關(guān)于地鐵車(chē)輛牽引電機(jī)異響的分析

周 剛,張舜磊

(徐州地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司,江蘇 徐州 221000)

地鐵車(chē)輛經(jīng)過(guò)公路運(yùn)輸后,牽引電機(jī)出現(xiàn)異響的情況多有發(fā)生,如成都地鐵[1]、株洲電機(jī)[2]、福州地鐵[3]等,主要表現(xiàn)為:在車(chē)輛低速行駛時(shí),會(huì)出現(xiàn)明顯挫鈍的異響。拆解電機(jī)發(fā)現(xiàn),軸承內(nèi)圈滾道面存在多處規(guī)則軸向壓痕,與滾子節(jié)距相吻合,見(jiàn)圖1。

圖1 軸承內(nèi)圈壓痕

1 異響電機(jī)軸承探究

目前業(yè)內(nèi)主流觀點(diǎn)較為統(tǒng)一,認(rèn)為壓痕問(wèn)題由公路運(yùn)輸問(wèn)題導(dǎo)致,但對(duì)運(yùn)輸中過(guò)載變形、振動(dòng)磨損2種失效原因及影響程度沒(méi)有區(qū)分研究?，F(xiàn)以某地鐵為研究對(duì)象,對(duì)產(chǎn)生與滾動(dòng)體節(jié)距一致的壓痕機(jī)理逐一分析(本文軸承失效的特征、描述參照GB/T 24611—2020[4])。

1.1 過(guò)載變形

1.1.1 靜載荷

電機(jī)靜止時(shí),電機(jī)轉(zhuǎn)軸及其他部件的質(zhì)量會(huì)作用于軸承的承載區(qū),見(jiàn)圖2。

圖2 軸承靜載荷受力分析

軸承所受合力F合=F0+F1cosβ+F2cos2β+…。

當(dāng)軸承過(guò)載時(shí),內(nèi)外圈滾道與滾子直接接觸且接觸處發(fā)生塑性變形,使得內(nèi)外圈滾道形成與滾子節(jié)距相應(yīng)的凹痕。某地鐵牽引電機(jī)相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)時(shí),兩端軸承只需承載電機(jī)轉(zhuǎn)子(約160 kg)及電機(jī)側(cè)聯(lián)軸節(jié)的質(zhì)量負(fù)荷,遠(yuǎn)低于所選用軸承166 kN的額定靜載荷,所以可排除靜載荷過(guò)載造成的塑性變形。

1.1.2 沖擊載荷

如今地鐵車(chē)輛普遍采用公路運(yùn)輸,但采取的減振方式(如在止動(dòng)裝置下安放緩沖膠墊等)很難將道路減速帶、凹坑等產(chǎn)生的振動(dòng)顛簸全部消除,而車(chē)輛顛簸使轉(zhuǎn)子及軸承內(nèi)圈對(duì)滾動(dòng)體產(chǎn)生反復(fù)沖擊,會(huì)對(duì)軸承內(nèi)圈上下部滾道造成損傷。因此存在運(yùn)輸過(guò)程中載荷沖擊造成軸承損傷的可能性。

1.2 振動(dòng)磨損

當(dāng)轉(zhuǎn)子受到振動(dòng)發(fā)生軸向躥動(dòng)時(shí),由于軸承游隙的存在(圖3),與轉(zhuǎn)子配合的軸承內(nèi)圈會(huì)與滾動(dòng)體、外圈產(chǎn)生微小軸向位移。

圖3 軸承游隙示意圖

同時(shí)電機(jī)長(zhǎng)期靜止時(shí),游隙中因運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的潤(rùn)滑油膜被破壞,內(nèi)外圈滾道與滾動(dòng)體的直接接觸會(huì)對(duì)金屬表面造成磨損[5]。嚴(yán)重情況下接觸面的抗氧化層被破壞,導(dǎo)致金屬表面氧化銹蝕。

