第１５卷　第１期

２０１５年２月

交 通 运 输 工 程 学 报

ＪｏｕｒｎａｌｏｆＴｒａｆｆｉｃａｎｄＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

Ｖｏｌ．１５　Ｎｏ．１

Ｆｅｂ．２０１５

收稿日期：２０１４０８１２

基金项目：国家自然科学基金项目（６０９３９００３，６１４０３１９８）；江苏省自然科学基金项目（ＢＫ２０１４０８２７）

作者简介：刘若晨（１９８９），男，江苏溧阳人，南京航空航天大学工学博士研究生，从事机械系统在线监测与故障诊断研究。

导师简介：左洪福（１９５９），男，湖南茶陵人，南京航空航天大学教授，工学博士。

文章编号：１６７１１６３７（２０１５）０１００５００８

车辆齿轮箱静电监测

刘若晨，左洪福，孙见忠，李　鑫，冒慧杰（南京航空航天大学 民航学院，江苏 南京　２１１１０６）

摘　要：根据磨损区域静电感应原理设计了轨道车辆齿轮和轴承磨损区域静电传感器，基于某型

１６０ｋｍ·ｈ－１城际列车齿轮箱，提取时域静电信号的均方根作为静电信号特征参数，在车辆齿轮箱

噪音试验阶段研究了不同转速和转矩对静电水平的影响，在齿轮箱跑合试验阶段和负荷疲劳试验

阶段分析了静电信号变化趋势。研究结果表明：同一转速和转矩下齿轮和轴承磨损区域静电水平

均保持稳定，且前者始终略高于后者；转速和转矩的增加会引起磨损区域静电水平的上升，转速对

静电监测的影响大于转矩，转速和转矩方向的改变对静电信号影响不大；在跑合试验阶段，齿轮和

轴承磨损区域静电水平均明显下降，直至最后稳定，在负荷疲劳试验阶段，磨损区域静电水平基本

保持稳定，虽有缓慢上升，但不明显。可见，齿轮箱静电监测信号变化趋势与理论分析结果一致，与

实际测试结果相符，证明静电监测方法作为一种新技术可用于轨道交通车辆齿轮箱磨损状态在线

监测，为进一步运用静电监测方法进行车辆齿轮箱故障诊断和寿命预测提供了基础。

关键词：车辆工程；齿轮箱；磨损区域；静电监测；信号分析；特征提取

中图分类号：Ｕ２７０．７　　　文献标志码：Ａ

犈犾犲犮狋狉狅狊狋犪狋犻犮犿狅狀犻狋狅狉犻狀犵狅犳狏犲犺犻犮犾犲犵犲犪狉犫狅狓

ＬＩＵＲｕｏｃｈｅｎ，ＺＵＯＨｏｎｇｆｕ，ＳＵＮＪｉａｎｚｈｏｎｇ，ＬＩＸｉｎ，ＭＡＯＨｕｉｊｉｅ

（ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｉｖｉｌＡｖｉａｔｉｏｎ，ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓａｎｄＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１１１０６，Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉｎａ）

犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｉｎｄｕｃｔｉｏｎｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｗｅａｒｓｉｔｅ，ｔｈｅｗｅａｒｓｉｔｅｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ

ｓｅｎｓｏｒｓｏｆｇｅａｒａｎｄｂｅａｒｉｎｇｆｏｒｒａｉｌｗａｙｖｅｈｉｃｌｅｗｅｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ａｔ１６０ｋｍ·ｈ－１，ｔｈｅｒｏｏｔｍｅａｎ

ｓｑｕａｒｅ（ＲＭＳ）ｏｆｔｉｍｅｄｏｍａｉｎｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｓｉｇｎａｌｆｏｒｇｅａｒｂｏｘ ｗａｓｅｘｔｒａｃｔｅｄａｓｔｈｅｆｅａｔｕｒｅ

ｐａｒａｍｅｔｅｒ，ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｐｅｅｄｓａｎｄｔｏｒｑｕｅｓｏｎｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｌｅｖｅｌｓ ｗｅｒｅ

ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄａｔｎｏｉｓｅｔｅｓｔｓｔａｇｅ，ａｎｄｔｈｅｃｈａｎｇｅｔｒｅｎｄｓｏｆｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｓｉｇｎａｌｓｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄａｔ

ｒｕｎｕｐｔｅｓｔｓｔａｇｅａｎｄｌｏａｄｆａｔｉｇｕｅｔｅｓｔｓｔａｇｅ．Ｓｔｕｄｙｒｅｓｕｌｔｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈａｔｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｓｉｇｎａｌｓｏｆ

