張 毅，顧愷迪

（上海地鐵維護(hù)保障有限公司 車輛分公司，上海 200031）

0 引言

城市軌道交通車輛是復(fù)雜的機(jī)電一體化系統(tǒng)，牽引電機(jī)是城市軌道交通車輛動(dòng)力輸出的關(guān)鍵部件，其惡劣的工作環(huán)境和負(fù)載頻繁變換的工況，使?fàn)恳姍C(jī)較易出現(xiàn)故障［1］。在眾多牽引電機(jī)類故障中，軸承故障是導(dǎo)致電機(jī)類故障的主要因素之一，故障率約占所有電機(jī)故障的40%，其故障形式通常為磨損、點(diǎn)蝕和內(nèi)圈外圈破裂等［2］。而一旦發(fā)生電機(jī)軸承損壞，將可能引起電機(jī)堵轉(zhuǎn)、齒輪箱損壞及輪軌擦傷等嚴(yán)重后果。而電機(jī)軸承的故障原因較為復(fù)雜且伴隨有諸多不確定因素，導(dǎo)致預(yù)防軸承失效的檢修極為困難。

目前在軌道交通領(lǐng)域常見的牽引電機(jī)軸承日常檢測(cè)方法主要有異聲診斷及SPM檢測(cè)。前者具有一定的故障預(yù)防作用，但其實(shí)施的效果完全取決于檢修人員的經(jīng)驗(yàn)及專業(yè)性；后者檢測(cè)準(zhǔn)確性高，但檢修一次需長時(shí)間使用檢修基地的抬車機(jī)資源。同時(shí)此兩種方法只能定性，而無法準(zhǔn)確檢測(cè)出軸承的故障程度準(zhǔn)確檢測(cè)出軸承的故障程度或等級(jí)，從而無法確定設(shè)備的最佳檢修時(shí)機(jī)［3］。

上海地鐵車隊(duì)數(shù)量超7 000節(jié)，列車檢修基地資源極為緊張，上述2種方式單一使用均不能滿足經(jīng)濟(jì)、合理預(yù)防牽引軸承故障的目標(biāo)，急需一種合理、有效的牽引電機(jī)軸承檢測(cè)方案，在有效確保牽引電機(jī)軸承安全的前提下，最大限度的節(jié)省檢修資源，按需檢修。因此，本文立足于上海地鐵列車運(yùn)維檢修實(shí)際情況，結(jié)合電機(jī)軸承故障檢修方式現(xiàn)狀進(jìn)行分析，以得出較為適合列車運(yùn)維體系的牽引電機(jī)軸承故障檢修策略。

1 電機(jī)軸承故障診斷方式現(xiàn)狀及分析

軸承故障診斷技術(shù)是一門綜合性學(xué)科，電機(jī)軸承的運(yùn)行磨損、安裝誤差或電腐蝕等因素均會(huì)導(dǎo)致其發(fā)生故障，從而影響牽引電機(jī)的安全運(yùn)行。目前地鐵列車牽引電機(jī)軸承的日常檢測(cè)方法主要有如下幾種：軸承異聲診斷、基于SPM設(shè)備的軸承狀態(tài)診斷、基于電信號(hào)的軸承磁鏈觀測(cè)診斷。

1.1 通過異聲診斷軸承故障

當(dāng)軸承外圈或內(nèi)圈存在缺陷時(shí)，軸承在滾動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生異常的振動(dòng)，當(dāng)這種缺陷達(dá)到一定程度時(shí)，這些異常的振動(dòng)一般會(huì)以異聲的形式呈現(xiàn)出來。檢修人員可以通過近距離觀察低速運(yùn)行列車是否存在異聲的方式來判斷軸承狀態(tài)，同時(shí)軸承故障信號(hào)容易被背景信號(hào)淹沒［4］，這將降低故障判斷的準(zhǔn)確性。如要提高檢查的準(zhǔn)確性，可以將列車停在安靜的場(chǎng)地使列車處于禁止?fàn)顟B(tài)后通過外力使得牽引電機(jī)軸承轉(zhuǎn)動(dòng)，如使用鏇輪設(shè)備使車輪定速轉(zhuǎn)動(dòng)也可以將齒輪箱與電機(jī)分離讓人員以一定的速度轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)軸承從而觀察電機(jī)軸承在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中是否存在異聲，但在此狀態(tài)下將大量占用車場(chǎng)檢測(cè)資源。

