蔡志賢 蕭博銘

（廣州中車軌道交通裝備有限公司，廣東 廣州 511498）

0 研究背景

根據(jù)運(yùn)行故障統(tǒng)計(jì)，走行部多數(shù)影響行車安全故障與軸承有關(guān)。軸承故障難以早期識(shí)別，經(jīng)常通過(guò)人工方式監(jiān)測(cè)，存在運(yùn)維工作量大，難以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及跟蹤趨勢(shì)等問(wèn)題。由于地鐵行業(yè)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)快速發(fā)展，因此需要對(duì)地鐵車輛軸承的在線運(yùn)行狀態(tài)、故障特征進(jìn)行監(jiān)控，形成一套對(duì)走行部軸承狀態(tài)感知與跟蹤、故障診斷預(yù)警、運(yùn)維智能決策等能力的智慧在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 軸承常見(jiàn)故障

1.1 軸承組成

軸承由內(nèi)環(huán)、外環(huán)、滾動(dòng)體和保持架4 個(gè)零件組成。內(nèi)環(huán)通常固定在軸頸上，與軸一起旋轉(zhuǎn)；外環(huán)通常固定在軸承座上，起支撐作用；滾動(dòng)體固定在保持架上，均勻分布在內(nèi)環(huán)和外環(huán)之間，滾動(dòng)體的形狀、大小和數(shù)量關(guān)系到軸承的性能和壽命；保持架將滾動(dòng)體均勻地相互隔開(kāi)，引導(dǎo)滾動(dòng)體旋轉(zhuǎn)滾動(dòng)。

1.2 常見(jiàn)故障類型

1.2.1 磨損

磨損是最常見(jiàn)的故障。灰塵、異物侵入和潤(rùn)滑不良等因素導(dǎo)致研磨損傷、擦傷或劃痕，軸承零件尺寸或者體積將變小，間接增大軸承游隙及表面粗糙度，加劇噪聲和振動(dòng)，進(jìn)而縮短軸承壽[1]。

1.2.2 疲勞剝落

疲勞剝落也叫點(diǎn)蝕。當(dāng)軸承長(zhǎng)期工作時(shí)，零件受到交變載荷的作用，表面形成疲勞源，在應(yīng)力集中點(diǎn)處產(chǎn)生微裂紋。隨著時(shí)間推移，裂紋將不斷擴(kuò)大，以小顆粒剝落。在嚴(yán)重的情況下，接觸表面將產(chǎn)生剝落坑，逐漸發(fā)展為大片剝落現(xiàn)象。疲勞剝落會(huì)增大軸承噪聲、振動(dòng)及受到的沖擊載荷，軸承壽命一般是指疲勞壽命。

1.2.3 塑性變形

塑性變形是指軸承在過(guò)度的沖擊載荷、運(yùn)轉(zhuǎn)溫度過(guò)高或者異物侵入的情況下產(chǎn)生形變，當(dāng)外力撤除后不能恢復(fù)原狀的現(xiàn)象。當(dāng)軸承有凹痕時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很多振動(dòng)和噪聲。

1.2.4 斷裂

軸承的裂紋和斷裂是最危險(xiǎn)的一種故障形式，這主要是由于軸承材料有缺陷或者嚴(yán)重超負(fù)荷運(yùn)行而引起的；此外，裝配過(guò)盈量太大以及潤(rùn)滑失效也都會(huì)出現(xiàn)裂紋。

1.2.5 膠合

膠合是指軸承中一個(gè)零件表面上的金屬黏附到另一個(gè)零件表面上的現(xiàn)象。其產(chǎn)生的主要原因包括重載、高溫和潤(rùn)滑不良等[2]。

1.2.6 保持架損壞

保持架損壞是指其因變形而失去功能的現(xiàn)象，它會(huì)使保持架與滾動(dòng)體之間產(chǎn)生卡滯，增大軸承轉(zhuǎn)動(dòng)阻力，加劇振動(dòng)和噪聲，導(dǎo)致溫度攀升。

2 檢修現(xiàn)狀

2.1 溫度試紙監(jiān)測(cè)法

軸承中常見(jiàn)磨損、破落、變形、斷裂和膠合等故障，往往會(huì)產(chǎn)生大量熱量，傳導(dǎo)至軸承安裝位置導(dǎo)致其溫度升高，因此溫升是軸承檢查的指標(biāo)之一。溫度試紙上布設(shè)一系列的溫度方格，當(dāng)測(cè)試點(diǎn)溫度大于方格溫度時(shí)，顏色變?yōu)樯钌豢赡孓D(zhuǎn)，從而可以判斷物體所經(jīng)歷的溫度。

