引言

軸箱軸承是動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架中的核心部件之一,承擔(dān)著承載支撐、運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換等重要功能。在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中,軸承不可避免地會(huì)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(duì)軸箱軸承疲勞可靠性和使用性能的要求更高。例如:CRH380A軸箱軸承大部分選用自潤(rùn)滑密封式雙列圓錐滾子軸承,其檢修周期為1.2×106km,設(shè)計(jì)壽命為2.4×106km。軸箱軸承的故障若未及時(shí)處理,可能導(dǎo)致燃軸、切軸等安全事故,造成重大經(jīng)濟(jì)損失或危及生命安全。因此,為進(jìn)一步提升軸承的性能,軸承故障的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和診斷工作至關(guān)重要。

本文以動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架軸箱軸承為研究對(duì)象,從振動(dòng)信號(hào)中準(zhǔn)確提取軸承的故障特征信息,利用時(shí)域分析與小波分析結(jié)合的方法對(duì)故障的類型及原因進(jìn)行診斷,便于后期對(duì)故障實(shí)施相應(yīng)的處理,確保動(dòng)車組運(yùn)行安全。

1動(dòng)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(dòng)車組轉(zhuǎn)向架軸箱軸承結(jié)構(gòu)原理

轉(zhuǎn)向架是動(dòng)車組的行走機(jī)構(gòu),具有承載重量、導(dǎo)向、牽引、制動(dòng)和減振等功能[5]。動(dòng)車組裝有兩種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)向架系統(tǒng),分別是動(dòng)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(dòng)力車轉(zhuǎn)向架比拖車轉(zhuǎn)向架多一組齒輪箱和一個(gè)電機(jī)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(duì)、軸箱、制動(dòng)裝置、一系懸掛、二系懸掛和牽引裝置等組成,由此可見(jiàn),動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵部件很多。軸箱是連接輪對(duì)與構(gòu)架的活動(dòng)關(guān)節(jié),是動(dòng)車組的A類部件。而軸箱多項(xiàng)功能都與軸承存在關(guān)系,因此,軸箱軸承是保證動(dòng)車組安全運(yùn)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(fù)荷、沖擊振動(dòng)載荷和軸向載荷,起到將車體重量和載荷傳遞給輪對(duì)的作用。它由外圈、內(nèi)圈、滾動(dòng)體和保持架等重要部件組成:(1)軸承外圈不動(dòng),與軸承座起到支撐作用:(2)內(nèi)圈與軸一起旋轉(zhuǎn):(3)滾動(dòng)體分布在內(nèi)圈和外圈之間,它使內(nèi)圈和外圈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)從滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦,滾動(dòng)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(dòng)體不能直接接觸,達(dá)到從根本上降低滾動(dòng)體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中摩擦損失的目的。我國(guó)動(dòng)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(hào)的動(dòng)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(guó)CRH380A型動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架采用脂潤(rùn)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。

1.2軸箱軸承故障形式

動(dòng)車組軸箱軸承是發(fā)生故障概率較大的零件之一。由于動(dòng)車組長(zhǎng)周期運(yùn)行,軸承會(huì)受到各種載荷的作用,這些載荷作用會(huì)使軸承逐漸發(fā)生形變,當(dāng)形變達(dá)到一定程度時(shí),就會(huì)出現(xiàn)故障,影響動(dòng)車運(yùn)行的穩(wěn)定性。軸箱軸承故障類型較多,無(wú)論發(fā)生哪種類型的故障,當(dāng)損傷達(dá)到一個(gè)極限,都會(huì)使軸承不能正常光滑地轉(zhuǎn)動(dòng),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(cè)技術(shù)

軸箱軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)是利用檢測(cè)、測(cè)量、分析和判別等方法掌握設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),預(yù)測(cè)其可靠性和使用性,當(dāng)其出現(xiàn)異常時(shí),及時(shí)可靠地反映故障,為設(shè)備的故障分析提供基礎(chǔ)信息。目前,主要的監(jiān)測(cè)技術(shù)有溫度測(cè)量、油樣分析、聲發(fā)射和振動(dòng)信號(hào)等。

振動(dòng)是反映軸承健康狀態(tài)最主要的標(biāo)志,動(dòng)車組軸箱軸承除了來(lái)自于車軸或車軸上其他零部件的激勵(lì)作用外,如果外圈、內(nèi)圈、滾動(dòng)體和保持架等部件表面有磨損,軸承轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)缺陷位置時(shí),會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)沖擊。振動(dòng)信號(hào)對(duì)軸承故障敏感,故障會(huì)改變振動(dòng)特征。

軸承振動(dòng)信號(hào)屬于高頻信號(hào),必須使用加速度傳感器采集。此傳感器是利用壓電效應(yīng)原理,將加速度轉(zhuǎn)換為成正比的電荷量。通過(guò)振動(dòng)信號(hào)波形的各種時(shí)域統(tǒng)計(jì)參數(shù),判斷出當(dāng)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(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)比起溫度測(cè)量、油樣分析和聲發(fā)射等技術(shù),可以更早、更準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)故障。

