高速列车齿轮箱振动信号诊断研究

高铁列车轮对振动信号的特征提取与故障诊断高铁列车作为一种高速、高效、安全、舒适的出行工具，在现代交通领域已经得到广泛应用。

而高铁列车中一个重要的组成部分就是轮对。

由于长时间的运行和复杂的工况，轮对存在着一些可能引起故障的问题。

因此，轮对的故障诊断就显得尤为重要。

本文将基于高铁列车轮对信号的特征提取与故障诊断问题进行探讨。

一、高铁列车轮对振动信号的特征提取1.时域特征时域特征是指在时间域内对信号的各种参数进行测定。

一般可通过计算统计学参数、峰值、均值、标准差、斜率等来提取时域特征。

在高铁列车的轮对振动信号分析中，时域特征可用于描述轮对振动信号的整体状态，判断是否存在明显的异常。

同时，时域特征也是其他特征提取方法的基础。

2.频域特征频域特征是指在频域内对信号的各种参数进行测定。

一般可通过进行傅里叶变换将时域信号转化为频域信号，并计算诸如功率谱密度、峰值频率、中心频率等参数来提取频域特征。

在高铁列车的轮对振动信号分析中，频域特征可用于描述信号幅值和频率分布情况，判断轮对振动频率是否存在异常。

3.小波分析特征小波分析特征是指对信号进行小波分析，计算出各种参数来进行特征提取。

小波变换在时域分析和频域分析之间提供了一种有效的转换方式。

显著优点是它能够提供时频域混合分析能力，不失去信号的时间和频率信息。

在高铁列车的轮对振动信号分析中，小波分析特征可以提取振动信号的角度和频率信息，并从中提取寿命、振动等方面的特征。

二、高铁列车轮对故障诊断在对高铁列车轮对的故障进行诊断之前，需要首先进行特征提取，获得轮对振动信号的各种参数。

根据提取出的特征，可以进行故障诊断。

以下是常见的故障诊断方式：1.轮缘磨损故障轮缘磨损是较为常见的轮对故障之一。

当轮缘磨损严重时，容易引起轮对振动信号异常。

在进行轮缘磨损故障诊断时，需要对振动信号中的峰值频率进行分析，判断其是否与轮缘磨损频率匹配。

如果匹配，则说明存在轮缘磨损风险。

2.轮轴承故障轮轴承故障是导致轮对振动异常的另一种原因。

轮轨激励下高速列车齿轮箱箱体振动特性分析研究杨广雪;李广全;刘志明;王文静【摘要】齿轮箱装置作为高速动车组牵引系统的重要传动设备,在运用过程中承受来自于轮轨激励的冲击作用.为探索高速列车齿轮箱箱体在轮轨激励下的振动特性,在武广客运专线对箱体进行线路试验,获得箱体在新轮和磨耗轮2种状态下的振动特性,并通过加速度幅值谱和定义等效加速度幅值的方法对比分析振动信号.试验结果表明,箱体在列车磨耗轮状态下的加速度振动幅值要低于新轮状态,其中横向、垂向振动幅值分别降低50％和67％,一定程度的磨耗改善该型箱体的振动特性;应用等效加速度幅值法获取箱体不同部位之间的振动关系,数据分析结果验证该方法的有效性和适用性.该研究对确保高速列车传动系统运用安全和箱体新型结构的设计提供参考.%Gearbox device,as the important transmission equipment of the traction system of high-speed electric multiple unit (EMU),suffers the impact mainly from the wheel-rail excitation.In order to study the vibration characteristics of gearbox housing of a high-speed train under the wheel-rail excitation,a running test on gear box housing was carried out at Wuhan-Guangzhou passenger dedicated line.The vibration characteristics of the housing system were obtained under new wheel and the worn wheel scenarios.The vibration signals were analyzed with the acceleration amplitude spectrum and the method of defining equivalent acceleration amplitude.The results show that the acceleration vibration amplitude of the gearbox housing under the state of worn wheels is lower than that under the new wheels,where the horizontal and vertical vibration amplitudes were re duced by 50％ and 67％ respectively.A certain degreeof wear has improved vibration characteristics of the gearbox.The equivalent acceleration amplitude method was used to obtain the vibration relationship between different parts of gearbox.Data analysis verified the validity and applicability of this method.This study is helpful to ensure the operational safety of the transmission system of high speed train and provides a reference for the design of the new housing.【期刊名称】《铁道学报》【年(卷),期】2017(039)011【总页数】7页(P46-52)【关键词】齿轮箱;轮轨激励;振动特性;振动幅值;高速列车【作者】杨广雪;李广全;刘志明;王文静【作者单位】北京交通大学机械与电子控制工程学院,北京 100044;北京交通大学机械与电子控制工程学院,北京 100044;北京交通大学机械与电子控制工程学院,北京 100044;北京交通大学机械与电子控制工程学院,北京 100044【正文语种】中文【中图分类】U270.332高速铁路由于具有速度高、运能大、能耗低、污染轻、占地少和安全性能高等诸多技术经济优势，受到了世界各国的普遍重视。