ｇｅａｒａｎｄｂｅａｒｉｎｇｒｅｍａｉｎｓｔａｂｌｅｕｎｄｅｒｔｈｅｓａｍｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ａｎｄｔｈｅｆｏｒｍｅｒａｌｗａｙｓｂｅｓｌｉｇｈｔｌｙｈｉｇｈｅｒ

ｔｈａｎｔｈｅｌａｔｔｅｒ．Ｗｈｅｎｓｐｅｅｄａｎｄｔｏｒｑｕｅｉｎｃｒｅａｓｅ，ｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃａｍｐｌｉｔｕｄｅｉｎｃｒｅａｓｅｓ，ｓｐｅｅｄ

ｅｆｆｅｃｔｏｎｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｌｅｖｅｌｉｓｌａｒｇｅｒｔｈａｎｔｏｒｑｕｅｅｆｆｅｃｔ，ｗｈｉｌｅｔｈｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓｏｆｓｐｅｅｄａｎｄ

ｔｏｒｑｕｅｈａｖｅｌｉｔｔｌｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｔｈｅｓｉｇｎａｌ．Ｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｓｉｇｎａｌｓｄｅｃｒｅａｓｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙａｔｒｕｎｕｐ

ｔｅｓｔｓｔａｇｅａｎｄｃｏｍｅｔｏｓｔａｂｌｅｉｎｔｈｅｌａｓｔ．Ｔｈｅｓｉｇｎａｌｓｒｅｍａｉｎｂａｓｉｃａｌｌｙｓｔａｂｌｅａｎｄｒｉｓｅｖｅｒｙｓｌｏｗａｔ

ｌｏａｄｆａｔｉｇｕｅｔｅｓｔｓｔａｇｅ．Ｔｈｅｃｈａｎｇｉｎｇｔｒｅｎｄｓｏｆｇｅａｒｂｏｘｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｓｉｇｎａｌｓａｒｅｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔｗｉｔｈ

ｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔａｎｄｔｈｅａｃｔｕａｌｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔ，ｓｏｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｍｅｔｈｏｄｉｓ

ａｎｅｗｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｃａｎｂｅｕｓｅｄｆｏｒｔｈｅｏｎｌｉｎｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｏｆｇｅａｒｂｏｘｓｔａｔｅｆｏｒｒａｉｌｗａｙｖｅｈｉｃｌｅ，ａｎｄ

ｐｒｏｖｉｄｅｓｔｈｅｂａｓｉｓｆｏｒｔｈｅｆａｕｌｔｄｉａｇｎｏｓｉｓａｎｄｌｉｆｅｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆｆｕｒｔｈｅｒｇｅａｒｂｏｘ．３ｔａｂｓ，１３ｆｉｇｓ，

第１期 刘若晨，等：车辆齿轮箱静电监测

２０ｒｅｆｓ．

犓犲狔狑狅狉犱狊：ｖｅｈｉｃｌｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ｇｅａｒｂｏｘ；ｗｅａｒｓｉｔｅ；ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；ｓｉｇｎａｌａｎａｌｙｓｉｓ；

ｆｅａｔｕｒｅｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ

犃狌狋犺狅狉狉犲狊狌犿犲狊：ＬＩＵＲｕｏｃｈｅｎ（１９８９），ｍａｌｅ，ｄｏｃｔｏｒａｌｓｔｕｄｅｎｔ，＋８６２５８４８９５７７２，ｌｉｕｒｕｏｃｈｅｎ＿

ｎｕａａ＠１６３．ｃｏｍ；ＺＵＯＨｏｎｇｆｕ（１９５９），ｍａｌｅ，ｐｒｏｆｅｓｓｏｒ，ＰｈＤ，＋８６２５８４８９１０９７，ｒｍｓ＠ｎｕａａ．

ｅｄｕ．ｃｎ．

０　引　言

齿轮箱是轨道交通车辆的关键部件，容易产生

不平稳振动，并可通过转向架传递振动，属于故障多

发部件。一旦齿轮箱出现故障，将直接威胁到轨道

交通车辆的运行安全，因此，对轨道交通车辆齿轮箱

进行状态监测、故障诊断与预测具有重大意义。当

前，对齿轮箱进行状态监测的常用方法包括振动监

测技术、油液分析技术、噪声监测技术、红外测温技

术、声发射技术与无损监测技术等，其中振动监测技

术运用最广泛。但齿轮箱一般为多轴系系统，安装

隐蔽，结构复杂，难以拆卸，工作环境比较恶劣，在工

作过程中，由于存在多对齿轮和滚动轴承同时工作

的情况，频率成分多且复杂，各种干扰较大，加之测

试条件的限制，状态监测与故障诊断难度相当大。

静电监测技术作为一种新兴的状态监测方法，

为轨道交通车辆齿轮箱状态提供了一种新的在线监

测手段。该技术最早开发于监测航空喷气发动机和

船用燃气涡轮机的气路颗粒。１９９７年，英国Ｓｍｉｔｈ

公司的研究人员Ｐｏｗｒｉｅ等利用新研制的航空发动

机开展了尾气静电监测技术研究，监测到了发动机

压气机碰摩故障与燃烧室材料丢失等故障，验证

了该公司所研究的发动机损伤监测系统 ＥＤＭＳ

（ＥｎｇｉｎｅＤｉｓｔｒｅｓｓＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇＳｙｓｔｅｍ）可通过监测

