让两端轴承对称排列，使其受力均匀。但是结构有些复杂，在组装过程中，不易清除车轴中油污，易发生阻塞，导致齿轮箱发生故障。

最后是以单级为基础的圆锥齿轮模式，该形式的齿轮是以轴线的垂直相交为主要进给传动过程，荷载分布均匀，因此限制了齿宽中的系数。除圆锥型的齿轮模型外，单级齿轮传动中还有圆柱齿轮模式，该模式可以用于荷载较大或速度较高的场合。该文提出养路机械车用双极圆柱齿轮进行运动，并对该齿轮箱进行分析[3]。

1.2 调制车轴齿轮箱振动频率

确定车轴齿轮箱模式，可以根据对该模式的齿轮箱进行振动频率分析。通过齿轮振动信号的变化，能够在信号信息的数据分析中，体现齿轮荷载以及旋转刚度等，故障齿轮能够以啮合频率为传动核心，对故障齿轮箱所在的轴进行位移调整，在调制变频带的过程中，设置齿轮的振动频率，用振动信号的频域表示，齿轮箱中的参数计算如公式（1）所示。

式中：M为齿轮在运行中的啮合频率；am（t）为齿轮箱中的幅值；Am为齿轮箱中的齿轮m频率的初始相位；f为齿轮的啮合频率。

基于振动理论，对齿轮的振动幅值进行计算，在齿轮的传动中设置啮合产生的振动谐波，在齿轮箱的设置中对齿轮箱的冲击进行计算，通过机械车的行进传递在振动中出现的耦合现象，齿轮啮合频率如公式（2）所示。

式中：XK（t）为振动中的载波信号；DE（t）为齿轮箱所连接的车轴转频产生的信号。

在齿轮传动中，由齿轮啮合产生冲击振动，在振动过程中会出现互相耦合的现象，通过齿轮箱与车轴间传递振动，在齿轮箱与车轴间的传递过程中，振动信号受到齿轮箱结构的限制和特性的影响。齿轮箱内部的阻尼效应和传递路径上的各种共振现象也会对传递振动信号产生影响。箱体接收振动信号[4]，其作为振动信号的传输介质非常重要，能反映齿轮传动系统中的振动情况。对箱体的振动信号进行齿轮箱早期故障特征提取，可以得到有关齿轮传动系统的整体工作状态和性能信息。

1.3 提取齿轮箱早期故障特征

在调制车轴齿轮箱振动频率完成后，提取和分析齿轮箱的故障特征，建立相应的诊断模型，对故障进行智能诊断。

齿轮箱作为养路机械车中的主要传动部件，通过传输柴油机的功率，以齿轮的传动带动车轴运行，使整个机械性能够运动，该文以养路机械车的齿轮箱为建模对象，通过模型对故障特征进行排查。

在养路机械车运行过程中，柴油机转动产生扭矩，转矩通过联轴器传递到小齿轮轴，根据大、小齿轮齿数比带动大齿轮旋转，大齿轮直接固定在机械车的车轴上，使车轮旋转，进而驱动机械车向前行驶。通过谐波计算，根据上述的振动信号，在建立模型的基础上，对机械车的故障模型进行初步向量计算，通过构建高维模型映射故障，为减少计算量，对其进行降维处理，在高维空间对低维的特征映射中，设置故障振动信号的振动频率，并且设定相应的故障约束。对振动信号的频率进行周期性分析，计算如公式（3）所示。

式中：n为振动信号内的振动波数，不仅连接故障问题中的特征向量，也对E进行归一化处理，构造特征向量T。通过在模型中体现的故障问题，提取齿轮箱的故障特征[5]。

1.4 实现齿轮箱早期故障智能诊断

基于齿轮箱中磨损、剥落断齿等问题，通过分析振动信号，诊断齿轮箱的故障。齿轮箱的工作环境较为恶劣，并且工况多变，因此在分析帧振动信号的过程中，故障诊断基于智能化基础设计。

当轴承出现裂缝或者剥落等故障时，损伤部位会随着轴承的周期性转动产生冲击振动，在频域中表现特征频率，尽管带宽较宽，但多数会淹没在轴承配合运动的过程中，这就是常见的共振和谐振。在车轴和齿轮的配合运动中，按照齿轮的要求对齿轮箱结构进行设定，进而通过连接箱体间轴承，确定车轴的型号。该文以大齿轮一侧的车轴为研究对象，首先确认机械零件的型号，设定诊断中的数值。其次以振动信号的特征频率为分析基点，分析故障位置的频率，通过频率信号的振动幅值以及分析固有幅值的频率，设置故障频率的传动模式，最后分析齿轮箱的故障问题，对故障进行智能诊断[6]。

