CN105065639A - 齿轮箱及传动***共振破裂自动侦察识别与防范监控方法 - Google Patents

Abstract

齿轮箱及传动***共振破裂自动侦察识别与防范监控方法，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，进行转速跟踪、并输出经分析决策的控制信息的在线监控装置，能对高铁等齿轮传动***当前多发的故障实现及时发现故障、找到引发故障的原因、实时采取监控对策，具有减少现有齿轮箱及传动***故障率、获取改进机械***和指导齿轮箱及传动***安全运行的效果。

Description

齿轮箱及传动***共振破裂自动侦察识别与防范监控方法

技术领域

本发明涉及齿轮箱及传动***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***、在高铁列车运动中通过监测齿轮箱及传动***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***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

当前，高铁运营领域大量发生齿轮传动***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：

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。

《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。

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。

(1)齿轮箱连续出故障：

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***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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

“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——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。

“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。

(2)北车急寻更多供应商

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。

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。

“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。

“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。

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。

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。

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。

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

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***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***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***所决定的固有频率，即机械***的共振频率；齿轮箱及传动***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***的固有频率时，***就会产生大幅度的同频振动，从而引发齿轮箱及传动***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。

因此，特提出一种齿轮箱及传动***共振破裂自动侦察识别与防范监控方法。

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***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***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***共振破裂的识别方法，则是防范齿轮箱及传动***共振破裂引发危及安全的重大事故的第三任务。

本发明是通过如下方式实现的：

一种齿轮箱及传动***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。

本方法归纳性特征在于：

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α、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；

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；

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；

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；

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***的共振频率时，均不可避免地激发齿轮箱及传动部件谐振***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***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产生的各阶振动及其频率，作为侦察齿轮箱及传动***共振频率的输入激励信息，通过检测识别谐振***对输入激励信息的共振放大系数、共振频率、共振转速等，输出振动信息，计算输入和输出信息的函数关系，与谐振***固有的传递函数趋势作比较，从而达到识别齿轮箱及传动***的谐振频率、品质、振动幅度。***的输入激励为旋转部件的各阶振动信号，***输出为齿轮箱振动冲击的诊断报警及控制信息。

齿轮箱及传动***共振破裂自动侦察识别与防范监控方法，输入激励振动源涉及多个点位的振动冲击检测传感器A、各传感器所辖轴承数B、各轴承所述零件类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α、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。

旋转部件各阶振动输入激励特征频率函数是：

保外振动频率 $f=\frac{D_0-d\·\cos \mathrm{\α}}{2D_0}\×\mathrm{fn}\×n,n=\mathrm{1,2,3};$

保内振动频率 $f=\frac{D_0+d\·\cos \mathrm{\α}}{2D_0}\×\mathrm{fn}\×n,n=\mathrm{1,2,3};$

外环振动频率 $f=\frac{D_0-d\·\cos \mathrm{\α}}{2D_0}\×Z\×\mathrm{fn}\×n,n=\mathrm{1,2,3};$

内环振动频率 $f=\frac{D_0+d\·\cos \mathrm{\α}}{2D_0}\×Z\×\mathrm{fn}\×n,n=\mathrm{1,2,3};$

滚单振动频率 $f=\frac{D_0^2-d^2\·{\cos }^2\mathrm{\α}}{2D_0\·d}\×\mathrm{fn}\×n,n=\mathrm{1,2,3};$

滚双振动频率 $f=\frac{D_0^2-d^2\·{\cos }^2\mathrm{\α}}{D_0\·d}\×\mathrm{fn}\×n,n=\mathrm{1,2,3};$

本齿振动频率f＝fn×n，n＝1、2、3；

邻齿振动频率f＝C×fn×n，n＝1、2、3；

啮合振动频率f＝X×fn；

公式中，Do为轴承的中径，d为滚动体直径，α为滚动体接触角，Z为滚动体数量，fn为本轴转速频率，C为传动比，X为本轴齿轮齿数，n＝1、2、3表示各类振动的1、2、3阶。

旋转部件的各阶振动的频率随转速变化、而当该频率与齿轮箱及传动部件共振频率接近或吻合时，所激发的齿轮箱或传动部件谐振***形成的强烈振动、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。

齿轮箱及传动***共振破裂自动侦察识别与防范监控方法，其特征在于：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，是利用任意旋转部件的各阶振动的频率随转速变化而当该频率与齿轮箱及传动部件共振频率接近或吻合时，所激发的齿轮箱或传动部件谐振***的强烈振动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；当3种及以上旋转部件在不同转速下的某阶振动频率为相近频率并激发齿轮箱或传动部件强烈振动时，则确认该频率为齿轮箱或传动部件的共振频率FG。***的输入激励为旋转部件的各阶振动，齿轮箱及传动***为谐振***，***输出为齿轮箱振动。

为了侦察振动源的振动，在线监控装置识别旋转部件各类型各阶振动，记录并保存振动的频率、转速、加速度值信息，用多维矩阵表达振动源，以便建立振动源的多维矩阵信息，进而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。具体方法如下：

利用该矩阵建立网络式搜索方法，搜索侦察各类振动源各阶振动在全转速下的加速度值，当齿轮箱谐振***输出振动加速度在某频率下有放大现象，出现极大值，则作为外因振动激发了谐振***发生“共振”的可能条件。当3种及以上旋转部件在不同转速下的某阶振动频率为相近频率、并激发齿轮箱或传动部件强烈振动时，则确认该频率为齿轮箱或传动部件的共振频率FG的必要条件。