某地鐵整車(chē)運(yùn)輸時(shí)保持聯(lián)軸節(jié)耦合,聯(lián)軸節(jié)存在徑向360°及軸向偏擺量;僅在非傳動(dòng)端安裝防躥動(dòng)工藝螺栓,受運(yùn)輸途中顛簸(道路凹坑、減速帶等)、過(guò)彎偏擺的影響,軸承滾動(dòng)體和內(nèi)外圈接觸面仍會(huì)處于微振磨損狀態(tài)。

拆解電機(jī)發(fā)現(xiàn),軸承損傷往往集中在傳動(dòng)端圓柱滾子軸承,而非傳動(dòng)端深溝球軸承因具有較大軸向承載能力,受影響較小。同時(shí)某地鐵早期出現(xiàn)異響的電機(jī)均存在運(yùn)輸防護(hù)操作不當(dāng)?shù)那闆r,即非傳動(dòng)端工藝螺栓扭矩不夠,未起到防護(hù)限制效果。

綜上,地鐵牽引電機(jī)軸承壓痕損傷的主要原因是公路運(yùn)輸顛簸產(chǎn)生的振動(dòng)腐蝕,次要原因是顛簸帶來(lái)的載荷沖擊。

2 電機(jī)軸承監(jiān)測(cè)方法

滾動(dòng)軸承故障診斷的常用方法有:基于振動(dòng)信號(hào)、基于聲發(fā)射、基于溫度、基于油樣分析、基于油膜電阻、基于光纖的滾動(dòng)軸承故障診斷技術(shù)等[6]。目前地鐵行業(yè)針對(duì)電機(jī)軸承缺陷,主要從溫度、潤(rùn)滑脂、振動(dòng)、聲音進(jìn)行監(jiān)測(cè)。下文將簡(jiǎn)述4種方式的監(jiān)測(cè)原理及測(cè)試方法。

2.1 溫度傳感器及溫度貼紙

軸承發(fā)熱是由軸承內(nèi)部摩擦引起,當(dāng)摩擦異常時(shí),軸承溫度也會(huì)隨之變化(往往是升高)。地鐵牽引電機(jī)內(nèi)部安裝的溫度傳感器能對(duì)電機(jī)內(nèi)部環(huán)境溫度進(jìn)行測(cè)量,但無(wú)法精準(zhǔn)檢測(cè)電機(jī)軸承溫度。而電機(jī)端蓋附著溫度貼紙,可以有效記錄車(chē)輛運(yùn)行周期中電機(jī)軸端處最高溫及溫升情況,但易受組件熱容量、環(huán)境條件影響,無(wú)法真實(shí)反映軸承溫度。這2種方法均無(wú)法在軸承缺陷初期進(jìn)行精準(zhǔn)反饋,所以只能作為地鐵日常檢修(日檢)的一種輔助診斷措施。

2.2 潤(rùn)滑脂檢查

地鐵檢修常通過(guò)檢查電機(jī)兩端廢油腔,查看潤(rùn)滑脂是否氧化變質(zhì),有無(wú)生成一些不溶物及沉淀物,如黑灰色的膠狀軟沉淀物油泥、灰黃至棕黑色的堅(jiān)硬漆膜等;或觀察潤(rùn)滑脂中是否摻入磨損的機(jī)械雜質(zhì),較大顆粒/碎屑可直接肉眼觀察,細(xì)小顆粒雜質(zhì)可取少量潤(rùn)滑脂均勻涂抹在透明玻璃板或PC板上觀察。

軸承運(yùn)行時(shí),潤(rùn)滑脂形成的油膜厚度僅幾微米,若頻繁地打開(kāi)廢油腔進(jìn)行檢查,會(huì)增加灰塵等污染物進(jìn)入軸承的風(fēng)險(xiǎn)。因此,潤(rùn)滑脂檢查在地鐵行業(yè)往往是作為年檢、2.5年檢或抽檢項(xiàng)目。

