動車組轉(zhuǎn)向架軸箱軸承故障及診斷研究

王秋實 潘宏利 魏 壯

（1.大連交通大學，遼寧 大連 116028；2.中國鐵路沈陽局集團有限公司通遼車輛段，內(nèi)蒙古 通遼 028000）

0 引言

軸箱軸承是動車組轉(zhuǎn)向架中的核心部件之一，承擔著承載支撐、運動轉(zhuǎn)換等重要功能[1]。在長期運行過程中，軸承不可避免地會出現(xiàn)故障，主要故障形式表現(xiàn)為腐蝕、疲勞剝落、磨損、膠合和套圈斷裂等。尤其是在軌道不平順的影響下，對軸箱軸承疲勞可靠性和使用性能的要求更高[2]。例如：CRH380A軸箱軸承大部分選用自潤滑密封式雙列圓錐滾子軸承，其檢修周期為1.2×106km，設計壽命為2.4×106km。軸箱軸承的故障若未及時處理，可能導致燃軸、切軸等安全事故，造成重大經(jīng)濟損失或危及生命安全[3]。因此，為進一步提升軸承的性能，軸承故障的狀態(tài)監(jiān)測和診斷工作至關重要。

本文以動車組轉(zhuǎn)向架軸箱軸承為研究對象，從振動信號中準確提取軸承的故障特征信息，利用時域分析與小波分析結(jié)合的方法對故障的類型及原因進行診斷，便于后期對故障實施相應的處理，確保動車組運行安全[4]。

1 動車組轉(zhuǎn)向架軸箱軸承結(jié)構(gòu)原理及其故障形式

1.1 動車組轉(zhuǎn)向架軸箱軸承結(jié)構(gòu)原理

轉(zhuǎn)向架是動車組的行走機構(gòu)，具有承載重量、導向、牽引、制動和減振等功能[5]。動車組裝有兩種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)，分別是動力車轉(zhuǎn)向架和拖車轉(zhuǎn)向架。兩種轉(zhuǎn)向架主要區(qū)別是：動力車轉(zhuǎn)向架比拖車轉(zhuǎn)向架多一組齒輪箱和一個電機吊架。兩者不具備互換性，但結(jié)構(gòu)組成基本相似。轉(zhuǎn)向架由構(gòu)架、輪對、軸箱、制動裝置、一系懸掛、二系懸掛和牽引裝置等組成，由此可見，動車組轉(zhuǎn)向架的關鍵部件很多。軸箱是連接輪對與構(gòu)架的活動關節(jié)，是動車組的A類部件。而軸箱多項功能都與軸承存在關系，因此，軸箱軸承是保證動車組安全運行的核心部件之一，要求具備很高的安全性和可靠性。

軸承連接著車軸與軸箱體，承載著車輛靜負荷、沖擊振動載荷和軸向載荷，起到將車體重量和載荷傳遞給輪對的作用。它由外圈、內(nèi)圈、滾動體和保持架等重要部件組成[6]：（1）軸承外圈不動，與軸承座起到支撐作用；（2）內(nèi)圈與軸一起旋轉(zhuǎn)；（3）滾動體分布在內(nèi)圈和外圈之間，它使內(nèi)圈和外圈的相對運動從滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，滾動體的大小、形狀和數(shù)量直接決定軸承的使用壽命；（4）保持架使相鄰滾動體不能直接接觸，達到從根本上降低滾動體運動過程中摩擦損失的目的。我國動車組軸箱軸承主要采用自密封結(jié)構(gòu)的雙列圓柱滾子軸承和雙列圓錐滾子軸承兩種。

不同型號的動車組使用的軸箱軸承也不同。目前，選用較多的軸承類型為內(nèi)徑130mm、外徑230mm/240mm的圓錐滾子軸承，該軸承能承受一定的軸向載荷和徑向載荷，不同類型和品牌的軸承參數(shù)如表1所示。如我國CRH380A型動車組轉(zhuǎn)向架采用脂潤滑密封型雙列圓錐滾子軸承，此單套軸箱軸承承受的軸向載荷為20kN，徑向載荷為90kN。