高速动车组齿轮箱振动分析与故障检测发布时间：2021-01-21T06:53:38.245Z 来源：《中国科技人才》2021年第2期作者：崔振楠[导读] 基于此原理提出可通过监测齿轮箱大齿轮轴承处的振动便可间接地监测轮对的运动状态。

中国铁路北京局集团有限公司北京动车段北京 102600摘要：随着国家高速铁路的不断发展，高速动车组的安全性一直是大家关注的重点。

齿轮箱作为高速动车组的核心动力部件之一，其运行的稳定性将直接影响到车辆的运行状况，如此，对高速动车组齿轮箱的故障监测和精确诊断成为了现在的研究热点。

关键词：高速动车；组齿轮箱；振动分析；故障检测1齿轮箱振动特点首先，齿轮箱中的大齿轮位于轮对轴上，并直接固定安装在轮对上，即轮对便是大齿轮的旋转轴，可见齿轮箱中大齿轮的广义运动自由度与轮对一致；另大齿轮与箱体之间的轴承也是直接嵌套在轮对轴上，即大齿轮处轴承的内圈与轮对轴固定，外圈与齿轮箱箱体固定。

可见，在高速动车组运行的过程中，轮轨激励将由大齿轮轴承直接传递至齿轮箱上，齿轮箱的部分振动能量源自于轮轨激励。

基于此原理提出可通过监测齿轮箱大齿轮轴承处的振动便可间接地监测轮对的运动状态。

其次，在高速动车组齿轮箱中的小齿轮与大齿轮啮合的同时，其旋转轴的一端与牵引电机输出轴通过联轴器间接相连，小齿轮轴上的轴承内圈与小齿轮轴相接触，外圈与齿轮箱箱体接触。

此外，齿轮箱小齿轮处还有C型架结构，齿轮箱通过C型架吊装在构架上。

即齿轮箱中小齿轮处的箱体振动在除了啮合振动外，还受到了电机的振动影响与构架的振动影响。

由于电机的振动与逆变器输出有一定关系，逆变器的输出较难模拟仿真，故在本文中便不再将电机振动对齿轮箱的振动影响纳入考虑。

2故障齿轮箱2.1断齿故障当齿轮副出现一个轮齿出现断齿故障，在影响齿轮系统的啮合刚度的同时，也由于结构的缺损致使整个齿轮系统出现质量偏心问题。

齿轮啮合运动，主动轮和从动轮之间的反应反应通过角色分别在牙接触点彼此，最危险的情况是一个时刻齿的接触点的牙齿，牙齿的悬臂梁，后加载的根源齿根弯曲应力最大，如果因为突然过载或过载的影响，容易产生负载在牙根断裂。

