利用軸承磨合機(jī)增加段修故障軸承診斷的探討

李云波， 徐焱

（南京東車輛段徐州設(shè)備車間，江蘇徐州221007）

1 問題的提出

近年來，隨著我國鐵路快速發(fā)展，貨車安全監(jiān)控裝備的不斷投入和完善，尤其是貨車段修中積極結(jié)合“5T”系統(tǒng)預(yù)報(bào)等先進(jìn)手段的運(yùn)用，有效地提高了段修軸承早期故障診斷的準(zhǔn)確性，在實(shí)際生產(chǎn)中為確保貨車段修軸承質(zhì)量發(fā)揮了重要作用。

在廠段修貨車進(jìn)庫后，貨車輪軸的檢查、檢修是生產(chǎn)工藝的重要環(huán)節(jié)。在車輛段檢修車間需要退卸檢修的非到期軸承主要是：外觀狀態(tài)不良的軸承、轉(zhuǎn)動檢查有異音故障的軸承、踏面擦傷剝離過限輪軸上的軸承等;臨、輔修扣換的故障軸承（包括熱軸）；“TADS”系統(tǒng)曾有三級及以上預(yù)報(bào)且列檢未扣車更換輪對的軸承。

表1 是徐州檢修車間2012 年4～6 月份的軸承一般檢修統(tǒng)計(jì)表。

表1

上述問題軸承進(jìn)行一般檢修之前需要人工檢查和確認(rèn)，人工檢查主要是以手動的方式正反轉(zhuǎn)動軸承，檢查軸承有無卡死現(xiàn)象及有無異音故障。通常由于人為因素影響，對軸承的故障判斷也有較大出入，對許多有疑問的故障軸承沒有針對性和有效的防范措施。因此，建議利用貨車軸承磨合機(jī)的平臺，增加對故障軸承的智能檢測功能，有效地檢測和確認(rèn)軸承故障，提高貨車滾動軸承檢修質(zhì)量。

2 方案實(shí)施與技術(shù)

2.1 工作原理

為了能夠?qū)ω涇囓囕v的滾動軸承部分進(jìn)行故障診斷，需要利用貨車滾動軸承磨合機(jī)現(xiàn)有的機(jī)械部分，重點(diǎn)是對故障信息采集位置進(jìn)行改進(jìn)、安裝和調(diào)試。

當(dāng)雙向油缸頂起車輪，壓緊裝置固定輪對后，在雙側(cè)軸承外圈處各放置一個(gè)磁性的加速度傳感器，通過高速數(shù)據(jù)采集板將加速度信號送入專用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理分析，從而判斷軸承是否存在故障。在數(shù)據(jù)分析過程中，根據(jù)《國標(biāo)2372》速度標(biāo)準(zhǔn)及通用的加速度標(biāo)準(zhǔn)，綜合時(shí)域數(shù)據(jù)波形有效值及峭度指標(biāo)，判斷軸承是否存在故障，如存在故障，通過分析頻譜圖，判斷故障的位置。由于滾動軸承在轉(zhuǎn)動時(shí)，其中的滾動體、軸承外圈、軸承內(nèi)圈、保持架各部分的故障頻率不同，通過頻譜圖可以很直觀地判斷出故障位置。

2.2 滾動軸承的故障現(xiàn)象及故障產(chǎn)生原因

故障產(chǎn)生原因主要是集中在生產(chǎn)制造過程零部件組裝不到位、軸承壓裝力過大或不足、注脂量不合理、密封失效等，導(dǎo)致貨車車輛運(yùn)行中滾動軸承滾子、內(nèi)圈、保持架等產(chǎn)生疲勞剝落缺損、保持架斷裂等故障。

本系統(tǒng)可以診斷以上幾種故障，并可以給出有故障軸承的具體損壞部位。

滾動軸承組成部分有內(nèi)圈、外圈、滾動體及保持架。滾動軸承在恒定荷載下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，滾動軸承各部分附件具有以下工作頻率特性（滾動軸承外環(huán)滾動，內(nèi)環(huán)靜止）：

