孫 敏

(中國鐵路濟南局集團有限公司 濟南西機務段， 濟南 250117)

HXD3(C)型機車牽引電機軸承只在C5及以上修程進行拆解檢修，在日常機車整備作業(yè)及C1-C4修程中，僅有6A系統(tǒng)走行部故障監(jiān)測子系統(tǒng)(JK11430B)檢測牽引電機軸承狀態(tài)的唯一技術(shù)手段。為了彌補JK11430B裝置在檢測QJ318軸承內(nèi)圈故障存在漏檢漏報缺點，從6A系統(tǒng)走行部故障監(jiān)測子系統(tǒng)振動報警原理，分析了HXD3C0069機車QJ318軸承內(nèi)圈剝離故障漏檢測原因。并結(jié)合現(xiàn)場經(jīng)驗，提出一套通過JK11430B裝置的實時振動波形和SV值趨勢分析、計算電機軸承故障診斷量值A(chǔ)dB和分析低速定速頂輪電機軸承異音的電機軸承內(nèi)圈故障診斷方法。

1 QJ318軸承途中塌架問題

2017年10月4日濟南鐵路局青島機務段配屬的HXD3C0069機車，擔當太原至石北站間K1288次，途中6A系統(tǒng)語音提示6軸2位超溫報警，乘務員停車檢查發(fā)現(xiàn)第6牽引電機傳動端溫度高。檢索該車近半個月6A軸報文件，分析數(shù)據(jù)無6軸2位和6軸5位軸承報警記錄，軸溫無異常。經(jīng)后續(xù)拆解發(fā)生軸承塌架的第6牽引電機發(fā)現(xiàn)6軸5位的非傳動端QJ318軸承內(nèi)圈存在剝離(如圖1)。針對6A系統(tǒng)走行部車載監(jiān)測裝置(JK11430B)存在HXD3(C)型機車牽引電機QJ318軸承內(nèi)圈剝離故障檢測失效問題，導致機車途中發(fā)生牽引電機軸承塌架故障，嚴重影響正常的鐵路運輸秩序。

2 前期振動數(shù)據(jù)漏診斷及軸承內(nèi)圈剝離原因

2.1 JK11430B振動報警原理

HXD3(C)型電力機車6A系統(tǒng)走行部故障監(jiān)測子系統(tǒng)(JK11430B)是對機車走行部的軸箱軸承、牽引電機軸承、抱軸軸承(空心軸軸承)、傳動齒輪及輪對踏面等進行動態(tài)安全監(jiān)測的重要行車安全保障裝置。

圖1 第6牽引電機非傳動端QJ318軸承內(nèi)圈存在剝離

JK11430B裝置對軸承內(nèi)圈故障振動診斷標準(AdB為故障量值)：預警為AdB=44.0 dB、I級報警為AdB=50.0 dB、II級報警為AdB=56.0 dB。其中：

(1)

式(1)中,AdB為故障量值,SV為沖擊值,N為軸承所在軸的轉(zhuǎn)速,r/min、D為軸承所在軸的軸徑,mm[1]。

2.2 JK11430B振動報警失效原因

HXD3(C)型機車牽引電機為SEA-107C(東芝)/YJ85A1(永濟)型三相鼠籠式感應電動機，齒輪比為4.81(101/21)，非傳動端軸承由內(nèi)向外分別為NTN牌NU320、NSK牌QJ318軸承，其中QJ318軸承軸徑為90 mm。參照輪徑(1 200 mm)和齒輪比(4.81)換算出，QJ318軸承內(nèi)圈轉(zhuǎn)速N,r/min與機車速度v,km/h關(guān)系為:N=21.265·v，得出QJ318軸承內(nèi)圈故障振動診斷標準公式(2):

(2)

