城軌轉(zhuǎn)向架軸承故障診斷與運(yùn)行維護(hù)

徐 斌

(上海地鐵維護(hù)保障有限公司 車輛分公司，上海 200237)

0 引言

轉(zhuǎn)向架是城軌車輛的關(guān)鍵部件，直接決定著車輛運(yùn)行的安全性、舒適性和平穩(wěn)性。其中，軸承又是轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵部件，起到重量支撐、運(yùn)動(dòng)變換和能量傳遞等關(guān)鍵動(dòng)力作用。城軌車輛運(yùn)行環(huán)境十分復(fù)雜，在長期運(yùn)行中，持續(xù)動(dòng)力作用必然使軸承狀態(tài)發(fā)生變化，軸承內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體易發(fā)生故障。一旦軸承出現(xiàn)故障就會(huì)快速發(fā)展，若不及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取相應(yīng)措施，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的安全事故。

城軌轉(zhuǎn)向架軸承安裝位置較為隱蔽，通常不便于拆卸和檢修，僅僅對(duì)其進(jìn)行日常的維護(hù)，所以對(duì)軸承的免維護(hù)性要求極高。但軸承免維護(hù)周期難以準(zhǔn)確確定，城軌轉(zhuǎn)向架軸承仍普遍存在“帶病”運(yùn)轉(zhuǎn)的情況[1]。上海地鐵2020年度發(fā)生軸箱軸承故障3起，皆為軸承外圈故障，給運(yùn)營安全帶來了極大的挑戰(zhàn)，但軸承過度維護(hù)又會(huì)增加運(yùn)營成本開支。因此，近些年來運(yùn)營公司逐漸重視城軌車輛轉(zhuǎn)向架軸承的在線監(jiān)測(cè)，試圖實(shí)時(shí)掌握軸承的工作狀態(tài)，改變傳統(tǒng)以軸承額定壽命(免維護(hù)周期)為依據(jù)制定的檢修制度，達(dá)到在確保車輛安全運(yùn)營的情況下極大地降低軸承維修費(fèi)用。

本文對(duì)城軌轉(zhuǎn)向架軸承故障類型、軸承故障診斷方法、軸承檢修制度的現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)分析，并針對(duì)我國軸承維修存在的問題提出了一些建議，以期為軸承的應(yīng)用維護(hù)及檢修提供一定參考。

1 城軌轉(zhuǎn)向架軸承及其故障分析

城軌轉(zhuǎn)向架軸承按照軸承安裝位置可劃分為軸箱軸承、齒輪箱軸承和電機(jī)軸承，它們?cè)趧?dòng)力轉(zhuǎn)向架上的位置如圖1所示。

城軌轉(zhuǎn)向架軸承常見的故障有剝落、腐蝕、斷裂、磨損、膠合5種形式。

(1) 剝落：轉(zhuǎn)向架軸承的滾動(dòng)體受到外部激勵(lì)交變荷載作用，反復(fù)對(duì)軸承內(nèi)外圈滾道產(chǎn)生較大的沖擊，并在沖擊處內(nèi)部一定深處產(chǎn)生裂紋，裂紋擴(kuò)展到內(nèi)外圈滾道、滾動(dòng)體表面，進(jìn)而產(chǎn)生剝落坑，軸承表面最終發(fā)生大面積剝落。

(2) 腐蝕：當(dāng)周邊環(huán)境的水氣、含水物質(zhì)進(jìn)入到軸承將產(chǎn)生化學(xué)腐蝕；當(dāng)城軌車輛產(chǎn)生的軸電流經(jīng)過軸承時(shí)將會(huì)產(chǎn)生電腐蝕；當(dāng)軸承與固定部件間存在微小縫隙，相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生微振腐蝕。

(3) 斷裂：全日早晚高峰時(shí)段，城軌車輛基本上都是滿負(fù)荷運(yùn)行，車輛轉(zhuǎn)向架軸承難免會(huì)受到較大垂向和橫向振動(dòng)沖擊，再加之裝配不當(dāng)、潤滑脂失效等原因，會(huì)引起軸承產(chǎn)生裂紋或斷裂。

(4) 磨損：城軌車輛轉(zhuǎn)向架軸承滾道和滾動(dòng)體接觸面上有鐵屑或者其他異物侵入，當(dāng)軸承滾動(dòng)體與內(nèi)外圈滾道相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，將會(huì)引起表面磨損，當(dāng)潤滑脂失效潤滑條件變差將會(huì)使磨損加快。

