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第1章 共振解调技术在机车走行部监测装置中的主要应用收获1

1.1 车轮、踏面问题2

1.1.1 车轮踏面浅层裂纹报警，克服超探盲区3

1.1.2 车轮踏面深层裂纹报警，立即被超探证实3

1.1.3 车轮踏面隐蔽空洞与径向裂纹报警4

1.1.4 车轮踏面径向裂纹报警5

1.1.5 车轮不圆度报警6

1.1.6 踏面故障冲击危害减振器、六连杆的安全6

1.1.7 踏面故障引发的冲击危害轴箱轴承的安全8

1.2 轴承故障监测问题11

1.2.1 轴箱轴承故障多发的原因11

1.2.1.1 轴承外环故障多发与轴承选型密切相关11

1.2.1.2 轴承滚子故障多发与轴承选型密切相关12

1.2.2 电机轴承故障多发的原因14

1.2.2.1 直流驱动电机非齿轮端轴承滚子端面故障发生的特征14

1.2.2.2 直流驱动电机齿轮端轴承故障多发的特征19

1.2.2.2.1 故障现象之一：爬动的外环发生擦伤故障20

1.2.2.2.2 故障现象之二：不动的外环发生局部疲劳和组织疏松20

1.2.2.2.3 故障现象之三（推测）：外环疲劳带发生剥离21

1.2.2.3 驱动电机的齿轮端轴承故障机理诊断22

1.2.3 悬挂轴承故障监测23

1.2.3.1 空心轴的齿轮轴承故障监测23

1.2.3.2 抱轴承的故障监测26

1.2.3.3 抱轴承的故障监测——保留温度监测功能27

1.3 齿轮故障监测问题27

1.3.1 齿轮故障首要监测目标是啮合状态27

1.3.2 齿轮裂纹故障扩展具有突变性32

1.3.3 影响齿轮啮合工况者将被报警33

1.4 检测技术的广义共振理论基础浅说34

第2章 广义共振与机械故障诊断信息检测的敏感性37

2.1 故障诊断的信息检测必须遵守自然规律和社会规律37

2.1.1 物体的内因决定的自然规律是不可抗拒的——广义共振是共性特征39

2.1.2 物体的内因决定了它对于外部作用的敏感性41

2.1.3 利用敏感性提取物体对于外部作用的响应42

2.1.4 敏感性是故障诊断信息受感和预处理的关键性环节42

2.2 机械故障冲击与广义共振的敏感性和统一性43

2.2.1 机械故障与振动和冲击的关系——故障现象调查43

2.2.2 冲击信息与广义共振的对应性——自然规律认识44

2.2.3 广义共振对于机械故障冲击的敏感性45

2.3 共振解调技术的物理学基础49

2.3.1 机械与电子谐振系统的等效性——自然规律的统一性49

2.3.2 不同谐振频率的广义共振变换50

2.3.2.1 如何选择用于提取冲击的谐振系统的广义共振频率50

2.3.2.2 不同谐振频率的广义共振变换51

2.3.2.3 兼顾剔除低频振动信号的电子窄带谐振广义共振变换52

2.3.2.3.1 窄带电子谐振器对于二阶系统能量的变换特征54

2.3.2.3.2 广义共振变换的能量关系初探54

2.3.2.3.3 机械二阶系统及广义共振变换的能量、幅值关系57

仿真软件数学模型的反演推导58

考虑结构耦合的仿真研究61

2.4 广义共振与非转运动机械故障的侦察65

2.4.1 前人技术：非转运动机械离线试验诊断技术65

2.4.2 基于广义共振的非转机械随遇激励侦察技术65

2.4.2.1 连续侦察广义共振，发现机械结构匹配的薄弱环节66

2.4.2.2 广义共振漂移与疲劳、裂纹识别技术68

2.4.2.3 广义共振冲击疲劳——构件冷作疲劳预警69

2.4.2.4 基于振动相对积的大型构件断裂远程识别技术72

2.4.2.4.1 相对积函数的引出72

2.4.2.4.2 相对积函数的定义和推论72

2.4.2.4.3 相对积函数的基本意义74

2.5 广义共振变换与车辆的二阶系统级联减振77

2.5.1 用于减振的二阶系统的组织与匹配77

2.5.2 转向架水平低频广义共振发生的原因79

2.5.3 意外低频广义共振破坏了串联二阶系统减振的组织关系79

2.5.4 可能的改进措施80

2.5.4.1 增加横向刚度的仿真80

2.5.4.2 增加横向阻尼的仿真80

