城軌車輛齒輪箱軸承保持架故障的診斷與對策

廖 云，黃貴發，李 輝，唐德堯

(北京唐智科技發展有限公司，北京 100097)

一、引言

城軌交通車輛齒輪箱軸承多發保持架故障，主要表現是：保持架端圈斷裂、窗梁斷裂、軸承滾子亂序、軸承超溫等。

齒輪箱軸承多發保持架破損，主要原因是濺油潤滑方式導致軸承保持架運轉時阻尼低，容易受外沖擊激發振蕩沖擊導致保持架疲勞斷裂。采用共振解調、轉速跟蹤主動診斷技術識別保持架故障，可實現故障的早期預警，為車輛安全運營提供保障。

二、共振解調、轉速跟蹤主動診斷技術的應用

1.共振解調技術的特點

共振解調技術是一種用于檢測機械設備故障的信號變換技術，與其他常規振動檢測技術相比，特別適合監測機械設備的早期故障所發生的沖擊信息，利用共振解調技術處理振動沖擊信號可達到剔除常規振動和提取故障沖擊的目的。

轉速跟蹤技術是一種變速機械的轉速相位跟蹤采樣技術，可實現非周期信息的周期變換，從而可以沿用FFT技術成功實現故障分析。圖1為共振解調與轉速跟蹤技術的信號變換過程分析，將傳感器輸出的機械振動沖擊信號，用帶有廣義共振機制的振動、沖擊、溫度復合傳感器接收，其振動和沖擊廣義共振信息經過電子變換技術，剔除其他機械振動或干擾，解調出傳感器信號中的機械沖擊激發的廣義共振信號，從而實現在車輛強烈的機械振動干擾和電磁干擾中微弱故障信息的提取。在故障信號處理的AD采樣過程中，實時獲取車輪轉速，轉速相位跟蹤采樣將模擬信號變換為數字信號，進而對共振解調波的頻譜作FFT分析，確認故障類別和級別。

圖1 共振解調與轉速跟蹤技術

共振解調、轉速跟蹤主動診斷技術的優越性在于可實現保持架宏觀破損的預知。為故障早期預警和設備性能評估提供了有效的技術手段。

2.基于共振解調的外孤譜識別技術

某些保持架初期運行時，可能有一些失落的銅渣和軸承損傷的失落物進入滾道，不穩定地短時粘附于外環，在滾子通過時引起基本頻率(等于外環故障頻率)的沖擊，但因為不是固定的外環故障，故只有幾乎孤立的1階突出譜線，稱為“外孤譜”。

北京地鐵2號線某車利用“外孤譜”識別技術，在列車上的走行部安裝了車載故障診斷系統，一次當它發出齒輪箱小軸軸承保持架報警時，經拆解發現小軸外側圓柱滾子軸承保持架斷裂成四塊。由此可以證實此種診斷技術的有效性。

三、利用共振解調檢測分析保持架破損的內因

1.保持架有變形的無油軸承檢測試驗分析

在單個軸承檢測機上對保持架變形的無油軸承作檢測試驗，發現有明顯的外環多階譜或外孤譜，時而還有滾單(滾子端面)譜，如圖2、3所示。

圖2 變形保持架軸承的外孤譜有保持架調制譜和邊頻譜

圖3 變形保持架軸承的滾單譜有保持架調制譜和邊頻譜

這是由于保持架變形，使得滾子在保持架中，至少有2個(單向的)甚至(嚴重時發生)4個(雙向的)發生軸向竄動。該竄動被外環的檔邊限位，造成保持架運轉一周有2個(甚至4個)滾子相繼以不同的力度刮碰沖擊外環擋邊內側突出點，從而形成2個(甚至4個)滾子沖擊外環的脈沖群。所以，外環脈沖有均布的2次(甚至4次)調幅，其外環主頻譜出現保持架2階(甚至4階)的邊頻，還出現保持架2階(甚至4階)調制譜。若滾子端面有突出點，則還出現滾單(端面)沖擊譜。