（1）外環(huán)旋轉(zhuǎn)頻率：fr=n/60

（2）保持架的旋轉(zhuǎn)頻率：fc=1/2（1+（d/D）cosα）fr

（3）一個(gè)滾動體通過外滾道一點(diǎn)的頻率：

Z 個(gè)滾動體通過外滾道一點(diǎn)的頻率：

（4）一個(gè)滾動體通過內(nèi)滾道一點(diǎn)的頻率：

Z 個(gè)滾動體通過內(nèi)滾道一點(diǎn)的頻率：

（5）滾動體上一點(diǎn)通過內(nèi)環(huán)或外環(huán)的頻率：

式中，n-轉(zhuǎn)速，r/min；d-滾子直徑；D-節(jié)圓直徑；α-接觸角；Z-滾子數(shù)。

在本設(shè)計(jì)中，針對貨車滾動軸承（SKF 及197726）型軸承，d=24.74mm，D=180mm，α=5°，Z=21，轉(zhuǎn)速n=375r/min，可以求出：內(nèi)圈故障頻率為75Hz；外圈故障頻率為56Hz；滾動體故障頻率為3.5Hz；保持架故障頻率為3Hz。

2.3 滾動軸承故障分析常用方法-有效值與峰值判別法

滾動軸承振動信號的有效值反映其振動能量大小，當(dāng)其中某一部件產(chǎn)生故障時(shí)其振動幅值必然增大，而有效值指標(biāo)對于瞬間沖擊振動是不適用的，瞬間振動存在的時(shí)間短、幅值大，對于形態(tài)異常故障特征通常用峰值來判別。在滾動軸承故障診斷的過程中，利用振動量值（峰值、有效值等），與設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，很容易對滾動軸承進(jìn)行故障判斷。

利用有效值與峰值之比所得到峰值系數(shù)，用來判別軸承正常、異常與否很方便，峰值系數(shù)的特點(diǎn)是其值不因軸承尺寸大小、載荷、轉(zhuǎn)速及測量系統(tǒng)的靈敏度不同而受到很大影響，適合用于點(diǎn)蝕類故障的診斷。軸承初始狀態(tài)正常下，F(xiàn)c≈5；局部故障產(chǎn)生并發(fā)展時(shí)，F(xiàn)c>5，此階段有沖擊現(xiàn)象，F(xiàn)c最大可達(dá)10。峰值系數(shù)過大時(shí)，滾動軸承有點(diǎn)蝕故障特征明顯；當(dāng)峰值系數(shù)過小時(shí)其存在過度磨損的可能性較大。

峭度指標(biāo)法能有效地反映振動信號的沖擊特征，在軸承無故障時(shí)，振動符合正態(tài)分布，其峭度約為3，當(dāng)軸承有故障時(shí)，其值與波峰系數(shù)變化趨勢類似。峭度指標(biāo)約為4 或超過4 的值時(shí)，說明滾動軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)存在沖擊性振動。峭度指標(biāo)在滾動軸承早期故障和晚期故障表現(xiàn)很明顯，在軸承故障早期時(shí)雖然有效值變化不大，而峭度指標(biāo)可以增大到幾十到上百，在軸承故障進(jìn)入晚期時(shí)有效值幅值變化很大，而峭度指標(biāo)由于滾子、內(nèi)圈等剝落斑點(diǎn)充實(shí)在滾道，導(dǎo)致其幅值明顯下降。峭度指標(biāo)法對于滾動軸承早期故障判斷是非常有效的方法。

在本設(shè)計(jì)中，經(jīng)常采用峰值、有效值以及峭度值指標(biāo)來判斷軸承是否存在故障以及故障的嚴(yán)重程度。

2.4 滾動軸承的精密診斷法

通過滾動軸承的簡易診斷法只能判斷滾動軸承是否存在故障，此時(shí)我們通過對診斷信號進(jìn)行頻譜分析則可以進(jìn)行軸承的精密診斷，即通過振動信號的頻率分析，以判斷故障的類別及原因。

