齿轮箱及传动系统共振破裂自动侦察识别与防范监控方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及齿轮箱及传动系统破裂自动侦察识别及防范监控方法。属于运动机械 装备安全监控技术领域。主要用于高铁运营领域齿轮传动系统、在高铁列车运动中通过监 测齿轮箱及传动系统包括轴承、齿轮零部件的振动加速度与转速、振动频率的变化关系，识 别齿轮箱及传动系统的共振频率、共振转速及共振振动加速度，从而根据振动加速度限制 值提出改变转速、回避共振、降低振动的防范共振破裂的控制对策，进而根据部件破裂所致 刚度及共振频率下降和大幅度共振的裂纹开闭冲击信息发出故障报警，申请及时维修，以 保证高铁安全运营。 技术背景
[0002] 当前，高铁运营领域大量发生齿轮传动系统重大故障，即使采用最新型的国外产 品也不能避免，严重危及高铁运行安全。有文献（2014年08月11日01 :57第一财经日报， 5,473人参与，福伊特供高铁齿轮箱现质量缺陷中国铁总要求停用陈姗姗，张亚青）集中报 道指出：
[0003] 在高铁齿轮箱供应领域的老牌资深劲旅德国福伊特公司，最近在供应中国高铁车 辆零配件的业务上遇到了 "水土不服"，甚至面临被要求暂时停产整顿的尴尬。
[0004] 《第一财经日报》记者昨天独家获悉，由于福伊特供应中国高铁动车组车辆的齿轮 箱，连续出现裂纹、热轴故障等多起问题，中国铁路总公司已经要求车辆生产商暂停使用福 伊特的新结构齿轮箱，而福伊特在上海生产高铁用齿轮箱的工厂，也被要求暂时停产整顿。
[0005] 根据记者了解的情况，出现问题的齿轮箱，主要安装在380B(L)动车组上，昨天， 380B(L)动车组的车辆生产商中国北车（601299.SH)的一位管理层对本报记者表示，目前 公司在陆续更换福伊特的新结构齿轮箱，并在引进更多供应商以分散风险。
[0006] (1)齿轮箱连续出故障：
[0007] 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。
[0008] 此前，我国的高铁齿轮箱供应主要被国外制造商垄断，共中，德国福伊特就是高铁 齿轮箱领域老牌资深的供应商，有40多年的铁路齿轮箱生产经验，并且也向欧洲高铁ICE 供货。
[0009] 不过，这一来自"德国制造"的知名供应商，却在供应中国高铁车辆齿轮箱的过程 中，遇到了 一系列麻烦。
[0010] 自2012年6月27日以来，运行在武广、京沪、哈大等高速客运专线的CRH380B\BL\ CL动车组福伊特齿轮箱，就累计发生箱体裂纹故障45起。为解决这一问题，今年年初开始， 中国北车方而根据"中国铁路总公司运辆动车函[2013]495号"文件的要求，在CRH380B(L) 出厂动车组安装了 100多套福伊特新结构齿轮箱。
[0011] 不过，刚刚安装上的新结构齿轮箱，在六七月份又接连出现问题。根据记者获得 的一份来自中国铁路总公司的每周安全情况分析报告，2014年6月21日，广铁集团配属的CRH380B-6435L车组，就在执行西安北-广州南运输时，06车报齿轮轴承达到过热限制。
[0012] 通过入库进一步检查发现，CRH380B-6435L车组更换的新结构齿轮箱，均存在输出 端车轮侧圆锥滚子轴承、迷宫环、防水挡圈、迷宫盖磨损现象。而在此之前，福伊特的新结构 齿轮箱已经累计发生过热轴故障7起。
[0013] 7月7日，哈尔滨局哈大高铁G49次动车组（CRH380B-6326号）的齿轮箱，再次出 现温度过高问题，为确保动车组运行安全，G49次哈尔滨西站终到后更换热备动车组担当后 续交路。这一动车组，也是刚刚在6月21日才将全列16个齿轮箱更换为新结构福伊特齿 轮箱。
