內(nèi)燃機(jī)車靜液壓傳動(dòng)系統(tǒng)故障診斷

王道紅

（中車資陽機(jī)車有限公司，四川資陽 641300）

當(dāng)前，為了提升機(jī)械的動(dòng)力以及應(yīng)用效果，較多的機(jī)車在設(shè)計(jì)與制造的過程中均會采用10D 型號的內(nèi)燃機(jī)，同時(shí)搭配定向的傳動(dòng)基礎(chǔ)制動(dòng)系統(tǒng)，為設(shè)備營造更為安全、穩(wěn)定的應(yīng)用環(huán)境[1]。內(nèi)燃機(jī)車以靜液壓傳動(dòng)系統(tǒng)作為控制核心，除了空氣壓縮機(jī)之外，機(jī)車中所有裝置均是關(guān)聯(lián)的，分布在制動(dòng)框架中，以此來增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效益[2]。

但是在實(shí)際應(yīng)用過程中，由于液壓傳動(dòng)程序的混亂，再加上執(zhí)行指令的單一，常常會出現(xiàn)應(yīng)用故障[3]。因此，對內(nèi)燃機(jī)車靜液壓傳動(dòng)系統(tǒng)故障診斷進(jìn)行分析與研究?？紤]到最終測試結(jié)果的穩(wěn)定性與可靠性，需要先結(jié)合內(nèi)燃機(jī)車傳動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用需求以及標(biāo)準(zhǔn)，提取對應(yīng)的故障特征，與此同時(shí)，制定更加靈活、多變的故障診斷結(jié)構(gòu)，從多個(gè)方向?qū)Ξ惓Ｎ恢枚ㄎ粰z測，獲取精準(zhǔn)的診斷數(shù)據(jù)，為后續(xù)系統(tǒng)的維護(hù)以及調(diào)整奠定基礎(chǔ)條件[4]。

1 內(nèi)燃機(jī)車靜液壓傳動(dòng)系統(tǒng)故障診斷方法設(shè)計(jì)

1.1 內(nèi)燃機(jī)車故障特征提取

針對內(nèi)燃機(jī)車的運(yùn)行情況，利用傳動(dòng)系統(tǒng)獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息。部分機(jī)車在應(yīng)用的過程中，齒輪存在脫軌或者不平順的現(xiàn)象，再加上車體振動(dòng)，加速度增強(qiáng)，極可能導(dǎo)致故障，因此，可以先通過加速度的變化情況，模糊分析故障的區(qū)域，提取相關(guān)的故障特征指標(biāo)，具體如表1所示。

表1 故障特征指標(biāo)參數(shù)表

根據(jù)表1，可以完成對故障特征指標(biāo)參數(shù)的分析。隨后，對傳動(dòng)系統(tǒng)故障區(qū)域的定向頻率進(jìn)行匯總[5]。此時(shí)，可以通過頻譜的變動(dòng)情況，二次定位出故障的區(qū)域，在范圍之內(nèi)提取不同種類的故障特征，以靜液壓傳動(dòng)的速度判斷故障區(qū)域?qū)﹃P(guān)聯(lián)設(shè)備的影響[6]。將獲取的故障特征匯總整合，核定倍頻系數(shù)[7]，完成故障診斷的基礎(chǔ)工作。

1.2 ICA微小故障診斷節(jié)點(diǎn)布設(shè)

在完成對內(nèi)燃機(jī)車故障特征的提取之后，需要針對于模糊的故障區(qū)域，進(jìn)行ICA 微小故障診斷節(jié)點(diǎn)的布設(shè)。故障的位置與診斷節(jié)點(diǎn)的布設(shè)存在直接的聯(lián)系，由于內(nèi)燃機(jī)車的制動(dòng)條件十分嚴(yán)格，一旦出現(xiàn)故障，便需要閉合執(zhí)行電路，進(jìn)行故障牽引?？梢栽跇?biāo)定范圍內(nèi)，以ICA 微小診斷程序組為節(jié)點(diǎn)，安裝在內(nèi)燃機(jī)車中，在合理靜液壓范圍內(nèi)，關(guān)聯(lián)傳動(dòng)系統(tǒng)。計(jì)算診斷節(jié)點(diǎn)的單元距離，具體如式（1）所示。

式中：H表示診斷節(jié)點(diǎn)的單元距離；β1表示承接傳動(dòng)范圍；β2表示定向傳動(dòng)范圍；a表示預(yù)設(shè)直徑；i表示傳動(dòng)定向直徑；θ表示極限誤差。

