基于加速度包絡(luò)解調(diào)的地鐵牽引電機(jī)軸承故障診斷技術(shù)

王 強(qiáng)

（中車株洲電機(jī)有限公司營(yíng)銷與項(xiàng)目中心,湖南 株洲 412000）

中國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速發(fā)展，帶來了城市的快速擴(kuò)張，地鐵已經(jīng)成為各大中城市最重要的交通方式。目前，全國(guó)已經(jīng)有33個(gè)城市開通地鐵，其中上海開通運(yùn)行670 km，北京日均客運(yùn)量1 148萬[1]。地鐵車輛裝備的設(shè)計(jì)、制造、營(yíng)運(yùn)、維修備受各方關(guān)注。牽引電機(jī)作為軌道車輛的核心部件，決定了車輛服役質(zhì)量，對(duì)牽引電機(jī)軸承進(jìn)行服役狀態(tài)檢測(cè)與早期故障診斷識(shí)別具有重大的意義[2]，但是，目前傳統(tǒng)方式僅能發(fā)現(xiàn)晚期非常嚴(yán)重的軸承故障，存在很大風(fēng)險(xiǎn)隱患，因此，迫切需要一種有效的手段和方法，檢測(cè)和識(shí)別出早期缺陷的軸承，避免出現(xiàn)重大的線路故障。

本文提出了一種適應(yīng)于地鐵動(dòng)力分散的牽引電機(jī)滾動(dòng)軸承在線振動(dòng)檢測(cè)和故障識(shí)別的方法，能夠有效識(shí)別出存在隱患的缺陷軸承。

1 地鐵牽引電機(jī)軸承檢測(cè)現(xiàn)狀

地鐵牽引電機(jī)滾動(dòng)軸承狀態(tài)識(shí)別目前主要有兩種方法，一種是利用電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)的聲音判斷軸承狀態(tài)，另外一種就是使用SPM設(shè)備檢測(cè)軸承狀態(tài)。

1.1 聲音判斷

在地鐵牽引電機(jī)領(lǐng)域中，長(zhǎng)期以來都是憑借人耳并輔以聽診器根據(jù)電機(jī)在低速下運(yùn)行的聲音品質(zhì)判斷軸承運(yùn)行狀態(tài)，SKF的TMST 3是常見的聽診器，該型聽診器可去除部分干擾噪聲信號(hào)，比依靠人耳朵直接聽聲音效果更明顯。但是，也存在明顯的局限性，取決于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)。對(duì)于存在較為明顯的晚期故障可以有效識(shí)別，但是對(duì)于早期的微弱缺陷容易出現(xiàn)漏判。

1.2 沖擊脈沖法SPM

沖擊脈沖法SPM是20世紀(jì)60年代末出現(xiàn)的一種滾動(dòng)軸承診斷方法，對(duì)于疲勞失效、摩擦失效等局部損傷故障具有很好的效果。在廣州、深圳、上海等地鐵公司也有使用該設(shè)備，通過踏面鏇輪機(jī)或者外部小輪驅(qū)動(dòng)輪對(duì)（見圖1），最終帶動(dòng)牽引電機(jī)穩(wěn)定在要求轉(zhuǎn)速。但是在實(shí)際應(yīng)用中只能檢測(cè)出晚期故障，對(duì)于中早期的故障識(shí)別效果不佳，可能是由于以下兩個(gè)方面導(dǎo)致：（1）微弱的缺陷沖擊信號(hào)中常常被齒輪嚙合沖擊、聯(lián)軸節(jié)不對(duì)中等原因?qū)е碌母蓴_信號(hào)所掩蓋；（2）傳感器檢測(cè)位置離軸承較遠(yuǎn)，沖擊信號(hào)衰減嚴(yán)重，導(dǎo)致檢測(cè)到的沖擊波形很微弱而被噪聲信號(hào)所掩蓋。