发动机气路颗粒碎片实现对早期气路部件故障的预

警与持续监测，随后在其他型号发动机上开展的静

电监测试验取得了类似的特征，证明了研究的

ＥＤＭＳ具有通用性［１］，可监测发动机气路部件早期

故障及其发展趋势［２３］；Ｆｉｓｈｅｒ通过总结气路静电监

测技术研究过程中获取的试验结果，系统研究了静

电特征参数随转速的变化规律与对加力燃烧室进

行故障监测时静电特征参数随燃油流量的变化情

况，认为发动机气路静电监测技术是支撑ＰＨＭ 的

关键技术之一［４］。目前，该技术已被应用到联合

攻击战斗机Ｆ３５的系统设计中，同时被列为军方

保密技术禁止向中国出口。

此后，该公司与英国南安普顿大学合作又相继

开发了油路传感器ＯＬＳ（ＯｉｌＬｉｎｅＳｅｎｓｏｒ）和磨损区

域传感器 ＷＳＳ（ＷｅａｒＳｉｔｅＳｅｎｓｏｒ）。Ｔａｓｂａｚ等在销

盘试验机和往复式滑动摩擦试验机上采用区域磨损

静电传感器和摩擦因数对点接触滑动摩擦胶合故障

进行监测，结果表明静电传感器在故障发生前监测

到异常，优于摩擦因数，更适用于磨损故障的在线监

测［５］；Ｍｏｒｒｉｓ等研究了无润滑条件下滑动摩擦静电

监测试验，研究结果表明静电信号幅值、磨损量与摩

擦因数变化具有一致性［６］；Ｈａｒｖｅｙ等研究了接触表

面粗糙度、油液与油液添加剂等对静电信号的影响，

结果表明磨损产生的磨粒带正电，颗粒注入带负电，

并且注入颗粒后磨损量增加［７９］；Ｂｏｏｔｈ等研究了油

液温度、粘度、油液服役时间与摩擦表面粗糙度对静

电强度的影响，研究结果表明油液粘度和摩擦表明

粗糙度直接影响摩擦带电，随着油液的服役龄期增

长，油液的导电性增大，从而导致油液荷电量增

加［１０］；Ｓｕｎ等采用静电监测和声发射监测技术在线

监测无润滑状态下轴承钢严重磨损的早期异常，两

者的ＲＭＳ值均反映了磨损的三阶段：磨合磨损、

起鳞和氧化层剥落［１１］；Ｃｒａｉｇ等使用 ＷＳＳ对滚动

轴承进行静电在线监测，发现 ＷＳＳ能够在轴承磨

损发生的初始阶段就提供预警信息，具有比振动

更早监测到退化发生的性能［１２］；Ｃｈｅｎ等在此基础

上结合人工智能算法对滚动轴承进行故障诊断和

寿命预测［１３］。

在国内，南京航空航天大学航空安全与保障技

术研究所对静电监测技术开展了一系列研究，Ｗｅｎ

等开展了气路静电监测技术原理研究，用有限元方

法对气路静电传感器感应特性进行仿真研究，并分

析了一些静电信号特征提取方法，最后在燃烧模拟

环境中进行了静电传感器可行性验证［１４］；刘鹏鹏等

利用涡喷发动机试车台和新研制的小型涡喷发动机

完成了一系列静电监测试验，发现燃烧室内壁积碳、

燃烧室内壁轻微烧蚀和气路润滑油泄漏故障会导致

尾气静电整体水平的变化［１５］；陈志雄等通过试验验

证了静电方法可用于滑油系统全流量在线磨粒监

测［１６］；张营等对轴承钢早期胶合故障静电在线监

１５

交　通　运　输　工　程　学　报 ２０１５年

测方法和轴承静电监测信号的去噪和特征融合进

行研究［１７１８］。

本文在前期一系列研究基础上，根据磨损区域

静电感应原理设计了齿轮和轴承磨损区域静电传感

器，并将其搭载于轨道交通车辆齿轮箱试验平台，建

立了齿轮箱静电监测系统并进行了试验，通过对静

电信号特征提取和数据分析，验证了静电监测方法

可用于车辆齿轮箱的在线监测，为轨道交通车辆齿

轮箱状态监测研究提供了一种新的试验手段。

１　静电监测原理

在运行过程中，齿轮箱内的齿轮和轴承磨损过

程伴随物理与化学变化，同时会产生大量磨粒，均会

产生静电，通过实时监测齿轮和轴承磨损区域静电

荷总量的变化，可以准确反映齿轮箱退化状态［１０１１］。

静电监测是对接触退化的直接监测，而不像振动、温

度等是对退化的二次效应的监测，而且静电传感器

结构简单，性能稳定可靠，具有巨大的发展潜力。

在产生静电的过程中，相互接触的２种物质的

材料、接触面积、接触压力与环境因素等对静电强度

都会产生影响。摩擦副表面区域的荷电机理很复

杂，并且受润滑剂和接触材料的化学与物理性质影

响，因此，很难定量研究各因素与荷电量之间的关

系。从目前国内外研究来看，磨损区域荷电机理主

要是：摩擦带电、摩擦发射、接触带电和磨粒荷电

等［１９］，见图１。

图１　磨损区域荷电机理

Ｆｉｇ．１　Ｗｅａｒｓｉｔｅｃｈａｒｇｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅ

图２为磨损区域静电监测原理［２０］，当带电颗粒

经过静电传感器探极前方有效区域内时，其电场线

将终止于探极表面。由于静电感应作用，在探极表

面吸引出相反极性电荷，那么相同极性电荷被驱赶

到探极表面的另一端，由于探极另一端连接信号调

理电路，所以形成一个可测量的输出电荷信号。

２　车辆齿轮箱静电监测过程

２．１　轨道交通车辆齿轮箱试验平台

本文采用齿轮箱为某新型１６０ｋｍ·ｈ－１城际列

车齿轮箱。图３为轨道交通车辆齿轮箱试验平台，

图２　静电监测原理

Ｆｉｇ．２　Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅ

包括：电机、转矩传感器、转速计、鼓风机、温度传感

器、噪音和振动监测系统等。

图３　齿轮箱监测平台

Ｆｉｇ．３　Ｇｅａｒｂｏｘｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｒｉｇ

在试验过程中，通过电机带动齿轮箱在设定的

转速下运转，使用转矩仪改变齿轮箱上所加载转矩，

主、副齿轮箱同时工作。在齿轮箱各轴承处、油池内

和周边环境中都有温度传感器，齿轮箱箱体上有透

明的观察孔盖。通过鼓风机吹风模拟轨道交通车辆

齿轮箱实际运行工况进行风冷。齿轮箱内加油量为

３．８Ｌ，牌号为７５Ｗ９０型润滑油。

２．２　静电传感器安装

静电传感器的设计思路主要参考英国南安普顿

大学设计思路，传感器主要包括感应探头、绝缘体、

屏蔽外壳和接触器等，其中感应探头采用紫铜制造，

绝缘体采用聚四氟乙烯制造。考虑监测对象与装配

需要，共加工３个磨损区域静电传感器，见图４。在

安装时，齿轮啮合静电传感器感应端面位于齿轮箱

２５

第１期 刘若晨，等：车辆齿轮箱静电监测

图４　静电传感器

Ｆｉｇ．４　Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｓｅｎｓｏｒ

内齿轮啮合磨损区域，轴承静电传感器感应端面位

于齿轮箱内轴承磨损区域，后端通过螺纹连接固

定于齿轮箱箱体上。传感器接口通过信号线连接

至信号采集装置。图５为静电传感器安装位置，

该齿轮箱为试验台右侧副齿轮箱。图６为齿轮箱

静电监测系统。

图５　静电传感器安装位置

Ｆｉｇ．５　Ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎｐｏｓｉｔｉｏｎｓｏｆｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｓｅｎｓｏｒｓ

