關(guān)于地鐵車輛轉(zhuǎn)向架軸承故障診斷策略

張競(jìng)

摘要：地鐵轉(zhuǎn)向架軸承的意外故障可能導(dǎo)致生產(chǎn)停工，昂貴的維修費(fèi)用和安全問題。電動(dòng)機(jī)通常用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械，并且對(duì)其操作至關(guān)重要。因此，電動(dòng)機(jī)的故障檢測(cè)和診斷在提高其可靠性和操作安全性方面起著非常重要的作用，對(duì)于安全關(guān)鍵應(yīng)用尤其如此。該研究旨在開發(fā)一種故障檢測(cè)和診斷（FDD）策略，用于在開始時(shí)檢測(cè)地鐵車輛轉(zhuǎn)向架軸承故障。本文考慮了兩種涉及小波和狀態(tài)估計(jì)的FDD策略。這些故障是在永磁無刷直流電機(jī)（PMBLDC）上進(jìn)行物理模擬的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的故障檢測(cè)和診斷方案在檢測(cè)電動(dòng)機(jī)軸承和繞組故障方面非常有效。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛；轉(zhuǎn)向架軸承；故障診斷

1.地鐵車輛轉(zhuǎn)向架軸承故障診斷的作用

地鐵車輛轉(zhuǎn)向架軸承在涉及高溫和過載的不利環(huán)境中運(yùn)行。這些應(yīng)力與零件老化可能導(dǎo)致電機(jī)故障。一旦發(fā)生故障，通常會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)力下降，停機(jī)時(shí)間和昂貴的維修費(fèi)用。因此，地鐵車輛轉(zhuǎn)向架軸承故障檢測(cè)和診斷的狀態(tài)監(jiān)測(cè)具有很大的價(jià)值，并且在過去幾年中受到了很多關(guān)注。

故障檢測(cè)和診斷（FDD）是監(jiān)控設(shè)備狀況以查找故障或惡化跡象的過程，以便可以執(zhí)行維護(hù)或修理以防止系統(tǒng)故障。儀器儀表是FDD的重要考慮因素。理想情況下，該方案應(yīng)最大限度地減少對(duì)額外傳感器的需求并使用現(xiàn)有信號(hào)。此外，它需要避免誤報(bào)，可靠并及時(shí)提供早期故障的明確指示。在這項(xiàng)研究中，在永磁同步電動(dòng)機(jī)上開發(fā)并實(shí)施了兩種FDD方法。為了證明它們的有效性，通過物理模擬永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的故障條件來驗(yàn)證FDD方法。

2.地鐵車輛轉(zhuǎn)向架軸承故障診斷常用設(shè)備

2.1永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)

永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)（BLDC）廣泛用于地鐵車輛轉(zhuǎn)向架軸承故障。BLDC電動(dòng)機(jī)通常包括具有三相電樞繞組的定子和具有永磁體的轉(zhuǎn)子。在BLDC電機(jī)中，通過使用耦合到來自霍爾傳感器的轉(zhuǎn)子位置的反饋的功率電子器件來實(shí)現(xiàn)換向。與傳統(tǒng)的有刷直流電動(dòng)機(jī)相比，BLDC沒有機(jī)械換向器，它具有表面磨損和電弧。BLDC電機(jī)轉(zhuǎn)子上的稀土磁鐵產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)高效率和高功率因數(shù)。BLDC電機(jī)的高扭矩重量比使其非常適用于電動(dòng)汽車等應(yīng)用。與直流電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)相比，BLDC電機(jī)具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如：更好的速度與轉(zhuǎn)矩特性；高動(dòng)態(tài)響應(yīng)；效率高；使用壽命長(zhǎng)；無噪音操作。

根據(jù)轉(zhuǎn)子永磁體的位置和方向，BLDC電機(jī)可分為表面安裝或內(nèi)部安裝。在定子繞組的情況下，BLDC可以基于其反電動(dòng)勢(shì)（反電動(dòng)勢(shì)）波形的形狀分類為梯形或正弦曲線。除了反電動(dòng)勢(shì)之外，相電流還具有相應(yīng)的梯形或正弦變化。具有正弦backEMF的那個(gè)也稱為永磁同步電動(dòng)機(jī)（PMSM）。對(duì)于PMSM，通過磁體的旋轉(zhuǎn)在每個(gè)相繞組中產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)也是正弦的。

2.2軸承基礎(chǔ)

地鐵車輛中的大多數(shù)旋轉(zhuǎn)軸使用滾動(dòng)軸承。為了確保這些軸承的有效性和堅(jiān)固性，它們?cè)诟鞣N極端苛刻條件下的性能得到了廣泛的研究。