在本設(shè)計(jì)中，采用低頻段信號診斷軸承故障，低于1kHz 的振動信號稱為低頻頻率信號。通常采用加速度傳感器來實(shí)現(xiàn)對滾動軸承振動低頻信號進(jìn)行分析。通過1kHz 的低通濾波器去除高頻噪音，進(jìn)行頻率分析，以找出信號的故障頻率。采用自功率頻譜特性分析故障信息。

2.5 程序編制及操作系統(tǒng)的選擇

考慮到現(xiàn)場需要經(jīng)常移動診斷儀以及經(jīng)常切換電源，Windows 操作系統(tǒng)不能適應(yīng)快速啟動停電需求，因而采用DOS 操作系統(tǒng)。

現(xiàn)場儀器程序編制采用TOUBOR C 語言編制。C 語言具有與低級硬件接口良好、運(yùn)行速度快等特點(diǎn)。

上位機(jī)程序采用Windows 操作系統(tǒng)，通過VISUAL C++語言與Labview 語言接口編程。界面美觀、操作方便，分析功能更加強(qiáng)大。

2.6 系統(tǒng)硬件組成

控制部分主要利用ZMHJ-II 型微機(jī)控制雙工位軸承磨合機(jī)的操作臺、計(jì)算機(jī)和一些外圍檢測設(shè)備構(gòu)成。外圍設(shè)備由2 臺液壓站電機(jī)和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機(jī)組成，2 個(gè)雙向液壓缸用于將承載鞍及轉(zhuǎn)向架頂起，電磁閥控制液壓缸的伸縮、轉(zhuǎn)動裝置驅(qū)動滾動軸承運(yùn)轉(zhuǎn)，加速度傳感器用于采集來自于加速度傳感器的信號。傳感器信號傳入到工業(yè)控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

3 技術(shù)應(yīng)用與探討

3.1 結(jié)合“5T”預(yù)報(bào)診斷軸承故障

隨著“5T”技術(shù)的成熟運(yùn)用，其聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)已逐步成為指導(dǎo)貨車檢修生產(chǎn)的重要數(shù)據(jù)來源。段修生產(chǎn)時(shí)針對以下5T 扣修的非正常、一般檢修軸承：THDS 系統(tǒng)預(yù)報(bào)扣車的“熱軸”車輛；紅外線探測站預(yù)報(bào)“熱軸”的甩車軸承和列檢點(diǎn)溫“熱軸”的扣修軸承。TADS 系統(tǒng)預(yù)報(bào)的故障軸承：列檢扣修的TADS 預(yù)報(bào)軸承和廠段修到期的TADS 歷史預(yù)報(bào)軸承。TPDS 系統(tǒng)列檢扣修的車輪踏面損傷的車輪。

可以利用磨合機(jī)軸承故障智能診斷技術(shù)，在靜置狀態(tài)下保持200r/min、250r/min 和300r/min 進(jìn)行測試記錄，對相應(yīng)的溫度和軸承內(nèi)部振動數(shù)據(jù)進(jìn)行自動故障診斷和確認(rèn)。

3.2 結(jié)合外觀檢查診斷軸承故障

經(jīng)過人工外觀檢查有卡滯、密封罩不良、甩油及其它有異狀的軸承，也可以利用磨合機(jī)軸承故障智能診斷技術(shù)，對疑似故障軸承進(jìn)行診斷確認(rèn)，在軸承一般檢修過程中進(jìn)行重點(diǎn)檢測和質(zhì)量追蹤，確保生產(chǎn)質(zhì)量和安全。

4 結(jié) 語

利用ZMHJ-II 型微機(jī)控制雙工位軸承磨合機(jī)進(jìn)行段修故障軸承的智能診斷，強(qiáng)化了在貨車檢修生產(chǎn)中保障生產(chǎn)質(zhì)量及設(shè)備安全運(yùn)行的基本措施，它既能對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的變化及故障發(fā)展做出早期預(yù)報(bào)，又能對設(shè)備有無故障、故障程度、故障部位及故障原因做出判斷，從而達(dá)到避免或減少事故發(fā)生的目的。