２．３　试验方案与试验过程

齿轮箱内试验齿轮为斜齿轮，大齿轮和小齿轮

齿数分别为１０７和２３，齿轮材料为１８ＣｒＮｉＭｏ７６，

试验所测轴承在高速轴上，分别为ＱＪ２１６型四点接

触球轴承和 ＭＵ２１６型圆柱滚子轴承。

将齿轮箱试验过程分为两阶段，分别是空负荷

试车和负荷试车阶段。在空负荷试车阶段进行油量

和油位试验、跑合试验、油密性试验、水密性试验、低

温启动试验和高温试验。在负荷试车阶段进行启动

图６　静电监测系统

Ｆｉｇ．６　Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍ

试验、温升试验、负荷疲劳试验、噪声测试、功率损失

试验和短路试车。齿轮箱磨损区域静电监测试验主

要对空负荷试车阶段的跑和试验和负荷试车阶段的

负荷疲劳试验和噪声试验进行了监测，具体运行参

数见表１。转速正、负分别表示小齿轮正、反旋转方

向，转矩正、负分别表示施加转矩的正、反方向。

表１　试验参数

犜犪犫．１　犜犲狊狋狆犪狉犪犿犲狋犲狉狊

高速轴参数 转速／（ｒ·ｍｉｎ－１） 转矩／（Ｎ·ｍ） 时间／ｈ

跑合试验

负荷疲劳试验

噪声试验

　１４６１ 　　 ０ １．０

－１４６１ ０ １．０

１４６１ ２０７８ ４０．０

－１４６１ ２０７８ ４０．０

－１４６１ －２０７８ ４０．０

１４６１ ２０７８ ４０．０

±２３７１ １００ ０．４

±２３７１ ±９０９ ０．８

±４６００ １００ ０．４

±４６００ ±６９０ ０．８

±４６００ ±１００３ ０．８

３　静电信号处理

３．１　原始静电信号

齿轮箱静电监测系统在每个阶段开始时采集静

３５

交　通　运　输　工　程　学　报 ２０１５年

电信号，齿轮箱转速降为０时停止采集。试验使用

的主要设备包括自行研制的静电传感器、具有屏蔽

作用的信号线、数据采集卡、齿轮箱静电监测系统

（利用ＬａｂＶＩＥＷ编译，设定采样率为１０ｋＨｚ）与计

算机等。试验过程中可以实时显示和保存采集到的

静电信号。齿轮箱磨损区域静电监测系统获取的原

始信号为电压信号，以负荷疲劳试验阶段稳定状态

下一段时间内１＃轴承磨损区域静电信号为例，图７

为此阶段原始静电时域信号。

图７　负荷疲劳试验阶段轴承原始静电信号

Ｆｉｇ．７　Ｐｒｉｍｉｔｉｖｅｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｓｉｇｎａｌｏｆｒｏｌｌｉｎｇ

