梅 濤 黃宏臣

（中車株洲電機(jī)有限公司,湖南 株洲 412000）

1 引言

滾動軸承一般由內(nèi)圈、外圈、滾動體和保持架4個部件以及潤滑劑組成[1]。保持架，通常又稱保持器和隔離器，將軸承中的滾動體均勻地分布在整個軸承內(nèi)，具有引導(dǎo)滾動體運(yùn)動、優(yōu)化載荷分布、改善軸承內(nèi)部潤滑條件和降低噪聲的作用，還能減小軸承的摩擦力矩和因摩擦產(chǎn)生的熱量，在無載區(qū)引導(dǎo)滾動體，以改善滾動條件和防止出現(xiàn)損壞性的滑動。

在軌道交通領(lǐng)域，滾動軸承是車輛走行部的核心，其中牽引電機(jī)是動力心臟，軸承質(zhì)量決定車輛運(yùn)行狀態(tài)。在國內(nèi)，機(jī)車走行部滾動軸承常采用均方根值（RMS）和峭度系數(shù)（Kv）相結(jié)合的方式判斷軸承運(yùn)行狀態(tài)。該方法對于疲勞失效類的剝離可以有效識別，對于保持架故障難以識別，對于地鐵牽引電機(jī)軸承保持架故障不具有借鑒意義。因此，本文提出基于共振解調(diào)方法的地鐵牽引電機(jī)軸承保持架故障診斷方法。

2 滾動軸承保持架振動特性和故障識別的難點

保持架主要有金屬沖壓保持架、機(jī)削金屬保持架以及聚合塑料保持架三大類，圖1為不同材質(zhì)的保持架示例。鋼制沖壓保持架重量輕、強(qiáng)度比較高，能在軸承內(nèi)提供充足的空間，以充分發(fā)揮潤滑劑的效用；銅合金保持架具有很好的強(qiáng)度，可以承受更高的轉(zhuǎn)速；聚合塑料保持架密度小、轉(zhuǎn)動慣性小，低速運(yùn)行時噪聲小，同時兼具高強(qiáng)度和高彈性的優(yōu)點，聚合塑料與鋼球之間摩擦小，具有良好的滑動特性。

圖1 不同材質(zhì)保持架

在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，保持架受溫度、載荷及振動的影響會發(fā)生徑向彈性變形，外圈凸緣內(nèi)徑面約束保持架運(yùn)動，使其保持相對穩(wěn)定的運(yùn)行姿態(tài)，正常情況下保持架引導(dǎo)面與外圈凸緣內(nèi)徑面部分接觸[2]，因此，滾動軸承保持架具有非線性受力、非平穩(wěn)振動、無明顯沖擊特性的運(yùn)行特征。

當(dāng)軸承外圈、內(nèi)圈及滾動體出現(xiàn)局部故障和缺陷時，會發(fā)生較為明顯的周期性撞擊，形成一系列非常明顯的沖擊振動，可以有效識別故障部位和嚴(yán)重程度。而保持架出現(xiàn)故障和缺陷一般不會引起設(shè)備明顯的振動和噪聲變化。在保持架發(fā)生早期故障時，雖然會出現(xiàn)高頻加速度變化，但對振動值及波動影響很小，在進(jìn)行頻譜分析時，保持架故障特征頻率通常難以獲取，在頻譜圖上僅能發(fā)現(xiàn)存在一些異常的高頻的譜峰，且幅值很小，無法識別保持架故障。在保持架故障晚期，振動值和波動也不會出現(xiàn)明顯增大，常規(guī)方法也難以獲得保持架故障頻率特征，僅會出現(xiàn)較為明顯的2倍轉(zhuǎn)頻[3]。在實際運(yùn)用過程中，保持架的失效一般會造成設(shè)備的故障突發(fā)與惡劣后果，因此，對保持架進(jìn)行故障診斷研究具有重大意義。

3 共振解調(diào)技術(shù)

當(dāng)機(jī)械受到外力作用時，將一邊自由振動一邊儲存能量，外力撤除后，儲存的能量就會以自由衰減的方式釋放。對于滾動軸承而言，出現(xiàn)局部損傷時，各部件之間會發(fā)生撞擊，從而產(chǎn)生能量集中的沖擊脈沖力，自由衰減的振動，便會產(chǎn)生一種壓縮波或應(yīng)力波。因此，可利用沖擊脈沖力的寬頻帶特性，與設(shè)備元件、傳感器等各元器件的固有頻率產(chǎn)生共振，利用中心頻率等于該固有頻率的帶通濾波器將該固有頻率分離出來，然后通過包絡(luò)檢波器去除高頻衰減振動的頻率成分，得到只包含故障特征信息的低頻包絡(luò)信號，通過對低頻包絡(luò)信號進(jìn)行分析即可診斷出故障。該方法稱為共振解調(diào)（計算過程見圖2），對于滾動軸承早期故障診斷具有良好的效果。