表1 不同動車組的軸箱軸承參數(shù)

1.2 軸箱軸承故障形式

動車組軸箱軸承是發(fā)生故障概率較大的零件之一。由于動車組長周期運行，軸承會受到各種載荷的作用，這些載荷作用會使軸承逐漸發(fā)生形變，當形變達到一定程度時，就會出現(xiàn)故障，影響動車運行的穩(wěn)定性。軸箱軸承故障類型較多，無論發(fā)生哪種類型的故障，當損傷達到一個極限，都會使軸承不能正常光滑地轉(zhuǎn)動，故障類型主要分為腐蝕、疲勞剝落、磨損和膠合等。

2 軸箱軸承狀態(tài)監(jiān)測技術

軸箱軸承狀態(tài)監(jiān)測是利用檢測、測量、分析和判別等方法掌握設備的運行狀態(tài)，預測其可靠性和使用性，當其出現(xiàn)異常時，及時可靠地反映故障，為設備的故障分析提供基礎信息。目前，主要的監(jiān)測技術有溫度測量、油樣分析、聲發(fā)射和振動信號等。

振動是反映軸承健康狀態(tài)最主要的標志，動車組軸箱軸承除了來自于車軸或車軸上其他零部件的激勵作用外，如果外圈、內(nèi)圈、滾動體和保持架等部件表面有磨損，軸承轉(zhuǎn)動通過缺陷位置時，會產(chǎn)生強烈的振動沖擊。振動信號對軸承故障敏感，故障會改變振動特征。

軸承振動信號屬于高頻信號，必須使用加速度傳感器采集。此傳感器是利用壓電效應原理，將加速度轉(zhuǎn)換為成正比的電荷量。通過振動信號波形的各種時域統(tǒng)計參數(shù)，判斷出當前軸承的故障形式，例如腐蝕、疲勞剝落、磨損、膠合等，具體波形圖如圖1所示。振動信號監(jiān)測比起溫度測量、油樣分析和聲發(fā)射等技術，可以更早、更準確地發(fā)現(xiàn)故障。

圖1 軸承振動波形圖

由振動波形圖可以看出，動車組正常運行過程中，正常振動波形趨于平穩(wěn)。當出現(xiàn)故障時，振動信號具有非平穩(wěn)特征。由于在軸承中存在固定位置的損傷，損傷位置的振動幅值會遠高于正常振動信號，出現(xiàn)一個具有規(guī)律性的沖擊成分。在疲勞剝落、磨損、膠合等不同的軸承故障中，振動信號的特征頻率也不同，特征頻率取決于軸承內(nèi)圈損傷位置、外圈損傷位置、滾動體損傷位置、軸的轉(zhuǎn)速。因此，軸承故障位置可以通過特征頻率計算公式得出，外圈故障特征頻率、內(nèi)圈故障特征頻率、滾動體故障特征頻率和保持架故障特征頻率計算公式分別如公式（1）（2）（3）（4）所示。

式中：z為滾動體數(shù)目（個）；n為轉(zhuǎn)速（r·min-1）；α為滾動體接觸角（°）；d為滾動體直徑（mm）；D為節(jié)圓直徑（mm）。

3 軸箱軸承故障診斷方法及應用

信號處理方法一般有時域分析法、頻域分析法、時頻分析法和小波分析法等幾種，下文將結(jié)合時域分析與小波分析對故障特征進行提取及診斷。

3.1 時域分析

時域分析是在時間域上對信號進行統(tǒng)計分析，通過觀察信號的概率分布特征來診斷軸承故障狀態(tài)。它根據(jù)信號的時間歷程繪制波形，獲得軸承運行的特征參數(shù)。主要指標包括有效值、峰值、峰值因數(shù)、峭度因子、脈沖因數(shù)、波形因數(shù)、裕度因數(shù)等等，其中有效值、峰值、峰值因數(shù)和峭度因子應用比較廣泛。時域分析不能準確確定故障的部位，須結(jié)合其他方法進行精確診斷。