通過計算分析HXD3C0069機車6軸5位的非傳動端QJ318軸承內(nèi)圈最后一趟JK11430B振動數(shù)據(jù)：①從振動沖擊SV值實時數(shù)據(jù)分析方面，SV值實時數(shù)據(jù)能夠全程均勻覆蓋軸承內(nèi)圈振動檢測過程，結(jié)合機車速度v計算出的故障診斷量值A(chǔ)dB趨勢能準確反應出軸承內(nèi)圈剝離程度，計算出的全程故障診斷量值A(chǔ)dB長期分布在55 dB及以上，達到軸承振動二級報警門限(如圖2左)，與軸承實際損壞程度一致；②從振動故障診斷量值A(chǔ)dB實時數(shù)據(jù)分析方面，由于JK11430B裝置對全車36個傳感器循環(huán)檢測，當發(fā)現(xiàn)故障診斷量值A(chǔ)dB異常時，則對該測點集中檢測，從JK11430B集中檢測的故障診斷量值A(chǔ)dB(2017.10.4 04:33:56至04:42:23)，此時AdB穩(wěn)定分布在44～46 dB范圍內(nèi)，雖然達到軸承振動預警門限(如圖2右)，但是無異常波動、上升趨勢，導致JK11430B內(nèi)部診斷機制認為故障平穩(wěn)無發(fā)展趨勢，不輸出軸承振動預警提示，出現(xiàn)漏檢測問題。

從以上兩種故障診斷量值A(chǔ)dB數(shù)據(jù)分析看，由于SV值實時數(shù)據(jù)能夠全程均勻覆蓋軸承內(nèi)圈振動檢測過程，通過全程實時SV值和機車速度v計算出的故障診斷量值 ，能夠?qū)崟r完整監(jiān)測出軸承內(nèi)圈故障。而JK11430B集中檢測的故障診斷量值A(chǔ)dB檢測范圍狹窄，若檢測范圍在軸承內(nèi)圈故障振動衰弱區(qū)域時，會誤導JK11430B內(nèi)部診斷機制無振動預報警輸出，軸承振動故障診斷失效。

圖2 診斷量值A(chǔ)dB

2.3 QJ318軸承內(nèi)圈剝離原因

對HXD3(C)型機車牽引電機QJ318軸承內(nèi)圈剝離故障原因為，機車在進修程時，對非傳動端軸承補潤滑油脂的作業(yè)，執(zhí)行“嚴格保證潤滑脂的清潔”標準不到位，導致潤滑脂不清潔，潤滑脂中夾雜著雜質(zhì)異物，在電機在運行過程中進入軸承滾珠滾道內(nèi)，造成軸承損傷、剝離，隨著電機長時間的運行，軸承滾道面剝離面積逐漸增大，最終造成軸承失效[2]。

3 QJ318軸承內(nèi)圈剝離診斷方法

3.1 分析振動波形和SV值趨勢

時域特征：由于JK11430B裝置需要對采集的振動信號進行4096點FFT運算(JK00430需要做2048點FFT運算)，所以HXD機車輪對轉(zhuǎn)動一圈采樣點為400點，連續(xù)轉(zhuǎn)動十圈為4000點。由于輪對齒輪與電機齒輪傳動比為4.81，電機軸承內(nèi)圈與電機齒輪同轉(zhuǎn)速，因此輪對每轉(zhuǎn)動1圈，電機軸承內(nèi)圈轉(zhuǎn)動4.81圈，同時軸承圓柱型滾子周期性通過軸承內(nèi)圈剝離點產(chǎn)生周期性沖擊，如圖3a。

頻域特征：由于傳動比為4.81，電機軸承內(nèi)圈轉(zhuǎn)動一圈與輪對齒輪產(chǎn)生一次諧波(48.1=10×4.81)≈50、二次諧波≈100、三次諧波≈150、四次諧波≈200等低頻沖擊諧波；同時內(nèi)圈在13個圓柱形滾子周期性經(jīng)過內(nèi)圈剝離點后會引起高頻沖擊諧波圖3b。

實時沖擊振動SV值趨勢特征：采用地面數(shù)據(jù)軟件個性化分析，選擇分析SV值趨勢，點擊多記錄作圖，選擇同位對比分析，點擊同5位(為非傳動端QJ318軸承位置)，即可對比全車5位電機軸承實時SV值趨勢，良好電機軸承內(nèi)圈的實時沖擊SV值應<5 000，當發(fā)生軸承內(nèi)圈剝離時，由于與輪對齒輪和滾子發(fā)生周期性沖擊，會導致沖擊SV值上升，處在8 000