高速动车组车轴的振动信号特征提取与分析一、引言随着高速铁路网络的建设和发展，高速动车组作为一种重要的交通工具，其运行安全和乘坐舒适性成为乘客和运营商关注的焦点。

车轴振动是评估高速动车组运行状态和车轴健康状况的重要指标之一。

因此，对高速动车组车轴振动信号的特征提取与分析显得尤为重要。

二、车轴振动信号特征提取方法1. 时域特征提取时域特征是指通过对振动信号的直接分析和处理来获取特征。

常用的时域特征包括均值、标准差、偏度、峰度等。

这些统计量可以反映振动信号的整体分布情况和形态特征。

2. 频域特征提取频域特征是指将振动信号转换到频域进行分析，通常使用傅里叶变换或小波变换来实现。

常用的频域特征包括频率谱、功率谱、相位谱等。

这些特征可以揭示振动信号的频率成分、能量分布和相位关系。

3. 小波包分析小波包分析是一种基于小波变换的信号分析方法。

通过将振动信号分解成不同尺度和频率的子带，可以更加准确地提取信号的特征。

小波包分析可以获得振动信号的频域和时域特征，并能够反映不同频带的能量分布和包络形态。

4. 统计特征提取除了常用的时域和频域特征外，统计特征也是一种常用的振动信号特征提取方法。

统计特征包括自相关函数、互相关函数、谱密度函数等。

这些特征可以反映振动信号的相关性、分布特征和随机性。

三、车轴振动信号特征分析方法1. 轨道激振法轨道激振法是一种通过车轮与轨道的相互作用来激发车轴振动，并通过测量振动响应信号来分析车轴振动特征的方法。

通过在不同位置和不同速度下进行实验，可以获取不同工况下的振动信号，并分析振动信号的频率成分和幅值变化。

2. 传感器监测法传感器监测法是一种通过安装传感器直接监测车轴振动信号的方法。

常用的监测传感器有加速度传感器、位移传感器等。

通过采集和记录振动信号，可以对车轴的振动特征进行分析和评估。

3. 数据挖掘方法数据挖掘方法是一种基于大数据和机器学习技术来分析车轴振动信号特征的方法。

通过构建适当的模型和算法，可以对大量的振动数据进行自动化处理和分析。

浅析齿轮箱震动信号频谱分析与故障诊断摘要齿轮箱作为机械设备重要构成部分,在实际的机械生产和应用中涉及十分广泛,而其在恶劣复杂的工作环境中性能的发挥将直接对整个机械设施的运转产生重要影响。

若是齿轮箱在正常的运转过程中出现问题，不但会影响正常的生产，对经济效益造成影响，甚至会对人身安全产生威胁。

所以，在确保机械设施能够维持正常运转且不具备安全隐患的基础上针对其进行有效的安全检查和定期维保有着十分重要的意义。

关键词：齿轮箱；故障诊断；频谱分析前言近年来，随着科技的不断发展，各个行业有了先进的科学作为基础，呈现出向好发展的趋势，其中，人工智能技术被应用到机械设备领域，对机械设备进行改造，使机械设备变得更智能、更高效、更精确，进一步提高人类生活水平。

在机械设备变得智能化的同时，对机械设备本身的要求也会更高，其中任何一处问题都可能会导致机械设备故障，从而引发重大安全事故。

齿轮传动是较为常用的机械设备传动方式，齿轮传动的应用非常广泛，如为发电机组关键部件，其中齿轮箱为其传动装置，齿轮箱的特点是结构紧密并且传动比大，因此它被运用到各行各业，对的日常生活有很大的影响。

齿轮在使用过程中，一般都处于高速运转状态，冲击力也比较大，在这样的工作环境下，齿轮容易产生很多故障，比如纹裂和断齿等。

在机械运作的过程中，齿轮的损坏可能会导致其他零件的损坏，造成机械故障，从而引发巨大损失。

齿轮箱的主要零部件有齿轮轴、轴承、齿轮和箱体。

齿轮箱根据用途可以选用有平行轴、交错轴及相交轴三种内部形式。

齿轮箱在高运转、高负荷、高冲击的环境下运行时很容易发生故障，可能会导致其他设备故障，从而引发事故的产生。

不仅会造成经济损失，还会威胁人类生命健康，所以针对齿轮箱的实际运行状态进行实时的监控并有针对性的制定应预案，对设备定期展开维护检查，在最大程度上保证设备的稳定安全运转，对人们的安全健康保障有着重要的意义。

1.设备振动信号分析方法1.1时域分析分析系统振动情况时,针对在设备振动信号中存在在时域中时变数据的分析方法是时域分析。

齿轮箱振动信号频谱分析与故障诊断摘要：随着科技的快速发展，齿轮已经成为现代工业中主要的零部件之一，由于齿轮箱传动比是固定的，传动力矩大，结构紧凑，被各种机械设备广泛的应用，成为各种机械的变速传动部件，但是齿轮是诱发机械故障的重要部位，所以对齿轮箱故障诊断是十分必要的，本文基于齿轮箱振动及调制边频带形成机理的分析，提出用谱平均及倒频谱分析相结合的方法，对监测系统输出信号进行频域分析，诊断齿轮箱故障，并分析产生的原因。