2.保持架破損內因

無油軸承在單個軸承檢測機上容易出現上述信息是由于沒有油膜掩蓋，外環擋邊內側的微小突出點或滾子端面突出點高度大于油膜厚度而完全暴露，加之沒有阻尼，故障沖擊強，噪聲大。有油(特 別是油脂)的軸承在單個軸承檢測機上不易出現上述信息的原因是外環擋邊內側的微小突出點或滾子端面微小突出點被油膜掩蓋，滾子端面和外環擋邊之間存在油膜阻尼，故沖擊微弱，噪聲小。

因此，無油或濺油潤滑軸承因缺乏阻尼或阻尼低，在隨機擾動激勵下將引起無油振蕩跳躍沖擊，沖擊的形式有徑向沖擊和偏擺式的軸向沖擊。造成城軌車輛軸承受到隨機擾動甚至沖擊的因素有：軌道接縫沖擊、蛇行沖擊、踏面故障沖擊、強烈的波磨沖擊等，而這些沖擊都是無法避免的，經常存在的甚至是周而復始地頻繁發生的，這是軌道交通所用軸承的工作環境與固定機械軸承的工作環境之顯著區別。濺油潤滑軸承也許可以在固定的或在沒有沖擊擾動的飛行器、船艦等機械中正常工作，卻不適宜在軌道交通裝備上工作。

無油或濺油潤滑軸承在靜態下由于自重，保持架與外環擋邊接觸。當不動的外環原邊受到沖擊時，與其接觸的保持架將發生跳躍，如果跳躍幅度試圖大于保持架與外環擋邊的間隙，便與對邊發生沖擊而反彈過來，在原邊和對邊之間形成周而復始的彈跳、振蕩、沖擊。如果跳躍的幅度小于間隙，則發生跌落到原邊的沖擊，沖擊頻率約減半。如圖4所示。

圖4 無油軸承徑向跳躍沖擊和軸向偏擺式沖擊

由于保持架彈跳到接觸擋邊時，保持架本身旋轉的慣性力必然參與對外環的相互作用，增強沖擊的力度，從而增加了彈跳振蕩的能量、強度和持續時間。由于該振蕩不可能僅僅是徑向的，而是還存在軸向偏擺，于是迫使滾子端面碰磨外環擋邊的內側。如果軸承中存在油脂，則其阻尼作用消耗了能量，便能使振蕩頻率下降，使振蕩迅速衰減。

某些城軌車輛走行部齒輪箱軸承使用濺油潤滑軸承，油膜很薄，阻尼不足，當齒輪嚙合振動傳遞到軸承內外環時，軸承內外環的振動容易通過檔邊與保持架“定位面”傳遞到保持架，特別是存在抖動時。在齒輪嚙合頻率高于保持架共振頻率時，低共振頻率的保持架受到(例如外環)檔邊的激勵產生的低阻尼振動，與(外環)檔邊的振動相位相反，引起相互撞擊，也是造成保持架疲勞斷裂的因素之一，如圖5所示。

圖5 保持架與外環相互撞擊造成疲勞斷裂

圖示樣本的檢測跨距約27m。在檢測此樣本前4m的一次軌縫沖擊引起了536號譜線、128Hz的沖擊，在本樣本結束前6m的軌縫沖擊引起了275譜線、65Hz的沖擊；這些沖擊不屬于任何軸承、踏面、齒輪滾動工作面的故障沖擊，而是軌縫沖擊車輪的外因引發的保持架振蕩、沖擊單邊的沖擊頻譜。

究其原因，仍然是因為該保持架外定位面與外環擋邊之間的間隙太小，加之使用了“濺油潤滑”方式，使得軸承保持架與外環擋邊之間缺油而對它們相對運動的阻尼不足，更加劇了保持架相對外環擋邊的振動強度和產生的相互沖擊強度和頻度，從而加速了保持架的破碎。

四、結論

軌道交通車輛軸承受到隨機擾動、沖擊是不可避免的，根據上述的機理分析，只有增加保持架與外環擋邊相對運動的阻尼，才有可能防止保持架與外環相互撞擊而造成保持架疲勞斷裂。所以，城軌車輛走行部的軸承宜使用油脂潤滑，而不宜使用濺油潤滑。

[1]唐德堯.廣義共振、共振解調故障診斷與安全工程—鐵路篇[M].北京：中國鐵道出版社，2006.

[2] 唐德堯等.識別軸承保持架故障的共振解調外孤譜診斷技術[J].中國設備工程，2009.