圖2 共振解調(diào)計算過程

共振解調(diào)波與故障沖擊波存在一一對應(yīng)的關(guān)系，即有故障才會出現(xiàn)相應(yīng)的頻譜圖。當(dāng)選取相同的共振頻帶、采用相同的濾波器及階數(shù)進(jìn)行處理時，共振解調(diào)的幅值與故障沖擊強(qiáng)度成正比，因此，可以較好地用來衡量故障的程度。由于共振解調(diào)技術(shù)采用高通濾波，引起傳感器廣義共振過濾掉低頻信號，使共振解調(diào)波具有良好的信噪比。可以利用保持架與滾動體之間的異常摩擦產(chǎn)生的沖擊脈沖，利用特定的高頻段激起設(shè)備的固有頻率，可以有效地識別出保持架故障。

4 地鐵牽引電機(jī)軸承診斷實例

4.1 電機(jī)振動檢測與分析

國內(nèi)某地鐵車輛某車廂電機(jī)在運(yùn)行過程中發(fā)生異響，對該車廂的4臺牽引電機(jī)的軸承進(jìn)行振動檢測，采用外接變頻器的方式將電機(jī)控制在1 500 r/min勻速運(yùn)行，將振動加速度傳感器固定在端蓋的垂直下方采集振動信號，發(fā)現(xiàn)存在異響的第二位電機(jī)振動信號中存在較為明顯的異常波形（見圖3、圖4），其余三位電機(jī)較為正常。

圖3 第二位電機(jī)傳動端軸承時域圖

圖4 第二位電機(jī)非傳動端軸承時域圖

對兩端振動信號均方根值RMS和峭度系數(shù)Kv統(tǒng)計如表1所示。第二位電機(jī)的傳動端峭度系數(shù)Kv為5.34，均方根值RMS相對于其他軸位電機(jī)無明顯差異；非傳動端端的均方根值RMS為3.00，相對偏大，峭度系數(shù)Kv則無明顯差異。電機(jī)1500r/min運(yùn)行時軸承故障頻率如表2所示。

表1 電機(jī)軸承統(tǒng)計分析

表2 電機(jī)1 500 r/min運(yùn)行時軸承故障頻率（單位：Hz）

從圖5、圖6可以看出，在第二位電機(jī)傳動端和非傳動端均出現(xiàn)明顯的軸承保持架故障頻率10.5 Hz、2倍頻21 Hz及3倍頻31.5 Hz，但是，傳動端的幅值要明顯高于非傳動端，振動信號和特征可能是由傳動端軸承傳遞至非傳動端。

圖5 第二位電機(jī)傳動端軸承頻域圖

圖6 第二位電機(jī)非傳動端軸承頻域圖

4.2 軸承拆解與分析

4.2.1 軸承拆解現(xiàn)象

對第二位電機(jī)軸承進(jìn)行拆解后，電機(jī)非傳動端軸承未見任何異常，而傳動端圓柱滾子軸承的保持架的中間黃銅隔擋外徑部位出現(xiàn)明顯的卷邊變形，隔擋中間位置出現(xiàn)疑似擦傷，保持架兩側(cè)也存在異常摩擦的現(xiàn)象，如圖7所示。

圖7 傳動端軸承保持架狀態(tài)

對滾動體和軸承內(nèi)圈滾道面進(jìn)行輪廓檢測，發(fā)現(xiàn)滾動體、軸承內(nèi)圈表面Pt值如圖8（a）、（b）所示，可以看出滾動體和軸承內(nèi)圈滾道面存在較為明顯的異常磨損。

圖8 軸承滾動體表面輪廓檢測

4.2.2 保持架分析

保持架不直接承受載荷，其運(yùn)動需要其他部件引導(dǎo)。保持架受力主要包括：引導(dǎo)套圈對保持架的作用力（FCF、MCF）、滾動體對保持架的作用力（FCP、fCP）、潤滑脂對保持架的作用力（FCL、MCL）以及離心力（FUB），如圖9所示[4]。

圖9 保持架受力分析

該電機(jī)傳動端采用圓柱滾子軸承，通過分析軸承保持架和滾動體狀態(tài)，結(jié)合現(xiàn)場的運(yùn)行現(xiàn)象，可以推斷出滾動體在保持架內(nèi)出現(xiàn)非正常運(yùn)行，導(dǎo)致多個滾子發(fā)生徑向竄動，進(jìn)而導(dǎo)致滾動體與保持架、套圈擋邊之間的異常沖擊。如果保持架的竄動幅度大于保持架與外環(huán)擋邊的間隙，將發(fā)生保持架與套圈之間的異常碰撞。保持架本身旋轉(zhuǎn)的慣性參與對外環(huán)的相互作用，會破壞軸承保持架的受力平衡而導(dǎo)致異常沖擊和振動[5]，迫使?jié)L子端面碰磨外圈擋邊內(nèi)側(cè)。雖然軸承中的潤滑脂的阻尼作用消耗了一定的能量，使振蕩頻率下降，但是當(dāng)潤滑脂量不足時，保持架與滾動體之間出現(xiàn)干摩擦，將導(dǎo)致滾動體原有的運(yùn)轉(zhuǎn)規(guī)律發(fā)生急劇變化，使得保持架渦動以及喘動，從而進(jìn)一步導(dǎo)致保持架發(fā)生更大的變形，致使軸承與保持架在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中發(fā)生刮擦，從而產(chǎn)生磨損。