[0014] 7月13日，沈阳局哈大高铁G325次动车组（CRH380B-6326)，再次发生动车组新结 构齿轮箱轴承发热问题。通过对故障齿轮箱分解发现，车轮侧齿轮箱轴承保持架已经热熔 破碎，轴承滚子绝大部分热熔变形，并散落在大齿轮箱箱体内，大部分滚子及保持架已脱离 内圈，脱至齿轮箱内部，在列车高速运行时与大、小齿轮刮碰后破碎。
[0015] "此前老齿轮箱出现的裂纹等问题，与中国高铁线路特殊的地理状况有定关系，比 如与欧洲等平原相比，武广线隧道多，如果风洞效应没有考虑到，运行后就可能出现裂纹问 题，"一位高铁技术领域的专家告诉记者，因此，福伊特的新结构齿轮箱也考虑了加大强度， 但新的问题又产生一一造成齿轮箱温度升高的原因，可能与齿轮箱箱体内部结构在集油及 回油方面设置不合理，集油槽收集到的参与轴承润滑的油量不足，造成输出端轴承的润滑 效果不良有关。
[0016] "齿轮箱轴承过热到一定程度，最坏的结果是轴承失效，但由于车轴轴温过热时， 温度传感器报警装置会自动令高铁停车，因此没有发生什么灾难性的后果"，上述专家指 出，不过，不管是停车还是换车，都影响高铁的正常运行效率。
[0017] ⑵北车急寻更多供应商
[0018] 据记者了解，由于福伊特新结构齿轮箱一系列故障的发生，广州局6435车组和济 南局6231车组一度停止上线，沈阳局6268、6263车组则被要求换回原结构齿轮箱，哈尔滨 局6300、6326、6328车组，路局也尽量减少上线频次。
[0019] 而中国北车正在进行的福伊特新结构齿轮箱更换工作，也被中国铁路总公司要求 暂停，同时，铁总还要求北车对已经装车的福伊特新结构齿轮箱进行更换，并要求已装福伊 特新结构齿轮箱的即将交付的动车组暂停出厂。此外，福伊特在上海生产高铁齿轮箱的工 厂，也被要求暂时停产整顿。
[0020] "铁总此次对福伊特新结构齿轮箱出现问题的相关处罚还是比较严厉"，一位高铁 车辆制造商的内部人士坦陈，而叫停福伊特的供应，也将对车辆制造、运行产生一系列的影 响，比如，车辆制造商可能会遇到无合适零配件及时替换的尴尬，进而影响车辆交付进度。
[0021] "我们已经要求福伊特方面在三个月内解决新结构齿轮箱的问题，并暂停更换新 结构齿轮箱。对于仍在使用老齿轮箱的动车组，我们也提高了检修时的探伤强度等级"，中 国北车一位管理昨天对本报记者透露，而对于要交付的新动车组，目前公司主要以另一家 德国的齿轮箱生产商弗兰德的产品替代，目前已有装配弗兰德齿轮箱的动车组出厂。此外， 为了分散风险，公司还计划增加另一家德国齿轮箱生产商采埃弗成为供应商，不过，其要供 应高铁用齿轮箱，还需要跑完30万公里运行实验后得到铁总的认可，实现批量生产也还需 要时间。
[0022] 不过，上述管理层也坦陈，不管是弗兰德还是采埃弗，相比之下总体设计水平和技 术成熟度最好的还是福伊特，而北车采购的弗兰德齿轮箱价格，还比福伊特高出50%以上。
[0023] 值得注意的是，目前国内的高铁车辆制造商，也在加快自行研制齿轮箱。今年五 月，由中国南车（21. 58,0. 00,0.00%) (601766.SH)戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司 自主研制的我国首套时速380公里动车组列车齿轮箱驱动装置，通过了 30万公里运营考 核，未来中国南车的高铁用齿轮箱有望由国产替代。
[0024] 面对大量发生的齿轮箱及相关部件裂纹等故障，若干国际上老牌的制造商均束手 无策：既不能自动识别已经发生的严重故障，也不能识别引发故障的原因，更不能提出避免 现有齿轮箱等部件快速发生、急剧扩展故障的对策。