2.2 SPM 沖擊監(jiān)測(cè)法

業(yè)內(nèi)常用SPM（Shock Pulse Method）沖擊脈沖技術(shù)進(jìn)行軸承監(jiān)測(cè)技術(shù)。通過(guò)HDm 來(lái)判斷沖擊通過(guò)表現(xiàn)出來(lái)，HDm 是以分貝表示的測(cè)量結(jié)果，用來(lái)判斷軸承損壞嚴(yán)重程度，代表的是測(cè)量周期中發(fā)現(xiàn)的最高沖擊脈沖。異響越大，HDm 值也越大[3]。微異響同樣說(shuō)明軸承處于不良狀態(tài)，可能衍變?yōu)闈L動(dòng)體剝離、點(diǎn)蝕和保持架變形等問(wèn)題。

上述2 種手段有致命的缺陷，僅能在檢修庫(kù)通過(guò)人工方式檢查，不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，工作量大，該文以牽引電機(jī)軸承SPM沖擊監(jiān)測(cè)為例，按廣佛一期地鐵27 列車配置，檢測(cè)周期為6個(gè)月，每年所需檢測(cè)工時(shí)高達(dá)27×2×3=162 人·天。從軸承故障特征顯現(xiàn)到人工檢出之間有一段時(shí)間，期間車輛以不良狀態(tài)運(yùn)行，存在清客、救援等風(fēng)險(xiǎn)，因此迫切需要提升軸承監(jiān)測(cè)技術(shù)，從人工監(jiān)測(cè)升級(jí)為專業(yè)設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、故障預(yù)警。

3 走行部在線監(jiān)測(cè)技術(shù)

3.1 監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展

走行部監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在軸箱軸承、齒輪箱軸承、牽引電機(jī)軸承的承載區(qū)內(nèi)布置復(fù)合傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軸承的溫度、沖擊等物理量，測(cè)點(diǎn)安裝位置如圖1 所示。對(duì)監(jiān)測(cè)陣列內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的溫度、沖擊樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷分析，獲取各測(cè)點(diǎn)的故障定量信息；如果在測(cè)點(diǎn)的故障定量信息中發(fā)現(xiàn)存在故障測(cè)點(diǎn)，就根據(jù)監(jiān)測(cè)陣列內(nèi)非故障測(cè)點(diǎn)的沖擊峰值的DB 值建立一致性關(guān)系矩陣，獲取監(jiān)測(cè)陣列內(nèi)的最大一致測(cè)點(diǎn)組；如果監(jiān)測(cè)陣列內(nèi)存在最大一致測(cè)點(diǎn)組，就根據(jù)最大一致測(cè)點(diǎn)組內(nèi)所有測(cè)點(diǎn)的dB_W 提取衡量故障危害程度的在線動(dòng)態(tài)報(bào)警閾值，并根據(jù)動(dòng)態(tài)報(bào)警閾值，相應(yīng)生成預(yù)警、一級(jí)報(bào)警和二級(jí)報(bào)警監(jiān)測(cè)信息，及時(shí)發(fā)現(xiàn)走行部故障或隱患，其具有智能化、便捷性的特點(diǎn)，有逐步替代傳統(tǒng)人工的溫度試紙、SPM 沖擊監(jiān)測(cè)法的趨勢(shì)。

圖1 測(cè)點(diǎn)位置

3.2 共振解調(diào)技術(shù)原理

通過(guò)溫度、沖擊閾值對(duì)比能有效識(shí)別出軸承故障，能夠回答故障“有或無(wú)”的問(wèn)題，而運(yùn)維對(duì)軸承故障精確定位、類型等準(zhǔn)確度要求更高，只從表象無(wú)法判斷軸承故障的嚴(yán)重性，難以做出地鐵車輛是否退出服務(wù)、下線等決策。由于牽引電機(jī)、齒輪箱、輪對(duì)上的軸承每個(gè)部件結(jié)構(gòu)及功能不同，因此使用的軸承型號(hào)也不同，甚至同一個(gè)部件內(nèi)都有多個(gè)型號(hào)的軸承。型號(hào)及參數(shù)差異給走行部在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供故障特征識(shí)別的運(yùn)用前提，因此走行部在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)共振解調(diào)技術(shù)的恰好能夠回答故障“是什么、在哪里”的問(wèn)題。