通過上述計(jì)算，得出實(shí)際的診斷節(jié)點(diǎn)單元距離。根據(jù)單元距離，劃定故障診斷范圍。結(jié)合靜液壓的變動(dòng)情況，縮小ICA 微小診斷節(jié)點(diǎn)的位置。這部分需要注意的是，每個(gè)ICA 微小診斷節(jié)點(diǎn)均需要與內(nèi)燃機(jī)車的內(nèi)控平臺相關(guān)聯(lián)，以此保證可以及時(shí)獲取故障數(shù)據(jù)。

1.3 耦合牽引故障診斷模型設(shè)計(jì)

在完成對ICA 微小故障診斷節(jié)點(diǎn)的布設(shè)之后，需要設(shè)計(jì)耦合牽引故障診斷模型。根據(jù)內(nèi)燃機(jī)車的嚙合剛度變化情況，分析不同區(qū)域的故障比率，具體如式（2）所示。

式中：Y（t）表示故障比率；n表示傳動(dòng)直徑；v1表示振動(dòng)頻率；v2表示振動(dòng)單元頻率；表示線性診斷距離。

通過上述計(jì)算，最終可以得出實(shí)際的故障比率。采用擬態(tài)分析法，定位模糊區(qū)域中的故障點(diǎn)，利用耦合診斷框架建立牽引框架，傳動(dòng)系統(tǒng)中賦予動(dòng)態(tài)預(yù)測目標(biāo)，在多激擾、多工況狀態(tài)下，依據(jù)故障特征，在耦合牽引模型中，構(gòu)建定向耦合故障診斷程序，具體的診斷環(huán)節(jié)如圖1所示。

根據(jù)圖1，完成對耦合牽引故障診斷環(huán)節(jié)的構(gòu)建。隨后，利用獲取的診斷數(shù)據(jù)，進(jìn)行定向故障的分析，計(jì)算出牽引誤差，具體如式（3）所示。

圖1 耦合牽引故障診斷環(huán)節(jié)圖示

式中：K表示牽引誤差；表示負(fù)載差值；σ1表示牽引頻率；σ2表示牽引頻率差值；h表示傳動(dòng)系數(shù)；b表示支撐阻尼。

通過上述計(jì)算，得出實(shí)際的牽引誤差，將其作為診斷的標(biāo)準(zhǔn)，完成對耦合牽引故障診斷模型的設(shè)計(jì)。

1.4 恒定診斷矩陣設(shè)計(jì)

在完成對耦合牽引故障診斷模型的設(shè)計(jì)之后，需要針對于傳動(dòng)系統(tǒng)的特征，構(gòu)建對應(yīng)的恒定診斷矩陣。內(nèi)燃機(jī)車在運(yùn)行的過程中，內(nèi)含的牽引電機(jī)-齒輪箱一旦受到外力的影響，極有可能發(fā)生故障的。針對于耦合故障電磁轉(zhuǎn)矩頻譜，計(jì)算出故障診斷的響應(yīng)時(shí)間，具體如式（4）所示。

式中：N表示故障診斷響應(yīng)時(shí)間；n表示電磁轉(zhuǎn)矩頻譜變動(dòng)值；m表示頻譜轉(zhuǎn)換值；d表示轉(zhuǎn)換系數(shù)。

通過上述計(jì)算，得出實(shí)際的故障診斷響應(yīng)時(shí)間。構(gòu)建恒定診斷結(jié)構(gòu)，依據(jù)傳動(dòng)系統(tǒng)偵測的故障位置，調(diào)整對應(yīng)的診斷目標(biāo)。

需要注意的是，不同故障完成的診斷響應(yīng)時(shí)間也是不同的，需要根據(jù)內(nèi)燃機(jī)車的故障特征頻率幅值變化情況來設(shè)定故障識別機(jī)制，實(shí)現(xiàn)故障定位。之后，系統(tǒng)會將診斷任務(wù)發(fā)送至對應(yīng)的接收地址上，形成定向的診斷矩陣程序，獲取首次的恒定故障診斷結(jié)果。

1.5 Bayes算法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障診斷

在完成對恒定診斷矩陣設(shè)計(jì)之后，需要采用Bayes 算法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的二次故障診斷。利用ICA 微小故障診斷節(jié)點(diǎn)，獲取相應(yīng)的故障數(shù)據(jù)信息，在診斷矩陣之中，計(jì)算出單元內(nèi)燃機(jī)車的逆變頻率比值，與傳動(dòng)系統(tǒng)的診斷子模塊相連接，建立綜合統(tǒng)計(jì)量ESPE診斷程序。

這部分需要注意的是，為了更為精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)故障的識別，可以從多個(gè)方向關(guān)聯(lián)故障診斷的監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，利用Bayes 算法計(jì)算出傳動(dòng)負(fù)載系數(shù)，并以對比的形式，獲取診斷差值，計(jì)算出微小診斷誤差，具體如式（5）所示。

