鐵路貨車(chē)缺陷軸承的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩對(duì)振動(dòng)統(tǒng)計(jì)參數(shù)的影響

朱成九，朱愛(ài)華

(華東交通大學(xué)a. 土木建筑學(xué)院; b. 機(jī)電工程學(xué)院，南昌 330013)

目前，我國(guó)鐵路貨車(chē)主要采用21 t軸重的滾動(dòng)軸承輪軸和25 t軸重的緊湊型滾動(dòng)軸承輪軸，主要采用352226，352226X2-2RZ，353130X2-2RZ和353130B型4種軸承 ，其中352226X2-2RZ，353130X2-2RZ和353130B緊湊型滾動(dòng)軸承已成為當(dāng)今提速貨車(chē)軸承的主流。隨著鐵路貨車(chē)提速和重載化，輪對(duì)軸承的失效形式主要有內(nèi)圈、外圈及滾動(dòng)體的剝落，密封故障，保持架故障，輾皮和熱變色[1]。

為預(yù)防輪軸發(fā)生故障，我國(guó)鐵路干線(xiàn)上都已經(jīng)安裝了紅外軸溫探測(cè)器，并構(gòu)成了一個(gè)探測(cè)網(wǎng)絡(luò)，以便監(jiān)測(cè)軸承溫度，該系統(tǒng)主要基于熱輻射原理來(lái)進(jìn)行在線(xiàn)檢測(cè)以及故障預(yù)報(bào)，但對(duì)于早期無(wú)熱故障，紅外線(xiàn)探測(cè)軸溫效果很差[2]。據(jù)齊齊哈爾車(chē)輛段統(tǒng)計(jì)，僅2008年9月1日至2009年10月24日，達(dá)到微3級(jí)及以上的70 t貨車(chē)熱軸情況預(yù)報(bào)79件，其中把滾動(dòng)軸承誤判為滑動(dòng)軸承的熱軸就達(dá)28件。又據(jù)太原鐵路局湖東車(chē)輛段秦皇島動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)車(chē)間統(tǒng)計(jì)，僅2010年4月，全路熱軸平均誤報(bào)率達(dá)53.7%，由于誤報(bào)而造成列車(chē)晚點(diǎn)，干擾正常的運(yùn)輸秩序，造成了不必要的人力和物力資源的浪費(fèi)。目前我國(guó)鐵路貨車(chē)輪對(duì)的現(xiàn)行管理體系是一年一檢，其余時(shí)間只是使用紅外線(xiàn)或人工檢查，難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理早期發(fā)生的軸承故障。

對(duì)于鐵路貨車(chē)軸承早期故障診斷，通常采用早期故障軌邊聲學(xué)診斷系統(tǒng)TADS[3]和振動(dòng)法等，其中，鐵路貨車(chē)軸承故障振動(dòng)法較簡(jiǎn)單、直觀(guān)且成本低，在故障診斷中約占80%。振動(dòng)法通過(guò)對(duì)軸承振動(dòng)信號(hào)的測(cè)量與分析[4]，及時(shí)發(fā)現(xiàn)軸承早期故障，確定軸承是否需要進(jìn)行分解檢修，為檢修提供及時(shí)準(zhǔn)確的依據(jù)，確保列車(chē)運(yùn)行安全與效率。

1 試驗(yàn)方法

鐵路貨車(chē)輪對(duì)用353130B型滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由2列圓錐滾子、2個(gè)實(shí)體保持架、中間隔套、內(nèi)外套圈和LL密封圈組成。在狀態(tài)檢測(cè)中，通過(guò)加速度計(jì)記錄振動(dòng)信號(hào)，滾動(dòng)軸承振動(dòng)的變化過(guò)程可以看成一個(gè)隨機(jī)過(guò)程，通過(guò)統(tǒng)計(jì)的方法，選擇如峰值、均方根、波峰因數(shù)和峰度等合適的參數(shù)提取故障信息，并將這些統(tǒng)計(jì)參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)值比較以檢測(cè)和評(píng)估軸承工作狀態(tài)，同時(shí)研究軸承工作轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩對(duì)其統(tǒng)計(jì)參數(shù)帶來(lái)的影響。

