免疫维修设计鼎助装备安全运行与智慧运维

2019-02-22唐德尧李修文黄贵发曾承志

中国设备工程 2019年2期

唐德尧，李修文，黄贵发，曾承志

（1.唐智科技湖南发展有限公司，湖南长沙 410083；2.北京唐智科技发展有限公司，北京 100096）

机械故障诊断是保障装备安全运行的有效手段，对于传统的故障模式如轴承故障、齿轮故障、转子故障、车轮踏面故障，目前国内外已有大量成功应用的经验。当前机械故障诊断的热点是如何更早地发现早期故障，这主要是依靠提高检测技术和微弱信号处理技术；如何进行故障预测，这主要是依靠机械系统模型仿真和机器学习方法；如何进行历史的大数据统计，这主要是依靠数据统计和模糊处理方法。有学者提出了“机械故障诊断基础研究‘何去何从’”的讨论。故障诊断工作者易忽视研究故障产生的根源，以及如何通过科学维修消除故障产生的原因。本文提出了“免疫维修设计”理念，指出机械故障诊断应立足系统工程的高度，研究机械各组成部件的相互作用，不仅要及时发现故障，更要研究故障高发的原因，提出减少故障率的“免疫维修、免疫设计”方法，防止故障频发、多发、再发，鼎助装备长期安全运行和智慧运维。同时结合多年来在轨道交通领域针对故障机理、诊断理论研究所积累的经验，列出了部分支持免疫维修设计理念的实例。

1 免疫维修设计

免疫维修设计是指利用基于故障机理分析的主动、实时诊断和预警技术，确认故障频发、多发的根因，指导机械装备的设计、维修、制造、装配、运维，从顶层设计或科学维修、合理运维环节消除或减少那些导致故障的原因。

1.1 特殊自然规律的普遍性

机械装备发生故障“病患”的主要因素，也是如同人类的“器质”缺陷等内因所导致的一样。

1.2 免疫维修设计与自愈工程的联系与区别

“人工自愈及自愈工程”理论的方法论和优越性在于：对设备“增加故障自愈调控系统（FSR），可在确保安全的前提下大幅度地减少故障停机”，其特征在于以监测诊断数据为依据，以附加的自愈调控系统进行主动控制，克服危害机械安全的“病态”，实现机械故障或故障状态的“自愈”，达到保障其安全和延长其寿命的目的。似乎是增设某种外因条件来克服、改善或改变将导致故障的内因。由此导致的对机械“增加故障自愈调控系统（FSR）”在若干情况下是必要的、必须的。

因此，“自愈工程”关键是需要增加一套故障自愈调控系统，然而对于轨道交通领域来说，再增加需经过监测和FSR机电附件进行的复杂的主动控制，却几乎是难以接受的。

免疫维修设计不是额外增加自愈调控系统，而是在设计、维修、制造、装配或运维阶段，根据故障机理分析的主动、实时诊断所发现的多发故障原因，包括内因和外因，进行针对性的维修策略、制造工艺、运用规则等顶层设计，以期通过实施，达到消除或减少故障或抑制故障快速发展、延长部件寿命的目标。

因此，“免疫维修设计”与“人工自愈工程”所能达到的效果是相似的，但实现途径却并不相同。

2 支持免疫维修设计理念的实例

2.1 定点疲劳理论及轴承齿轮匹配免疫维修、设计方法

SS4某机车上安装的走行部在线监测故障诊断系统发生齿轮报警，共振解调检测的冲击波形和谱图特征均体现为4组均布故障，见图1所示。探伤检查发现，大齿轮出现多处裂纹，基本的分布规律为沿圆周等分为4组，其中的3组被探伤证实，还有可能的一组没有探测到明显的故障。

图1 大齿轮存在4组均布故障点

在提出定点疲劳理论之前，人们认为齿轮是均衡承载的，故障总是从1个位置首先随机发生的，即使有多故障出现也不可能是均布的和几乎同步发生的，以致根据“多个同类故障的归类诊断准则”判断初期故障的预警信息特征，应当是齿轮每转动一周出现一次故障冲击，或者尽管有多个故障但一定有只存在一个故障时必然出现的1阶谱，以致对于检测发现的齿轮每转动一周出现多个几乎均布的故障冲击困惑不解。但在提出了定点疲劳理论后，通过对齿轮和轴承参数匹配关系的计算得悉该齿轮的疲劳规律之后，才认识到齿轮上多个均布故障同时出现是有理论依据的。

