故障機(jī)理診斷技術(shù)的發(fā)展,使得它可以從原來的出發(fā)點(diǎn)——探尋故障信息規(guī)律,進(jìn)步到了探求故障發(fā)生的原因,以致能夠?qū)τ脩籼峁└玫?、雖不能“優(yōu)生”但可以“優(yōu)育”的建議,即先進(jìn)維修。
設(shè)備是一個(gè)有機(jī)的系統(tǒng),各種部件互相依存,相互制約,否則就不能工作。
故障機(jī)理診斷注重對客觀機(jī)械裝備的結(jié)構(gòu)關(guān)系、力學(xué)環(huán)境和運(yùn)行過程的研究,然后基于“結(jié)構(gòu)完整性”理論進(jìn)行綜合分析,研究內(nèi)因,也研究外因,通過建立故障發(fā)生機(jī)理的物理模型,研究故障信息的特征,從而建立信息特征與故障現(xiàn)象和原因之間的聯(lián)系,作為基于確切的特征信息識別故障的基礎(chǔ)。顯然,它強(qiáng)調(diào)所提取的信息與所關(guān)注的故障機(jī)理之間的對應(yīng)關(guān)系,為了解故障發(fā)生的原因準(zhǔn)備了條件,而若干僅憑對大量正常機(jī)器的信息和有故障機(jī)器的信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的模糊診斷則很難具備此能力。
外因是條件,內(nèi)因是根據(jù)。許多零部件經(jīng)受了長壽命試驗(yàn),但同型的新部件在組合于機(jī)器中后,在一批機(jī)器上故障多發(fā),而在另一批同型機(jī)器上卻能安全服役。某型號的軸承,在不同的而功率相近的齒輪箱同一部位工作,有的多發(fā)故障,有的卻故障很少。特別是,損壞的軸承時(shí)常表現(xiàn)為定點(diǎn)疲勞。零件的內(nèi)因不變,則故障的原因就必然歸于外因條件。先進(jìn)的維修,就不應(yīng)是僅僅更換故障零件,而應(yīng)當(dāng)消除導(dǎo)致該零件加速失效的外因。如果外因不能排除,就需要選用不受或較少受該外因影響的、具有特殊內(nèi)因的部件。
例如,因?yàn)檎J(rèn)識的局限性,設(shè)計(jì)者可能忽視傳動系統(tǒng)的特殊載荷條件,總以為所驅(qū)動的平行齒輪沒有強(qiáng)大的徑向力;減速器設(shè)計(jì)者未必對軸承與齒輪的特殊匹配需求加以考慮,也許以為軸承、齒輪的載荷是均布的等等。
為了實(shí)現(xiàn)故障信息的提取、識別和故障預(yù)警,故障診斷工作者需要研究機(jī)器部件最早發(fā)生疲勞的原因和信息特征,特別是研究機(jī)器多發(fā)故障的原因和信息特征,找出最能支持早期故障預(yù)警的信息規(guī)律。這種研究,實(shí)際上是從機(jī)器的安全和可靠性角度,對機(jī)器作深層次的認(rèn)知。而機(jī)器的設(shè)計(jì)師主要考慮的可能是實(shí)現(xiàn)機(jī)器的性能和常規(guī)的、相對理想的載荷條件。
研究這種故障機(jī)理和據(jù)此提升的“一種減少齒輪傳動系統(tǒng)故障率的軸承、齒輪匹配設(shè)計(jì)制造方法”[1],可以用數(shù)學(xué)模型描述故障多發(fā)的規(guī)律,從而可以預(yù)先識別設(shè)備的缺陷。
4. 故障診斷與先進(jìn)維修和設(shè)計(jì)創(chuàng)新
4.1 關(guān)于軸承齒輪的匹配設(shè)計(jì)和維修問題
如圖5所示:某齒輪箱的設(shè)計(jì)雖然要求中速軸和高速軸兩個(gè)傳動齒輪之間必須留有合理的間隙,不允許大小齒輪的齒頂擠壓另一個(gè)齒輪的齒溝。但如果電機(jī)軸與齒輪箱高速軸不對中如圖6,該外部條件就將消除齒輪間隙,小齒輪兩端的軸承都將承受附加徑向載荷,成為誘發(fā)故障的外因;由于軸承的游隙遠(yuǎn)小于齒輪的間隙,于是,當(dāng)高速軸前端軸承的內(nèi)環(huán)受到來自聯(lián)軸器和齒輪某對齒所施加的徑向力時(shí),如果該力正好作用于一個(gè)滾子(而不是兩個(gè)滾子之間),則該作用力就通過該滾子傳遞到軸承的外環(huán),破壞了設(shè)計(jì)者期望的至少由兩個(gè)甚至多個(gè)滾子承受載荷的理想條件,這無疑要引起固定的外環(huán)和轉(zhuǎn)動到該承載區(qū)的內(nèi)環(huán)定點(diǎn)疲勞。同理,如果某齒輪總是有某幾個(gè)齒在嚙合時(shí)產(chǎn)生上述的受力機(jī)制,則這幾個(gè)齒或其齒溝也將發(fā)生定點(diǎn)疲勞,甚至引起該齒輪軸的定向疲勞、裂紋、折斷。這種事例在鐵路車輛傳動系統(tǒng)中常有發(fā)生。