第3章 共振解调诊断的技术原理82

3.1 传统的振动信号分析方法82

3.2 共振解调技术是提取故障冲击信号的有效途径84

3.2.1 关于广义共振84

3.2.2 机械谐振系统对于冲击的广义共振响应86

3.2.3 共振解调变换87

3.2.4 共振解调诊断轴承的基础数学量值模型90

第4章 如何实现高精确度故障诊断——自然辩证法与故障诊断方法论93

4.1 诊断理论和提高诊断确诊率的诊断准则93

4.1.1 多个同类故障的归类诊断准则93

4.1.2 规则抽取准则95

4.2 几个重要的诊断判据96

4.2.1 多阶性判据的基本原理及其应用96

4.2.2 边频判据和调制判据的基本原理及其应用97

4.2.2.1 关于各周历经性故障和方位固定性故障97

4.2.2.2 各周历经性故障可能存在调制、边频谱和调制谱97

4.2.2.2.1 共振解调信号的调制和边频谱97

4.2.2.2.2 共振解调信号的调制谱99

4.2.2.2.3 边频谱和调制谱的一般规律100

4.2.2.2.4 调制谱、边频谱的实验验证102

4.2.2.2.5 调制波形的调制谱和边频谱的仿真证明102

4.2.2.3 边频谱引起的误诊和边频判据102

4.2.2.4 调制谱引起的误诊和调制判据104

4.2.2.5 利用边频和调制谱规律确认故障机理105

4.2.2.5.1 关于“故障机理诊断”105

4.2.2.5.2 把滚子端面故障划分为间隙消失故障和端面破损故障106

滚子端面破损并且随机抽取或调制故障识别107

滚子端面间隙消失磨损的调制故障识别108

4.2.3 共振解调波的多阶性误诊和高阶误用（半谱）判据111

4.2.4 电干扰引起误诊的可能性与电干扰判据112

4.2.5 关于诊断判据的小结114

第5章 故障机理诊断和重要案例分析116

5.1 车轮、踏面探险117

5.1.1 DF11G—0009机车11位踏面为何有故障而未报警——踏面报警机理及报警原则研讨117

5.1.2 第一部分：车轮不圆度问题119

5.1.2.1 车轮不圆度故障的危害及其诊断识别119

5.1.2.2 DF4DK—3014机车55位踏面报警：不圆度推断121

5.1.2.3 DF11—0223机车踏面报警：哈密机务段揭开车轮不圆度的面纱122

5.1.3 第二部分：踏面故障对相邻部件的危害123

5.1.3.1 踏面故障怎样危害其他部件的安全123

5.1.3.2 踏面失圆将要影响六连杆的寿命123

5.1.3.3 踏面冲击将影响减振器的寿命125

5.1.3.4 踏面冲击对于轴承的危害126

5.1.3.4.1 踏面故障冲击影响保持架的安全126

5.1.3.4.2 踏面故障冲击影响内环的安全127

5.1.3.5 踏面故障冲击危害实心轴齿轮的安全129

5.1.4 第三部分：车轮裂纹、空洞问题132

5.1.4.1 从诊断角度对车轮踏面裂纹的分类132

5.1.4.2 裂纹故障诊断和故障冲击机理132

5.1.4.2.1 轮箍浅层周向裂纹诊断132

5.1.4.2.2 轮箍深层周向裂纹诊断137

5.1.4.2.3 轮箍轴向径向裂纹诊断139

“行成于思毁于随”的哲学思想引导我们发现理论规律139

没有比较就没有鉴别——裂纹特征识别和径向裂纹的信息发生机理141

一个双径向裂纹车轮的预报和验证143

在其他故障混杂信号中甄别裂纹的性质145

5.1.4.2.4 轮箍周向径向裂纹诊断145

兰州西轮箍周向径向裂纹诊断的案例147

嘉峪关轮箍周向径向裂纹诊断的案例148

5.1.4.2.5 轮芯周向裂纹诊断149

关于轮芯周向多边裂纹149

关于轮芯周向圆形裂纹151

5.1.4.2.6 车轮踏面空洞问题152

5.2 轴箱轴承故障特征和故障机理诊断152

5.2.1 轴承外环故障多发与轴承选型密切相关152

5.2.2 轴承电灼伤故障的特征157

5.2.3 轴承滚子故障多发与轴承选型密切相关158

5.3 电机轴承故障特征和故障机理诊断164

5.3.1 直流驱动电机非齿轮端轴承滚子端面故障发生的特征164

5.3.1.1 直流驱动电机多发非齿端轴承故障164