ｂｅａｒｉｎｇｉｎｌｏａｄｆａｔｉｇｕｅｔｅｓｔ

从图７可以看出静电信号在稳定工况下基本保

持稳定，静电信号幅值基本保持在一定范围内波动，

虽然包含一些随机脉冲与背景噪声，使信号时域波

形存在毛刺，但基本反映了轴承运行时磨损区域内

静电水平的变化。这些噪声主要是由于静电传感器

附近存在电流、电压变化及振动等因素，导致静电感

应信号存在不同程度的干扰。

３．２　静电信号转换

齿轮箱磨损区域产生的静电水平的变化在静电

传感器探头上的感应电荷量为犙（狋），狋为时间，齿轮

箱静电信号采集系统获得的静电信号为电压信号，

记为犝（狋）。齿轮箱静电信号采集系统的初始状态

为０，犚为等效电阻，犆为等效电容，犙（狋）和犝（狋）经

过拉普拉斯变换后分别为犙（狊）和犝（狊），狊为经过拉

普拉斯变换后的时间变量，两者之间的关系为

犝（狊）＝犚狊犙（狊）／（犚犆狊＋１）

　　当犚犆狊１时，信号测量模型等效为

犝（狋）＝犚犙′（狋）

　　齿轮箱静电信号采集系统测得的原始静电信号

为电压信号 （）犝 狋 ，且 （）犝 狋 与传感器探针上感应电

荷 （）犙狋 的１阶导数成正比，试验中所采集电压信号

为实际感应电荷信号转化后的输出结果。

３．３　静电信号特征提取

与振动监测类似，对静电信号进行特征提取时

主要时域特征包括：峰值、均值、均方根、峭度、波形

指标和脉冲指标等［２０］，这些指标能够反映齿轮箱磨

损状态的变化过程，主要参数见表２。

表２　时域特征参数

犜犪犫．２　犜犻犿犲犱狅犿犪犻狀犳犲犪狋狌狉犲狆犪狉犪犿犲狋犲狉狊

参数 公式

峰值犡１ 犡１＝犡ｍａｘ－犡ｍｉｎ

均值狌 狌＝１

犖∑犖

狀＝１

狓狀

方差σ２ σ

２＝１

犖∑犖－１

狀＝１

（狓狀－狌）２

均方ψ２

ψ２＝１

犖∑犖

狀＝１

狓２狀

均方根犡２ 犡２＝１

犖∑犖

狀＝１

狓２槡 狀

偏斜度α α＝１

犖∑犖

狀＝１

狓３狀

峭度β β＝１

犖∑犖

狀＝１

狓４狀

平均幅值 狌 狌 ＝１

犖∑犖

狀＝１

狓狀

波形指标犓 犓＝犡２狌

脉冲指标犐 犐＝犡ｍａｘ狌

　　表２中：狓狀 为第狀个（共有犖 个信号）时域原始

信号值；犡ｍａｘ为信号最大值；犡ｍｉｎ为信号最小值。信

号均方根犡２ 反映信号能量的大小，其物理意义可

理解为在一定的时间间隔内经过传感器敏感空间电

荷，在传感器上激起的感应电荷量的有效值。随着

磨损程度的加剧，磨损颗粒不断产生，单位时间内经

过传感器磨损探极敏感区域的施感电荷量上升，传

感器输出信号的幅值与犡２ 也会升高。由于犡２ 属

于带量纲的参数，其对信号幅值和能量波动较敏感，

同时，犡２ 又具有物理意义，限于篇幅所限，本文只选

择犡２ 作为静电信号分析的特征参数。

４　试验结果分析

４．１　不同工况下静电监测试验

利用齿轮箱噪声试验对不同工况下磨损状态静

电信号进行比对，不同工况包括：不同转速、不同转

矩、不同转向和转矩方向。去除齿轮箱启动和停止

时的监测数据，只选取齿轮箱在每一稳定工况下一

段时间内（１０ｍｉｎ）进行静电信号处理。图８（ａ）为

前８０ｍｉｎ不同工况下齿轮箱内轴承运行静电监测

结果，图８（ｂ）为后８０ｍｉｎ轴承运行静电监测结果，

图９（ａ）、（ｂ）为对应时间内不同工况下齿轮箱内齿

轮运行静电监测结果，其中每一阶段工况参数见

４５

第１期 刘若晨，等：车辆齿轮箱静电监测

图８　不同转速和转矩下轴承静电监测信号

Ｆｉｇ．８　Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｉｇｎａｌｏｆｂｅａｒｉｎｇａｔ

ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｐｅｅｄｓａｎｄｔｏｒｑｕｅｓ

图９　不同转速和转矩下齿轮静电监测信号

Ｆｉｇ．９　Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｉｇｎａｌｏｆｇｅａｒａｔ

ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｐｅｅｄｓａｎｄｔｏｒｑｕｅｓ

表３。２７３１ｒ·ｍｉｎ－１为齿轮箱额定转速，４６００ｒ·ｍｉｎ－１

为齿轮箱最大转速。

由图８可以看出，在转速和转矩大小均相同的

情况下，轴承静电监测值基本维持在同一水平，转速

表３　齿轮箱运行参数

犜犪犫．３　犌犲犪狉犫狅狓狅狆犲狉犪狋犻狀犵狆犪狉犪犿犲狋犲狉狊

时间／ｍｉｎ 转速／（ｒ·ｍｉｎ－１） 转矩／（Ｎ·ｍ）

０～１０ ２３７１ 　　１００