机械传动系统不免突现特殊径向载荷，若齿轮和轴承存在不当的组合，将导致均布的若干齿和轴承的若干滚子单独承载而加速特定齿和承载区滚道疲劳损坏，即定点疲劳。

图2（a）和图2（b）是SS4型机车定点疲劳计算的结果：SS4型机车大齿轮存在8和4等分定点疲劳。由于该车型大齿轮齿数为88，其8等分齿数为11个齿，而2个8等分齿数为22个齿，接近于小齿轮齿数21，故考虑外因条件，即小齿轮与之啮合的周期作用力而扩大搜索范围，则计算还发现大齿轮发生4等分疲劳。

图3（a）是SS4BS型机车定点疲劳计算的结果。虽然在大小齿数上与SS4型机车一致，大齿数为88，小齿数为21，但因更换了轴承型号，通过定点疲劳理论计算，证明已消除集中的齿轮定点疲劳因素，所以认为其齿轮和轴承更为匹配，故障率会降低。

对2008～2013年的5年全国SS4和SS4BS车的齿轮报警统计，结果如表1所示，其中报警比的计算方法为：SS4BS报警次数/SS4报警次数/车数比。

可以看出，SS4BS车型较SS4车型的齿轮、轴承匹配更为合理，能大幅度降低齿轮的故障率。定点疲劳理论所述的轴承齿轮匹配免疫维修、设计方法，很大程度消除定点疲劳内因，从而大幅度地降低齿轮、轴承故障率，延长寿命，以利于保障安全运行。

图2

表1 2008-2013年的5年全国SS4和SS4BS车的齿轮报警统计

2.2 齿轮箱共振破裂理论及免疫维修和智慧运维防范方法

齿轮箱是高速列车动力传动的关键设备，是高速动车组的十大配套技术之一，也是动车组传动系统中最重要的传动环节之一，对精度和可靠性的要求高，设计制造难度大，与行车安全有很大关系。面对大量发生的齿轮箱及相关部件裂纹等故障，一些国际制造商均束手无策，既不能自动识别已经发生的严重故障，也未识别引发故障的原因，更没有提出避免现有齿轮箱等部件快速发生、急剧扩展故障的对策。

齿轮箱意外裂纹主要始于箱体多种高Q值低阻尼结构模态在意外的同频振动激励下发生共振，所述意外的同频振动包括齿轮啮合振动，多种轴承的外环、内环、滚子在不同转速下的正常振动及定点疲劳激励。

图3

齿轮箱的设计师们在设置齿轮箱的不可避免的共振频率时，也许仅考虑了回避并高于高速轴的不平衡振动频率，认为只要远高于它就能“相安无事”。而测试诊断却发现：还需考虑更高频率的若干激励因素，如齿轮的啮合频率，多种轴承的内环、外环、滚动体振动频率。防止这些激励与齿轮箱的、特别是低阻尼的固有频率同频共振。如果忽视了这些高频激励，就势必出现出乎意料的共振。

在CRH5齿轮箱的振动监测中，我们不仅如前所述利用齿轮啮合频率振动、轴承内外环及滚动体的振动侦察到了齿轮箱的共振频率，而且通过变转速的振动数据发现该齿轮箱的共振阻尼甚低。因为同一个激励源（非齿轮端轴承外环2阶振动）激励齿轮箱，在约1507r/min共振转速时，在齿轮侧出现的振动达到13．44g，如图3（b）所示，但在转速稍低（1488r/min）偏离共振转速时的振动1．26g，上述共振时的振动至少10倍于此，如图3（c）所示，折算共振阻尼约为0．05。其智慧运维方法是通过实时监测识别，从而避免所有引起大振动的同频共振因素，以利安全运行。

这还为我们提示了另一个减小共振振动的免疫维修设计途径：增大齿轮箱的阻尼。例如在齿轮箱外表喷涂高附着能力的、散热效果好的高分子材料。所增加的质量甚微，但能将振动能量转换为热能，而大幅度地减小箱体疲劳。