基于單個軸承動態故障診斷的軸承檢測應用研究

□ 梅榮海 □ 郭四洲 □ 閆曉凡

南車株洲電機有限公司 湖南株洲 412000

基于單個軸承動態故障診斷的軸承檢測應用研究

□ 梅榮海 □ 郭四洲 □ 閆曉凡

南車株洲電機有限公司 湖南株洲 412000

分析了基于單個軸承動態故障檢測平臺下的軸承檢測影響因素，提出故障判定方法，有效規避軸承檢測中的誤判與漏判，單個軸承故障診斷技術對軌道牽引電機檢修技術具有重要意義。

牽引電機 軸承檢測 故障判定 應用研究

隨著我國機車朝高速重載方向的發展，機車牽引電機中的軸承出現多種早期異常磨損及剝離的失效形式，給機車安全運行及軸承檢測技術帶來了全新課題［1］。

為嚴格監控檢修過程中的軸承質量狀況，規范檢測，提出了一種基于單個軸承動態故障診斷的軸承檢測技術，分析轉速、載荷、檢測位置等因素對軸承檢測的影響，通過振動值量化來分析評估軸承磨損狀況。

1 軸承故障狀態

電機軸承是支撐轉子與定子連接的關鍵部件，是實現定子和轉子穩定的、轉動靈活的機械連接［1-2］。牽引電機軸承通常配置2個軸承，即驅動端軸承和非驅動端軸承，驅動端軸承主要用于承載，一般采用單列圓柱滾子軸承；非驅動端軸承主要用于定位及承受軸向力，一般采用深溝球軸承或帶檔邊的圓柱滾子軸承。

典型的機車牽引電機驅動端軸承與非驅動端軸承，如圖1所示。牽引電機軸承的典型故障特征反映如下。

▲圖1 牽引電機軸承典型樣品

（1）滾子表面“啞鈴型”異常磨損狀態，滾子中部直徑小，兩端直徑大，如圖 2（a）所示。

（2）滾子、內圈及外圈的端部剝離及保持架兜孔崁有異物，如圖2（b）所示。

（3）保持架斷裂、滾子或滾珠非規則摩擦變形，軸承燒損，如圖2（c）所示。

▲圖2 牽引電機軸承典型故障特征

2 軸承檢測方法

為嚴格監控電機檢修過程中軸承質量狀況，改善早期檢修的局限性，提出一種基于單個軸承動態故障診斷的軸承檢測技術［3］。

2.1 早期軸承檢測的局限性

早期牽引電機軸承檢測方法主要采用電機旋轉時的電機振動、軸承異音、軸承游隙及軸承部件外觀檢查共4項技術指標［4］。

但是，上述4項技術指標在軸承檢測中具有一定的局限性：電機振動受電機組裝影響，無法判定振動來源為軸承本身問題還是裝配中問題；軸承異音受檢修技工技能水平影響，且為定性檢測，無法量化；軸承游隙為靜態檢測，受加載力及軸承磨損狀態影響，游隙檢測偏差較大；軸承內、外圈滾道表面的磨損情況，需對軸承拆套后再進行外觀檢查，如圖3所示。

2.2 軸承故障檢測技術

筆者研究基于單個軸承旋轉動態振動的檢測方法，檢測原理是：基于旋轉機械故障診斷技術、精密微沖擊傳感技術及計算機測控技術，對單個滾動軸承在旋轉工作下進行動態故障檢測。通過設置軸承故障檢測上限值，可自動檢測出軸承內圈滾道面、外圈滾道面、滾動體工作面等軸承組件的故障信息，如擦傷、裂紋、電蝕、剝離等［5］，檢測原理如圖4所示。

3 動態檢測的影響因素分析

通過系列的試驗驗證，軸承動態振動檢測結果主

要受軸承轉速、加載力、加載位置、潤滑介質量等因素影響。分析各因素與振動檢測值的關系，主要通過振動均方根值、峭度系數2項技術指標來評估軸承質量狀況。

▲圖3 軸承拆套的部件外觀檢查

▲圖4 單個軸承動態振動檢測原理圖

振動均方根值Xrms代表振動過程中所有合成振動的平均振動能量，單位為g（1g=9.8 m/s2）。

式中：X（t）為加速度振動幅值；T為時間周期。

峭度系數Kv反映被測振動系統工作表面缺陷處的沖擊脈沖，故障越大，沖擊響應幅值越大。

式中：P（X）為X（t）的導函數。

3.1 軸承轉速對振動的影響

設定載荷、加載位置、軸承潤滑不變，驗證轉速變化對軸承振動的影響，如圖5所示。

由圖5可知，在轉速200～800 r/min范圍內，振動均方根值隨轉速增加而增大，轉速大于800 r/min時，振動的均方根值處于平穩；而峭度系數受轉速影響小。

3.2 加載力的影響

設定轉速、潤滑及加載位置不變，驗證載荷變化對軸承振動的影響，如圖6所示。

由圖6可知，軸承加載力0.2～0.5 kN時，振動均方根值隨加載力增加而增大，載荷大于0.5 kN時，振動均方根值趨于穩定。當軸承出現故障、載荷高于1.5 kN時，將引起異常噪聲和振動。