1.2 SPM方法診斷軸承故障

SPM法亦稱振動(dòng)沖擊脈沖方法，用來監(jiān)測(cè)與診斷運(yùn)行中滾動(dòng)軸承的狀態(tài)與損傷程度的技術(shù)［5］。相比傳統(tǒng)診斷方法它具有以下特點(diǎn)［6］：無須專業(yè)人員進(jìn)行分析，可直接獲取軸承損傷程度；診斷快捷、準(zhǔn)確，可作為滾動(dòng)軸承監(jiān)測(cè)的主要手段，系統(tǒng)適用性廣。目前SPM檢測(cè)設(shè)備是一種比較成熟的軸承狀態(tài)檢測(cè)設(shè)備，部分軸承廠家也有針對(duì)自身軸承產(chǎn)品特性所設(shè)計(jì)的SPM設(shè)備。

當(dāng)軸承故障時(shí)會(huì)產(chǎn)生固定頻率的振動(dòng)，通過沖擊脈沖傳感器可以記錄其高頻共振波形，對(duì)波形進(jìn)行包絡(luò)、檢波、低通濾波（即解調(diào)），使其在32 kHz發(fā)生共振，然后通過高通濾波，將低頻振動(dòng)濾掉，留高頻的軸承故障信號(hào)，只針對(duì)高頻的沖擊信號(hào)作分析處理，這種技術(shù)能夠檢測(cè)到很弱的沖擊故障信號(hào)，沖擊故障信號(hào)強(qiáng)弱反映故障程度。

1.3 基于電信號(hào)的軸承磁鏈觀測(cè)診斷

不論是通過異聲還是SPM設(shè)備來判斷電機(jī)軸承狀態(tài)，本質(zhì)上都是通過檢查軸承在滾動(dòng)過程中所產(chǎn)生的異常振動(dòng)來判斷軸承狀態(tài)，檢測(cè)方式較為直接但是也存在一定的局限性。相較于上述傳統(tǒng)的軸承診斷技術(shù)，基于電信號(hào)的診斷技術(shù)可以在不額外增加設(shè)備和檢修窗口的前提下診斷電機(jī)軸承狀態(tài)。在交流電動(dòng)機(jī)中三相對(duì)稱電流通過三相對(duì)稱繞組會(huì)在電動(dòng)機(jī)氣隙中產(chǎn)生空間旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)。當(dāng)電機(jī)發(fā)生軸承故障時(shí)，滾動(dòng)體經(jīng)過故障點(diǎn)時(shí)會(huì)造成感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子的一個(gè)徑向的位移，從而導(dǎo)致電機(jī)及轉(zhuǎn)子與定子間氣隙長度以及電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化，這種變化在電機(jī)定子電流中就會(huì)表現(xiàn)為微弱的周期性諧波脈沖［7］。

因此，當(dāng)軸承出現(xiàn)故障時(shí)，可提取到軸承不同故障類型的磁通密度的特征頻率，進(jìn)一步通過磁通密度與磁鏈之間的關(guān)系，可通過分析提取電機(jī)定子磁鏈來實(shí)現(xiàn)電機(jī)軸承故障診斷。圖1為磁鏈觀測(cè)電機(jī)軸承診斷示意圖。

圖1 磁鏈觀測(cè)電機(jī)軸承診斷示意圖

圖2 牽引控制圖

該方法的診斷流程如下。

（1）基于實(shí)測(cè)電流信號(hào)，采用Park變換獲得α／β軸電流；由于異步電動(dòng)機(jī)三相原始動(dòng)態(tài)模型相當(dāng)復(fù)雜，分解和求解這組非線性方程十分困難，在實(shí)際應(yīng)用中必須予以簡化［8］。通過Park變換將在數(shù)學(xué)意義上可以將電機(jī)的三相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)，便于后續(xù)磁鏈觀測(cè)的模型建立。

（2）定子磁鏈觀測(cè)模型是電機(jī)軸承狀態(tài)診斷的關(guān)鍵［9］，基于α／β和實(shí)測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，采用全階觀測(cè)模型，獲得電機(jī)磁鏈觀測(cè)值；交流電動(dòng)機(jī)中三相對(duì)稱電流通過三相對(duì)稱繞組會(huì)在電動(dòng)機(jī)氣隙中產(chǎn)生空間旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)。通過對(duì)全階觀測(cè)模型可以獲得電機(jī)磁鏈的觀測(cè)值以進(jìn)行分析［10］。

