城軌車輛齒輪箱軸承保持架故障的診斷與對策

廖 云，黃貴發(fā)，李 輝，唐德堯

(北京唐智科技發(fā)展有限公司，北京 100097)

一、引言

城軌交通車輛齒輪箱軸承多發(fā)保持架故障，主要表現(xiàn)是：保持架端圈斷裂、窗梁斷裂、軸承滾子亂序、軸承超溫等。

齒輪箱軸承多發(fā)保持架破損，主要原因是濺油潤滑方式導(dǎo)致軸承保持架運(yùn)轉(zhuǎn)時阻尼低，容易受外沖擊激發(fā)振蕩沖擊導(dǎo)致保持架疲勞斷裂。采用共振解調(diào)、轉(zhuǎn)速跟蹤主動診斷技術(shù)識別保持架故障，可實(shí)現(xiàn)故障的早期預(yù)警，為車輛安全運(yùn)營提供保障。

二、共振解調(diào)、轉(zhuǎn)速跟蹤主動診斷技術(shù)的應(yīng)用

1.共振解調(diào)技術(shù)的特點(diǎn)

共振解調(diào)技術(shù)是一種用于檢測機(jī)械設(shè)備故障的信號變換技術(shù)，與其他常規(guī)振動檢測技術(shù)相比，特別適合監(jiān)測機(jī)械設(shè)備的早期故障所發(fā)生的沖擊信息，利用共振解調(diào)技術(shù)處理振動沖擊信號可達(dá)到剔除常規(guī)振動和提取故障沖擊的目的。

轉(zhuǎn)速跟蹤技術(shù)是一種變速機(jī)械的轉(zhuǎn)速相位跟蹤采樣技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)非周期信息的周期變換，從而可以沿用FFT技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)故障分析。圖1為共振解調(diào)與轉(zhuǎn)速跟蹤技術(shù)的信號變換過程分析，將傳感器輸出的機(jī)械振動沖擊信號，用帶有廣義共振機(jī)制的振動、沖擊、溫度復(fù)合傳感器接收，其振動和沖擊廣義共振信息經(jīng)過電子變換技術(shù)，剔除其他機(jī)械振動或干擾，解調(diào)出傳感器信號中的機(jī)械沖擊激發(fā)的廣義共振信號，從而實(shí)現(xiàn)在車輛強(qiáng)烈的機(jī)械振動干擾和電磁干擾中微弱故障信息的提取。在故障信號處理的AD采樣過程中，實(shí)時獲取車輪轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速相位跟蹤采樣將模擬信號變換為數(shù)字信號，進(jìn)而對共振解調(diào)波的頻譜作FFT分析，確認(rèn)故障類別和級別。

圖1 共振解調(diào)與轉(zhuǎn)速跟蹤技術(shù)

共振解調(diào)、轉(zhuǎn)速跟蹤主動診斷技術(shù)的優(yōu)越性在于可實(shí)現(xiàn)保持架宏觀破損的預(yù)知。為故障早期預(yù)警和設(shè)備性能評估提供了有效的技術(shù)手段。

2.基于共振解調(diào)的外孤譜識別技術(shù)

某些保持架初期運(yùn)行時，可能有一些失落的銅渣和軸承損傷的失落物進(jìn)入滾道，不穩(wěn)定地短時粘附于外環(huán)，在滾子通過時引起基本頻率(等于外環(huán)故障頻率)的沖擊，但因?yàn)椴皇枪潭ǖ耐猸h(huán)故障，故只有幾乎孤立的1階突出譜線，稱為“外孤譜”。

北京地鐵2號線某車?yán)谩巴夤伦V”識別技術(shù)，在列車上的走行部安裝了車載故障診斷系統(tǒng)，一次當(dāng)它發(fā)出齒輪箱小軸軸承保持架報警時，經(jīng)拆解發(fā)現(xiàn)小軸外側(cè)圓柱滾子軸承保持架斷裂成四塊。由此可以證實(shí)此種診斷技術(shù)的有效性。

三、利用共振解調(diào)檢測分析保持架破損的內(nèi)因

1.保持架有變形的無油軸承檢測試驗(yàn)分析

在單個軸承檢測機(jī)上對保持架變形的無油軸承作檢測試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)有明顯的外環(huán)多階譜或外孤譜，時而還有滾單(滾子端面)譜，如圖2、3所示。

圖2 變形保持架軸承的外孤譜有保持架調(diào)制譜和邊頻譜

圖3 變形保持架軸承的滾單譜有保持架調(diào)制譜和邊頻譜

這是由于保持架變形，使得滾子在保持架中，至少有2個(單向的)甚至(嚴(yán)重時發(fā)生)4個(雙向的)發(fā)生軸向竄動。該竄動被外環(huán)的檔邊限位，造成保持架運(yùn)轉(zhuǎn)一周有2個(甚至4個)滾子相繼以不同的力度刮碰沖擊外環(huán)擋邊內(nèi)側(cè)突出點(diǎn)，從而形成2個(甚至4個)滾子沖擊外環(huán)的脈沖群。所以，外環(huán)脈沖有均布的2次(甚至4次)調(diào)幅，其外環(huán)主頻譜出現(xiàn)保持架2階(甚至4階)的邊頻，還出現(xiàn)保持架2階(甚至4階)調(diào)制譜。若滾子端面有突出點(diǎn)，則還出現(xiàn)滾單(端面)沖擊譜。