雖然市場(chǎng)上有各種各樣的滾動(dòng)軸承，但它們相關(guān)的故障檢測(cè)方法是類似的。因此，本研究選擇了最常用的軸承之一——單列深溝球軸承。這些軸承有一排滾珠（稱為單排），圍繞滾珠軌道旋轉(zhuǎn)，如圖2所示。這些軸承由內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)元件（滾珠）和籠子（固定器）組成。內(nèi)圈在其外徑上有一個(gè)凹槽，具有光滑的精加工表面和極其嚴(yán)格的公差，以形成滾珠的路徑。內(nèi)圈安裝在電機(jī)軸上，并與軸一起以相同的速度旋轉(zhuǎn)。外圈與內(nèi)圈相對(duì)應(yīng)，內(nèi)徑有凹槽，精度高。外環(huán)放置在電動(dòng)機(jī)殼體上的殼體中，因此相對(duì)于電動(dòng)機(jī)保持靜止。滾球位于內(nèi)圈和外圈之間。這些球的直徑略小于帶槽球軌道，這使得它們可以在一個(gè)點(diǎn)上接觸環(huán)。這種接觸使軸承能夠以最小的摩擦力旋轉(zhuǎn)。為了實(shí)現(xiàn)點(diǎn)接觸，公差嚴(yán)格控制在微英寸水平，以及球和環(huán)的尺寸。

3.地鐵車輛轉(zhuǎn)向架軸承故障診斷策略

3.1機(jī)械故障

地鐵車輛轉(zhuǎn)向架軸承的機(jī)械故障大致可分為兩類：軸承故障和轉(zhuǎn)子故障。轉(zhuǎn)子故障通常是轉(zhuǎn)子斷條或偏心故障。根據(jù)工業(yè)調(diào)查，軸承故障引起的電機(jī)故障遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過任何其他類型。因此，選擇軸承故障的檢測(cè)和診斷是本研究的主要焦點(diǎn)。電客車牽引電機(jī)異響故障如圖3所示：異響電機(jī)軸承與永濟(jì)電機(jī)廠技術(shù)人員一同對(duì)測(cè)量及拆解情況進(jìn)行跟進(jìn)。拆解兩個(gè)軸承過程中發(fā)現(xiàn)：非傳動(dòng)端球軸承，軸承內(nèi)圈約1/3軌道面有電蝕痕跡。軸承廠家初步分析現(xiàn)場(chǎng)異響為電蝕原因?qū)е?，目前永?jì)廠家現(xiàn)場(chǎng)對(duì)30列車進(jìn)行初步普查，共發(fā)現(xiàn)59處異響情況，23處異響較嚴(yán)重。

軸承失效機(jī)理已經(jīng)研究了近四十年。因此，軸承失效模式的理論基礎(chǔ)已被全面考慮。雖然存在基于不同測(cè)量源的監(jiān)測(cè)技術(shù)，例如聲發(fā)射（AE）和電動(dòng)機(jī)電流特征分析（MCSA），但振動(dòng)監(jiān)測(cè)可能是最廣泛使用的方法。

電動(dòng)機(jī)中的振動(dòng)可以來自許多來源，包括軸承、電磁力、不平衡轉(zhuǎn)子等。每個(gè)都將在頻域中具有其自身的特征，其可以表現(xiàn)為離散頻帶。為了提取埋在來自機(jī)器的振動(dòng)信號(hào)中的故障特征，通常使用先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)，其中包括振動(dòng)數(shù)據(jù)的過濾和特征提取。

3.2電氣故障

對(duì)于BLDC電機(jī)，永磁體代替轉(zhuǎn)子繞組，因此電氣故障主要與定子相關(guān)。兩種主電源定子繞組故障是：（1）斷相故障；（2）短路轉(zhuǎn)彎或匝間絕緣故障。前者可以允許機(jī)器以減小的扭矩操作，而后者可以快速發(fā)展成絕緣故障和機(jī)器的完全故障。絕緣故障通常始于匝間短路，這會(huì)引起高電流和大量熱量，從而燒毀絕緣層?；谀Ｐ偷姆椒ㄊ茄芯侩妱?dòng)機(jī)短路故障的最常用技術(shù)之一。開發(fā)參數(shù)模型來模擬PMSM的操作條件。作為一種新穎性，該模型考慮了由于PM通量分布引起的反電動(dòng)勢(shì)中空間諧波的變化。

4.結(jié)語

地鐵車輛轉(zhuǎn)向架的安全性對(duì)于地鐵安全運(yùn)行起到了重要作用，因此必須對(duì)轉(zhuǎn)向架的故障進(jìn)行及時(shí)有效的檢測(cè)，本文基于地鐵車輛轉(zhuǎn)向架的故障類型，提出了相應(yīng)的檢測(cè)方法。

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（作者單位：南寧地鐵軌道交通集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)分公司）