地鐵牽引電機滾動軸承保持架故障識別技術研究

梅 濤 黃宏臣

（中車株洲電機有限公司,湖南 株洲 412000）

1 引言

滾動軸承一般由內圈、外圈、滾動體和保持架4個部件以及潤滑劑組成[1]。保持架，通常又稱保持器和隔離器，將軸承中的滾動體均勻地分布在整個軸承內，具有引導滾動體運動、優化載荷分布、改善軸承內部潤滑條件和降低噪聲的作用，還能減小軸承的摩擦力矩和因摩擦產生的熱量，在無載區引導滾動體，以改善滾動條件和防止出現損壞性的滑動。

在軌道交通領域，滾動軸承是車輛走行部的核心，其中牽引電機是動力心臟，軸承質量決定車輛運行狀態。在國內，機車走行部滾動軸承常采用均方根值（RMS）和峭度系數（Kv）相結合的方式判斷軸承運行狀態。該方法對于疲勞失效類的剝離可以有效識別，對于保持架故障難以識別，對于地鐵牽引電機軸承保持架故障不具有借鑒意義。因此，本文提出基于共振解調方法的地鐵牽引電機軸承保持架故障診斷方法。

2 滾動軸承保持架振動特性和故障識別的難點

保持架主要有金屬沖壓保持架、機削金屬保持架以及聚合塑料保持架三大類，圖1為不同材質的保持架示例。鋼制沖壓保持架重量輕、強度比較高，能在軸承內提供充足的空間，以充分發揮潤滑劑的效用；銅合金保持架具有很好的強度，可以承受更高的轉速；聚合塑料保持架密度小、轉動慣性小，低速運行時噪聲小，同時兼具高強度和高彈性的優點，聚合塑料與鋼球之間摩擦小，具有良好的滑動特性。

圖1 不同材質保持架

在軸承運轉過程中，保持架受溫度、載荷及振動的影響會發生徑向彈性變形，外圈凸緣內徑面約束保持架運動，使其保持相對穩定的運行姿態，正常情況下保持架引導面與外圈凸緣內徑面部分接觸[2]，因此，滾動軸承保持架具有非線性受力、非平穩振動、無明顯沖擊特性的運行特征。

當軸承外圈、內圈及滾動體出現局部故障和缺陷時，會發生較為明顯的周期性撞擊，形成一系列非常明顯的沖擊振動，可以有效識別故障部位和嚴重程度。而保持架出現故障和缺陷一般不會引起設備明顯的振動和噪聲變化。在保持架發生早期故障時，雖然會出現高頻加速度變化，但對振動值及波動影響很小，在進行頻譜分析時，保持架故障特征頻率通常難以獲取，在頻譜圖上僅能發現存在一些異常的高頻的譜峰，且幅值很小，無法識別保持架故障。在保持架故障晚期，振動值和波動也不會出現明顯增大，常規方法也難以獲得保持架故障頻率特征，僅會出現較為明顯的2倍轉頻[3]。在實際運用過程中，保持架的失效一般會造成設備的故障突發與惡劣后果，因此，對保持架進行故障診斷研究具有重大意義。

3 共振解調技術

當機械受到外力作用時，將一邊自由振動一邊儲存能量，外力撤除后，儲存的能量就會以自由衰減的方式釋放。對于滾動軸承而言，出現局部損傷時，各部件之間會發生撞擊，從而產生能量集中的沖擊脈沖力，自由衰減的振動，便會產生一種壓縮波或應力波。因此，可利用沖擊脈沖力的寬頻帶特性，與設備元件、傳感器等各元器件的固有頻率產生共振，利用中心頻率等于該固有頻率的帶通濾波器將該固有頻率分離出來，然后通過包絡檢波器去除高頻衰減振動的頻率成分，得到只包含故障特征信息的低頻包絡信號，通過對低頻包絡信號進行分析即可診斷出故障。該方法稱為共振解調（計算過程見圖2），對于滾動軸承早期故障診斷具有良好的效果。