3.2 小波分析

小波分析用某小波函數(shù)族來表示觀測信號，它能實現(xiàn)對信號的整體和局部分析，符合對非平穩(wěn)信號特性分析的要求，具有特征參數(shù)選取的有效性。小波函數(shù)定義為：設ψ（t）為平方可積函數(shù)，即ψ（t）∈L2（R），若其傅里葉變換ψ（ω）滿足條件小波函數(shù)的可容許條件，即公式（5）所示，則ψ（t）為一個基本小波。將基本小波ψ（t）伸縮和平移，代入伸縮因子a和平移因子b，即公式（6）所示，可得到小波基函數(shù)。x（t）的連續(xù)小波變換為WTx（a，b），即公式（7）所示。

3.3 故障診斷方法應用

下面以CRH380A動車組的軸箱軸承外圈點蝕為例，說明故障診斷方法的應用。該車采用NTN公司生產(chǎn)的2E-CRI-2677T2LLXCS770PX1/L552S17型號雙列圓錐滾子軸承，軸承表面采用淬火鋼，車軸材料為30Ni Cr Mo V12，軸承內(nèi)外圈材料為GCr15，滾動體材料為GCr15，保持架材料為低碳鋼。該動車組軸箱軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表2 CRH380A軸箱軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)

通過加速度傳感器采集軸承振動信號，時域分析選取2015個采樣點，計算得出：軸轉(zhuǎn)動頻率為31.24Hz，外圈的故障特征頻率為109.17Hz。時域參數(shù)選擇峰值和峭度值，正常軸承信號時域波形如圖2所示，軸承外圈故障信號時域波形如圖3所示。

與圖2對比，圖3波形幅值明顯變大，說明外圈發(fā)生點蝕故障。考慮可能存在噪聲疊加的原因，僅僅依據(jù)波形幅值變大，無法科學準確地獲取故障信息，需要進一步結(jié)合小波分析方法。

圖2 正常軸承信號時域波形圖

圖3 軸承外圈故障信號時域波形圖

首先，分解振動信號為d1～d4的4層細節(jié)信號，做出4層小波分解譜圖，如圖4所示；然后對d1層細節(jié)信號進行Hilbert包絡分析，得出包絡譜圖，如圖5所示；最后從外圈d1層細節(jié)信號的包絡譜圖得出頻率109.3Hz，利用上述計算公式得出軸承外圈故障特征頻率108.58Hz，確定軸承外圈發(fā)生點蝕故障。

圖4 外圈故障信號4層小波分解譜圖

圖5 外圈故障信號d1層包絡譜圖

4 結(jié)論

動車組系統(tǒng)龐大、運行環(huán)境復雜，軸箱軸承又是動車組轉(zhuǎn)向架的關鍵部件，其健康監(jiān)測與故障診斷對于動車組安全運行具有重要意義。

合適的信息載體是診斷軸箱軸承故障的關鍵，由于振動信號比溫度信息更敏感，應用可靠性較高，結(jié)合軸箱軸承外圈點蝕故障案例分析，得出以下結(jié)論：

（1）軸承振動信號需要用加速度傳感器采集，經(jīng)電荷放大器和抗混濾波處理，剔除振動噪聲后，充分顯現(xiàn)故障引起的振動信號，進行特征提取、狀態(tài)識別、故障分析和決策干預。

（2）時域分析法只能判斷出故障發(fā)生的必要條件，即時域波形幅度改變，但無法對故障進行準確定位，而小波分析法從包絡譜圖中直接看出故障特征頻率，且與理論計算吻合。在實際軸箱軸承故障診斷的過程中，可將時域分析與小波分析綜合使用，以提高故障診斷的準確性與實時性。