(5) 膠合：城軌車輛運(yùn)行速度較大、加減速頻繁且數(shù)值較高，一旦出現(xiàn)潤滑不良的情況，摩擦將產(chǎn)生大量熱量，使軸承零部件間接觸表面的溫度迅速上升，軸承零部件間的表面可能會(huì)發(fā)生相互黏附。

2 軸承故障診斷方法

2.1 振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)

當(dāng)轉(zhuǎn)向架軸承出現(xiàn)故障時(shí)，軸承的振動(dòng)輸出信號(hào)也會(huì)發(fā)生變化。在轉(zhuǎn)向架適當(dāng)位置布設(shè)傳感器，將能夠獲得振動(dòng)信號(hào)，通過對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行識(shí)別分析，即可判斷軸承的健康狀態(tài)。

傳感器采集的振動(dòng)信號(hào)包含了大量的沖擊信號(hào)，共振頻帶寬，并含有大量的噪聲，直接應(yīng)用將不易發(fā)現(xiàn)軸承的早期故障，很多有用的軸承故障信息將會(huì)被噪聲淹沒。因此需要采取降噪措施，目前國內(nèi)外常用的降噪措施有基于小波的降噪方法、基于隨機(jī)共振的降噪方法、基于形態(tài)學(xué)理論的降噪方法和自適應(yīng)信號(hào)分解的降噪方法等[2]。

軸承故障特征提取是振動(dòng)信號(hào)降噪處理后的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，獲取故障特征的主要途徑有時(shí)域、頻域、時(shí)頻分析3種。時(shí)域分析主要是對(duì)軸承運(yùn)行時(shí)的參數(shù)指標(biāo)(均值、幅值、方差、波形因素、波峰因素、概率密度和峭度系數(shù)等)進(jìn)行分析。頻域分析通過傅立葉變換得到故障信號(hào)頻譜圖，該頻譜圖含有比時(shí)域信號(hào)更豐富的故障內(nèi)容，適用范圍廣。另外，倒譜分析、階比譜分析也是常見的頻域分析方法。但頻域分析缺乏局域性信息識(shí)別能力，而時(shí)頻域分析方法能夠克服其不足，因此時(shí)頻分析得到廣泛的應(yīng)用。時(shí)頻域分析的主要方法有短時(shí)傅立葉變化、Winer-Ville分布、小波變換和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸?EMD)等。得到軸承故障特征信息后，結(jié)合軸承內(nèi)外圈、滾動(dòng)體的故障特征頻率指標(biāo)可以對(duì)軸承故障模式進(jìn)行識(shí)別，判定軸承故障發(fā)生位置、故障類型及其發(fā)生的原因。

近些年，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，軸承故障檢測(cè)的各種智能提取方法不斷涌現(xiàn)，熵理論以及機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)用于軸承故障智能診斷最為廣泛，目前常用的熵理論有Shannon熵、樣本熵和排列熵等。利用這些理論及技術(shù)方法將能夠?qū)崿F(xiàn)軸承故障的自動(dòng)識(shí)別和預(yù)警。

2.2 潤滑油液分析檢測(cè)

潤滑油液分析檢測(cè)主要應(yīng)用了鐵譜分析技術(shù)，當(dāng)城軌車輛運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)向架軸承的滾動(dòng)體、內(nèi)外圈之間必然會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位移進(jìn)而發(fā)生摩擦，在摩擦力和振動(dòng)沖擊多重作用下，軸承內(nèi)外圈及滾動(dòng)體表面的金屬碎片不可避免地會(huì)掉落到潤滑油中。通過對(duì)潤滑油內(nèi)鐵屑顆粒的大小、形態(tài)、分布情況進(jìn)行分析，可以獲得軸承磨損狀態(tài)的重要信息。因此該方法也是一種非常適合判定及預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)向架軸承表面磨損情況的有效方法。

不同的磨粒特征和軸承故障類型存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系,潤滑油中不同損傷形式下的鐵屑磨粒特征如表1所示。

表1 潤滑油中不同損傷形式下的鐵屑磨粒特征

2.3 溫度檢測(cè)

當(dāng)轉(zhuǎn)向架軸承潤滑不良或出現(xiàn)其他故障時(shí)，軸承的零部件間摩擦加劇，產(chǎn)生大量的熱量，引起軸承溫度升高，出現(xiàn)“燒軸”現(xiàn)象，滾動(dòng)體將出現(xiàn)擦傷、表面顏色發(fā)黑等情況。溫度監(jiān)測(cè)能夠綜合反映包括軸承潤滑狀態(tài)在內(nèi)的各種因素，在城軌軸承監(jiān)測(cè)中應(yīng)用廣泛。