圖1 鏇輪機(jī)驅(qū)動(dòng)

2 加速度包絡(luò)解調(diào)技術(shù)

地鐵牽引電機(jī)采用聯(lián)軸節(jié)與齒輪箱連接，因此，牽引電機(jī)滾動(dòng)軸承早期微弱損傷信號(hào)常容易被相鄰齒輪箱的沖擊、聯(lián)軸節(jié)不平衡、不對(duì)中等噪聲信號(hào)所干擾。加速度包絡(luò)解調(diào)是一種能夠有效提取出早期缺陷故障所引起的微弱故障特征的方法，該方法可將微弱的低頻信號(hào)轉(zhuǎn)換至高頻共振波形后進(jìn)行包絡(luò)、檢波、低通濾波，最后獲得一個(gè)與高頻信號(hào)相對(duì)應(yīng)的明顯低頻特征頻率及其諧波波形[3]（見圖2）。

圖2 加速度包絡(luò)解調(diào)方法

包絡(luò)解調(diào)的實(shí)質(zhì)是對(duì)濾波后的高頻沖擊信號(hào)進(jìn)行平方處理，如果設(shè)置一個(gè)高通濾波器門檻值為高于某頻率的50倍才能通過，根據(jù)三角函數(shù)積化和差公式，將系列倍頻函數(shù)平方之后，得到相加、減兩部分的函數(shù)[3]。

對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜轉(zhuǎn)換時(shí)，可忽略α+β部分，只對(duì)α-β部分進(jìn)行分析。將上述公式進(jìn)一步計(jì)算，可得到以下兩組數(shù)據(jù)：

由上述可知，通過對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行平方后，成功地將高頻信號(hào)轉(zhuǎn)化至低頻區(qū)間分析，得到明顯的缺陷特征及其倍頻諧波，因此，這種技術(shù)能夠檢測(cè)到很微弱的缺陷沖擊信號(hào)[4]。

3 試驗(yàn)臺(tái)單電機(jī)軸承檢測(cè)

對(duì)因?yàn)檫\(yùn)輸不當(dāng)導(dǎo)致軸承異響返廠的電機(jī)，在200 rpm轉(zhuǎn)速下，傳動(dòng)端軸承振動(dòng)加速度信號(hào)中存在不太明顯的沖擊波形（見圖3），F(xiàn)FT頻譜圖中出現(xiàn)軸承外圈缺陷頻率25.5 Hz及其倍頻51.1 Hz（見圖4），但是加速度包絡(luò)解調(diào)頻譜圖存在明顯的軸承外圈故障頻率25.3 Hz、2倍50.56 Hz、3倍76.04 Hz及更高倍的頻率（見表1、圖5）。拆開發(fā)現(xiàn)軸承外圈滾道面存在等間距壓痕（見圖6）。

表1 軸承故障頻率（Hz）

圖3 時(shí)域波形

圖4 FFT變換

圖5 加速度包絡(luò)頻譜圖

圖6 軸承外圈承載區(qū)

圖7 電纜進(jìn)入車體

4 牽引電機(jī)軸承在線振動(dòng)檢測(cè)

4.1 檢測(cè)實(shí)施方案

地鐵車輛動(dòng)力分散，6個(gè)車廂中4個(gè)車廂提供動(dòng)力，不能實(shí)現(xiàn)單電機(jī)的控制，因此，32個(gè)傳感器如圖7方式（保證不掉落）固定在每一臺(tái)電機(jī)兩端端蓋垂直下方，布線最終通過最近的車門進(jìn)入車廂，在地鐵試車線上，車輛勻速運(yùn)行過程中一次性采集16臺(tái)電機(jī)兩端軸承振動(dòng)加速度信號(hào)。

4.2 車輛運(yùn)行方式的影響研究

使?fàn)恳姍C(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)并且保持在穩(wěn)定的速度，目前有以下兩種方式：方案一為使用外部的工程車牽引檢測(cè)車輛，牽引電機(jī)不提供動(dòng)力檢測(cè)車輛升弓；方案二為牽引電機(jī)自身提供動(dòng)力。