（3）通過觀測(cè)獲取的磁鏈進(jìn)行FFT分析，提取軸承故障的脈沖指標(biāo)實(shí)現(xiàn)牽引電機(jī)軸承故障診斷。在診斷流程中，涉及主要技術(shù)是定子電流的Park變換以及基于定子電流和轉(zhuǎn)速的磁鏈觀測(cè)和對(duì)磁鏈值進(jìn)行FFT分析提取故障特征。

1.4 軸承診斷方式分析

通過聲音來判斷電機(jī)軸承是否存在故障的方式不需要借助其他特殊工具，操作較為簡潔。但是聲音是否存在異常主要是依賴檢修人員經(jīng)驗(yàn)及專業(yè)性來判斷，很難確定一個(gè)量化的標(biāo)準(zhǔn)或是明確的檢查規(guī)范進(jìn)行推廣。同時(shí)越是嘈雜的環(huán)境異聲判斷的準(zhǔn)確性越差，且并不能夠判斷軸承損傷的嚴(yán)重程度。

SPM方法可以準(zhǔn)確地診斷軸承故障還可以呈現(xiàn)軸承的損傷程度，便于對(duì)列車的運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行合理的評(píng)估，但是使用SPM方法需要在列車電機(jī)軸承恒定轉(zhuǎn)速下進(jìn)行，列車需通過鏇輪設(shè)備驅(qū)動(dòng)車輪或者將列車抬起后通過外接驅(qū)動(dòng)設(shè)備來驅(qū)動(dòng)車輪恒速轉(zhuǎn)動(dòng)。不論通過何種方式實(shí)現(xiàn)列車電機(jī)軸承的恒定轉(zhuǎn)速都需要耗費(fèi)極大的場(chǎng)段資源及人力資源，所以很難通過這種方法對(duì)運(yùn)營列車的電機(jī)軸承狀態(tài)進(jìn)行長期持續(xù)的檢查。

相比于其他軸承診斷方式，磁鏈觀測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)軸承的狀態(tài)，不影響列車的正常運(yùn)營使用及占用場(chǎng)段內(nèi)的檢修資源在軸承規(guī)定的維護(hù)周期（一般指列車的架修或大修周期）以外再單獨(dú)的對(duì)其進(jìn)行額外的檢測(cè)。同時(shí)基于牽引電機(jī)軸承的狀態(tài)實(shí)時(shí)跟蹤性及軸承狀態(tài)的信息可視化，可以建立軸承故障模型，綜合軸承的故障嚴(yán)重程度及變化趨勢(shì)，進(jìn)而合理制定生產(chǎn)檢修計(jì)劃，應(yīng)檢盡檢，提前安排窗口時(shí)間對(duì)故障列車進(jìn)行維修。但是這種診斷方式也并非沒有缺點(diǎn)，目前普遍的城軌車輛設(shè)計(jì)中，牽引控制箱集中控制本節(jié)列車（指動(dòng)車）的4臺(tái)牽引電機(jī)而并非單獨(dú)控制，電流電壓傳感器也僅布置于牽引箱內(nèi)，這就導(dǎo)致列車無法單獨(dú)獲得每臺(tái)電機(jī)的電流值。所以通過此種方式的監(jiān)測(cè)精度只能精確到單節(jié)車（指動(dòng)車）而不能精確到單臺(tái)電機(jī)。

表1 軸承檢測(cè)方式比較

2 電機(jī)軸承檢測(cè)的建議方案

通過上文對(duì)幾種檢測(cè)方式的分析，可以發(fā)現(xiàn)采用磁鏈觀測(cè)的方式，其實(shí)時(shí)跟蹤的特性能夠保證對(duì)列車軸承的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，且無需占用車場(chǎng)資源（鏇床、架車機(jī)、車場(chǎng)天窗點(diǎn)、檢修人員等），更滿足地鐵列車檢修的需求。此外，考慮到列車正常運(yùn)營過程中電機(jī)軸承的損傷過程是類似于線性的而并非階躍式的，所以實(shí)時(shí)跟蹤電機(jī)軸承狀態(tài)可以對(duì)其進(jìn)行健康評(píng)估。在地面端對(duì)列車開展電機(jī)軸承的健康評(píng)估工作不但可以避免列車上記錄過多不必要的信息也可以根據(jù)采集的大量數(shù)據(jù)修正軸承的健康管理模型。針對(duì)磁鏈觀測(cè)的檢測(cè)精度至單節(jié)動(dòng)車的薄弱點(diǎn)，則通過SPM檢測(cè)進(jìn)行補(bǔ)充。

電機(jī)軸承檢測(cè)建議方案為：采用磁鏈觀測(cè)對(duì)軸承故障特征進(jìn)行初篩，通過SPM檢測(cè)精準(zhǔn)判斷動(dòng)單節(jié)車牽引電機(jī)軸承故障點(diǎn)。具體檢測(cè)流程（圖3）如下：