采用溫度檢測(cè)方法時(shí)在軸承附近安裝溫度傳感器，并設(shè)置一系列條件及溫度閾值，通過無線測(cè)溫技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)溫度采集、監(jiān)測(cè)、記錄、分析，并及時(shí)反饋，以避免重大的經(jīng)濟(jì)損失。另外，車輛基地內(nèi)還會(huì)配置離線溫度檢測(cè)設(shè)備，如手持紅外溫度儀、測(cè)溫試紙等，檢修人員在做日常維護(hù)時(shí)，會(huì)進(jìn)一步對(duì)轉(zhuǎn)向架軸承狀態(tài)進(jìn)行細(xì)致檢查，作為確保車輛運(yùn)行安全的最后一道屏障。

2.4 聲發(fā)射檢測(cè)

聲發(fā)射技術(shù)主要是利用軸承內(nèi)外圈、滾動(dòng)體等各部分表面產(chǎn)生裂紋、磨損等故障時(shí)，軸承材料局部將快速產(chǎn)生能量并以波的形式傳播，產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象。通常這種信號(hào)非常微弱，需要借助信號(hào)放大器才能將故障信息提取出來。其原理是利用物質(zhì)內(nèi)部微粒由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)而以彈性波的形式釋放應(yīng)變能的現(xiàn)象來識(shí)別和了解物質(zhì)或結(jié)構(gòu)內(nèi)部狀態(tài)[3]。

2.5 幾種診斷方法比較

4種軸承診斷方法的對(duì)比分析如表2所示。

表2 各種軸承故障診斷方法的特點(diǎn)對(duì)比分析

3 軸承故障檢修制度及預(yù)防措施

本文以上海地鐵軸承檢修制度為例來論述軸承故障檢修制度及預(yù)防措施。

3.1 上海地鐵軸承檢修制度

城軌車輛轉(zhuǎn)向架軸承檢修是城軌車輛檢修的重要組成部分，我國城軌車輛檢修按照定期維修、狀態(tài)維修、事后維修3種維修方式進(jìn)行。按照GB50157-2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，車輛檢修修程按照廠修、架修、定修、三月檢、雙周檢、列檢6級(jí)進(jìn)行。為提高列車高峰可利用率，上海地鐵對(duì)車輛的日常運(yùn)維均衡化，優(yōu)化了原有的修程修制，其檢修修程調(diào)整為大修、架修、均衡修和日檢。在確保列車可靠性的同時(shí)，也降低了地鐵車輛的維修成本。均衡修相比傳統(tǒng)的預(yù)防性計(jì)劃修能夠降低檢修車輛的備用率，減少配屬車輛。上海地鐵車輛檢修修程和檢修周期如表3所示。

表3 上海地鐵車輛檢修修程和檢修周期

軸承的檢修制度同城軌車輛檢修制度一樣，采用定期檢修和狀態(tài)檢修相結(jié)合的檢修制度。但軸承精度要求高，專業(yè)技術(shù)性強(qiáng)，軸承維修只有軸承生產(chǎn)廠商才能完成，通常軸承會(huì)有一定的免維護(hù)時(shí)間，當(dāng)軸承運(yùn)用一段時(shí)間后，才需要進(jìn)行維修。結(jié)合上海地鐵車輛檢修情況來看，在架修前，軸承的檢修工作主要是以檢查、維護(hù)為主，如查看軸箱連接件是否松動(dòng)、潤滑油脂是否滲漏等。車輛架修時(shí)，軸箱軸承會(huì)被分解，并送至軸承制造廠商進(jìn)行檢修，對(duì)于無法修復(fù)的軸承將會(huì)報(bào)廢處理；牽引電機(jī)軸承因?yàn)殡姼g等原因，考慮在架修時(shí)進(jìn)行更換，不會(huì)進(jìn)一步進(jìn)行檢修；齒輪箱軸承在架修時(shí)會(huì)結(jié)合齒輪箱的狀態(tài)進(jìn)行振動(dòng)、溫升等檢測(cè)，到大修時(shí)更換齒輪箱軸承。

3.2 上海地鐵軸承故障預(yù)防措施

為控制車輛轉(zhuǎn)向架軸承故障的發(fā)生頻率，確保車輛安全運(yùn)行，上海地鐵采用的預(yù)防措施如下：

(1) 牽引電機(jī)軸承異響判斷及維護(hù)。列車運(yùn)營結(jié)束后，日檢人員會(huì)對(duì)列車進(jìn)行預(yù)檢，判斷列車是否存在異響；在均衡修作業(yè)中，檢修人員每年根據(jù)相應(yīng)的修程對(duì)牽引電機(jī)軸承進(jìn)行滾動(dòng)加油，保障牽引電機(jī)軸承的正常工作狀態(tài)。