根据运动学理论，当各旋转部件振动源振动幅度S一定、各旋转部件的特征振动频率为f时，振动源的加速度为a＝-(2πf)²·S·sin(2πft)；按输入激励特征频率函数，f与fn为正比关系，所以加速度a与转速fn的平方成正比关系；以机械二阶谐振***的特征作为识别共振及共振频率的理论依据：当用加速度来侦察齿轮箱谐振***的振动时，输入激励源的振动幅度S_m，侦察得到的振动加速度a_out，当不存在谐振***影响时，S_m与a_out应满足传递函数a＝-(2πf)²·S·sin(2πft)。一种齿轮箱及传动***共振破裂自动侦察识别与防范监控方法，其特征在于：如果***输出的加速度a_out大于传递函数的加速度a_out的3倍以上时，即认为是“齿轮箱及传动部件强烈振动”；该加速度极大值对应的频率f即为谐振***的谐振频率FG，如果3种及以上旋转部件即不同振动源都能激起该FG的“齿轮箱及传动部件强烈振动”，则证明齿轮箱及传动部件共振于频率FG。

齿轮箱及传动***共振破裂自动侦察识别与防范监控方法，其特征在于：为了防止齿轮箱及传动部件强烈共振而加速出现疲劳或裂纹，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该机械部件设计规定的限制值AX(例如8～12g峰值)时，则发出预报警；并发送出避免危险共振的转速控制对策为：增加或减小转速3～5％或以上，至避开共振的振动降低到限制值的1/2及以下。也就是说，通过防范内因与外因条件的吻合，防止外因振动引发齿轮箱及传动***共振破裂，作为避免危险共振的转速控制对策。

齿轮箱及传动***共振破裂自动侦察识别与防范监控方法，为了防范齿轮箱及传动***共振破裂引发危及安全的重大事故，判断识别齿轮箱及传动部件是否出现疲劳或裂纹，制定出报警提示条件：当出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；对于齿轮箱体一类固化结构的部件，共振频率向低漂移2～3％时，发出1级报警，当共振频率向低偏移3～5％及以上时，发出2级报警；对于拉杆、柔性转轴等变共振频率的部件，当共振频率相对最低共振频率FGL向低偏移2～3％时，发出1级报警，当共振频率相对最低共振频率FGL向低漂移3～5％及以上时，发出2级报警。

为了防范齿轮箱及传动***共振破裂引发危及安全的重大事故，一种齿轮箱及传动***共振破裂自动侦察识别与防范监控方法，针对各种部件共振频带全速范围进行长期转速跟踪连续监测来识别共振频率的漂移。为了识别齿轮箱及传动部件是否出现疲劳或裂纹，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进行转速跟踪连续监测来识别共振频率的漂移时，则对振动加速度和共振解调求绝对相对积，即：将等于激励频率的振动加速度[g]与频率等于该激励频率整倍数的共振解调[SV]波形相乘并求绝对值，定义为“绝对相对积”；在发现振动加速度超过加速度限制值AX＝8～12g或其半的振动之同时出现同频的绝对相对积，则发出1级或2级报警，申请及时维修；其中，对于齿轮箱若仅发现振动加速度1阶超过AX/2及与振动加速度同频率的1阶绝对相对积超过9kgSV，则发出1级报警；若还发现振动加速度1阶超过AX及与振动加速度的1阶频率2倍频率的2阶绝对相对积幅度大于1阶的2倍并超过20kgSV，则发出2级报警。

外部振动激励必然存在并很难降低，为了防止齿轮箱及传动部件因低阻尼而在必然存在的并很难降低的外部振动激励作用下发生强烈共振而加速破坏，一种齿轮箱及传动***共振破裂自动侦察识别与防范监控方法，其特征在于：识别共振低阻尼的方法是进行某种振动激励因素所激发的全转速范围的输出振动进行测量统计得到A(F)，对远低于谐振频率FG(如1/5～1/3)的和高于谐振频率FG(如1.2FG及以上)的频率范围的振动特征加速度谱A(F)，做出符合B(F)＝A(F)(统计平均值)并且B(F)∝F²的幅度基准拟合曲线B(F)，计算频率FG时的K＝A(FG)/B(FG)，作为“共振放大系数”K；若该共振放大系数K大于3，则建议对谐振部件增加阻尼。例如：对齿轮箱外部涂敷高粘着力的高分子、低比重涂料，以便在其随齿轮箱局部弯曲振动时，将振动能量转化为热而散失，有效地通过增加阻尼而降低共振振动。

本发明所提出的“一种齿轮箱及传动***共振破裂自动侦察识别与防范监控方法”能对高铁齿轮传动***当前多发的故障实现及时发现故障、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。为我国走在世界前列的高铁技术更加健康地发展、更加可靠的运行和创造全球推广的经济效益保驾护航。