１１～２０ －２３７１ １００

２１～３０ ２３７１ ９０９

３１～４０ －２３７１ ９０９

４１～５０ ２３７１ －９０９

５１～６０ －２３７１ －９０９

６１～７０ ４６００ １００

７１～８０ －４６００ １００

８１～９０ ４６００ ６９０

９１～１００ －４６００ ６９０

１０１～１１０ ４６００ －６９０

１１１～１２０ －４６００ －６９０

１２１～１３０ ４６００ １００３

１３１～１４０ －４６００ １００３

１４１～１５０ ４６００ －１００３

１５１～１６０ －４６００ －１００３

和转矩方向的改变对轴承静电监测值影响不大，当

转速与转矩方向都为正时静电水平最高，然后从大

到小依次为转速与转矩方向为负、转速方向为正转

矩方向为负和转速与转矩方向为负。造成这一现象

的原因可能与传感器安装位置与探极所处区域有

关，同时，转速和转矩方向的不同也使轴承在运行和

磨损时存在一定的差别，但此差别基本不大，且随着

转速的提高这种差别越来越小，由于轨道交通车辆

齿轮箱大部分时间均在较高转速下运转，因此，可认

为在同一工况下（转速和转矩大小均相同）静电水平

相同。

在转速大小和方向均相同而转矩大小改变时，

轴承静电监测值随转矩的增大而增大，但增量不大，

这是由于转矩增大使轴承磨损区域内电荷水平总量

增加造成的，这与理论分析结果相一致，也反映了齿

轮箱内轴承静电监测的正确性与可行性。在转矩大

小和方向相同而转速改变时，轴承静电监测值随转

速的增大而增大，且齿轮箱转速对静电水平的影响

比转矩对静电水平的影响要大，这与 Ｈａｒｖｅｙ等的

研究结果基本一致，即在稳定磨损阶段，摩擦带电是

产生静电的主要原因，而摩擦副温度、表面粗糙度与

滑油种类等是影响其变化的因素［８９］。试验中变化

的主要是温度，随着转速增大，产生的摩擦热增多，

导致摩擦副表面温度升高，进而增加了润滑油流动

性，最终导致离子迁移率升高，因此，静电水平随转

５５

交　通　运　输　工　程　学　报 ２０１５年

速增大有明显上升。两轴承静电信号结果相类似，

因此，仅给出其中一个轴承静电信号并进行分析，另

一不再进行赘述。

综合图８、９可以看出，无论是同一工况还是不

同工况下，转速与转矩大小对齿轮和轴承静电水平

的影响存在相同规律。即同一工况下齿轮磨损区域

静电水平保持稳定；不同工况下齿轮磨损区域静电

水平随转矩与转速的增大而增大，但转速的影响更

加明显。但转速与转矩方向的改变对齿轮和轴承磨

损状态静电水平的影响有差异。转速和转矩方向的

改变对齿轮磨损状态静电水平的影响大于轴承，尤

其是当输入轴转速方向发生改变时，由于齿轮啮合

面发生改变，齿轮的２个啮合面磨损状况有差异，因

此，静电水平存在差异。这与齿轮磨损理论即改变

啮合面和传动方向会导致磨损差异的产生相一

致［１９］，反映了齿轮箱内齿轮静电监测的正确性与可

行性。

４．２　跑合与负荷疲劳静电监测试验

图１０为跑合与负荷疲劳试验齿轮静电监测时

域信号，跑合与负荷疲劳试验均在同一转速下进行，

因此，不需考虑转速对静电水平的影响。图１０中

０～１ｈ为跑合试验中转速为正时静电监测信号变

化趋势，２～４１ｈ为负荷疲劳试验中转速和转矩均

为正时静电监测信号变化趋势。图１１为跑合阶段

图１０　跑合与负荷疲劳试验齿轮静电监测时域信号

Ｆｉｇ．１０　Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｔｉｍｅｄｏｍａｉｎｓｉｇｎａｌ

ｏｆｇｅａｒｉｎｒｕｎｕｐａｎｄｌｏａｄｆａｔｉｇｕｅｔｅｓｔｓ

放大图。由图１０、１１可以看出，跑合阶段齿轮磨损

区域静电水平开始时很高，随后明显呈下降趋势，直

至最后稳定。在负荷疲劳试验中由于工况没有发生

变化，因此，齿轮始终处于稳定磨损状态，齿轮磨损

区域静电水平也保持稳定。同时，由于负荷疲劳试

验阶段转矩大于跑合阶段，故静电水平要略高于跑

合阶段后期静电水平，这与前述分析结果相一致。

进一步分析发现负荷疲劳试验阶段静电水平随试验

的进行也有缓慢增长趋势，但随时间变化不明显，且

图１１　跑合试验齿轮静电监测时域信号

Ｆｉｇ．１１　Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｔｉｍｅｄｏｍａｉｎ

ｓｉｇｎａｌｏｆｇｅａｒｉｎｒｕｎｕｐｔｅｓｔ

距离齿轮失效或严重故障静电水平相距很远，甚至

不及跑合前齿轮磨损区域静电水平，说明齿轮确实

处于稳定磨损期且距离最终失效还有很长寿命，这

与齿轮的设计标准相符合，试验结束后拆箱检查也

