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1、思路1.电力机车齿轮箱常见的故障类型及其成因分析齿轮箱是各类机械的变速传动部件，其运行状况直接影响整个机械设备的工作。齿轮主要由齿轮、轴承、箱体、紧固件和密封件等部分组成。表2-1所示为各类零件的故障百分比。零件 齿轮 轴承 轴 箱体 紧固件 密封件故障百分比（） 60 19 10 7 3 1从表中可以看出，轴轮和轴承发生的概率较大，二者之和近80，这说明在齿轮箱故障诊断中需要密切关注齿轮和轴承两部分零件，尤其是齿轮。1.1 齿轮常见故障齿轮在运转时，常常由于其本身制造不良、操作维护不善而产生故障，并且齿轮故障的类型还随齿轮材料、热处理工艺、运转状态等因素不同而变化，常见的齿轮故障主要由以下几
2、种。(1)齿面磨损齿面磨损故障式齿轮箱最典型的故障，其齿面磨损故障诊断研究也是齿轮箱故障诊断研究中的热点问题，出现齿面磨损的原因主要有异物入侵和润滑不良两种主要形式， 。挡齿轮的工作面之间受夹入灰尘或金属颗粒等异物的影响，出现磨粒磨损；如果润滑油供应不足或粘度下降无法形成有效粘膜时，齿轮工作面将出现严重的磨损情况。上述两种磨损形式都能是齿轮轮廓显著改变，侧隙加大，严重时还会导致齿厚过度减薄。(2)齿面点蚀齿轮传动过程中，齿轮接触面上各点的接触应力呈脉动循环变化，如果这种应力超过了齿轮材料的剪切疲劳极限，或者齿轮面脉动循环的接触应力超过齿面的疲劳极限经过一段时间后，会由于接触面上金属的疲劳而形成
3、细小的疲劳裂纹，裂纹的扩展造成金属剥落，形成点蚀； (3)齿轮断齿最常见的是弯曲疲劳折断、过载折断。轮齿受力后,在齿根部产生的弯曲应力最大,且在齿根过渡圆角处有应力集中。如果轮齿的交变应力超过了材料的疲劳极限,在齿根圆角处将产生疲劳裂纹,随着裂纹不断扩展 。(4)齿面胶合对于重载或高速的齿轮传动，如果润滑不良，则在两个啮合的齿面相对滑动时，油膜易破裂，会使齿轮在摩擦和表面压力的作用下产生高温，使处于接触区的金属出现全部熔焊，导致齿面胶合。(5)加工装配故障齿轮加工过中会有偏心、齿距偏差和齿形误差等。齿轮装配不当主要包括齿宽方向只有一段接触、齿轮轴不平行、齿轮和轴装配不正等。齿轮加工的误差和装配
4、的不当都会造成齿轮工作性能的恶化。1.2 轴承常见故障轴承的材料缺陷、加工装配不当、润滑不良、水分或异物进入、腐蚀以及过载等原因都可能造成早期破坏。另外，轴承长时间的运转，轴承也会出现疲劳剥落和磨损等现象，影响设备的正常工作。(1)疲劳剥落疲劳剥落机理轴承在工作时,其内圈、外圈和滚动体之间承受着高频、交变应力的作用,载荷集中作用在滚动体和套圈接触面上,产生很大的应力;轴承在旋转过程中,要承受离心力的作用;套圈和滚动体间还存在滚动摩擦和滑动摩擦,在这些因素的综合作用下,套圈和滚动体表面疲劳强度低或有微缺陷的地方会首先产生疲劳微裂纹,并逐渐扩展最终形成剥落。总之,疲劳剥落就是零件表面在高接触应力的
5、循环作用下所产生的材料片状剥落现象。其形态特征是具有一定的深度和面积,表面呈凹凸不平的鳞状,具有尖锐的沟角,通常呈疲劳扩展特征的海滩状条纹。主要由于润滑不良造成，出现胶合后直接导致轴承的报废。（3）轴承胶合同齿面胶合一样，轴承胶合大多数情况下是由润滑不良造成的。(4)轴承腐蚀主要是由于水分的直接侵入造成的。（5）轴承变形主要是由于轴承受到过大的冲击载荷或静载荷，因为热变形引起的额外载荷或高硬度异物进入时，都会导致轴承变形。（6）加工装配故障主要由于加工误差和装配不当造成1.3 故障机理分析经过分析齿轮和轴承的主要的故障都能归应于五种故障原因，分别是疲劳磨损、润滑不良、载荷过高、异物入侵和加工装
6、配问题。五种故障原因一共分为三类，第一是疲劳磨损，属于寿命研究的范畴；第二类主要包括润滑不良和异物入侵的两种情况，属于故障诊断的范畴，载荷过高属于这一类。第三类是加工装配问题，不属于故障诊断的范畴。由上述可知，齿轮箱的故障可总结为轴故障、齿轮故障、润滑油稀释、漏水故障、密封件故障。表1.电力机车齿轮箱一般常见的故障序号 电力机车齿轮箱常见的故障1 轴故障2 齿轮故障3 润滑油故障4 漏水故障5 密封件故障一、统计法电力机车齿轮箱样本监测数据油样号 走行公里 Cu Fe Al Pb Cr1 12000 17.5 20.3 3.6 3.9 0.72 14098 23.2 25.2 3.0 3.3
7、0.23 14876 23.5 36 2.9 2.5 0 4 15700 46 15.4 4.0 5.8 0.25 17000 47 22.9 4.1 6.6 0.36 15000 13.6 20.2 3.5 4.0 07 15008 27 39.3 3.3 2.2 08 15600 25.1 21 2.9 5.2 0.19 16600 29 23.3 2.9 3.2 0.310 17800 32 58 10 10 1.111 16000 74 63 19 13 5.1 12 15900 58.5 73 13 16 3.713 17650 42.1 36.2 5.7 5.7 1.814 168
8、50 31 55.6 9.5 16.5 2.315 16500 57 82.5 13.6 16 4.716 17600 21.4 30 4.1 6.3 117 14800 14 68 9.1 5.7 1.918 16300 43.2 66 9.0 11.6 2.519 15800 48.5 46.2 13.9 12.3 4.320 17000 49.5 47 10 9.1 3.2附录 A 部分程序P=17.5 23.2 23.5 46 47 13.6 27 25.1 29 32 74 58.5 42.1 31 57 21.4 14 43.2 48.5 49.5;20.3 25.2 36 15.