2 试验论证

2.1 试验说明

在该大型养路机械车轴齿轮箱早期故障智能诊断试验中，为验证该文设计的智能诊断方法的有效性，通过搭建仿真试验环境，对诊断方法进行精度验证。在仿真试验环境中，将该文提出的方法与传统的齿轮箱早期故障智能诊断方法进行比较，为简洁表述该文的对比试验，以该文设计的方法为试验组，传统方法为对照组。

在试验的仿真环境中，为有足够的对照数据，该文选择机械车轴齿轮箱中的历史故障数据，通过分析试验环境的数据，提取236份样本，随机选择其中的部分样本，将提取的样本作为训练样本，以提高智能诊断的诊断精度。再从剩下的故障数据中随机选择部分数据，分为5组试验样本，分别为样本1到样本5。样本中的故障数据分别为12份、19份、26份、34份和49份，为减少误差，通过随机化数量的排列对其进行改进。为避免智能诊断方法失真，需要间隔性进行故障诊断，在多次试验后，获得试验结果。

2.2 试验准备

养路机械车采用液力换向的传动方式，分为不同的轴重形式，转向架以不同的牵引吨位设置车轴的齿轮箱，机械车的动力设备由柴油机发动，通过万向轴传动带动输入轴，进而由轮带动机械车运行，因此车轴的齿轮箱是机械车运动的核心。

车轴齿轮箱的故障包括漏油、工作时间过久导致温度升高以及螺旋锥齿轮打齿。车轴在齿轮箱中组合，其运行出现问题会使齿轮箱箱体变形导致箱体受损，出现漏油的情况。当齿轮箱组装的开口垫切口过大时，会导致车轴与齿轮箱组装后，开口点的间隙出现漏油现象；在齿轮箱组装的过程中，车轴面上的污物清理不足会导致回油阻力过大，造成齿轮箱的漏油问题。当机械车选型不正确时，在养路工程中产生超负荷作业，会导致齿轮箱中的齿轮瞬间扭矩过大，伞齿轮连接不好，出现打齿问题。齿轮正常啮合与非正常啮合的区别如图2所示。

图2 齿轮齿隙对比图（单位：mm）

基于精度试验对上述问题进行测定，首先，在齿轮箱加工前，确定箱体的加工过程，消除齿轮加工后的变形，避免齿轮箱在作业中碰伤。其次，齿轮开口垫的加工过程，由原先的大开口变成小开口，并且对开口处进行相应填充，最后，对箱体进行组装，密封胶充分固化后进行分箱组装，防止液态密封胶流动后堵塞回油孔，合理配置机车型号，避免机车选型不当导致机车超负荷作业。在养路机械车运行过程中，工作的齿轮参数见表1。

表1 齿轮参数

养路机械车行进时为两轴驱动，前转向架的两轴为主动轴，传动路线为：发动机-液力变矩器-变速箱-输出轴-分动箱-传动轴-车轴齿轮箱-车轮，根据机械车的故障问题及行进流程，搭建基于机械车的齿轮箱早期故障的仿真环境。

2.3 试验结果

对比试验组和对照组的故障智能诊断方法，在多次故障智能诊断试验中，既能仿真模拟，也能延迟保护相应的齿轮啮合。不同诊断方法的智能诊断结果见表2。

表2 两种配网设备故障智能诊断对比结果

在多次试验故障样本的诊断中，对该文设计的方法进行充分测定。根据表2的试验结果可知，试验组在5组样本中智能诊断的平均精确度为93.67%，对照组智能诊断的平均精确度为74.55%。在样本4中存在34份故障数据，试验组能对其进行准确诊断，但是随着样本故障次数增加，试验组的诊断精度有所下降，该试验为验证诊断方法的精确度，设置了较多故障次数，因此在实际情况中，通常不会出现多次短间隔故障问题。对照组的智能诊断存在不稳定性，随着故障次数增加，不稳定性也更明显。所以分析试验结果，可以得出该文设计的方法对大型养路机械车轴齿轮箱故障智能诊断有效，可以保证智能诊断精确度。