未发现明显磨损故障。综合整个试验阶段，齿轮磨

损区域静电水平的变化趋势与齿轮磨损理论［２１］相

一致，即跑合阶段磨损较率高，随后慢慢趋于平缓后

缓慢增加，证明磨损区域静电监测方法可用于齿轮

磨损状态静电在线监测。

图１２、１３为同一时间段内跑合与负荷疲劳试验

轴承静电监测时域信号。对比图１０、１１可以看出，

轴承磨损区域静电水平变化趋势与齿轮相类似，即

在跑合阶段静电水平逐渐下降至稳定，在负荷疲劳

试验阶段静电水平基本稳定，只有缓慢增加，但不明

显，这与轴承磨损理论［１５］相一致，证明磨损区域静

电监测方法也可用于轴承磨损状态在线监测。且由

于负荷疲劳试验阶段转矩大于跑合阶段，负荷疲劳

试验阶段静电水平略高于跑合阶段稳定后静电水

图１２　跑合与负荷疲劳试验轴承静电监测时域信号

Ｆｉｇ．１２　Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｔｉｍｅｄｏｍａｉｎ

ｓｉｇｎａｌｏｆｂｅａｒｉｎｇｉｎｒｕｎｕｐａｎｄｌｏａｄｆａｔｉｇｕｅｔｅｓｔｓ

平，这与前述分析结果也一致。在跑合阶段，轴承静

电信号变化趋势较齿轮平缓，说明在跑合阶段试验

箱中齿轮磨损较轴承磨损剧烈，即以齿轮跑合为主，

这与齿轮箱实际情况相一致。且两者均在跑合约

６５

第１期 刘若晨，等：车辆齿轮箱静电监测

图１３　跑合试验轴承静电监测时域信号

Ｆｉｇ．１３　Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｔｉｍｅｄｏｍａｉｎ

ｓｉｇｎａｌｏｆｂｅａｒｉｎｇｉｎｒｕｎｕｐｔｅｓｔ

３０ｍｉｎ后趋于稳定，证明该齿轮箱设计成功，并达

到预期效果。

综合图８～１３还可发现，无论在跑合、负荷疲劳

和噪音试验阶段，同一工况下齿轮磨损区域静电水

平总是要略高于轴承磨损区域静电水平，说明齿轮

箱内齿轮磨损状态要略高于轴承磨损状态，这与实

际情况相一致。

５　结　语

基于静电感应的齿轮箱磨损状态在线监测是一

项新兴技术，本文将自研静电传感器搭载轨道交通

车辆齿轮箱试验平台进行齿轮箱静电在线监测，这

在国内尚属首次。根据磨损区域静电感应原理，设

计了齿轮和轴承磨损区域静电传感器，并搭载

１６０ｋｍ·ｈ－１城际列车齿轮箱，进行了齿轮箱跑合、

负荷疲劳和噪音试验。对采集数据进行信号处理，

并提取静电信号均方根作为静电信号特征参数。试

验结果表明，同一稳定工况下齿轮和轴承磨损区域

静电水平均保持稳定，且前者要略高于后者；当转速

和转矩发生变化时，转速和转矩的增加都会引起静

电水平的升高，且转速对静电水平的影响大于转矩；

转速和转矩方向的改变对静电水平存在一定影响，

但差异不大。跑合与负荷疲劳试验阶段齿轮和轴承

静电水平变化趋势符合机械磨损理论，证明磨损区

域静电监测方法可用于齿轮箱磨损状态在线监测，

对实现轨道交通车辆齿轮箱静电在线监测具有重要

意义。进一步可进行系统试验，特别是针对不同故

障程度齿轮箱静电水平变化规律的研究将更有利于

该项技术的发展和应用。

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ｗｉｔｈｐｏｉｎｔｃｏｎｔａｃｔｓｆｏｒｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆｉｎｉｔｉａｌｓｔａｇｅｏｆｓｃｕｆｆｉｎｇ［Ｊ］．

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［１８］　ＺＨＡＮＧＹｉｎｇ，ＺＵＯＨｏｎｇｆｕ，ＢＡＩＦａｎｇ．Ｆｅａｔｕｒｅｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ

ｆｏｒｒｏｌｌｉｎｇｂｅａｒｉｎｇｆａｕｌｔｄｉａｇｎｏｓｉｓｂｙｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ

ｓｅｎｓｏｒｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅ，

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ｆａｕｌｔｌｏｃａｔｉｏｎａｎｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎｏｆａｒｏｌｌｅｒｂｅａｒｉｎｇ［Ｊ］．

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