9、4 22.9 20.2 39.3 21 23.3 58 63 73 36.2 55.6 82.5 30 68 66 46.2 47;3.6 3.0 2.9 4.0 4.1 3.5 3.3 2.9 2.9 10 19 13 5.7 9.5 13.6 4.1 9.1 9.0 13.9 10;3.9 3.3 2.5 5.8 6.6 4.0 2.2 5.2 3.2 10 13 16 5.7 16.5 16 6.3 5.7 11.6 12.3 9.1;0.7 0.2 0 0.2 0.3 0 0 0.1 0.3 1.1 5.1 3.7 1.8 2.3 4.7 1 1.9 2.5 4.3 3.2;t=150
10、00 16500 18000 15689 17562 15008 13206 15640 15000 17850 16000 15894 17652 16857 16500 17600 14800 16300 15800 17240;for i=1:5PJ=mean(P(:,i);% 元素浓度的平均值和标准偏差、警戒值及异常值的界限值的计算PC=std(P(:,i);JJ=PJ+2*PC;YC=PJ+3*PC;End%样本数据的梯度值的计算，T(k,j)表示浓度变化的梯度值for j=1:5for k=1:19T(j,k)=abs(P(j,k+1)-P(j,k)/t(k+1) ;endendf
11、ormat long ,T%PJ、PC、JJ、YC 分别表示元素浓度的平均值、样本标准偏差、警戒值界限值、异常值界限值%TPJ(i)、TPC(i)、TJJ(i)、TYC(i)分别表示梯度值的平均值、标准偏差、警戒值及异常值的界限值for i=1:5TPJ(i)=mean(T(:,i);TPC(i)=std(T(:,i);TJJ(i)=TPJ(i)+2*TPC(i);TYC(i)=TPJ(i)+3*TPC(i);endTPJTPCTJJ二、神经网络表 3.6 电力机车齿轮箱故障类型的编码序号 故障类型 故障编码1 正常 （1 0 0 0 0 0）2 轴故障 （0 1 0 0 0 0）3 齿轮故障
12、 （0 0 1 0 0 0）4 润滑油故障 （0 0 0 1 0 0） 5 漏水故障 （0 0 0 0 1 0）6 密封件故障 （0 0 0 0 0 1）表3.2 电力机车机车齿轮箱神经网络训练样本数据（单位：PPM）故障类型 样本编号 Dl Ds WPC Fe Cu Pb Al样本1 62.7 53.2 115.6 39.2 34.1 3.5 4.9样本2 60.2 42.9 103.1 42.2 36.2 3.7 4.7样本3 55.2 44.9 102.3 34.9 43.3 3.9 5.4Cr Si Na B Ca P Zn样本1 0.8 12.3 0 0 5008 1001 1370
13、样本2 0.3 14.1 0.2 0 5023 969 1481正常数值样本3 0.6 16.2 0.1 0.7 5266 986.5 1293Dl Ds WPC Fe Cu Pb Al样本1 138.2 102.2 238.9 216.3 31.8 5.7 14.9样本2 154.6 115.9 271.2 318.3 42.2 1.3 16.5样本3 142.4 110.2 252.8 229.4 39.2 2.1 15.7Cr Si Na B Ca P Zn样本1 2.3 55.4 26.2 0.2 6503 1600 2006样本2 2.4 69.3 20.6 0 5300 1023
14、1509轴故障样本3 2.5 65.7 23.7 0.1 5634 1000 1576Dl Ds WPC Fe Cu Pb Al样本1 56.8 45.8 103.4 79 253.3 32.1 6.6样本2 66.2 54.2 118.2 71 281.7 46.7 7.3样本3 62.2 43.3 104.9 78.5 264.3 43.4 6.9Cr Si Na B Ca P Zn样本1 1.2 11.2 26.8 0.3 4930 934.2 1218样本2 1.3 8.6 11 0.2 4990 976.7 1262齿轮故障样本3 1.6 9.4 9.4 0.1 4805 982 1
15、270Dl Ds WPC Fe Cu Pb Al样本1 64.2 49.2 111.9 33.7 28.7 3.7 4.7样本2 51.4 42.4 92.9 34.2 38.8 2.8 4.9样本3 70.5 47.4 115.8 38.4 48.3 4.6 5.3Cr Si Na B Ca P Zn样本1 0.1 16.3 15.2 0.1 1285 379 548样本2 0.4 17.1 17.3 0.2 1870 444 576润滑油故障样本3 0.5 16.4 14.8 0.3 1910 721 485Dl Ds WPC Fe Cu Pb Al样本1 61 49.6 110.1 39.5 65 1.5 7.2样本2 65 48.3 114.2 40.5 29 2.3 4.7样本3 47 43.5 90.6 44.2 33 2.9 3.8Cr Si Na B Ca P Zn样本1 0.5 33.2 252 14.3 5423 1134 1410样本2 0.6 33.4 408 20.7