附图说明：

附图1-1为齿轮箱及传动***共振破裂自动侦察识别与防范监控方法结构示意图；

附图1-2为齿轮箱及传动***共振破裂自动侦察识别与防范监控方法信息示意图；

附图2-0为多维矩阵网络式搜索得到4车24测点各类轴承齿轮零件1～3阶振动相对转速和频率的加速度响应；

附图2-1为2车24位齿轮箱输入轴轴承外环2阶振动曲线；

附图2-2为2车22位齿轮箱啮合振动曲线；

附图2-3为2车22位齿轮箱输出轴轴承内环3阶振动曲线；

附图3-1为4车24位齿轮箱输入轴轴承滚单1阶振动曲线；

附图3-2为4车24位齿轮箱输入轴小齿轮2阶振动曲线；

附图3-3为4车22位齿轮箱输出轴轴承滚单1阶振动曲线；

附图4-1为8车24位齿轮箱输入轴轴承保外2阶振动曲线；

附图4-2为8车34位齿轮箱输入轴大齿轮2阶振动曲线；

附图4-3为8车34位齿轮箱输入轴小齿轮1阶振动曲线；

附图5-0为齿轮箱受齿轮啮合振动激发共振近而引发裂纹及裂纹开闭冲击的仿真模型；

附图5-1为齿轮箱的共振频率、放大因子测定；

附图5-2为齿轮100Hzlum振动没有激发齿轮箱共振但放大0.107dB，齿轮箱振动加速度0.0407g；

附图5-3为当齿轮啮合频率F＝900Hz、FG＝900Hz、G＝10时仿真测量得到的信息波形；

附图5-4为当齿轮啮合频率F＝900Hz、FG＝900Hz、G＝10时仿真测量得到的信息频谱；

附图5-5为当齿轮啮合频率F＝700Hz、FG＝900Hz、G＝10时仿真测量得到的信息波形；

附图5-6为当齿轮啮合频率F＝700Hz、FG＝900Hz、G＝10时仿真测量得到的信息频谱；

附图5-7为当齿轮啮合频率F＝950Hz、FG＝900Hz、G＝10时仿真测量得到的信息波形；

附图5-8为当齿轮啮合频率F＝950Hz、FG＝900Hz、G＝10时仿真测量得到的信息频谱；

附图5-9为当齿轮啮合频率F＝990Hz、FG＝900Hz、G＝10时仿真测量得到的信息波形；

附图5-10为当齿轮啮合频率F＝990Hz、FG＝900Hz、G＝10时仿真测量得到的信息频谱；

附图5-11为当齿轮啮合频率F＝990Hz、FG＝900Hz、G＝10时仿真测量得到的信息波形；

附图5-12为当齿轮啮合频率F＝990Hz、FG＝900Hz、G＝10时仿真测量得到的信息频谱；

附图5-13为当齿轮啮合频率F＝700Hz、FG＝900Hz、G＝5时仿真测量得到的信息波形和频谱；

附图5-14为当齿轮啮合频率F＝810Hz、FG＝900Hz、G＝5时仿真测量得到的信息波形和频谱；

附图5-15为当齿轮啮合频率F＝900Hz、FG＝900Hz、G＝5时仿真测量得到的信息波形和频谱；

附图5-16为当齿轮啮合频率F＝950Hz、FG＝900Hz、G＝5时仿真测量得到的信息波形和频谱；

附图5-17为当齿轮啮合频率F＝990Hz、FG＝900Hz、G＝5时仿真测量得到的信息波形和频谱。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

参照附图1-1和图1-2，本实施例主要结构含有安装在齿轮轴上的转速传感器，安装在齿轮箱各轴承座上的振动冲击检测传感器，和在线监控装置，在线监控装置与各传感器连接，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的在线监控装置，

(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；

(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；

(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；(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。

通过建立共振多维侦察矩阵的方法，来确认可能渐变的各种部件的共振频率，其原理是利用任意旋转部件的各阶振动的频率随转速变化、而当该频率与齿轮箱及传动部件共振频率接近或吻合时，所激发的齿轮箱或传动部件谐振***的强烈振动、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；当3种及以上旋转部件在不同转速下的某阶振动频率为相近频率、并激发齿轮箱或传动部件强烈振动时，则确认该频率为齿轮箱或传动部件的共振频率FG，***的输入激励为旋转部件的各阶振动信息，齿轮箱及传动***为谐振***，***输出为齿轮箱振动信息、，

旋转部件各阶振动输入激励特征频率函数是：

保外振动频率 $f=\frac{D_0-d\·\cos \mathrm{\α}}{2D_0}\×\mathrm{fn}\×n,n=\mathrm{1,2,3};$

保内振动频率 $f=\frac{D_0+d\·\cos \mathrm{\α}}{2D_0}\×\mathrm{fn}\×n,n=\mathrm{1,2,3};$

外环振动频率 $f=\frac{D_0-d\·\cos \mathrm{\α}}{2D_0}\×Z\×\mathrm{fn}\×n,n=\mathrm{1,2,3};$

内环振动频率 $f=\frac{D_0+d\·\cos \mathrm{\α}}{2D_0}\×Z\×\mathrm{fn}\×n,n=\mathrm{1,2,3};$

滚单振动频率 $f=\frac{D_0^2-d^2\·{\cos }^2\mathrm{\α}}{2D_0\·d}\×\mathrm{fn}\×n,n=\mathrm{1,2,3};$

滚双振动频率 $f=\frac{D_0^2-d^2\·{\cos }^2\mathrm{\α}}{D_0\·d}\×\mathrm{fn}\×n,n=\mathrm{1,2,3};$

本齿振动频率f＝fn×n，n＝1、2、3；

邻齿振动频率f＝C×fn×n，n＝1、2、3；

啮合振动频率f＝X×fn；

公式中，Do为轴承的中径，d为滚动体直径，α为滚动体接触角，Z为滚动体数量，fn为本轴转速频率，C为传动比，X为本轴齿轮齿数，n＝1、2、3表示各类振动的1、2、3阶。

根据运动学理论，当各旋转部件振动源振动幅度S一定、各旋转部件的特征振动频率为f时，振动源的加速度为a＝-(2πf)²·S·sin(2πft)；按权利要求2所述的公式内容，f与fn为正比关系，所以加速度a与转速fn的平方成正比关系；以机械二阶谐振***的特征作为识别共振及共振频率的理论依据：当用加速度来侦察齿轮箱谐振***的振动时，输入激励源的振动幅度S_m，侦察得到的振动加速度a_out，当不存在谐振***影响时，S_m与a_out应满足传递函数a＝-(2πf)²·S·sin(2πft)，其特征在于：如果***输出的加速度a_out大于传递函数的加速度a_out的3倍以上时，即认为是“齿轮箱或传动部件强烈振动”；该加速度极大值对应的频率f即为谐振***的谐振频率FG，如果3种及以上旋转部件即不同振动源都能激起该FG的“齿轮箱或传动部件强烈振动”，则证明齿轮箱或传动部件共振于频率FG。

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该机械部件设计规定的限制值AX(例如8～12g峰值)时，则发出预报警；并发送出避免危险共振的转速控制对策为：增加或减小转速3～5％或以上，至避开共振的振动降低到限制值AX的1/2及以下。