2.3 振動(dòng)監(jiān)測(cè)

針對(duì)電機(jī)軸承進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)是目前最主流的故障診斷手段。振動(dòng)監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)之一是,在軸承缺陷初期,無(wú)需拆解電機(jī),就可以精準(zhǔn)測(cè)定軸承有無(wú)異常,并基于振幅、振頻鎖定故障部件。常用提取軸承故障特征分量的手段主要有沖擊脈沖法和加速度包絡(luò)解調(diào)2種方法,加速度包絡(luò)相對(duì)于沖擊脈沖法,對(duì)軸承早期故障檢測(cè)更為準(zhǔn)確[7]。

當(dāng)軸承存在缺陷時(shí),受到運(yùn)行滾動(dòng)體的沖擊會(huì)產(chǎn)生異常振動(dòng),這種異常振動(dòng)疊加電機(jī)轉(zhuǎn)軸自身的工頻信號(hào)會(huì)被加速度傳感器采集到。經(jīng)帶通濾波,工頻信號(hào)被濾除;再經(jīng)半波整流、低通濾波后,得到的信號(hào)形式為滾動(dòng)軸承受沖擊而激起的振幅邊緣(包絡(luò))。這種振幅的包絡(luò)形式是由軸承自身結(jié)構(gòu)特性和轉(zhuǎn)速?zèng)Q定的[8]。因此通過(guò)對(duì)電機(jī)軸承振動(dòng)監(jiān)測(cè)并進(jìn)行加速度包絡(luò)解調(diào)是軸承故障早期診斷的可靠手段。

主流的軸承在線(xiàn)監(jiān)測(cè)主要針對(duì)缺陷頻率及其倍頻特征、包絡(luò)總值進(jìn)行分析。振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的普及應(yīng)用使得各大軸承廠商針對(duì)各自產(chǎn)品進(jìn)行了測(cè)試計(jì)算。常用缺陷頻率計(jì)算公式如下:

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:BPFO為外圈缺陷頻率;BPFI為內(nèi)圈缺陷頻率;BSF為滾動(dòng)體缺陷頻率;TFT為保持架缺陷頻率;z為每列滾動(dòng)體個(gè)數(shù);n為轉(zhuǎn)速,r/min;DR為滾動(dòng)體直徑;dm為節(jié)圓直徑;α為接觸角。

表1為兩款常見(jiàn)軸承在212 r/min(對(duì)應(yīng)車(chē)速5 km/h)轉(zhuǎn)速下的缺陷頻率。

表1 兩款常見(jiàn)軸承的缺陷頻率 Hz

軸承頻譜的倍頻特征在一定程度上能夠反映軸承的健康狀態(tài),同時(shí),頻譜中密集的邊頻帶也可以表征軸承的運(yùn)行狀態(tài)。例如轉(zhuǎn)速212 r/min下,某廠商推薦包絡(luò)總值預(yù)警值0.23 gE,報(bào)警值0.7 gE。

無(wú)缺陷頻率或有缺陷頻率但包絡(luò)總值≤0.23 gE時(shí),代表軸承狀態(tài)正常;有缺陷頻率且包絡(luò)總值在0.23(預(yù)警值)～0.7 gE(報(bào)警值)之間時(shí),代表軸承出現(xiàn)輕微異常,需加強(qiáng)維護(hù)及跟蹤;有缺陷頻率且包絡(luò)總值≥0.7 gE時(shí),代表軸承已出現(xiàn)較明顯缺陷。

正常軸承監(jiān)測(cè)頻譜圖如圖4所示,該軸承無(wú)缺陷頻率且包絡(luò)總值為0.114 9 gE,小于0.23 gE。

圖4 正常軸承監(jiān)測(cè)頻譜圖

輕微異常軸承監(jiān)測(cè)頻譜圖如圖5所示,該軸承存在缺陷頻率及倍頻特征,且包絡(luò)總值為0.350 2 gE,在0.23～0.7 gE之間。

圖5 輕微異常軸承監(jiān)測(cè)頻譜圖

2.4 人耳監(jiān)聽(tīng)