5.3.1.2 故障发生、发展的特征165

5.3.1.3 滚子端面间隙消失原因初探169

5.3.2 直流驱动电机齿轮端轴承故障多发的特征和故障机理诊断173

5.3.2.1 直流驱动电机齿轮端轴承故障多发的特征173

5.3.2.1.1 直流驱动电机齿轮端轴承故障现象之一：爬动的外环发生擦伤故障174

5.3.2.1.2 直流驱动电机齿轮端轴承故障现象之二：不动的外环发生局部疲劳和组织疏松174

5.3.2.1.3 直流驱动电机齿轮端轴承故障现象之三（推测）：外环疲劳带发生剥离175

5.3.2.2 驱动电机的齿轮端轴承故障机理诊断175

5.3.2.2.1 关于齿轮轴承的匹配设计函数——“齿轮—滚子传动比”176

5.3.2.2.2 各种车型的齿轮与驱动电机的“齿轮—滚子传动比”和齿轮挤压外环擦伤统计176

5.3.2.2.3 关于齿轮轴承的匹配设计函数的建议177

齿轮挤压轴承打滑擦伤的物理学机理——自然避让效应177

侦查齿轮挤压外环打滑故障发生可能性的同步、异步准则179

5.3.2.3 关于齿轮工况影响轴承安全的机理推测182

5.3.2.3.1 简述182

5.3.2.3.2 DF11L-358—12的奇特信息：齿轮推力引起齿端轴承内、外环，滚子和刷端滚子冲击的分析183

5.3.2.3.3 齿轮啮合径向力引起驱动电机齿轮端轴承超温的分析190

5.4 悬挂轴承故障特征和故障机理诊断196

5.4.1 空心轴齿轮的轴承故障监测及故障机理分析196

5.4.1.1 空心轴轴承外环、滚子故障的信号特征196

5.4.1.2 空心轴轴承内环故障的信号特征199

5.4.2 抱轴承故障监测常见的故障轴承定位问题204

5.4.2.1 区分两套抱轴承故障源的问题和冲击沿实心轴的传递204

5.4.2.2 抱轴承的轻载、大口径特点决定的故障调制特征206

5.5 齿轮故障特征和故障机理诊断213

5.5.1 实心轴齿轮诊断的难点——车轴传递踏面故障信号的干扰及诊断对策213

5.5.1.1 同一齿轮故障的多发性还是其他原因诱发的多冲击217

5.5.1.2 齿轮危险裂纹故障的隐蔽性和故障扩展的突发性225

5.5.2 空心轴齿轮故障诊断的特征238

5.5.2.1 组合齿轮的故障特征238

5.5.2.2 齿轮啮合冲击往往意味着将要诱发重大故障248

5.5.2.2.1 齿轮啮合冲击信息是小齿轮故障的先兆248

DF4BK1—1746小齿轮失落的前因248

DF11—0136小齿轮失落螺钉的前因250

SS8—0176小齿轮螺钉松动的前因250

DF4D—0104机车5轴小齿轮故障的先兆251

DF4D—0505机车1轴小齿轮断齿故障的先兆251

5.5.2.2.2 齿轮啮合冲击信息经常是电机齿轮端轴承故障的先兆251

DF4DK1—3215机车5轴电机外环故障与齿轮啮合冲击信息伴生251

SS8—0177机车1轴电机外环故障与齿轮啮合冲击信息伴生251

DF4DK—3142—32位电机齿端轴承外环、滚子1级报警，发现外环、内环擦伤滚子拉伤251

DF8B—5175—52位电机齿端，轴承超温，外环打滑擦伤，小齿轮故障和齿轮啮合冲击251

5.5.2.2.3 齿轮啮合冲击信息经常是电机非齿轮端轴承滚子端面间隙消失故障的先兆252

DF11—0177—54位，电机刷端滚子端面故障报警的原因是齿轮的轴向作用力254

DF4DK—3224—52位轴承滚子端面间隙消失故障原因是齿轮啮合轴向力的证明254

5.5.2.2.4 齿轮啮合冲击信息经常是大齿轮相关轴承故障的先兆254

空心轴轴承故障时有齿轮啮合冲击谱的先兆254

抱轴轴承故障时有齿轮啮合冲击谱的先兆257

5.5.2.2.5 齿轮间隙问题的维修建议261

附录1 关于谐振器机理的研究——串联谐振器的研究264

附录2 电机齿轮端轴承外环上有固定的、距离等于滚子间距的疲劳带的原因分析282

附录3 纳入传感器二阶系统影响的仿真289

附录4 二阶系统减振系统级联方法研究291

附录5 机械位移二阶系统与电子二阶系统的等效类比297

附录6 本书中主要参数的量纲和表达方式说明306

参考文献308