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；对于齿轮箱体一类固化结构的部件，共振频率向低漂移2～3％发出1级报警，共振频率向低漂移3～5％及以上发出2级报警；对于拉杆、柔性转轴等变共振频率的部件，共振频率相对最低共振频率FGL向低漂移2～3％发出1级报警，共振频率相对最低共振频率FGL向低漂移3～5％及以上发出2级报警。

为了识别齿轮箱及传动部件是否出现疲劳或裂纹，在刚刚加装在线监控装置而无法针对各种部件共振频带进行全速范围的长期进行转速跟踪连续监测来识别共振频率的漂移时，则对振动加速度和共振解调求绝对相对积，即：将等于激励频率f的振动加速度[g]与频率等于该激励频率整倍数的共振解调[SV]波形相乘并求绝对值，定义为“绝对相对积”；在发现振动加速度超过加速度限制值AX＝8～12g的振动之同时出现同频的绝对相对积，则发出1级或2级报警，申请及时维修；其中，对于齿轮箱若仅发现振动加速度1阶超过AX/2及与振动加速度同频率的1阶绝对相对积超过1级报警限制值JXDJ1＝9kgSV，则发出1级报警；若还发现振动加速度1阶超过AX及与振动加速度的1阶频率2倍频率的2阶绝对相对积幅度大于1阶的2倍并超过2级报警限制值JXDJ2＝20kgSV，则发出2级报警；

绝对相对积的报警限制值函数的通式为：

1级报警限制值：

JXDJ1＝(0.0402[g]*8*F/100)²*40.2[SV/g]*F/100*3；

2级报警限制值：

JXDJ2＝(0.0402[g]*12*F/100)²*40.2[SV/g]*F/100*3；

式中，0.0402g为1um振幅在100Hz时的加速度，8、12为1、2级报警的加速度限制值，F为当前的振动频率[Hz]，40.2SV为0.0402g加速度对应的冲击共振解调冲击值[SV]，3为工程经验修正系数。

为了防止齿轮箱及传动部件因低阻尼而在必然存在的并很难降低的外部振动激励作用下发生强烈共振而加速破坏，识别共振低阻尼的方法是进行某种振动激励因素所激发的全转速范围的输出振动进行测量统计得到A(F)，对远低于谐振频率FG(如1/5～1/3)的和高于谐振频率FG(如1.2FG及以上)的频率范围的振动特征加速度谱A(F)，做出符合B(F)＝A(F)(统计平均值)并且B(F)∝F²的幅度基准拟合曲线B(F)，计算频率FG时的K＝A(FG)/B(FG)，作为“共振放大系数”K；若该共振放大系数K大于3，则建议对谐振部件增加阻尼。例如：对齿轮箱外部涂敷高粘着力的高分子、低比重涂料，以便在其随齿轮箱局部弯曲振动时，将振动能量转化为热而散失，有效地通过增加阻尼而降低共振振动。

如：

步骤1：多维矩阵搜索确认齿轮箱存在FG1＝950Hz、FG2＝1450Hz共振振动；

在线检测装置建立多维矩阵网络式搜索方式，得到不同车辆、不同测点、各类零件、1～3阶振动相对转速和频率的加速度响应，例如附图2-0为多维矩阵网络式搜索得到4车24测点各类轴承齿轮零件1～3阶振动相对转速和频率的加速度响应。

如附图2、附图3、附图4，当3种及以上旋转部件即不同振动源都能激起FG的“齿轮箱及传动部件强烈振动”，则证明齿轮箱及传动部件共振于频率FG。图2-1为2车24位(齿轮箱输入轴测点)的轴承外环2阶振动曲线，即行车自动捕获的齿轮箱输入轴轴承外环2阶振动加速度信息，可见在频率950Hz、1450Hz(车速160km/h、240km/h)时外环2阶振动有放大现象，出现极大值，950Hz时振动达到5g，1450Hz时振动达到4.5g，即950Hz、1450Hz被判定为疑似齿轮箱的“共振”频率。

图2-2为2车22位(齿轮箱输出轴大齿轮侧测点)的齿轮啮合振动曲线，即行车自动捕获的齿轮啮合振动加速度信息，可见在频率950Hz、1450Hz(车速160km/h、240km/h)时齿轮啮合振动有放大现象，出现极大值，950Hz时振动达到3.5g，1450Hz时振动达到3g，即950Hz、1450Hz被判定为齿轮箱的疑似“共振”频率。

图2-3为2车22位(齿轮箱输出轴大齿轮侧测点)的轴承内环3阶振动曲线，即行车自动捕获的齿轮箱输出轴轴承内环3阶振动加速度信息，可见在频率950Hz(车速160km/h)和1450Hz(车速250km/h)时内环3阶振动有放大现象，出现极大值，950Hz时振动达到0.35g、1450Hz时达到0.3g，即950Hz、1450Hz被判定为齿轮箱的疑似“共振”频率。

齿轮箱输入轴轴承外环2阶振动、齿轮箱输出轴轴承内环3阶振动、齿轮啮合振动等3种旋转部件即不同振动源在不同转速(车速)下都激起950Hz、1450Hz的“齿轮箱及传动部件强烈振动”，证明齿轮箱及传动部件共振于频率FG1＝950Hz、FG2＝1450Hz。分析认为该频率为齿轮箱箱体的共振频率。

