基于故障树方法的高铁转向架齿轮箱的故障分析

基于故障树方法的高铁转向架齿轮箱的故障分析

张得军

中国铁路北京局集团有限公司北京动车段北京102600

摘要：高速铁路的建设对于我国经济的发展有着非常重要的意义，而想要保证高速铁路的平稳运行就要对高铁动车组的各个零件进行有效的管理，并且对发生的故障进行排除。这篇文章研究的就是转向架齿轮箱的故障分析方法问题，以介绍高铁转向架齿轮箱的故障类型作为切入点，详细说明了齿轮箱故障分析过程中故障树方式的运行情况。

关键词：故障树；转向架齿轮箱；故障分析

引言

在高铁动车组的各种机械部件当中，齿轮箱的作用是无可替代的，它是调整速度以及传递运行的关键性零件，对于齿轮箱来说，功能越多就代表着其内部的结构越复杂，出现故障的概率也就越高。因此为了确保齿轮箱在高负荷运动中保持良好的状态，就要对其发生的故障进行科学且合理的分析，而故障树方法的出现就为齿轮箱故障分析指明了新的方向。

一、故障树分析法具体流程

想要了解故障树方法与转向架齿轮箱的故障分析的结合，我们首先要弄清楚的就是故障树分析法的具体流程。首先就是建立一个故障树，将待分析的系统作为故障树结构的顶事件，然后分别罗列出会导致顶事件的若干因素，将这些因素划分为中间事件，随后再列出形成每个中间事件的底事件，通过多层次的推理最终寻找到产生顶事件的充分必要条件。最终形成一个完整的逻辑图[1]。其次，对于得到的故障树进行定性分析，其主要的目的是寻找到引发顶事件的全部底事件，并且将底事件按照性质进行集合，最终得出最小割集，通过对最小割集的分析来寻找到引发顶事件的主要诱因。最后，要进行定量分析，主要包括计算顶事件发生概率以及计算顶事件的重要性。一方面在进行发生概率计算的时候可以通过计算底事件发生概率函数来进行推导，另一方面在分析重要性的时候要根据底事件重要程度的差异计算最小割集事件对于顶事件的影响。

二、转向架齿轮箱故障类型

在列车行进的过程中，动车组自身会产生一定的震动，这些震动会通过转向架传递到车轮，与此同时这种震动也会对齿轮箱自身产生一定的影响，在长时间的运行过程中齿轮箱中的零件会出现不同程度的磨损以及老化，因此齿轮箱一直是高铁动车组设备中故障率较高的设备[2]。从总体上来说，齿轮箱的故障主要有以下几大类。第一种是紧固螺丝松动问题，也是该部件常见的一种问题，紧固螺丝的松动会让齿轮箱在工作的时候发生密封不严的问题，一方面会造成噪声的扩大，另一方面也会让内部的润滑液发生泄漏。第二种是内部齿轮的损坏问题，主要体现在齿轮面损伤以及齿轮折断这两个方面，由于高铁动车组的齿轮箱强调密封性，因此齿轮往往能够得到充分的润滑，于是齿轮损害问题就集中体现在了齿面点蚀方面，在长时间的工作中齿轮面受到腐蚀而产生点状损伤，缩短齿轮的寿命。第三种是轴承的损坏，在齿轮处于长时间高负荷工作状态下，轴承容易出现震动或者发热异常等问题，如果这些问题得不到有效的处理，那么就会影响到轴承的正常运转，造成精度失效以及制动失效等问题，影响列车的安全性。

三、故障树方法与齿轮箱故障分析的结合

（一）齿轮箱故障树建立步骤

在对转向架齿轮箱的故障进行分析的时候，可以与故障树分析法进行巧妙的结合。通过故障树的方式来梳理齿轮箱发生故障的各种诱因[3]。首先，要全面了解齿轮箱的构造模式以及其工作的基本原理，只有做到对齿轮箱进行深入的了解才能正确认识齿轮箱内部各个齿轮、传动轴之间的运转模式，以及传动系统与润滑系统之间的关系，通过高效的关系梳理工作来明确各个元素之间内在的逻辑关系，保证故障树分析法能够被正确运用。其次，要确定齿轮箱故障的顶事件，一般情况下我们将可能引发最严重后果以及维修成本最高的故障当作故障树的顶事件，在齿轮箱所发生的各种故障中，齿轮箱失效无疑是最为严重的事件，因此我们将其划定为该事故树的顶事件。最后要完善并发展故障树，在找到顶事件后就要从各个方面进行分析，将可能引发该事件的直接原因列出来作为中间事件，比如润滑油泄漏、轴承断裂等，在以此为基础寻找形成中间事件的原因，将其划分为底部事件，至此一个完整的故障树就被创建出来。

（二）定性分析

该步骤的一个核心工作就是通过一定的方式来求出最小割集，当前常用的计算割集的方法包括结构法、行列法以及布尔代数化简法，在三种方式最大的不同就在于求解的逻辑存在差异，因此要根据以及的条件以及不同的底事件之间的逻辑关系特点来选择合适的计算方法[4]。在齿轮箱故障树中，所有的底事件之间是“互为或”的关系，所以采用布尔代数化简法比较合适，通过详细的分析我们发现，变数箱故障树是由26个最小割集事件所组成的，也就是说能够引发变数箱失效这一顶事件的故障有26种基本的模式。这些模式之间在逻辑上是“互为或”的关系。因此可以进行单独计算。

（三）定量分析

在分析出26种基本故障模式之后，就可以使用这些模式来计算齿轮箱的平均寿命，我们将齿轮箱的平均寿命时长设为T，将26种故障类型分别设为X1、X2……X26，然后带入到底事件失效率的函数表达式当中：。通过实地调查将26中基本故障类型的失效概率λ带入公式，就能够得出变数箱的平均寿命，即20833小时，经过对比发现该数值与变速箱实际的使用情况相符，说明采集到的底事件失效概率λ具有真实性。可以根据失效概率λ数值的大小来准确分析变数箱失效的直接原因，并且以此为根据指定出相应的解决办法。

四、结束语

高铁转向架齿轮箱是保证高铁动车组稳定行驶的一个关键性的部件，同时齿轮箱也是经常出现故障的一个部件，因此对于齿轮箱的故障分析工作要给予高度重视，通过采用故障树分析法对齿轮箱的故障进行详细的分析，并且通过严密的逻辑推理来寻找各个诱因之间的关系，通过这种方式做到对于齿轮箱故障的快速诊断并进行及时解决。确保列车能够稳定运行。

参考文献

[1]姚芳芳.基于故障树的HXD3型电力机车转向架轴承故障分析[J].机械制造,2017(5):86-88.

[2]赵博,吴凤林,任家骏,等.高速动车组列车齿轮箱的故障树分析与仿真[J].机械设计与制造,2018(1):148-151.

[3]姚鑫.动力转向架齿轮箱加工工艺分析及对策[J].现代交际：学术版,2017(3):196-197.

[4]孙玉军,谷同来.机车齿轮箱加工改进探讨[J].中国高新技术企业,2017(4):31-32.