關于地鐵車輛轉向架軸承故障診斷策略

張競

摘要：地鐵轉向架軸承的意外故障可能導致生產停工，昂貴的維修費用和安全問題。電動機通常用于旋轉機械，并且對其操作至關重要。因此，電動機的故障檢測和診斷在提高其可靠性和操作安全性方面起著非常重要的作用，對于安全關鍵應用尤其如此。該研究旨在開發一種故障檢測和診斷（FDD）策略，用于在開始時檢測地鐵車輛轉向架軸承故障。本文考慮了兩種涉及小波和狀態估計的FDD策略。這些故障是在永磁無刷直流電機（PMBLDC）上進行物理模擬的。實驗結果表明，所提出的故障檢測和診斷方案在檢測電動機軸承和繞組故障方面非常有效。

關鍵詞：地鐵車輛；轉向架軸承；故障診斷

1.地鐵車輛轉向架軸承故障診斷的作用

地鐵車輛轉向架軸承在涉及高溫和過載的不利環境中運行。這些應力與零件老化可能導致電機故障。一旦發生故障，通常會導致生產力下降，停機時間和昂貴的維修費用。因此，地鐵車輛轉向架軸承故障檢測和診斷的狀態監測具有很大的價值，并且在過去幾年中受到了很多關注。

故障檢測和診斷（FDD）是監控設備狀況以查找故障或惡化跡象的過程，以便可以執行維護或修理以防止系統故障。儀器儀表是FDD的重要考慮因素。理想情況下，該方案應最大限度地減少對額外傳感器的需求并使用現有信號。此外，它需要避免誤報，可靠并及時提供早期故障的明確指示。在這項研究中，在永磁同步電動機上開發并實施了兩種FDD方法。為了證明它們的有效性，通過物理模擬永磁無刷直流電動機的故障條件來驗證FDD方法。

2.地鐵車輛轉向架軸承故障診斷常用設備

2.1永磁無刷直流電動機

永磁無刷直流電動機（BLDC）廣泛用于地鐵車輛轉向架軸承故障。BLDC電動機通常包括具有三相電樞繞組的定子和具有永磁體的轉子。在BLDC電機中，通過使用耦合到來自霍爾傳感器的轉子位置的反饋的功率電子器件來實現換向。與傳統的有刷直流電動機相比，BLDC沒有機械換向器，它具有表面磨損和電弧。BLDC電機轉子上的稀土磁鐵產生恒定磁場，從而實現高效率和高功率因數。BLDC電機的高扭矩重量比使其非常適用于電動汽車等應用。與直流電機和感應電機相比，BLDC電機具有許多優點，例如：更好的速度與轉矩特性；高動態響應；效率高；使用壽命長；無噪音操作。

根據轉子永磁體的位置和方向，BLDC電機可分為表面安裝或內部安裝。在定子繞組的情況下，BLDC可以基于其反電動勢（反電動勢）波形的形狀分類為梯形或正弦曲線。除了反電動勢之外，相電流還具有相應的梯形或正弦變化。具有正弦backEMF的那個也稱為永磁同步電動機（PMSM）。對于PMSM，通過磁體的旋轉在每個相繞組中產生的反電動勢也是正弦的。

2.2軸承基礎

地鐵車輛中的大多數旋轉軸使用滾動軸承。為了確保這些軸承的有效性和堅固性，它們在各種極端苛刻條件下的性能得到了廣泛的研究。

雖然市場上有各種各樣的滾動軸承，但它們相關的故障檢測方法是類似的。因此，本研究選擇了最常用的軸承之一——單列深溝球軸承。這些軸承有一排滾珠（稱為單排），圍繞滾珠軌道旋轉，如圖2所示。這些軸承由內圈、外圈、滾動元件（滾珠）和籠子（固定器）組成。內圈在其外徑上有一個凹槽，具有光滑的精加工表面和極其嚴格的公差，以形成滾珠的路徑。內圈安裝在電機軸上，并與軸一起以相同的速度旋轉。外圈與內圈相對應，內徑有凹槽，精度高。外環放置在電動機殼體上的殼體中，因此相對于電動機保持靜止。滾球位于內圈和外圈之間。這些球的直徑略小于帶槽球軌道，這使得它們可以在一個點上接觸環。這種接觸使軸承能夠以最小的摩擦力旋轉。為了實現點接觸，公差嚴格控制在微英寸水平，以及球和環的尺寸。

3.地鐵車輛轉向架軸承故障診斷策略

3.1機械故障

地鐵車輛轉向架軸承的機械故障大致可分為兩類：軸承故障和轉子故障。轉子故障通常是轉子斷條或偏心故障。根據工業調查，軸承故障引起的電機故障遠遠超過任何其他類型。因此，選擇軸承故障的檢測和診斷是本研究的主要焦點。電客車牽引電機異響故障如圖3所示：異響電機軸承與永濟電機廠技術人員一同對測量及拆解情況進行跟進。拆解兩個軸承過程中發現：非傳動端球軸承，軸承內圈約1/3軌道面有電蝕痕跡。軸承廠家初步分析現場異響為電蝕原因導致，目前永濟廠家現場對30列車進行初步普查，共發現59處異響情況，23處異響較嚴重。

軸承失效機理已經研究了近四十年。因此，軸承失效模式的理論基礎已被全面考慮。雖然存在基于不同測量源的監測技術，例如聲發射（AE）和電動機電流特征分析（MCSA），但振動監測可能是最廣泛使用的方法。

電動機中的振動可以來自許多來源，包括軸承、電磁力、不平衡轉子等。每個都將在頻域中具有其自身的特征，其可以表現為離散頻帶。為了提取埋在來自機器的振動信號中的故障特征，通常使用先進的信號處理技術，其中包括振動數據的過濾和特征提取。

3.2電氣故障

對于BLDC電機，永磁體代替轉子繞組，因此電氣故障主要與定子相關。兩種主電源定子繞組故障是：（1）斷相故障；（2）短路轉彎或匝間絕緣故障。前者可以允許機器以減小的扭矩操作，而后者可以快速發展成絕緣故障和機器的完全故障。絕緣故障通常始于匝間短路，這會引起高電流和大量熱量，從而燒毀絕緣層。基于模型的方法是研究電動機短路故障的最常用技術之一。開發參數模型來模擬PMSM的操作條件。作為一種新穎性，該模型考慮了由于PM通量分布引起的反電動勢中空間諧波的變化。

4.結語

地鐵車輛轉向架的安全性對于地鐵安全運行起到了重要作用，因此必須對轉向架的故障進行及時有效的檢測，本文基于地鐵車輛轉向架的故障類型，提出了相應的檢測方法。

參考文獻

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（作者單位：南寧地鐵軌道交通集團有限公司運營分公司）