基于加速度包絡解調的地鐵牽引電機軸承故障診斷技術

王 強

（中車株洲電機有限公司營銷與項目中心,湖南 株洲 412000）

中國經濟持續高速發展，帶來了城市的快速擴張，地鐵已經成為各大中城市最重要的交通方式。目前，全國已經有33個城市開通地鐵，其中上海開通運行670 km，北京日均客運量1 148萬[1]。地鐵車輛裝備的設計、制造、營運、維修備受各方關注。牽引電機作為軌道車輛的核心部件，決定了車輛服役質量，對牽引電機軸承進行服役狀態檢測與早期故障診斷識別具有重大的意義[2]，但是，目前傳統方式僅能發現晚期非常嚴重的軸承故障，存在很大風險隱患，因此，迫切需要一種有效的手段和方法，檢測和識別出早期缺陷的軸承，避免出現重大的線路故障。

本文提出了一種適應于地鐵動力分散的牽引電機滾動軸承在線振動檢測和故障識別的方法，能夠有效識別出存在隱患的缺陷軸承。

1 地鐵牽引電機軸承檢測現狀

地鐵牽引電機滾動軸承狀態識別目前主要有兩種方法，一種是利用電機低速運行時的聲音判斷軸承狀態，另外一種就是使用SPM設備檢測軸承狀態。

1.1 聲音判斷

在地鐵牽引電機領域中，長期以來都是憑借人耳并輔以聽診器根據電機在低速下運行的聲音品質判斷軸承運行狀態，SKF的TMST 3是常見的聽診器，該型聽診器可去除部分干擾噪聲信號，比依靠人耳朵直接聽聲音效果更明顯。但是，也存在明顯的局限性，取決于現場環境和個人的經驗。對于存在較為明顯的晚期故障可以有效識別，但是對于早期的微弱缺陷容易出現漏判。

1.2 沖擊脈沖法SPM

沖擊脈沖法SPM是20世紀60年代末出現的一種滾動軸承診斷方法，對于疲勞失效、摩擦失效等局部損傷故障具有很好的效果。在廣州、深圳、上海等地鐵公司也有使用該設備，通過踏面鏇輪機或者外部小輪驅動輪對（見圖1），最終帶動牽引電機穩定在要求轉速。但是在實際應用中只能檢測出晚期故障，對于中早期的故障識別效果不佳，可能是由于以下兩個方面導致：（1）微弱的缺陷沖擊信號中常常被齒輪嚙合沖擊、聯軸節不對中等原因導致的干擾信號所掩蓋；（2）傳感器檢測位置離軸承較遠，沖擊信號衰減嚴重，導致檢測到的沖擊波形很微弱而被噪聲信號所掩蓋。

圖1 鏇輪機驅動

2 加速度包絡解調技術

地鐵牽引電機采用聯軸節與齒輪箱連接，因此，牽引電機滾動軸承早期微弱損傷信號常容易被相鄰齒輪箱的沖擊、聯軸節不平衡、不對中等噪聲信號所干擾。加速度包絡解調是一種能夠有效提取出早期缺陷故障所引起的微弱故障特征的方法，該方法可將微弱的低頻信號轉換至高頻共振波形后進行包絡、檢波、低通濾波，最后獲得一個與高頻信號相對應的明顯低頻特征頻率及其諧波波形[3]（見圖2）。

圖2 加速度包絡解調方法

包絡解調的實質是對濾波后的高頻沖擊信號進行平方處理，如果設置一個高通濾波器門檻值為高于某頻率的50倍才能通過，根據三角函數積化和差公式，將系列倍頻函數平方之后，得到相加、減兩部分的函數[3]。