電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),會(huì)產(chǎn)生一定的噪聲,常見(jiàn)的噪聲分析方法是將采集到的噪聲信號(hào)波形分解,依靠頻域特征來(lái)推斷噪聲來(lái)源或使用送話(huà)器陣列來(lái)定位噪聲的位置等[9]。但聲音監(jiān)測(cè)相較于振動(dòng)監(jiān)測(cè),對(duì)環(huán)境及試驗(yàn)條件要求更為苛刻,更容易受到環(huán)境因素干擾。

地鐵車(chē)輛受限于設(shè)備結(jié)構(gòu)及電機(jī)工況(電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)伴隨著車(chē)輛的行駛),使用常規(guī)的聽(tīng)棒(圖6)或工業(yè)“聽(tīng)診器”難以進(jìn)行批量監(jiān)測(cè)。但聲音作為振動(dòng)引起的聲波,在一定程度上,可以對(duì)部分缺陷作出明顯反應(yīng),所以依賴(lài)于檢修經(jīng)驗(yàn)和噪聲音頻積累的人耳監(jiān)聽(tīng)是地鐵重要檢測(cè)手段之一,即普遍施行的“回庫(kù)檢”。

圖6 聽(tīng)棒

3 地鐵應(yīng)用情況分析

現(xiàn)取某地鐵24臺(tái)電機(jī),分別編號(hào)01～24號(hào),同時(shí)采取上述多種監(jiān)測(cè)手段,進(jìn)行兩輪監(jiān)測(cè),對(duì)比分析在壓痕類(lèi)軸承問(wèn)題實(shí)際診斷中的應(yīng)用及壓痕缺陷的衍變情況。

3.1 監(jiān)測(cè)手段比較

第1輪監(jiān)測(cè)的24臺(tái)電機(jī)中僅09號(hào)電機(jī)人耳監(jiān)聽(tīng)存在異響,其余監(jiān)測(cè)手段均未監(jiān)測(cè)到異常。第2輪監(jiān)測(cè)新發(fā)現(xiàn)04、06、10、20、24號(hào)電機(jī)存在人耳監(jiān)聽(tīng)異響且存在頻譜內(nèi)圈缺陷特征,電機(jī)05、12、23號(hào)電機(jī)僅存在人耳監(jiān)聽(tīng)異響。對(duì)24臺(tái)電機(jī)進(jìn)行拆解,現(xiàn)以拆解軸承的壓痕輕重來(lái)作為軸承缺陷實(shí)際情況的判斷依據(jù),有肉眼可見(jiàn)但觸摸無(wú)手感的壓痕為早期缺陷,觸摸有輕微手感的壓痕為初期缺陷。兩輪監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)的軸承問(wèn)題匯總?cè)绫?所示(無(wú)異常的不做統(tǒng)計(jì))。

表2 問(wèn)題電機(jī)檢測(cè)情況

除上表中的13臺(tái)電機(jī)外,其余11臺(tái)電機(jī)軸承也存在早期缺陷特征,但均未被監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)。以24臺(tái)電機(jī)監(jiān)測(cè)情況進(jìn)行分析,12臺(tái)具備軸承早期缺陷特征的電機(jī),人耳監(jiān)聽(tīng)的檢出率僅為8.3%(僅檢出1臺(tái)),振動(dòng)監(jiān)測(cè)對(duì)早期缺陷問(wèn)題檢出率為0(檢出0臺(tái));另12臺(tái)具備軸承初期缺陷特征的電機(jī),人耳監(jiān)聽(tīng)的問(wèn)題檢出率為66.7%(檢出8臺(tái)),振動(dòng)監(jiān)測(cè)的問(wèn)題檢出率為41.7%(檢出5臺(tái))。