圖3 時域、頻域特征

圖4 軸承內(nèi)圈剝離故障沖擊振動SV值趨勢特征

3.2 計算故障診斷量值A(chǔ)dB

JK11430B裝置由于存在集中故障診斷量值，與通過SV實時數(shù)據(jù)實際計算故障診斷量值，會發(fā)生不一致問題，導致裝置內(nèi)部診斷機制認為故障平穩(wěn)無發(fā)展趨勢，不輸出軸承振動預報警提示，出現(xiàn)漏檢測問題。在日常振動數(shù)據(jù)分析時，可以通過途中實時SV值記錄，利用QJ318軸承內(nèi)圈故障振動診斷標準公式(如式2)，計算出發(fā)生內(nèi)圈剝離的QJ318軸承故障真實發(fā)展趨勢。圖5為對HXD38134機車第1牽引電機的QJ318軸承途中振動數(shù)據(jù)(2017年8月1日至8月3日)計算故障診斷量值A(chǔ)dB如圖5(a)。與集中故障診斷量值，如圖5(b)對比，發(fā)現(xiàn)通過實時過SV實時數(shù)據(jù)計算故障診斷量值更加準確。

3.3 分析低速定速頂輪軸承異聲

由于HXD3(C)型機車牽引電機軸承只在C5及以上修程進行拆解檢修，在日常機車檢修作業(yè)中，僅有JK11430B裝置檢測牽引電機軸承狀態(tài)的唯一技術(shù)手段。為了彌補JK11430B裝置在檢測QJ318軸承內(nèi)圈故障存在漏檢漏報缺點，可以采用低速定速頂輪檢測方式準確判斷內(nèi)圈剝離的QJ318軸承。

計算內(nèi)圈轉(zhuǎn)速：HXD3(C)型機車牽引電機為SEA-107C(東芝)/YJ85A1(永濟)型三相鼠籠式感應電動機(極對數(shù)P=2)，電機在額定電壓2 150 V、電源頻率f=46 Hz，正常負載時的轉(zhuǎn)速n=1 365 r/min[3]，通過交流異步電動機轉(zhuǎn)速公式(3),計算出HXD3(C)牽引電機轉(zhuǎn)差率s=0.011。

(3)

通過上述公式，計算該電機定子在頻率為5 Hz的三相電源驅(qū)動下，電機轉(zhuǎn)速為148.35 r/min即0.404 s/r(約0.4 s/r)，即電機軸承內(nèi)圈轉(zhuǎn)速。

內(nèi)圈異聲判斷：當牽引電機軸承內(nèi)圈存在剝離故障時，會發(fā)出約0.4 s周期的振動沖擊異聲，現(xiàn)場作業(yè)人員可以使用秒表核實異音周期判斷故障。若需要準確判斷異音的周期，可以使用錄音筆先記錄低速頂輪時，牽引電機軸承內(nèi)圈剝離沖擊異聲，再使用音頻處理軟件對異聲進一步可視化分析。如圖6為使用Audacity聲音編輯軟件對HXD38134機車第1牽引電機的QJ318軸承低速定速頂輪異聲可視化分析，將錄音筆記錄的音頻文件導入Audacity軟件中，選擇合適的縮放大小，多次選取音頻時長為4 s的區(qū)域后，確認4 s內(nèi)存在10個異聲沖擊波峰，計算出錄音筆記錄的異聲沖擊周期為0.4 s，與牽引電機軸承內(nèi)圈剝離時發(fā)出0.4 s周期的沖擊異聲一致(如圖6)，從而方便機務段技術(shù)人員準確判斷故障。

圖5 故障診斷量值A(chǔ)dB

圖6 HXD38134機車第1牽引電機的QJ318軸承低速定速頂輪異聲可視化分析

4 結(jié)束語

自2013年10月起，濟南鐵路局濟南西機務段技術(shù)科積極探索，針對HXD3(C)型機車牽引電機軸承內(nèi)環(huán)剝離裂損故障診斷方法，并結(jié)合現(xiàn)場經(jīng)驗，總結(jié)出一套通過JK11430B裝置的實時振動波形和SV值趨勢分析、計算電機軸承故障診斷量值A(chǔ)dB和分析低速定速頂輪電機軸承異聲的電機軸承內(nèi)圈故障診斷方法，并提前防止HXD38134機車第1電機軸承內(nèi)環(huán)剝離途中塌架故障隱患(如圖7)，該方法不僅適用于HXD3(C)型機車

圖7 HXD38134機車第1牽引電機的QJ318軸承內(nèi)圈剝離

QJ318軸承內(nèi)圈剝離，也適用NTN牌NU330(傳動端)和NU320(非傳動端)軸承內(nèi)圈剝離故障診斷。