同時，輪與軌道之間產(chǎn)生的沖擊和振動通過齒輪箱的齒輪嚙合傳遞到電機(jī)上，使軸承承受軸向力，傳動端圓柱滾子軸承出現(xiàn)軸向偏擺，從而軸承內(nèi)外環(huán)的振動容易通過擋邊與保持架定位面?zhèn)鬟f到保持架。當(dāng)軸承保持架變形、異常摩擦?xí)r，在某些條件下，保持架可能受到外圈檔邊的激勵產(chǎn)生的低阻尼振動。該振動與外圈檔邊的振動相位相反，會引起相互撞擊，可能引發(fā)保持架疲勞斷裂。

以上兩個因素綜合作用，會導(dǎo)致軸承滾柱與保持架在運(yùn)行過程中產(chǎn)生異常摩擦，引起軸承溫度升高。當(dāng)溫度升高時，保持架引導(dǎo)面與外圈擋邊內(nèi)徑面之間的間隙減小，保持架引導(dǎo)面與外圈擋邊內(nèi)徑面的接觸面積增大甚至全接觸[6]，從而產(chǎn)生更大的摩擦，導(dǎo)致軸承溫度進(jìn)一步升高。而軸承滾柱與保持架摩擦產(chǎn)生的異物也會進(jìn)一步影響軸承的運(yùn)行狀態(tài)，最終可能會導(dǎo)致軸承失效。

4.3 軸承保持架破損原因

導(dǎo)致該電機(jī)傳動端圓柱滾子軸承保持架異常磨損的可能原因有以下4個方面。

（1）安裝不當(dāng)：圓柱滾子軸承對于電機(jī)的同軸度要求更高，出現(xiàn)軸承安裝不當(dāng)時，會出現(xiàn)圓柱滾子軸承滾動體與保持架之間的異常磨損。

（2）潤滑不良：電機(jī)長時間放置，潤滑脂基礎(chǔ)油流失，潤滑性能下降，并且在維護(hù)保養(yǎng)的時候沒有按時按量補(bǔ)充潤滑脂，這是電機(jī)故障中最為常見的故障；電機(jī)溫度偏高，潤滑脂消耗量增大，同時電機(jī)運(yùn)用方未完全掌握電機(jī)的使用工況，未能按要求補(bǔ)充潤滑脂。

（3）異常沖擊：地鐵車輛過岔道或者小彎道時，軸承遭受異常振動和沖擊，導(dǎo)致滾動體對保持架的撞擊。

（4）異物入侵：電機(jī)裝配、使用過程以及后期維護(hù)過程中，砂礫、鐵屑等硬度高的異物進(jìn)入，導(dǎo)致滾動體與保持架的摩擦，從而使保持架損壞。

通過對電機(jī)的制造、運(yùn)維進(jìn)行綜合分析后可判斷：電機(jī)運(yùn)行6年，因此，可排除因安裝不當(dāng)導(dǎo)致的軸承故障；傳動端軸承保持架出現(xiàn)摩擦痕跡，可能是由于后期運(yùn)用過程油脂未及時按量補(bǔ)充，導(dǎo)致軸承運(yùn)行過程中潤滑脂產(chǎn)生的基油不足，滾子表面油膜不良，滾子對軸承保持架產(chǎn)生異常沖擊，從而導(dǎo)致軸承保持架異常磨損。

5 結(jié)論

滾動軸承保持架具有非線性受力、非平穩(wěn)振動以及無明顯沖擊特性，并且頻譜分析時故障特征難以提取。通過采用共振解調(diào)方法，保持架故障產(chǎn)生的特定頻率使檢測設(shè)備中的元器件產(chǎn)生共振，進(jìn)而信號加強(qiáng)，然后進(jìn)行包絡(luò)解調(diào)，將高頻信號變換到低頻信號再進(jìn)行FFT快速傅立葉變換，可得到明顯的保持架故障頻率及其倍頻。本研究證明共振解調(diào)方法可以有效識別出地鐵牽引電機(jī)滾動軸承保持架故障，保障地鐵牽引電機(jī)在線安全運(yùn)營，同時指導(dǎo)地鐵牽引電機(jī)的后期運(yùn)維。