對信號進行頻譜轉換時，可忽略α+β部分，只對α-β部分進行分析。將上述公式進一步計算，可得到以下兩組數據：

由上述可知，通過對振動信號進行平方后，成功地將高頻信號轉化至低頻區間分析，得到明顯的缺陷特征及其倍頻諧波，因此，這種技術能夠檢測到很微弱的缺陷沖擊信號[4]。

3 試驗臺單電機軸承檢測

對因為運輸不當導致軸承異響返廠的電機，在200 rpm轉速下，傳動端軸承振動加速度信號中存在不太明顯的沖擊波形（見圖3），FFT頻譜圖中出現軸承外圈缺陷頻率25.5 Hz及其倍頻51.1 Hz（見圖4），但是加速度包絡解調頻譜圖存在明顯的軸承外圈故障頻率25.3 Hz、2倍50.56 Hz、3倍76.04 Hz及更高倍的頻率（見表1、圖5）。拆開發現軸承外圈滾道面存在等間距壓痕（見圖6）。

表1 軸承故障頻率（Hz）

圖3 時域波形

圖4 FFT變換

圖5 加速度包絡頻譜圖

圖6 軸承外圈承載區

圖7 電纜進入車體

4 牽引電機軸承在線振動檢測

4.1 檢測實施方案

地鐵車輛動力分散，6個車廂中4個車廂提供動力，不能實現單電機的控制，因此，32個傳感器如圖7方式（保證不掉落）固定在每一臺電機兩端端蓋垂直下方，布線最終通過最近的車門進入車廂，在地鐵試車線上，車輛勻速運行過程中一次性采集16臺電機兩端軸承振動加速度信號。

4.2 車輛運行方式的影響研究

使牽引電機運轉并且保持在穩定的速度，目前有以下兩種方式：方案一為使用外部的工程車牽引檢測車輛，牽引電機不提供動力檢測車輛升弓；方案二為牽引電機自身提供動力。

同一臺電機分別進行兩種不同的兩種牽引方式兩端軸承振動加速度信號，如表2所示，方案一的振動加速度包絡總值要明顯大于方案二。

對電機非傳動端振動加速度信號進行頻譜分析可知，方案一加速度包絡頻譜圖縱坐標的幅值要明顯大于方案二（見圖8、圖9），且方案一的包絡頻譜圖中出現軸承外圈的故障頻率14.25 Hz，而方案二的頻譜圖中未發現任何軸承缺陷頻率。

表2 加速度包絡總值（gE）

表3 軸承故障頻率（Hz）

圖8 方案一振動加速度包絡頻譜圖

圖9 方案二振動加速度包絡頻譜圖

方案一中振動信號主要來源于軸承，而方案二中，牽引電機處于通電狀態，低轉速、高扭矩的輸出動力，電機本體和軸承自身產生很大的周期性振動信號，噪聲明顯，會干擾甚至會導致對軸承狀態的誤判。

4.3 故障電機檢測

4.3.1 故障電機軸承檢測分析

對出現異響的牽引電機按照上述的方法進行在線檢測，保持電機速度在200 rpm，檢測振動加速度信號。首先，采用上述方案一，進行加速度包絡解調得到圖10，低頻段出現明顯的外圈缺陷頻率的14.25 Hz、2倍28.5 Hz、3倍以42.75 Hz及4倍57.25 Hz。而方案二加速度包絡總值達到1.303 gE，進行FFT變換后得到圖11，在低頻段未發現明顯的軸承故障頻率，但是在150～350 Hz之間，存在明顯的14.25 Hz等間距的外圈故障頻率特性，軸承可能存在故障。

圖10 加速度包絡頻譜圖

圖11 FFT頻譜圖

4.3.2 軸承拆解驗證

拆解該電機軸承，發現軸承外圈承載區存在明顯的因為硬物而導致的滾道面偽布氏壓痕，屬于明顯的軸承外圈（見圖12）滾道面失效，與加速度包絡解調頻譜圖的結果一致。

圖12 軸承外圈

5 結語

在單電機試驗中，加速度包絡解調方法能夠比FFT更準確地識別出微弱的軸承偽布氏壓痕缺陷。在復雜信號中的在線檢測中，通過對比牽引電機自身提供動力和牽引電機不通電兩種方式，對于存在明顯故障的軸承都能準確識別出來，但是，通電狀態導致噪聲干擾大，均準確識別出軸承故障，工程車牽引檢測車輛的方式檢測的干擾信號少，因此，加速度包絡頻譜圖故障頻譜更明顯。