[0025] 而为了保障高铁运行安全，急需在及时发现故障、找到引发故障的原因、实时采取 监控对策等方面实现技术突破。
【发明内容】
[0026] 根据发明人在多项专利技术方案中，运用"广义共振和共振解调的机械设备故障 诊断技术"在铁路系统中应用所积累的经验，利用自然辩证法的哲学原理，先分析此类高 铁列车齿轮箱及相关部件大量发生的裂纹等故障事物之外因与内因的辩证关系，确认了此 类机械系统齿轮箱及相关部件大量发生的裂纹等故障，仍然是因共振造成破裂损坏的。而 分析产生共振破裂损坏的内在原因，是因其本身存在低阻尼机械谐振系统所决定的固有频 率，即机械系统的共振频率；齿轮箱及传动系统的固有频率正处于运动机械易于共振的频 谱段，这是事物本身的内因。事物的内因决定了它对外部作用的敏感性，当外界激励振动频 率等于齿轮箱及传动系统的固有频率时，系统就会产生大幅度的同频振动，从而引发齿轮 箱及传动系统发生大幅度、高频度的动态形变，一旦动态形变超过材料疲劳强度极限，就会 发生破裂，这是内因在外因作用下形成的结果。
[0027] 因此，特提出一种齿轮箱及传动系统共振破裂自动侦察识别与防范监控方法。
[0028] 本发明的目的：利用形形色色的外界激励的振动，侦察、识别齿轮箱及传动系统的 共振、共振频率、共振转速是解决当前故障多发之对策的第一任务；进而通过防范其内因与 外因条件的吻合，防止外因振动引发齿轮箱及传动系统共振破裂便是解决当前故障多发之 对策的第二任务；而提出识别齿轮箱及传动系统共振破裂的识别方法，则是防范齿轮箱及 传动系统共振破裂引发危及安全的重大事故的第三任务。
[0029] 本发明是通过如下方式实现的：
[0030] -种齿轮箱及传动系统共振破裂自动侦察识别与防范监控方法，主要结构含有安 装在齿轮轴上的转速传感器S，安装在齿轮箱各轴承座上的振动冲击检测传感器A、和在线 监控装置JKQ。在线监控装置JKQ与各传感器连接，采用转速跟踪并行方式采集各传感器所 测振动冲击信号，和对应的加速度和共振解调信号，并输出经分析决策的控制信息。
[0031] 本方法归纳性特征在于：
[0032] 1)按照振动冲击检测传感器A、各传感器所辖轴承数B、各轴承所属零件类及关联 的本轴齿轮齿数X、各轴承的关键参数：中径Do、滚子直径d、滚子数Z、接触角a、各齿轮的 传动比C、以及转速测量传感器对应齿轮的转动频率FN，建立共振多维侦察矩阵确认可能 渐变的各种部件的共振频率；
[0033] 2)然后针对所发现的各种部件共振频带进行全速范围的长期连续监测，当发现共 振振动超出限制值时，则发出预报警，并提出避免危险共振的转速控制对策；
[0034] 3)当发现共振部件裂损或破坏的对应的共振频率向低漂移2~5%及以上的特征 时，则立即发出1级或2级报警，申请及时维修；
[0035] 4)或在刚刚加装在线监控装置无法针对各种部件共振频带进行全速范围的长期 连续监测，但发现接近于其它同型部件的共振频率的大幅度振动之同时出现同步冲击则立 即发出1级或2级报警，申请及时维修；
[0036] 利用旋转部件各类零部件在运转中不可避免地产生的各阶振动，通过监测各阶振 动频率，利用其随转速变化到接近或等于齿轮箱及传动系统的共振频率时，均不可避免地 激发齿轮箱及传动部件谐振系统的强烈振动这一自然规律、并反映在齿轮箱各轴承上的振 动冲击检测传感器A的振动信号中；凭借"广义共振和共振解调的机械设备故障诊断技术" 在铁路系统中应用所积累的经验和已有技术，精确掌握旋转部件各类零部件在运转中