步骤2：多维矩阵搜索确认齿轮箱驱动轴存在FG1＝72Hz、FG2＝95Hz横向共振。

图3-1为4车24位(齿轮箱输入轴测点)的轴承滚单1阶振动曲线，即行车自动捕获的齿轮箱输入轴轴承滚单1阶振动加速度信息，可见在频率72Hz、95Hz(车速160km/h、208km/h)时滚单1阶振动有放大现象，出现极大值，72Hz时振动达到1.1g，95Hz时振动达到0.7g，即72Hz、95Hz被判定为齿轮箱驱动轴的疑似“共振”频率。图3-2为4车24位(齿轮箱输入轴测点)的小齿轮2阶振动曲线，即行车自动捕获的齿轮箱输入轴小齿轮2阶振动加速度信息，可见在频率72Hz、95Hz(车速160km/h、208km/h)时小齿轮2阶振动有放大现象，出现极大值，72Hz时振动达到1g，95Hz时振动达到0.7g，即72Hz、95Hz被判定为齿轮箱驱动轴的疑似“共振”频率。

图3-3为4车22位(齿轮箱输出轴测点)的轴承滚单1阶振动曲线，即行车自动捕获的齿轮箱输出轴轴承滚单1阶振动加速度信息，可见在频率72Hz、95Hz(车速160km/h、208km/h)时滚单1阶振动有放大现象，出现极大值，72Hz时振动达到3.5g，95Hz时振动达到2g，即72Hz、95Hz被判定为齿轮箱驱动轴的疑似“共振”频率。

齿轮箱输入轴轴承滚单1阶振动、小齿轮2阶振动、齿轮箱输出轴轴承滚单1阶等3种旋转部件即不同振动源都在不同的转速下激起72H、95Hz的“齿轮箱驱动轴强烈横向振动”，证明齿轮箱及传动部件与齿轮箱驱动轴共振于频率FG1＝72Hz、FG2＝95Hz。模态分析佐证该频率为输入轴的横向共振频率。

步骤3，多维矩阵搜索确认齿轮箱驱动轴存在FG＝45Hz扭转共振：

图4-1为8车24位(齿轮箱输入轴测点)的轴承保外2阶振动曲线，即行车自动捕获的齿轮箱输入轴轴承保外2阶振动加速度信息，可见在频率45Hz(车速230km/h)时保外2阶振动有放大现象，出现极大值，45Hz时振动达到0.5g，即45Hz判定为齿轮箱驱动轴扭转的疑似“共振”频率。

图4-2为8车24位(齿轮箱输入轴测点)的邻齿即大齿轮2阶振动曲线，即行车自动捕获的齿轮箱大齿轮2阶振动加速度信息，可见在频率45Hz(车速245km/h)时大齿轮2阶振动有放大现象，出现极大值，45Hz时振动达到0.26g，即45Hz被判定为齿轮箱驱动轴扭转的疑似“共振”频率。

图4-3为8车24位(齿轮箱输入轴测点)的本齿即小齿轮1阶振动曲线，即行车自动捕获的齿轮箱输入轴小齿轮1阶振动加速度信息，可见在频率45Hz(车速200km/h)时小齿轮1阶振动有放大现象，出现极大值，45Hz时振动达到0.6g，即45Hz被判定为齿轮箱驱动轴扭转的疑似“共振”频率。

齿轮箱输入轴轴承保外2阶、大齿轮2阶、小齿轮1阶振动等3种旋转部件即不同振动源都在不同的转速下激起45Hz的“齿轮箱驱动强烈扭转振动”，证明齿轮箱及传动部件与齿轮箱驱动轴共振于频率FG＝45Hz。模态分析佐证该频率为输入轴的扭转共振频率。

步骤4，齿轮啮合振动激发齿轮箱共振及裂纹开裂、闭合冲击的识别及报警

为了识别齿轮箱及传动部件是否出现疲劳或裂纹，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进行转速跟踪连续监测来识别共振频率的漂移时，则对振动加速度和共振解调求绝对相对积，即：将等于激励频率的振动加速度[g]与频率等于该激励频率整倍数的共振解调[SV]波形相乘并求绝对值，定义为“绝对相对积”；在发现振动加速度超过加速度限制值AX＝8～12g或其半的振动之同时出现同频的绝对相对积，则发出1级或2级报警，申请及时维修；其中，对于齿轮箱的F＝FG＝900Hz的共振，若仅发现振动加速度1阶超过AX/2及与振动加速度同频率的1阶绝对相对积超过1级报警限制值JXDJ1＝9kgSV，则发出1级报警；若还发现振动加速度1阶超过AX及与振动加速度的1阶频率2倍频率的2阶绝对相对积幅度大于1阶的2倍并超过2级报警限制值JXDJ2＝20kgSV，则发出2级报警。

绝对相对积的报警限制值函数的通式为：

1级报警限制值：

JXDJ1＝(0.0402[g]*8*F/100)²*40.2[SV/g]*F/100*3，

当F＝900Hz，JXDJ1＝9.090kgSV≈9kgSV

2级报警限制值：

JXDJ2＝(0.0402[g]*12*F/100)²*40.2[SV/g]*F/100*3，

当F＝900Hz，JXDJ2＝20.459kgSV≈20kgSV；

式中，0.0402g为1um振幅在100Hz时的加速度，8、12为1、2级报警的加速度限制值，F为当前的振动频率[Hz]，40.2SV为0.0402g加速度对应的冲击共振解调冲击值[SV]，3为工程经验修正系数。

模型说明于附图5-0。

设齿轮啮合振动与齿轮箱固有频率FG共振已经引发了齿轮箱的裂纹。

设齿轮啮合振动幅度为1um，齿轮箱共振频率FG＝900Hz，共振放大因子G＝10；

设齿轮箱振幅大于5um时，引发齿轮箱裂纹进一步开裂冲击，负振幅小于-0.5um时，引发已有裂纹闭合冲击。这些冲击分别叠加在齿轮啮合振动上作用于齿轮箱。

检测齿轮箱的综合振动加速度，对齿轮箱的综合振动加速度信号进行低通滤波获得齿轮相低频振动加速度信号；对齿轮箱的综合振动加速度信号进行是否存在冲击的共振解调冲击检测；求齿轮箱低频振动与共振解调冲击的绝对相对积。理论规则是：