同一臺(tái)電機(jī)分別進(jìn)行兩種不同的兩種牽引方式兩端軸承振動(dòng)加速度信號(hào)，如表2所示，方案一的振動(dòng)加速度包絡(luò)總值要明顯大于方案二。

對(duì)電機(jī)非傳動(dòng)端振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行頻譜分析可知，方案一加速度包絡(luò)頻譜圖縱坐標(biāo)的幅值要明顯大于方案二（見圖8、圖9），且方案一的包絡(luò)頻譜圖中出現(xiàn)軸承外圈的故障頻率14.25 Hz，而方案二的頻譜圖中未發(fā)現(xiàn)任何軸承缺陷頻率。

表2 加速度包絡(luò)總值（gE）

表3 軸承故障頻率（Hz）

圖8 方案一振動(dòng)加速度包絡(luò)頻譜圖

圖9 方案二振動(dòng)加速度包絡(luò)頻譜圖

方案一中振動(dòng)信號(hào)主要來源于軸承，而方案二中，牽引電機(jī)處于通電狀態(tài)，低轉(zhuǎn)速、高扭矩的輸出動(dòng)力，電機(jī)本體和軸承自身產(chǎn)生很大的周期性振動(dòng)信號(hào)，噪聲明顯，會(huì)干擾甚至?xí)?dǎo)致對(duì)軸承狀態(tài)的誤判。

4.3 故障電機(jī)檢測(cè)

4.3.1 故障電機(jī)軸承檢測(cè)分析

對(duì)出現(xiàn)異響的牽引電機(jī)按照上述的方法進(jìn)行在線檢測(cè)，保持電機(jī)速度在200 rpm，檢測(cè)振動(dòng)加速度信號(hào)。首先，采用上述方案一，進(jìn)行加速度包絡(luò)解調(diào)得到圖10，低頻段出現(xiàn)明顯的外圈缺陷頻率的14.25 Hz、2倍28.5 Hz、3倍以42.75 Hz及4倍57.25 Hz。而方案二加速度包絡(luò)總值達(dá)到1.303 gE，進(jìn)行FFT變換后得到圖11，在低頻段未發(fā)現(xiàn)明顯的軸承故障頻率，但是在150～350 Hz之間，存在明顯的14.25 Hz等間距的外圈故障頻率特性，軸承可能存在故障。

圖10 加速度包絡(luò)頻譜圖

圖11 FFT頻譜圖

4.3.2 軸承拆解驗(yàn)證

拆解該電機(jī)軸承，發(fā)現(xiàn)軸承外圈承載區(qū)存在明顯的因?yàn)橛参锒鴮?dǎo)致的滾道面?zhèn)尾际蠅汉?，屬于明顯的軸承外圈（見圖12）滾道面失效，與加速度包絡(luò)解調(diào)頻譜圖的結(jié)果一致。

圖12 軸承外圈

5 結(jié)語(yǔ)

在單電機(jī)試驗(yàn)中，加速度包絡(luò)解調(diào)方法能夠比FFT更準(zhǔn)確地識(shí)別出微弱的軸承偽布氏壓痕缺陷。在復(fù)雜信號(hào)中的在線檢測(cè)中，通過對(duì)比牽引電機(jī)自身提供動(dòng)力和牽引電機(jī)不通電兩種方式，對(duì)于存在明顯故障的軸承都能準(zhǔn)確識(shí)別出來，但是，通電狀態(tài)導(dǎo)致噪聲干擾大，均準(zhǔn)確識(shí)別出軸承故障，工程車牽引檢測(cè)車輛的方式檢測(cè)的干擾信號(hào)少，因此，加速度包絡(luò)頻譜圖故障頻譜更明顯。