一個(gè)離散的振動(dòng)信號(hào)xi的特性可以表示為[5]

(1)

(2)

(3)

(4)

在實(shí)驗(yàn)室輪對(duì)試驗(yàn)臺(tái)和某車(chē)輛段段修現(xiàn)場(chǎng)診斷裝置上模擬353130B型滾動(dòng)軸承在貨車(chē)運(yùn)行中的實(shí)際工況，并引進(jìn)人工損傷，如圖1所示。用加速度計(jì)測(cè)量軸承座的徑向加速度，其中圖1b樣本的時(shí)間-加速度響應(yīng)曲線(xiàn)如圖2所示。圖2中g(shù)為重力加速度。

圖1 人工損傷

圖2 加速度響應(yīng)

2 結(jié)果分析

軸承測(cè)試設(shè)置運(yùn)行中，記錄每個(gè)轉(zhuǎn)速和加速度數(shù)據(jù)，隨后用MATLAB程序[6]計(jì)算無(wú)載和有載(10 N·m)工況下的統(tǒng)計(jì)參數(shù),結(jié)果如圖3和圖4所示，計(jì)算結(jié)果表明：在初期或加速時(shí)，波峰因數(shù)和峰度較高，隨著時(shí)間增加，波峰因數(shù)和峰度逐漸減少，而峰值和均方根值均保持增大，這表明軸承已經(jīng)開(kāi)始有損傷，并開(kāi)始進(jìn)入損傷后期，損傷會(huì)被壓平。將均方根的當(dāng)前值與標(biāo)準(zhǔn)值(即無(wú)損傷軸承的統(tǒng)計(jì)參數(shù))進(jìn)行比較，可以判斷軸承使用中是否已經(jīng)有損傷[7]。

圖3 無(wú)載時(shí)加速度響應(yīng)統(tǒng)計(jì)參數(shù)

圖4 有載時(shí)加速度響應(yīng)統(tǒng)計(jì)參數(shù)

試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著運(yùn)行時(shí)間和轉(zhuǎn)速增加，峰值和均方根值均會(huì)增大，波峰因數(shù)和峰度則會(huì)減小。載荷變化對(duì)統(tǒng)計(jì)參數(shù)大小有影響，有載時(shí)統(tǒng)計(jì)參數(shù)大小會(huì)明顯增加，表明有更嚴(yán)重的損傷。而且，隨著轉(zhuǎn)速的增加，有載時(shí)峰值和均方根值增大的幅度，以及波峰因數(shù)和峰度減小的幅度均大于無(wú)載工況。

3 結(jié)束語(yǔ)

研究表明：隨運(yùn)行時(shí)間和轉(zhuǎn)速增加，峰值和均方根值會(huì)增大，而波峰因數(shù)和峰度會(huì)減?。惠d荷對(duì)統(tǒng)計(jì)參數(shù)增大有影響，當(dāng)無(wú)載時(shí)，統(tǒng)計(jì)參數(shù)的值是較低的，表明軸承有損傷；當(dāng)有載時(shí)，統(tǒng)計(jì)參數(shù)值會(huì)增加，表明軸承損傷更嚴(yán)重。波峰因數(shù)和峰度對(duì)軸承初期故障比較敏感，而峰值和均方根值穩(wěn)定性很好，但對(duì)初期故障振動(dòng)信號(hào)不太敏感，因此，將它們同時(shí)使用，可兼顧敏感性和穩(wěn)定性，能取得較好的效果。另外，這些統(tǒng)計(jì)參數(shù)對(duì)確定軸承缺陷位置及程度不太明顯，有待進(jìn)一步研究。