(2) 配置溫度檢測(cè)裝置。上海地鐵配置有軸承地面溫度檢測(cè)設(shè)備、車載溫度檢測(cè)設(shè)備，探測(cè)到的軸承溫度超過提前設(shè)置閾值時(shí)系統(tǒng)將會(huì)報(bào)警，檢修人員將會(huì)對(duì)該軸承工作狀態(tài)進(jìn)行排查。這些裝置通常能將軸承溫度等相關(guān)信息自動(dòng)傳輸至地面并經(jīng)分析處理，指導(dǎo)軸承維修作業(yè)。日常維護(hù)時(shí)，檢修人員會(huì)在軸箱軸承處貼軸溫試紙，通過觀察軸溫試紙顏色變化判斷軸承溫度是否異常，如軸承溫度偏高，應(yīng)對(duì)軸承油脂狀態(tài)進(jìn)行檢查，并確認(rèn)軸承是否出現(xiàn)異常。

(3) 配置有振動(dòng)檢測(cè)裝置。上海地鐵部分車輛上配置有車載振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置，能夠?qū)S承狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)軸承出現(xiàn)故障，在線診斷裝置會(huì)自動(dòng)顯示，檢修人員及時(shí)采取相應(yīng)措施。維修部門會(huì)不定期對(duì)軸承進(jìn)行振動(dòng)檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)軸承故障，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果分析軸承故障點(diǎn)，并采取相應(yīng)的措施。

(4) 更換軸承配件。針對(duì)軸承已有故障，分析其不足，對(duì)軸承配件進(jìn)行升級(jí)改造，如更換軸承材質(zhì)、油密封方式等[4]。

4 存在問題及展望

軸承的免維護(hù)時(shí)間和軸承壽命是息息相關(guān)的，同一批次軸承在相同運(yùn)行工況下，其壽命相差數(shù)倍甚至十倍。再加之城軌車輛本身運(yùn)行工況復(fù)雜、惡劣，要準(zhǔn)確確定軸承壽命是困難的。近些年來，上海地鐵通過增設(shè)軸承在線監(jiān)測(cè)設(shè)備，力爭(zhēng)將軸承維護(hù)做到狀態(tài)修，以期減少軸承拆卸檢修成本。從目前架修情況來看，約有5%的軸承故障沒有被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，在架修時(shí)直接報(bào)廢。

另外，目前我國城軌軸承基本上都采用進(jìn)口軸承，企業(yè)技術(shù)壟斷，軸承的修理方法以及修理標(biāo)準(zhǔn)均由軸承生產(chǎn)廠家提出，城軌運(yùn)營單位處于從屬地位，各方利益存在分歧，一些從技術(shù)角度上能夠修理的缺陷零部件也無法得到修理，就直接報(bào)廢，造成軸承維護(hù)成本的增加。近些年來，隨著國內(nèi)軸承廠家檢修技術(shù)的提升，上海地鐵車輛部分開放式軸承如SKF BC1B326441/2-HB1已實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化檢修，維修質(zhì)量基本達(dá)到運(yùn)營需求，與國內(nèi)軸承廠商合作值得繼續(xù)推廣。

因此，加強(qiáng)軸承質(zhì)量監(jiān)控、優(yōu)化現(xiàn)有軸承檢修制度是有必要的，探索新的維修模式是十分必要的。具體措施如下：

(1) 新造列車安裝軸承在線檢測(cè)設(shè)備，已運(yùn)營列車加快軸承監(jiān)控的更新改造，利用軸承在線診斷技術(shù)對(duì)軸承運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，提供有效的診斷數(shù)據(jù)。

(2) 目前故障診斷均為定性研究，研發(fā)軸承故障在線定量診斷設(shè)備，實(shí)現(xiàn)軸承故障狀態(tài)的定量診斷，開展智能運(yùn)維分析，進(jìn)一步優(yōu)化和指導(dǎo)軸承的檢修周期。

(3) 探索城軌運(yùn)營公司和國內(nèi)自主軸承生產(chǎn)廠商的合作模式，以降低軸承維修成本為合作目標(biāo)。使國內(nèi)軸承廠商成為我國龐大城軌軸承保養(yǎng)維修市場(chǎng)的主力軍，也為今后軸承國產(chǎn)化提供契機(jī)。

(4) 逐步建立軸承整個(gè)運(yùn)維過程(狀態(tài)監(jiān)測(cè)、維護(hù)、檢修、質(zhì)量驗(yàn)收)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，完善現(xiàn)有軸承檢修制度的不足。