2.保持架破損內(nèi)因

無油軸承在單個軸承檢測機(jī)上容易出現(xiàn)上述信息是由于沒有油膜掩蓋，外環(huán)擋邊內(nèi)側(cè)的微小突出點(diǎn)或滾子端面突出點(diǎn)高度大于油膜厚度而完全暴露，加之沒有阻尼，故障沖擊強(qiáng)，噪聲大。有油(特 別是油脂)的軸承在單個軸承檢測機(jī)上不易出現(xiàn)上述信息的原因是外環(huán)擋邊內(nèi)側(cè)的微小突出點(diǎn)或滾子端面微小突出點(diǎn)被油膜掩蓋，滾子端面和外環(huán)擋邊之間存在油膜阻尼，故沖擊微弱，噪聲小。

因此，無油或?yàn)R油潤滑軸承因缺乏阻尼或阻尼低，在隨機(jī)擾動激勵下將引起無油振蕩跳躍沖擊，沖擊的形式有徑向沖擊和偏擺式的軸向沖擊。造成城軌車輛軸承受到隨機(jī)擾動甚至沖擊的因素有：軌道接縫沖擊、蛇行沖擊、踏面故障沖擊、強(qiáng)烈的波磨沖擊等，而這些沖擊都是無法避免的，經(jīng)常存在的甚至是周而復(fù)始地頻繁發(fā)生的，這是軌道交通所用軸承的工作環(huán)境與固定機(jī)械軸承的工作環(huán)境之顯著區(qū)別。濺油潤滑軸承也許可以在固定的或在沒有沖擊擾動的飛行器、船艦等機(jī)械中正常工作，卻不適宜在軌道交通裝備上工作。

無油或?yàn)R油潤滑軸承在靜態(tài)下由于自重，保持架與外環(huán)擋邊接觸。當(dāng)不動的外環(huán)原邊受到?jīng)_擊時，與其接觸的保持架將發(fā)生跳躍，如果跳躍幅度試圖大于保持架與外環(huán)擋邊的間隙，便與對邊發(fā)生沖擊而反彈過來，在原邊和對邊之間形成周而復(fù)始的彈跳、振蕩、沖擊。如果跳躍的幅度小于間隙，則發(fā)生跌落到原邊的沖擊，沖擊頻率約減半。如圖4所示。

圖4 無油軸承徑向跳躍沖擊和軸向偏擺式?jīng)_擊

由于保持架彈跳到接觸擋邊時，保持架本身旋轉(zhuǎn)的慣性力必然參與對外環(huán)的相互作用，增強(qiáng)沖擊的力度，從而增加了彈跳振蕩的能量、強(qiáng)度和持續(xù)時間。由于該振蕩不可能僅僅是徑向的，而是還存在軸向偏擺，于是迫使?jié)L子端面碰磨外環(huán)擋邊的內(nèi)側(cè)。如果軸承中存在油脂，則其阻尼作用消耗了能量，便能使振蕩頻率下降，使振蕩迅速衰減。

某些城軌車輛走行部齒輪箱軸承使用濺油潤滑軸承，油膜很薄，阻尼不足，當(dāng)齒輪嚙合振動傳遞到軸承內(nèi)外環(huán)時，軸承內(nèi)外環(huán)的振動容易通過檔邊與保持架“定位面”傳遞到保持架，特別是存在抖動時。在齒輪嚙合頻率高于保持架共振頻率時，低共振頻率的保持架受到(例如外環(huán))檔邊的激勵產(chǎn)生的低阻尼振動，與(外環(huán))檔邊的振動相位相反，引起相互撞擊，也是造成保持架疲勞斷裂的因素之一，如圖5所示。

圖5 保持架與外環(huán)相互撞擊造成疲勞斷裂

圖示樣本的檢測跨距約27m。在檢測此樣本前4m的一次軌縫沖擊引起了536號譜線、128Hz的沖擊，在本樣本結(jié)束前6m的軌縫沖擊引起了275譜線、65Hz的沖擊；這些沖擊不屬于任何軸承、踏面、齒輪滾動工作面的故障沖擊，而是軌縫沖擊車輪的外因引發(fā)的保持架振蕩、沖擊單邊的沖擊頻譜。

究其原因，仍然是因?yàn)樵摫３旨芡舛ㄎ幻媾c外環(huán)擋邊之間的間隙太小，加之使用了“濺油潤滑”方式，使得軸承保持架與外環(huán)擋邊之間缺油而對它們相對運(yùn)動的阻尼不足，更加劇了保持架相對外環(huán)擋邊的振動強(qiáng)度和產(chǎn)生的相互沖擊強(qiáng)度和頻度，從而加速了保持架的破碎。

四、結(jié)論

軌道交通車輛軸承受到隨機(jī)擾動、沖擊是不可避免的，根據(jù)上述的機(jī)理分析，只有增加保持架與外環(huán)擋邊相對運(yùn)動的阻尼，才有可能防止保持架與外環(huán)相互撞擊而造成保持架疲勞斷裂。所以，城軌車輛走行部的軸承宜使用油脂潤滑，而不宜使用濺油潤滑。

[1]唐德堯.廣義共振、共振解調(diào)故障診斷與安全工程—鐵路篇[M].北京：中國鐵道出版社，2006.

[2] 唐德堯等.識別軸承保持架故障的共振解調(diào)外孤譜診斷技術(shù)[J].中國設(shè)備工程，2009.