由振動(dòng)波形圖可以看出,動(dòng)車組正常運(yùn)行過(guò)程中,正常振動(dòng)波形趨于平穩(wěn)。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí),振動(dòng)信號(hào)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(dòng)幅值會(huì)遠(yuǎn)高于正常振動(dòng)信號(hào),出現(xiàn)一個(gè)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(dòng)信號(hào)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(dòng)體損傷位置、軸的轉(zhuǎn)速。因此,軸承故障位置可以通過(guò)特征頻率計(jì)算公式得出,外圈故障特征頻率、內(nèi)圈故障特征頻率、滾動(dòng)體故障特征頻率和保持架故障特征頻率計(jì)算公式分別如公式(1)(2)(3)(4)所示。

式中·z為滾動(dòng)體數(shù)目(個(gè))﹔n為轉(zhuǎn)速(r●min-1)﹔α為滾動(dòng)體接觸角(o)﹔d為滾動(dòng)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(yīng)用

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

3.1時(shí)域分析

時(shí)域分析是在時(shí)間域上對(duì)信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,通過(guò)觀察信號(hào)的概率分布特征來(lái)診斷軸承故障狀態(tài)。它根據(jù)信號(hào)的時(shí)間歷程繪制波形,獲得軸承運(yùn)行的特征參數(shù)。主要指標(biāo)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(yīng)用比較廣泛。時(shí)域分析不能準(zhǔn)確確定故障的部位,須結(jié)合其他方法進(jìn)行精確診斷。

3.2小波分析

小波分析用某小波函數(shù)族來(lái)表示觀測(cè)信號(hào),它能實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的整體和局部分析,符合對(duì)非平穩(wěn)信號(hào)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(shè)w(1)為平方可積函數(shù),即w(1)∈L2(R),若其傅里葉變換w(o)滿足條件小波函數(shù)的可容許條件,即公式(5)所示,則w(1)為一個(gè)基本小波。將基本小波w(1)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(1)的連續(xù)小波變換為w7x(a,b),即公式(7)所示。

3.3故障診斷方法應(yīng)用

下面以CRH380A動(dòng)車組的軸箱軸承外圈點(diǎn)蝕為例,說(shuō)明故障診斷方法的應(yīng)用。該車采用NTN公司生產(chǎn)的2E-CRI-2677T2LLxCs770Px1/L552s17型號(hào)雙列圓錐滾子軸承,軸承表面采用淬火鋼,車軸材料為30NiCrMoV12,軸承內(nèi)外圈材料為GCr15,滾動(dòng)體材料為GCr15,保持架材料為低碳鋼。該動(dòng)車組軸箱軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

通過(guò)加速度傳感器采集軸承振動(dòng)信號(hào),時(shí)域分析選取2015個(gè)采樣點(diǎn),計(jì)算得出:軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為31.24Hz,外圈的故障特征頻率為109.17Hz。時(shí)域參數(shù)選擇峰值和峭度值,正常軸承信號(hào)時(shí)域波形如圖2所示,軸承外圈故障信號(hào)時(shí)域波形如圖3所示。

與圖2對(duì)比,圖3波形幅值明顯變大,說(shuō)明外圈發(fā)生點(diǎn)蝕故障?？紤]可能存在噪聲疊加的原因,僅僅依據(jù)波形幅值變大,無(wú)法科學(xué)準(zhǔn)確地獲取故障信息,需要進(jìn)一步結(jié)合小波分析方法。

圖2 正常軸承信號(hào)時(shí)域波形圖

圖3 軸承外圈故障信號(hào)時(shí)域波形圖

首先,分解振動(dòng)信號(hào)為d1~d4的4層細(xì)節(jié)信號(hào),做出4層小波分解譜圖,如圖4所示:然后對(duì)d1層細(xì)節(jié)信號(hào)進(jìn)行Hilbert包絡(luò)分析,得出包絡(luò)譜圖,如圖5所示:最后從外圈d1層細(xì)節(jié)信號(hào)的包絡(luò)譜圖得出頻率109.3Hz,利用上述計(jì)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(diǎn)蝕故障。

4結(jié)論

動(dòng)車組系統(tǒng)龐大、運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜,軸箱軸承又是動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵部件,其健康監(jiān)測(cè)與故障診斷對(duì)于動(dòng)車組安全運(yùn)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(guān)鍵,由于振動(dòng)信號(hào)比溫度信息更敏感,應(yīng)用可靠性較高,結(jié)合軸箱軸承外圈點(diǎn)蝕故障案例分析,得出以下結(jié)論:

(1)軸承振動(dòng)信號(hào)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(dòng)噪聲后,充分顯現(xiàn)故障引起的振動(dòng)信號(hào),進(jìn)行特征提取、狀態(tài)識(shí)別、故障分析和決策干預(yù)。

(2)時(shí)域分析法只能判斷出故障發(fā)生的必要條件,即時(shí)域波形幅度改變,但無(wú)法對(duì)故障進(jìn)行準(zhǔn)確定位,而小波分析法從包絡(luò)譜圖中直接看出故障特征頻率,且與理論計(jì)算吻合。在實(shí)際軸箱軸承故障診斷的過(guò)程中,可將時(shí)域分析與小波分析綜合使用,以提高故障診斷的準(zhǔn)確性與實(shí)時(shí)性。