上述數(shù)據(jù)表明,與主流軸承缺陷檢測(cè)技術(shù)認(rèn)識(shí)不同,人耳(聲音)監(jiān)聽(tīng)雖然會(huì)受到產(chǎn)品細(xì)微差異、環(huán)境及個(gè)人主觀影響,但在地鐵牽引電機(jī)軸承壓痕缺陷問(wèn)題早期及初期的檢測(cè)中,相對(duì)于振動(dòng)監(jiān)測(cè),反而更為敏感、高效;而振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù),軸承缺陷頻率特征是看相對(duì)峰值,沒(méi)有量化適用的標(biāo)準(zhǔn),所以在軸承缺陷早期難以精準(zhǔn)診斷,但符合振動(dòng)監(jiān)測(cè)頻率缺陷特征的軸承,100%有缺陷。因此,電機(jī)軸承故障檢測(cè)及診斷,應(yīng)采取多技術(shù)手段相融合的技術(shù)方案?？紤]車(chē)輛實(shí)際安全及經(jīng)濟(jì)因素,定期的潤(rùn)滑脂(廢油腔)檢查及振動(dòng)監(jiān)測(cè),結(jié)合每日運(yùn)營(yíng)車(chē)輛回庫(kù)時(shí)的人耳監(jiān)聽(tīng),日檢作業(yè)時(shí)的溫度貼紙檢查及溫度報(bào)警系統(tǒng),就是一種較為全面綜合的檢測(cè)方案。

3.2 軸承缺陷的變化

對(duì)比同一臺(tái)電機(jī)兩輪振動(dòng)監(jiān)測(cè)的頻譜圖(圖7),經(jīng)過(guò)一年的運(yùn)行,內(nèi)圈缺陷頻率36.37 Hz的包絡(luò)值由0.005 gE(圖7(a))擴(kuò)大到0.02 gE(圖7(b)),趨于明顯;對(duì)比同一列車(chē)的12臺(tái)電機(jī)包絡(luò)總值(表3),均有不同幅度的提升。因此可知,隨著電機(jī)的持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn),即使是無(wú)手感壓痕類(lèi)早期軸承缺陷,也會(huì)持續(xù)發(fā)展惡化,造成電機(jī)軸承異常振動(dòng)及異音,所以應(yīng)酌情及時(shí)更換缺陷軸承,避免軸承缺陷進(jìn)一步惡化造成更大事故及經(jīng)濟(jì)損失。

表3 同一列車(chē)12臺(tái)電機(jī)包絡(luò)總值對(duì)比 gE

圖7 同1臺(tái)電機(jī)的兩輪振動(dòng)監(jiān)測(cè)頻譜圖

4 軸承防護(hù)措施

4.1 地鐵常見(jiàn)方案

各家地鐵公司針對(duì)公路運(yùn)輸各自采取了相適應(yīng)的電機(jī)防護(hù)方案。如成都地鐵針對(duì)電機(jī)整機(jī)運(yùn)輸,將軸端壓緊轉(zhuǎn)子的長(zhǎng)壓板改為圓壓板,并配有相應(yīng)橡膠圈,增大壓板與軸的接觸摩擦力,減少轉(zhuǎn)子徑向跳動(dòng)[3]。但這種方法只適用于電機(jī)安裝在轉(zhuǎn)向架前,未考慮整車(chē)運(yùn)輸防護(hù),且未針對(duì)非傳動(dòng)端采取防護(hù)措施。

廈門(mén)地鐵針對(duì)整車(chē)運(yùn)輸,采取的措施為:(1)非傳動(dòng)端使用工藝螺栓頂住轉(zhuǎn)子,限制轉(zhuǎn)子向非傳動(dòng)端軸向躥動(dòng);(2)傳動(dòng)端使用綁帶將電機(jī)軸在徑向拉緊固定,限制游隙產(chǎn)生的振動(dòng)空間[10](圖8)。但使用綁帶進(jìn)行固定的方式更適用于小型電機(jī),增大了軸承靜載荷的同時(shí),限制了游隙內(nèi)潤(rùn)滑油膜的形成。