若齿轮箱仅存在裂纹的闭合冲击，则绝对相对积的频谱为N*F，其中N＝1，2，3……；

若齿轮箱存在裂纹的闭合和开裂冲击，则绝对相对积的频谱为2N*F，其中N＝1，2，3……；

显然，由于齿轮箱共振频率FG＝900Hz、共振放大因子G＝10，故当F＝FG或F接近于FG时，最容易出现大幅度振动并引发齿轮箱出现裂纹的开裂冲击和已有裂纹的闭合冲击。

根据振动学理论：正弦振动的振幅x＝X*sin(2p*F)m，则振动速度v＝-X*(2p*F)cos(2p*F)[m/s]，则正弦振动的加速度为a＝-X*(2p*F)^2sin(2p*F)[m/s^2]

当振幅X＝1um，F＝100时，

振动加速度为AO＝0.3948m/s/s＝0.0402g

由于图5-2仿真测定：F＝100Hz时，齿轮箱谐振放大0.107dB，折合为G＝10^(0.107/20)＝1.0124倍，输出的加速度为A＝AO*G＝0.0407g，与图5-2的仿真结果吻合。

由于齿轮箱的振幅小于5um，没有引起开裂冲击、闭合冲击、共振解调输出和绝对相对积输出。

为了识别齿轮箱振动加速度[g]与共振解调检测的冲击的峰值[SV]对应关系，采用了将振动加速度与共振解调冲击之积的绝对值表达的“绝对相对积”的幅度[g*SV]及其频谱来描述。

由于图5-3仿真测定：当齿轮啮合频率F＝900Hz时，激发了谐振频率为FG＝900Hz、放大系数为10的齿轮箱共振，加之存在裂纹的齿轮箱因大振幅发生裂纹开裂降低刚度而使振幅增大，故齿轮箱的视在振幅达到13.7um；并在振动正峰时机出现开裂冲击、在振动负峰时机出现闭合冲击；在齿轮箱的振幅波形及加速度波形中虽然几乎看不到裂纹开闭冲击的特征，但对加速度的共振解调检测发现了对应于裂纹开闭冲击的共振解调波形中，及该共振解调信号与齿轮箱低频加速度信号乘积的绝对值，即绝对相对积波形中，均出现了每个齿轮周期对应开闭2次冲击的脉冲。特别是，在图5-4对图5-3的波形之频谱分析中，鲜明地表现了：齿轮啮合振幅作用、齿轮箱有限共振幅度、齿轮箱综合加速度、齿轮箱低频加速度的频谱为900Hz，而共振解调和绝对相对积的主频谱却为1800＝2*900Hz，既体现了齿轮箱裂纹存在开、闭冲击，而且绝对相对积波形幅度达到84.5[kgSV]，2阶谱达到10*2.83[kgSV]。

由于图5-5仿真测定：当齿轮啮合频率F＝700Hz时，虽然没有激发谐振频率为FG＝900Hz、放大系数为10的齿轮箱共振，但齿轮的1um啮合振动仍被放大到2.4um；由于齿轮箱振动得2.4um的正峰小于引发开了的5um门槛值而没有出现开裂冲击，但在-2.4um的振动负峰却低于闭合冲击门槛值-0.5um，以致出现闭合冲击；在齿轮箱的振幅波形及加速度波形中虽然几乎看不到裂纹开闭冲击的特征，但对加速度的共振解调检测发现了对应于裂纹闭合冲击的共振解调波形，该共振解调信号与齿轮箱低频加速度信号乘积的绝对值，即绝对相对积波形中，均出现了每个齿轮周期对应1次闭合冲击的脉冲。特别是，在图5-6对图5-5的波形之频谱分析中，鲜明地表现了：齿轮啮合振幅作用、齿轮箱有限共振幅度、齿轮箱综合加速度、齿轮箱低频加速度的频谱为700Hz，而共振解调和绝对相对积的主频谱也为700Hz，仅体现了齿轮箱裂纹存在闭合冲击，而且绝对相对积波形幅值达到1.76[kgSV]，1阶谱仅达到10*0.052[kgSV]。

验证上述共振条件下实时识别裂纹的共振振动与裂纹开闭冲击绝对相对积及频谱识别方法的仿真统计数据如下：

由此归纳得到：

实时识别裂纹的共振振动与裂纹开闭冲击绝对相对积及频谱识别方法是：

为了识别齿轮箱及传动部件是否出现疲劳或裂纹，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进行转速跟踪连续监测来识别共振频率的漂移，则对振动加速度和共振解调求绝对相对积；在发现振动加速度超过加速度限制值AX＝8g或其半的振动之同时出现同频的绝对相对积，则立即发出1级或2级报警，申请及时维修；其中，若仅发现振动加速度超过AX/2及与振动加速度同频率的1阶绝对相对积超过9kgSV，则发出1级报警；若还发现振动加速度1阶超过AX及与振动加速度的1阶频率2倍频率的2阶绝对相对积幅度大于1阶的2倍并超过20kgSV，则发出2级报警。

由于图5-7仿真测定：当齿轮啮合频率F＝950Hz时，虽然高于谐振频率FG＝900Hz、放大系数小于10的齿轮箱共振，但齿轮的1um啮合振动仍被放大到7.28um，而且，齿轮箱的振幅鱼齿轮啮合振动的振幅相位相反；由于齿轮箱振动的7.16um的正峰大于引发开裂的5um门槛值而出现开裂冲击，-7.4um的振动负峰低于闭合冲击门槛值-0.5um，以致出现闭合冲击；在齿轮箱的振幅波形及加速度波形中虽然几乎看不到裂纹开闭冲击的特征，但对加速度的共振解调检测发现了对应于裂纹开裂、闭合冲击的共振解调波形，该共振解调信号与齿轮箱低频加速度信号乘积的绝对值，即绝对相对积波形中，均出现了每个齿轮周期对应2次开闭冲击的脉冲。特别是，在图5-8对图5-7的波形之频谱分析中，鲜明地表现了：齿轮啮合振幅作用、齿轮箱有限共振幅度、齿轮箱综合加速度、齿轮箱低频加速度的频谱为950Hz，而共振解调和绝对相对积的主频谱却为1900Hz，仅体现了齿轮箱裂纹存在开裂、闭合冲击，而且绝对相对积的波形幅度达到39.4[kgSV]、2阶谱仅达到10*1.25[kgSV]。