圖3 電機(jī)軸承檢測(cè)策略流程圖

（1）牽引控制箱（DCU）診斷電機(jī)軸承狀態(tài)。采用磁鏈觀測(cè)的方式，通過DCU持續(xù)對(duì)本節(jié)車電機(jī)軸承的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將電機(jī)數(shù)據(jù)及診斷結(jié)果通過車載維護(hù)以太網(wǎng)發(fā)送至地面服務(wù)器，并對(duì)電機(jī)軸承的損傷程度進(jìn)行跟蹤。

（2）根據(jù)診斷結(jié)果安排列車檢修計(jì)劃。通過地面服務(wù)器收集的各列車電機(jī)數(shù)據(jù)及診斷結(jié)果，按電機(jī)軸承損傷程度及損傷趨勢(shì)，制定列車電機(jī)檢修計(jì)劃，合理分配車場(chǎng)檢修資源。

（3）對(duì)疑似軸承故障電機(jī)采用SPM檢測(cè)。在對(duì)電機(jī)軸承跟蹤過程中判斷軸承需進(jìn)行更換時(shí)，對(duì)故障動(dòng)車的四臺(tái)電機(jī)分別采用SPM檢測(cè)，確定故障電機(jī)。

采用這種檢查策略不但可以實(shí)時(shí)有效跟蹤列車電機(jī)軸承狀態(tài)最大限度確保運(yùn)行安全，同時(shí)也避免了不必要的過度檢修，從而節(jié)省了生產(chǎn)成本。

3 電機(jī)軸承檢測(cè)的應(yīng)用實(shí)踐分析

上海地鐵13號(hào)線列車（6節(jié)編組A型車）具有車載無線傳輸設(shè)備并且無線傳輸設(shè)備接入了維護(hù)以太網(wǎng)，硬件方面均具備電機(jī)磁鏈觀測(cè)的條件，所以選用該車型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，如圖4～7所示。在對(duì)列車電機(jī)軸承跟蹤期間，發(fā)現(xiàn)1338號(hào)列車M2車存在電機(jī)軸承外圈及滾動(dòng)體特征階次。使用SKF Microlog GX75手持式振動(dòng)檢測(cè)分析儀，采用SPM方法對(duì)疑似故障的四臺(tái)電機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)四軸電機(jī)N端時(shí)域信號(hào)周期性沖擊特征明顯，加速度包絡(luò)頻譜和FFT頻譜中均出現(xiàn)較為明顯的外圈缺陷頻率。通過SPM檢測(cè)確認(rèn)四軸電機(jī)存在故障，據(jù)此對(duì)故障電機(jī)進(jìn)行拆解，如圖8、9所示。由圖可知，軸承外圈承載區(qū)存在明顯的“搓衣板”痕跡（指感不明顯，疑為被磨損），滾道面凹坑明顯、磨損嚴(yán)重，滾動(dòng)體有明顯電腐蝕痕跡。

圖4 1338號(hào)列車軸承跟蹤圖

圖5 時(shí)域波形圖

圖7 FFT頻譜

圖9 滾動(dòng)體

4 結(jié)束語

本文通過對(duì)幾種現(xiàn)有的日常牽引電機(jī)軸承失效檢測(cè)方式進(jìn)行分析及應(yīng)用案例的實(shí)踐，提出采用磁鏈觀測(cè)的檢測(cè)方式實(shí)時(shí)跟蹤電機(jī)軸承狀態(tài)，并提供診斷結(jié)果，識(shí)別單節(jié)車的軸承故障風(fēng)險(xiǎn)。再基于磁鏈觀測(cè)到的故障風(fēng)險(xiǎn)，采用SPM的檢測(cè)方式，精準(zhǔn)捕捉動(dòng)車軸承故障點(diǎn)。通過將磁鏈觀測(cè)及SPM檢測(cè)組合的方式，實(shí)現(xiàn)電機(jī)軸承狀態(tài)實(shí)時(shí)跟蹤及狀態(tài)信息可視化，進(jìn)而合理制定生產(chǎn)檢修計(jì)劃，節(jié)省大量檢修資源之余確保應(yīng)檢盡檢、按需檢查，同時(shí)又保證故障判斷的準(zhǔn)確性，確保電機(jī)軸承的安全應(yīng)用，兼顧經(jīng)濟(jì)性及安全性，滿足地鐵列車的檢修需求。