圖8 防護(hù)示意圖

4.2 改良方案

4.2.1 傳動(dòng)端

傳動(dòng)端需要對(duì)聯(lián)軸節(jié)進(jìn)行解耦防護(hù):解耦聯(lián)軸節(jié)后,分別使用防護(hù)袋進(jìn)行包裹,防止灰塵等污染;將解耦后的聯(lián)軸節(jié)沿軸向推至分離最大間隙,然后將電機(jī)側(cè)聯(lián)軸節(jié)用金屬壓板(粘有2 mm橡膠墊用于增大緩沖)安裝固定,該壓板由傳統(tǒng)長(zhǎng)條型壓板升級(jí)為全覆蓋聯(lián)軸節(jié)端面的方型壓板,增加接觸面積與摩擦力,在限制軸向躥動(dòng)的同時(shí),也能起到減少?gòu)较蛱鴦?dòng)的作用;同時(shí)使用尼龍鎖緊帶將齒輪箱側(cè)聯(lián)軸節(jié)與齒輪箱固定住,避免運(yùn)輸過(guò)程中產(chǎn)生磕碰。傳動(dòng)端防護(hù)方案見(jiàn)圖9。

圖9 傳動(dòng)端防護(hù)方案

4.2.2 非傳動(dòng)端

非傳動(dòng)端使用工藝螺栓(由M8升級(jí)為M16螺栓)頂住轉(zhuǎn)子,見(jiàn)圖10,緊固力矩調(diào)整為40 N·m,限制轉(zhuǎn)子軸向躥動(dòng)。

圖10 非傳動(dòng)端工藝螺栓防護(hù)

這種防護(hù)方案相對(duì)于傳統(tǒng)的防護(hù)方案,在面對(duì)正常車(chē)輛振動(dòng)顛簸時(shí),可以更好地限制電機(jī)軸向躥動(dòng)和徑向跳動(dòng);但對(duì)于平穩(wěn)運(yùn)輸,減少或避免振動(dòng)顛簸仍是公路運(yùn)輸?shù)氖滓蟆?/p>

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)地鐵電機(jī)異響問(wèn)題的試驗(yàn)研究,可知軸承故障的檢測(cè)及診斷依靠單一狀態(tài)監(jiān)測(cè)信號(hào)難以實(shí)現(xiàn),需要綜合振動(dòng)、溫度、噪聲、轉(zhuǎn)速等因素。人耳監(jiān)聽(tīng)在針對(duì)壓痕特征的軸承問(wèn)題時(shí),是一種更為高效的檢測(cè)方法;振動(dòng)監(jiān)測(cè),即加速度包絡(luò)振動(dòng)解調(diào)技術(shù),可以在人耳監(jiān)聽(tīng)的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步精準(zhǔn)鎖定軸承缺陷。而軸承缺陷不能自我改善的特性,導(dǎo)致即使是細(xì)小的壓痕缺陷,也會(huì)伴隨著電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)持續(xù)惡化,繼而產(chǎn)生異常抖動(dòng)、噪聲等特征,對(duì)電機(jī)正常使用產(chǎn)生影響,嚴(yán)重時(shí)直接造成電機(jī)無(wú)法工作,影響地鐵運(yùn)營(yíng)。所以可靠的軸承檢測(cè)診斷及防護(hù)措施尤為重要。

本文的研究分析可以為業(yè)內(nèi)同行在電機(jī)異響類(lèi)問(wèn)題中的調(diào)查處理提供參考,同時(shí)也希望可以為各大電機(jī)、主機(jī)廠在電機(jī)設(shè)計(jì)、防護(hù)及軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)等環(huán)節(jié)提供參考。