3.3 加載位置的影響

軸承徑向加載力依次按照0°（外圈下方承載區中心處）、90°、180°、270°4個位置通過液壓缸加載在軸承外圈上，軸承內圈及滾子旋轉，如圖7所示。

加載位置對振動的影響如圖8所示，在0°位置處軸承振動均方根值最大，這與軸承外圈承載區磨損程度最大相符合，因此選擇0°位置為加載位置，以便甄別軸承磨損情況及評估軸承故障。

▲圖5 轉速對軸承振動檢測的影響

▲圖6 載荷對軸承振動檢測的影響

▲圖7 加載位置示意圖

▲圖8 加載位置對軸承振動檢測的影響

▲圖9 潤滑脂填充對軸承振動的影響

3.4 潤滑的影響

軸承旋轉時，軸承內部需要有潤滑介質，軸承潤滑方式及軸承潤滑介質填充量均對軸承振動檢測結果產生影響。軸承選擇油潤滑或

脂潤滑需與軸承實際運行工況相結合。

本文以6226軸承脂潤滑進行試驗驗證，分析潤滑脂填充量對軸承振動檢測的影響，如圖9所示。

由圖9可知，軸承初始填充潤滑脂，運行磨合2 min后振動均方根值穩定；再次對軸承注脂潤滑，重新運轉的軸承振動均方根值迅速降低，約5 min后振動均方根值和峭度系數重新恢復至注脂前水平。試驗初步表明，軸承潤滑脂初始填充對軸承振動有影響，但注脂后軸承穩定運行時對振動檢測結果影響較小。

3.5 檢測方法制定

基于上述各因素對軸承振動檢測的影響分析，實際檢測中需嚴格執行單個軸承動態檢測方法，規避各因素對軸承故障識別的影響，避免軸承故障漏判及誤判。

試驗以6226型深溝球軸承為例，規定適用該軸承的動態振動檢測參數，設置如下。

主軸轉速：800 r/min；加載力：1.5 kN；加載位置：軸承外圈承載區；軸承檢測注脂量：200 g/套。

4 檢測故障判定

對檢測影響因素的規定，是軸承故障判定的關鍵，也是進一步摸索適用于不同軸承故障檢測判定的標準。

4.1 基于振動能量的故障判定

振動能量判定方法主要是檢測和剖析軸承不同程度的磨損，掌握振動均方根值、峭度系數與軸承磨損的分布對應關系，制定上限值或檢測標準，監控軸承故障。

筆者以 6226型深溝球軸承為例，經過系列試驗，振動均方根值與軸承磨損狀況、峭度系數與軸承磨損狀況的分布關系如圖10、圖11所示。

▲圖10 均方根值與軸承磨損關系圖

▲圖11 峭度系數與軸承磨損關系圖

抽樣已檢測20套軸承，與軸承拆套檢測結果如下。

（1）振動均方根值≥6的10套軸承中，8套軸承滾道面發生剝離現象；而均方根值＜6的10套軸承中，有9套軸承滾道及滾動體磨損狀況良好。

（2）峭度系數≥5的6套軸承中出現不同程度磨損與剝離現象，而峭度系數＜5的14套軸承滾道面僅有輕微磨損。

為驗證振動檢測值上限值的準確性，以6032#電機的6226軸承為例，檢測出振動均方根值為12.018，峭度系數為12.52，拆套軸承發現外圈滾道面出現剝離現象，如圖12所示。

▲圖12 6032#電機6226軸承外圈滾道剝離現象

4.2 基于振動頻譜的故障判定

故障頻率判定方法是利用軸承組件（外圈、滾子、內圈及保持架）的自身頻率，識別各組件的故障情況。

以6032#電機6226型深溝球軸承為例，在800± 5%r/min轉速下運行，試驗可明顯識別軸承故障頻率為45 Hz，倍頻特征非常顯著。基于該頻譜可判定6226型深溝球軸承的外圈出現故障，如圖13所示。

▲圖13 6032#電機6226軸承外圈故障頻率

5 結束語

本文對牽引電機檢修的常規軸承檢測方法進行了分析，系列試驗驗證了軸承轉速、加載力、加載位置及軸承潤滑對軸承振動檢測的影響，提出一種基于單個軸承動態故障診斷的檢測技術和檢測方法的操作規范，規避各因素對軸承故障識別的影響，避免軸承故障

的漏判及誤判，在實際工程應用中，對軸承故障的嚴控起到良好效果。

單個軸承動態故障診斷對機車牽引電機裝配、檢修及在實際工況中的軸承運行進行監控具有良好的研究價值，為軸承在線監測技術提供了數據支撐，對高速、重載牽引技術具有重要意義。

［1］楊振中，梅榮海，阮鴻芳.機車牽引電動機油潤滑軸承失效分析與對策［J］.軸承，2014（1）:45-47.

［2］劉澤九.滾動軸承應用［M］.北京：機械工業出版社，2006.

［3］張弛哲.共振解調技術在牽引電機軸承故障診斷中的應用［D］.北京：北京交通大學，2011.

［4］池田伸一，尚擁軍.牽引電機不解體檢修方法的研究［J］.電力機車技術，1997（3）：46-48.

（編輯 平 平）

TH186；U26

A

1000-4998（2015）06-0082-04

2015年4月