关键词：齿轮箱；振动信号；频谱分析；故障诊断一、齿轮传动装置故障基本形式及振动信号特征对于齿轮传动装置来说零件失效的主要表现为齿轮和轴承，而齿轮所占比例很大，所以根据提取的故障信号特征，提出行之有效的诊断方法是十分必要的，这样才能更好地诊断齿轮传动装置的问题所在。

1.齿形误差当齿轮出现齿形误差的时候，频谱产生啮合频率及高次谐波为载波频率，齿轮所在的轴转频及倍频为调制频率的啮合频率调制现象，谱图上在啮合频率及倍频附近会产生幅值比较小的边频带，当齿形误差比较严重的时候，激振能量很大，就会产生固有频率，齿轮所在轴转频及倍频为调制频率的齿轮共振频率调制现象。

2.齿面均匀磨损当齿轮使用以后齿面会出现磨损失效，当磨损的时候，使得轮齿齿形的局部出现改变，箱体振动信号与齿形误差也有很大的不同之处，啮合频率及高次谐波的幅值也会增加，由于齿轮的均匀摩擦，就不会产生冲击振动信号，所以不会出现明显的调制现象。

当摩擦达到一定程度以后，啮合频率及谐波幅值就会增加，而且越来越大，同时振动能量也在增加。

3.箱体共振齿轮传动装置箱体共振是比较严重的问题，这主要是因为受到箱体外的影响，激发箱体的固有频率，导致共振的形成。

4.轴的弯曲轴轻度弯曲就会造纸齿轮齿形误差，形成以啮合频率及倍频为载波频率，如果弯曲轴上有多对齿轮啮合，就会对啮合频率调制，但是谱图上的边带数量少，但是轴向振动能量很大。

当轴严重弯曲的时候，时域会出现冲击振动，这于单个断齿和集中性故障产生的冲击振动有很大的区别，这是一个严重的冲击过程。

齿轮箱专用振动信号分析方法齿轮箱振动信号的特点是频率成分复杂，存在大量的调制现象，并且齿轮箱（特别是行星齿轮箱）内部的故障信号传递路径长，冲击脉冲比较弱，易受其他信号干扰，被幅值大的转动轴振动信号掩盖，基本的频谱分析有时效果不理想，需要根据结构特点，采用一些专用的分析方法一、多轴系阶比跟踪技术计算阶比跟踪技术（Computed Order Tracking）对齿轮箱分析非常适用，特别是变速齿轮箱的低速轴分析，由于转速低，测量5-10个转动周期需要耗时很长，加上转速变动，如果不做阶比跟踪采集，得到的振动信号直接做FFT，频谱存在非常严重的“模糊”现象（谱线相互重叠，不清晰，不便于故障识别和分析）。

图1：阶比跟踪采样图2：普通频谱分析图3：计算阶比跟踪分析图4：计算阶比跟踪分析局部放大（啮合频率和边带明显）齿轮箱类设备因为有多个齿轮轴，采用多轴系阶比跟踪分析，很多时候分析结果非常直观，直接从不同转轴的阶比跟踪采样波形就能得到故障信息。

图5：中间轴故障图6：输出轴故障二、齿轮箱振动分析Circular图技术下面三张图分别是一个齿轮箱输入轴（高速）、中间轴、输出轴（低速）的Circular图，三个轴的转速比是1:3:5。

可以直观的看到输出轴存在故障。

图7：输入轴振动Circular图图8：中间轴振动Circular图图9：输出轴振动Circular图下图是一个行星齿轮箱的齿圈故障时的振动Circular图。

该行星齿轮箱有三个行星轮。

图10：齿圈有1个断齿时的Circular图三、阶比包络谱技术包络分析对于齿轮箱及其内部的滚动轴承故障分析和故障定位非常有效，包络分析可以有效提取齿轮箱、轴承部件存在缺陷时的高频冲击脉冲信号，但是如果齿轮箱转速不稳定，存在转速变动，这种冲击信号的周期也是随转速变动的，直接进行包络分析效果不好。

采用阶比包络分析技术可以消除转速波动的影响，得到非常清晰的诊断图谱。

图11：频谱分析图12：普通包络分析图13：阶比包络分析四、阶比边带能量比技术齿轮箱振动信号频谱最基本的特征是啮合频率和转轴边带信号。