公式5中：A表示微小診斷誤差；表示監(jiān)測響應(yīng)時(shí)間；表示診斷單元時(shí)間；w表示負(fù)載逆變值，表示恒定診斷范圍；e表示牽引誤差；x表示定向診斷絕對值；f表示測定響應(yīng)時(shí)間。

通過上述計(jì)算，得出實(shí)際的微小診斷誤差。利用故障診斷模型，獲取最終的診斷結(jié)果。

2 方法測試

以傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)故障診斷測試組、傳統(tǒng)定向齒輪控制系統(tǒng)故障診斷測試組以及本文所設(shè)計(jì)的牽引液壓傳動(dòng)系統(tǒng)故障診斷測試組展開對比測試。

2.1 測試準(zhǔn)備

選擇某中車企業(yè)作為測試背景，以企業(yè)內(nèi)部所應(yīng)用的內(nèi)燃機(jī)車靜液壓傳動(dòng)系統(tǒng)作為測定目標(biāo)。根據(jù)傳動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行指令，設(shè)定內(nèi)燃機(jī)車設(shè)備的執(zhí)行指標(biāo)參數(shù)，具體如表2所示。

表2 內(nèi)燃機(jī)車設(shè)備執(zhí)行指標(biāo)參數(shù)

根據(jù)表2可以完成對內(nèi)燃機(jī)車設(shè)備執(zhí)行指標(biāo)參數(shù)的設(shè)定。隨后，調(diào)整傳動(dòng)系統(tǒng)的內(nèi)置數(shù)值，利用三維基礎(chǔ)，模擬出對應(yīng)的故障環(huán)境。

結(jié)合指令編制平臺，將所需要設(shè)定的故障分類編制成三維目標(biāo)指令，并設(shè)定在傳動(dòng)系統(tǒng)之中。避免對系統(tǒng)以及設(shè)備造成損壞，確保測試結(jié)果的精準(zhǔn)。核定測試裝置以及系統(tǒng)是否處于穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)確保不存在影響最終測試結(jié)果的外部因素，核定無誤后，開始測試。

2.2 測試過程及結(jié)果分析

在系統(tǒng)中添加對應(yīng)的故障指令，營造三維擬態(tài)故障環(huán)境。系統(tǒng)中設(shè)定的制動(dòng)比為0.13，內(nèi)燃機(jī)車的驅(qū)動(dòng)變量為10.35，預(yù)設(shè)的驅(qū)動(dòng)量為14.29，所出現(xiàn)的差值即為存在故障處形成的數(shù)據(jù)異常?？梢韵葘鲃?dòng)系統(tǒng)異常數(shù)據(jù)處定位，并將應(yīng)用中的設(shè)備從高電位調(diào)節(jié)至低電位，此時(shí)對于傳動(dòng)系統(tǒng)故障診斷的分解狀態(tài)具體如圖2所示。

根據(jù)圖2可以完成對傳動(dòng)系統(tǒng)故障診斷分解狀態(tài)曲線的設(shè)定。根據(jù)系統(tǒng)執(zhí)行引導(dǎo)的相關(guān)擬態(tài)故障，結(jié)合定向的故障診斷模型，計(jì)算出診斷誤差協(xié)方差，并進(jìn)行具體分析研究，如表3所示。

圖2 傳動(dòng)系統(tǒng)故障診斷分解狀態(tài)曲線圖

表3 測試結(jié)果對比分析表

根據(jù)表3，本文所設(shè)計(jì)的牽引液壓傳動(dòng)系統(tǒng)故障診斷測試組最終得出的故障診斷誤差協(xié)方差僅為1.02，與傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)故障診斷測試組、傳統(tǒng)定向齒輪控制系統(tǒng)故障診斷測試組相比，此種故障診斷方法在實(shí)際應(yīng)用的過程中更為精準(zhǔn)、誤差較小，具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)束語

對內(nèi)燃機(jī)車靜液壓傳動(dòng)系統(tǒng)故障診斷進(jìn)行研究以及分析。與傳統(tǒng)的故障診斷方法相對比，本文所設(shè)計(jì)的傳動(dòng)系統(tǒng)故障診斷模式相對更加靈活、多變，在復(fù)雜的系統(tǒng)控制環(huán)境之下，可以通過多目標(biāo)、多層次的分級診斷形式，將所發(fā)生的故障對于設(shè)備的損害降到最低，同時(shí)營造安全、穩(wěn)定的執(zhí)行環(huán)境，提升內(nèi)燃機(jī)車的應(yīng)用速率，推動(dòng)傳統(tǒng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的創(chuàng)新。