對(duì)地鐵車輛的軸承狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，有價(jià)值的故障信息常常被強(qiáng)烈的背景噪聲所掩埋，導(dǎo)致故障診斷的準(zhǔn)確率一直不高，無(wú)法推廣應(yīng)用。為準(zhǔn)確可靠地診斷軸承故障，必須有效提取其故障特征信息[4]。共振解調(diào)技術(shù)也稱為早期故障探測(cè)技術(shù)，在軸承故障診斷領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，是目前最成功的一種方法。當(dāng)滾動(dòng)軸承某個(gè)零件發(fā)生故障時(shí)，在受載運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)與軸承其他零件發(fā)生周期性的撞擊，此時(shí)，共振解調(diào)技術(shù)可以提取掩埋在常規(guī)振動(dòng)中的微沖擊信息，并通過(guò)濾波放大轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏玫男畔ⅰ?/p>

此外，共振解調(diào)技術(shù)可以提取軸承故障信息，通過(guò)頻譜分析診斷軸承故障。當(dāng)軸承某個(gè)零件發(fā)生故障而產(chǎn)生周期為T(mén)的沖擊脈沖時(shí)，根據(jù)傅里葉級(jí)數(shù)理論，該脈沖串的頻譜為包括基頻f=1/T在內(nèi)的一系列諧波分量。如果高次諧波與軸承結(jié)構(gòu)及傳感器的固有頻率f相吻合，將導(dǎo)致軸承結(jié)構(gòu)及傳感器在其各自固有頻率上產(chǎn)生諧振。由于地鐵車輛設(shè)備的其他工作振動(dòng)頻率都比該固有頻率低，不會(huì)干擾振動(dòng)信號(hào)。該高頻自由衰減振動(dòng)信號(hào)經(jīng)檢波和低通濾波后，會(huì)得到一個(gè)與原脈沖串相對(duì)應(yīng)的放大信號(hào)，即可求出原脈沖串的周期和相應(yīng)的幅值大小[5]。共振解調(diào)幅值與故障沖擊強(qiáng)度成正比，還可以通過(guò)共振解調(diào)波的幅值來(lái)判斷故障的程度，頻譜分析就可以很容易地診斷軸承的故障。共振解調(diào)原理示意如圖2 所示。

3.3 故障特征識(shí)別

走行部在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)共振解調(diào)技術(shù)提取有助于診斷的微小沖擊信號(hào)，濾波放大轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏玫男畔?。在該基礎(chǔ)上，通過(guò)多參數(shù)的模式識(shí)別、權(quán)重修正、狀態(tài)規(guī)律挖掘、故障根因模型對(duì)故障進(jìn)行精準(zhǔn)定位，建立故障預(yù)測(cè)及危害等級(jí)智能評(píng)估模型，對(duì)故障危害程度和維修時(shí)機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估，智能生成運(yùn)維決策，使檢修人員更快捷地獲取關(guān)鍵故障信息，及時(shí)采用對(duì)應(yīng)的檢修措施。

走行部在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要對(duì)監(jiān)測(cè)沖擊樣本中故障頻率的識(shí)別對(duì)故障進(jìn)行定位和分類，故障特征頻率計(jì)算公式如下。

保持架外的故障特征頻率如公式（1）所示。

保持架內(nèi)的故障特征頻率如公式（2）所示。

外環(huán)外滾道的故障特征頻率如公式（3）所示。

內(nèi)環(huán)內(nèi)滾道的故障特征頻率如公式（4）所示。

滾單的故障特征頻率如公式（5）所示。

滾雙的故障特征頻率如公式（6）所示。

式中：D0為中徑，軸承的中徑（滾動(dòng)體節(jié)圓直徑），mm；d為滾徑，滾動(dòng)體的直徑，mm；Z為滾數(shù)，滾動(dòng)體的數(shù)量；A為接觸角，軸承滾動(dòng)體的接觸角，度；f為軸承所在軸的旋轉(zhuǎn)頻率。

軸承參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 軸承參數(shù)表

通過(guò)計(jì)算可得故障特征頻率，以牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承為例，其故障特征頻率如下（用倍頻量表示）。

保持架外旋轉(zhuǎn)頻率f0：28.08。

保持架內(nèi)旋轉(zhuǎn)頻率f0：36.6。

外環(huán)外旋轉(zhuǎn)頻率f0：393.09。

內(nèi)環(huán)內(nèi)旋轉(zhuǎn)頻率f0：512.34。

滾單旋轉(zhuǎn)頻率f0：241.26。

滾雙旋轉(zhuǎn)頻率f0：482.52。

軸承零件的固有頻率僅取決于其材料、結(jié)構(gòu)、尺寸和質(zhì)量及安裝方式，而與軸承的轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)。可通過(guò)頻率對(duì)比識(shí)別故障。

