動車組轉(zhuǎn)向架軸承局部損傷振動特性分析

茍貝書

中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 山東青島 266111

1 轉(zhuǎn)向架軸承故障概述

動車組的故障診斷和維修工作是保證地鐵安全運(yùn)行的可靠保障。轉(zhuǎn)向架軸承是轉(zhuǎn)向架的重要影響因素之一，其故障診斷尤為重要。由于轉(zhuǎn)向架軸承是轉(zhuǎn)向架的主要部件，如果轉(zhuǎn)向架軸承出現(xiàn)故障，將影響整個機(jī)車的正常運(yùn)行。因此，對轉(zhuǎn)向架軸承的分析是保證機(jī)車安全運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。常見的轉(zhuǎn)向架軸承故障主要是軸承損壞、磨損或軸承內(nèi)大量油污，進(jìn)而影響軸承的使用。這種情況是造成轉(zhuǎn)向架問題的主要原因[1]。由于長期連續(xù)工作，轉(zhuǎn)向架軸承有一定程度的磨損，長期的磨損導(dǎo)致軸承壞死。

2 常見的軸承振動損傷情況

一般來說，滾動軸承本身不會產(chǎn)生噪音。通常被感覺到的“軸承噪聲”實(shí)際上是軸承與周圍結(jié)構(gòu)直接或間接振動的聲音效果。這就是為什么很多時候噪音問題可以被認(rèn)為是涉及到整個軸承應(yīng)用的振動問題。常見的軸承振動損傷情況主要有以下幾種：

2.1、局部損壞

軸承滾道和滾動件的小部件可能由于搬運(yùn)或安裝錯誤而損壞。在運(yùn)行中，滾動損壞的軸承部件會產(chǎn)生特定的振動頻率。振動頻率分析識別損壞的軸承部件。這一原理已應(yīng)用于狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備，以檢測軸承損壞。計算軸承頻率，請參考計算程序“軸承頻率”。

2.2、因加載滾動體數(shù)量變化而產(chǎn)生的激振

當(dāng)徑向載荷作用于軸承時，承載載荷的滾動元件數(shù)量在運(yùn)行過程中略有變化，導(dǎo)致載荷方向發(fā)生偏移。由此產(chǎn)生的振動是不可避免的，但可以通過軸向預(yù)壓來減輕，并適用于所有的滾動元件（圓柱滾子軸承除外）。

2.3、污染物

雜質(zhì)可能進(jìn)入軸承，被滾動元件壓碎。產(chǎn)生的振動程度取決于被粉碎粒子的數(shù)量、大小和組成，雖然它不會產(chǎn)生典型的頻率形式，但可以聽到惱人的噪音。

3 轉(zhuǎn)向架軸承幾種不同程度損傷故障振動特性分析

以滾動單元損傷為例，處理從輕微到嚴(yán)重的損傷。小斷層為中剝落層，平均深度0.3mm；中間斷層是滾動體的兩個斷層區(qū)（平均深度0.4mm）與沿軸線的非連接槽（深度0.4mm）的疊加；嚴(yán)重斷層包括地表3個剝落區(qū)（深度分別為0.5mm、0.4mm、0.3mm）、3個溝槽連通的區(qū)域和滾動體軸線上的溝槽（深度約0.8mm，寬度約1mm）。

圖1、圖2、別為兩種類型的損傷故障軸承的頻譜圖，分別給出了低頻和高頻區(qū)域的故障特征。在圖1（a）中，滾動單元故障頻率為95.21Hz。其他頻率分量為轉(zhuǎn)子柔度軸承的變?nèi)岫日駝宇l率81.54Hz，與實(shí)驗(yàn)軸承無關(guān)的多頻。圖1（b）為高頻區(qū)域的故障特征。提出了一組故障頻率為90hz的譜線，該譜線具有一定的規(guī)律性?？汕逦袛喙收项l率和故障類型，并出現(xiàn)中心頻率兩側(cè)。保持架的旋轉(zhuǎn)頻率是直線的間隔[2]。圖2（a）為中度破壞的低譜線。與輕微的滾動單元故障相比，原故障頻率在95.21Hz時消失，新的故障特征頻率為193.85Hz。由于95.21Hz的故障頻率只計算了故障對外圈的沖擊，而忽略了故障對內(nèi)環(huán)對外圈的沖擊，隨著故障的加深，內(nèi)外圈滾動故障引起的沖擊激勵也增強(qiáng)了。

圖1 輕微滾動體故障

從振幅上看，隨著斷層的增大，斷層特征頻率及其倍頻振幅明顯增大；從譜的規(guī)律性來看，斷層加深后的特征頻率規(guī)律弱于早期斷層，譜能量集中在高頻區(qū)域，不能很好地判斷斷層類型，解決了斷層頻率的問題[3]。

以上不同損傷程度對滾動件的研究結(jié)果表明，滾動件早期失效對外圈的影響比內(nèi)環(huán)的影響更容易檢測。發(fā)現(xiàn)故障信號時需要更換軸承，因此在建立故障模型時沒有考慮損傷模型。圓的影響與實(shí)際工程是一致的。

軸承外圈、內(nèi)環(huán)及滾動件失效時，頻譜主要集中在中高頻段，以故障特征頻率的7-10階倍頻表示，倍頻幅度的前幾步相對較小。由于外環(huán)的故障位置是固定的，所以故障特征的頻率不進(jìn)行調(diào)制，可以清晰地分辨出頻譜。內(nèi)環(huán)和滾動件的故障頻率是由故障位置的變化引起的，調(diào)制頻率出現(xiàn)在故障特征頻率的倍頻附近，頻率間隔分別為內(nèi)圈轉(zhuǎn)動頻率和保持架旋轉(zhuǎn)頻率。因此，內(nèi)環(huán)故障譜和滾動單元故障譜包含較多的譜線。在故障早期，特征故障頻率比較容易識別。隨著故障的加深，頻譜更加雜亂，故障頻率和故障類型難以判斷。