数据统计和报警决策如下：

由于图5-9仿真测定：当齿轮啮合频率F＝990Hz时，虽然高于谐振频率FG＝900Hz、放大系数小于10的齿轮箱共振，但齿轮的1um啮合振动仍被放大到4.5um，而且，齿轮箱的振幅与齿轮啮合振动的振幅相位相反；由于齿轮箱振动的4.46um的正峰小于引发开裂的5um门槛值而没有开裂冲击，-4.54um的振动负峰低于闭合冲击门槛值-0.5um，以致出现闭合冲击；在齿轮箱的振幅波形及加速度波形中虽然几乎看不到裂纹开闭冲击的特征，但对加速度的共振解调检测发现了对应于裂纹开裂、闭合冲击的共振解调波形，该共振解调信号与齿轮箱低频加速度信号乘积的绝对值，即绝对相对积波形中，均出现了每个齿轮周期对应1次闭合冲击的脉冲。特别是，在图5-10对图5-9的波形之频谱分析中，鲜明地表现了：齿轮啮合振幅作用、齿轮箱有限共振幅度、齿轮箱综合加速度、齿轮箱低频加速度的频谱为990Hz，而共振解调和绝对相对积的主频谱也仍为990Hz，仅体现了齿轮箱裂纹仅存在闭合冲击，而且绝对相对积的波形幅度达到13.22[kgSV]、1阶谱仅达到10*0.367[kgSV]。

数据统计和报警决策如下：

由于图5-11仿真测定：当齿轮啮合频率F＝810Hz时，虽然高于谐振频率FG＝900Hz、放大系数小于10的齿轮箱共振，但齿轮的1um啮合振动仍被放大到4.74um，而且，齿轮箱的振幅与齿轮啮合振动的振幅相位相同；由于齿轮箱振动的4.68um的正峰小于引发开裂的5um门槛值而没有开裂冲击，-4.79um的振动负峰低于闭合冲击门槛值-0.5um，以致出现闭合冲击；在齿轮箱的振幅波形及加速度波形中虽然几乎看不到裂纹开闭冲击的特征，但对加速度的共振解调检测发现了对应于裂纹闭合冲击的共振解调波形，该共振解调信号与齿轮箱低频加速度信号乘积的绝对值，即绝对相对积波形中，均出现了每个齿轮周期对应1次闭合冲击的脉冲。特别是，在图5-12对图5-11的波形之频谱分析中，鲜明地表现了：齿轮啮合振幅作用、齿轮箱有限共振幅度、齿轮箱综合加速度、齿轮箱低频加速度的频谱为810Hz，而共振解调和绝对相对积的主频谱也仍为810Hz，仅体现了齿轮箱裂纹仅存在闭合冲击，而且绝对相对积的波形幅度达到9.02[kgSV]、1阶谱仅达到10*0.246[kgSV]。

数据统计和报警决策如下：

步骤5，增大共振阻尼降低共振幅度和减少裂纹扩展报警的验证；

当齿轮箱共振FG＝900Hz放大因子为G＝10时，受等幅(1um)振动激励发生的振动、裂纹报警信息：(见附图5-1～5-12)

当齿轮箱共振FG＝900Hz放大因子为G＝5时，受等幅(1um)振动激励发生的振动、裂纹报警信息：(见附图5-13～5-17)

比较上述数据：

当齿轮箱的共振放大因子G＝10时，近似从F＝0.9～1.1FG(危险范围0.2FG)发生报警；

当齿轮箱的共振放大因子G＝5时，近似从F＝1.0～1.056FG(危险范围0.056FG)发生报警。

Claims (7)

1.齿轮箱及传动***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，安装在齿轮箱各轴承座上的振动冲击检测传感器，和在线监控装置，在线监控装置与各传感器连接，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的在线监控装置，其特征在于：

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、以及转速测量传感噐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；

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；

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；

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。

2.根据权利要求1所述的齿轮箱及传动***共振破裂自动侦察识别与防范监控方法，其特征在于：通过建立共振多维侦察矩阵的方法，来确认可能渐变的各种部件的共振频率，其原理是利用任意旋转部件的各阶振动的频率随转速变化、而当该频率与齿轮箱及传动部件共振频率接近或吻合时，所激发的齿轮箱或传动部件谐振***的强烈振动、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；当3种及以上旋转部件在不同转速下的某阶振动频率为相近频率、并激发齿轮箱或传动部件强烈振动时，则确认该频率为齿轮箱或传动部件的共振频率FG，***的输入激励为旋转部件的各阶振动信息，齿轮箱及传动***为谐振***，***输出为齿轮箱振动信息，

旋转部件各阶振动输入激励特征频率函数是：

保外振动频率 $f=\frac{D_0-d\·\cos \mathrm{\α}}{{2D}_0}\×\mathrm{fn}\×n,n=\mathrm{1,2,3};$

保内振动频率 $f=\frac{D_0+d\·\cos \mathrm{\α}}{{2D}_0}\×\mathrm{fn}\×n,n=\mathrm{1,2,3};$

外环振动频率 $f=\frac{D_0-d\·\cos \mathrm{\α}}{{2D}_0}\×Z\×\mathrm{fn}\×n,n=\mathrm{1,2,3};$