內(nèi)外環(huán)的固有振動(dòng)頻率如公式（7）所示。

式中：n為變形波數(shù)；M為圓環(huán)單位長(zhǎng)度內(nèi)的質(zhì)量，kg/m；E為圓環(huán)材料的彈性模量，N/m2；I為外環(huán)截面繞中性軸的慣性矩，m4；D為環(huán)中性軸的直徑，m。

鋼球的固有振動(dòng)頻率如公式（8）所示。

式中：d為鋼球的直徑，m；E為材料的彈性模量，N/m2；ρ為材料的密度，kg/m3。

常用的滾動(dòng)軸承故障診斷方法有時(shí)域分析方法和頻域分析方法。通過(guò)故障頻率及軸承參數(shù)搭建數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)算法得到時(shí)間-振動(dòng)波形，即時(shí)域圖；將時(shí)域圖經(jīng)過(guò)傅里葉變換，轉(zhuǎn)為頻率-振動(dòng)波形圖。

時(shí)域圖：橫坐標(biāo)為時(shí)間的振動(dòng)波形圖，可以看出存在滾子沖擊特征；頻域圖：橫坐標(biāo)為頻率的振動(dòng)波形圖，可以看出頻域信息中存在滾子故障頻率。

三階譜：共振解調(diào)故障頻率呈現(xiàn)多階性，頻譜是多階的梳狀頻線，根據(jù)運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，業(yè)內(nèi)常常采用三階頻線進(jìn)行故障辨別，簡(jiǎn)稱三階譜。通過(guò)參數(shù)計(jì)算出的理論故障譜號(hào)，定性分析部件故障細(xì)分類。

4 應(yīng)用

4.1 軸箱軸承故障診斷

在某地鐵監(jiān)測(cè)到軸箱軸承一級(jí)報(bào)警，通過(guò)沖擊樣本對(duì)比發(fā)現(xiàn)，軸承外環(huán)故障沖擊特征明顯，時(shí)域沖擊強(qiáng)度大，沖擊趨勢(shì)中外環(huán)故障沖擊持續(xù)存在，頻譜圖中外環(huán)故障三階譜突出，外環(huán)存在多處故障，建議適時(shí)分解檢查。

然后現(xiàn)場(chǎng)對(duì)該車軸箱軸承進(jìn)行拆解，拆解結(jié)果如下：軸承外環(huán)存在5 處傷損，有觸感，沿軸向分布，與診斷分析結(jié)果一致。拆解結(jié)果如圖4 所示。

圖4 軸箱軸承外環(huán)承載區(qū)剝離故障

4.2 齒輪箱軸承故障診斷

在某地鐵監(jiān)測(cè)到某車1 軸3 位齒輪箱軸承一級(jí)報(bào)警，樣本如圖5 所示。

圖5 齒輪箱軸承沖擊樣本

通過(guò)沖擊樣本對(duì)比發(fā)現(xiàn)，時(shí)域波形中存在明顯的滾雙沖擊特征，頻域波形中存在明顯的滾雙故障頻率，同時(shí)存在保持架邊頻信息，分析結(jié)論為該位置齒輪箱軸承存在異常沖擊，建議策略為拆解齒輪箱檢查軸承。

然后對(duì)該位置齒輪箱進(jìn)行拆解檢查，確認(rèn)軸承故障，發(fā)現(xiàn)內(nèi)側(cè)軸承有保持架破碎，磨損變形，外側(cè)軸承保持架斷裂，與診斷分析結(jié)果一致，拆解結(jié)果如圖6 所示。

圖6 齒輪箱保持架斷裂故障圖

4.3 牽引電機(jī)軸承故障診斷

在某地鐵監(jiān)測(cè)到3 軸電機(jī)位振動(dòng)沖擊異常，如圖7 所示。

圖7 牽引電機(jī)沖擊樣本

通過(guò)沖擊樣本對(duì)比發(fā)現(xiàn)，時(shí)域波形中存在滾子沖擊特征，從頻域波形中可以看出頻域信息中存在滾子故障頻率，分析結(jié)論為3 軸電機(jī)位滾子存在異常沖擊，建議策略為拆解電機(jī)檢查軸承。然后對(duì)3 軸電機(jī)進(jìn)行了拆解檢查，確認(rèn)軸承故障，拆解結(jié)果如圖8 所示。

圖8 電機(jī)軸承滾子故障圖

5 結(jié)語(yǔ)

在走行部在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中基于共振解調(diào)技術(shù)進(jìn)行診斷，對(duì)故障的預(yù)測(cè)和維修時(shí)機(jī)的預(yù)判，提前發(fā)現(xiàn)軸承隱患，減少事后維修造成的損失，形成主動(dòng)運(yùn)維決策指令，準(zhǔn)確指導(dǎo)地鐵車輛檢修，具有實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益。