内环振动频率 $f=\frac{D_0+d\·\cos \mathrm{\α}}{{2D}_a}\×Z\×\mathrm{fn}\×n,n=\mathrm{1,2,3};$

滚单振动频率 $f=\frac{D_0^2-d^2\·{\cos }^2\mathrm{\α}}{{2D}_0\·d}\×\mathrm{fn}\×n,n=\mathrm{1,2,3};$

滚双振动频率 $f=\frac{D_0^2-d^2\·{\cos }^2\mathrm{\α}}{D_0\·d}\×\mathrm{fn}\×n,n=\mathrm{1,2,3};$

本齿振动频率f＝fn×n，n＝1、2、3；

邻齿振动频率f＝C×fn×n，n＝1、2、3；

啮合振动频率f＝X×fn；

公式中，Do为轴承的中径，d为滚动体直径，α为滚动体接触角，Z为滚动体数量，fn为本轴转速频率，C为传动比，X为本轴齿轮齿数，n＝1、2、3表示各类振动的1、2、3阶。

3.根据权利要求2所述的齿轮箱及传动***共振破裂自动侦察识别与防范监控方法，根据运动学理论，当各旋转部件振动源振动幅度S一定、各旋转部件的特征振动频率为f时，振动源的加速度为a＝-(2πf)²·S·sin(2πft)；按权利要求2所述的公式内容，f与fn为正比关系，所以加速度a与转速fn的平方成正比关系；以机械二阶谐振***的特征作为识别共振及共振频率的理论依据：当用加速度来侦察齿轮箱谐振***的振动时，输入激励源的振动幅度S_m，侦察得到的振动加速度a_out，当不存在谐振***影响时，S_m与a_out应满足传递函数a＝-(2πf)²·S·sin(2πft)，其特征在于：如果***输出的加速度a′_out大于传递函数的加速度a_out的3倍以上时，即认为是“齿轮箱或传动部件强烈振动”；该加速度极大值对应的频率f即为谐振***的谐振频率FG，如果3种及以上旋转部件即不同振动源都能激起该FG的“齿轮箱或传动部件强烈振动”，则证明齿轮箱或传动部件共振于频率FG。

4.根据权利要求1所述的齿轮箱及传动***共振破裂自动侦察识别与防范监控方法，其特征在于：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该机械部件设计规定的限制值AX(例如8～12g峰值)时，则发出预报警；并发送出避免危险共振的转速控制对策为：增加或减小转速3～5％或以上，至避开共振的振动降低到限制值AX的1/2及以下。

5.根据权利要求1所述的一种齿轮箱及传动***共振破裂自动侦察识别与防范监控方法，其特征在于：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；对于齿轮箱体一类固化结构的部件，共振频率向低漂移2～3％发出1级报警，共振频率向低漂移3～5％及以上发出2级报警；对于拉杆、柔性转轴等变共振频率的部件，共振频率相对最低共振频率FGL向低漂移2～3％发出1级报警，共振频率相对低共振频率FGL向低漂移3～5％及以上发出2级报警。

6.根据权利要求1所述的齿轮箱及传动***共振破裂自动侦察识别与防范监控方法，其特征在于：为了识别齿轮箱及传动部件是否出现疲劳或裂纹，在刚刚加装在线监控装置而无法针对各种部件共振频带进行全速范围的长期进行转速跟踪连续监测来识别共振频率的漂移时，则对振动加速度和共振解调求绝对相对积，即：将等于激励频率f的振动加速度[g]与频率等于该激励频率整倍数的共振解调[SV]波形相乘并求绝对值，定义为“绝对相对积”；在发现振动加速度超过加速度限制值AX＝8～12g的振动之同时出现同频的绝对相对积，则发出1级或2级报警，申请及时维修；其中，对于齿轮箱若仅发现振动加速度1阶超过AX/2及与振动加速度同频率的1阶绝对相对积超过1级报警限制值JXDJ1＝9kgSV，则发出1级报警；若还发现振动加速度1阶超过AX及与振动加速度的1阶频率2倍频率的2阶绝对相对积幅度大于1阶的2倍并超过2级报警限制值JXDJ2＝20kgSV，则发出2级报警；

绝对相对积的报警限制值函数的通式为：

1级报警限制值：

JXDJ1＝(0.0402[g]*8*F/100)²*40.2[SV/g]*F/100*3；

2级报警限制值：

JXDJ2＝(0.0402[g]*12*F/100)²*40.2[SV/g]*F/100*3；

式中，0.0402g为1um振幅在100Hz时的加速度，8、12为1、2级报警的加速度限制值，F为当前的振动频率[Hz]，40.2SV为0.0402g加速度对应的冲击共振解调冲击值[SV]，3为工程经验修正系数。

7.根据权利要求1所述的齿轮箱及传动***共振破裂自动侦察识别与防范监控方法，为了防止齿轮箱及传动部件因低阻尼而在必然存在的并很难降低的外部振动激励作用下发生强烈共振而加速破坏，其特征在于：识别共振低阻尼的方法是进行某种振动激励因素所激发的全转速范围的输出振动进行测量统计得到A(F)，对远低于谐振频率FG(如1/5～1/3)的和高于谐振频率FG(如1.2FG及以上)的频率范围的振动特征加速度谱A(F)，做出符合B(F)＝A(F)(统计平均值)并且B(F)∝F²的幅度基准拟合曲线B(F)，计算频率FG时的K＝A(FG)/B(FG)，作为“共振放大系数”K；若该共振放大系数K大于3，则建议对谐振部件增加阻尼。例如：对齿轮箱外部涂敷高粘着力的高分子、低比重涂料，以便在其随齿轮箱局部弯曲振动时，将振动能量转化为热而散失，有效地通过增加阻尼而降低共振振动。