圖2 共振解調計算過程

共振解調波與故障沖擊波存在一一對應的關系，即有故障才會出現相應的頻譜圖。當選取相同的共振頻帶、采用相同的濾波器及階數進行處理時，共振解調的幅值與故障沖擊強度成正比，因此，可以較好地用來衡量故障的程度。由于共振解調技術采用高通濾波，引起傳感器廣義共振過濾掉低頻信號，使共振解調波具有良好的信噪比。可以利用保持架與滾動體之間的異常摩擦產生的沖擊脈沖，利用特定的高頻段激起設備的固有頻率，可以有效地識別出保持架故障。

4 地鐵牽引電機軸承診斷實例

4.1 電機振動檢測與分析

國內某地鐵車輛某車廂電機在運行過程中發生異響，對該車廂的4臺牽引電機的軸承進行振動檢測，采用外接變頻器的方式將電機控制在1 500 r/min勻速運行，將振動加速度傳感器固定在端蓋的垂直下方采集振動信號，發現存在異響的第二位電機振動信號中存在較為明顯的異常波形（見圖3、圖4），其余三位電機較為正常。

圖3 第二位電機傳動端軸承時域圖

圖4 第二位電機非傳動端軸承時域圖

對兩端振動信號均方根值RMS和峭度系數Kv統計如表1所示。第二位電機的傳動端峭度系數Kv為5.34，均方根值RMS相對于其他軸位電機無明顯差異；非傳動端端的均方根值RMS為3.00，相對偏大，峭度系數Kv則無明顯差異。電機1500r/min運行時軸承故障頻率如表2所示。

表1 電機軸承統計分析

表2 電機1 500 r/min運行時軸承故障頻率（單位：Hz）

從圖5、圖6可以看出，在第二位電機傳動端和非傳動端均出現明顯的軸承保持架故障頻率10.5 Hz、2倍頻21 Hz及3倍頻31.5 Hz，但是，傳動端的幅值要明顯高于非傳動端，振動信號和特征可能是由傳動端軸承傳遞至非傳動端。

圖5 第二位電機傳動端軸承頻域圖

圖6 第二位電機非傳動端軸承頻域圖

4.2 軸承拆解與分析

4.2.1 軸承拆解現象

對第二位電機軸承進行拆解后，電機非傳動端軸承未見任何異常，而傳動端圓柱滾子軸承的保持架的中間黃銅隔擋外徑部位出現明顯的卷邊變形，隔擋中間位置出現疑似擦傷，保持架兩側也存在異常摩擦的現象，如圖7所示。

圖7 傳動端軸承保持架狀態

對滾動體和軸承內圈滾道面進行輪廓檢測，發現滾動體、軸承內圈表面Pt值如圖8（a）、（b）所示，可以看出滾動體和軸承內圈滾道面存在較為明顯的異常磨損。

圖8 軸承滾動體表面輪廓檢測

4.2.2 保持架分析

保持架不直接承受載荷，其運動需要其他部件引導。保持架受力主要包括：引導套圈對保持架的作用力（FCF、MCF）、滾動體對保持架的作用力（FCP、fCP）、潤滑脂對保持架的作用力（FCL、MCL）以及離心力（FUB），如圖9所示[4]。

圖9 保持架受力分析

該電機傳動端采用圓柱滾子軸承，通過分析軸承保持架和滾動體狀態，結合現場的運行現象，可以推斷出滾動體在保持架內出現非正常運行，導致多個滾子發生徑向竄動，進而導致滾動體與保持架、套圈擋邊之間的異常沖擊。如果保持架的竄動幅度大于保持架與外環擋邊的間隙，將發生保持架與套圈之間的異常碰撞。保持架本身旋轉的慣性參與對外環的相互作用，會破壞軸承保持架的受力平衡而導致異常沖擊和振動[5]，迫使滾子端面碰磨外圈擋邊內側。雖然軸承中的潤滑脂的阻尼作用消耗了一定的能量，使振蕩頻率下降，但是當潤滑脂量不足時，保持架與滾動體之間出現干摩擦，將導致滾動體原有的運轉規律發生急劇變化，使得保持架渦動以及喘動，從而進一步導致保持架發生更大的變形，致使軸承與保持架在運轉過程中發生刮擦，從而產生磨損。

同時，輪與軌道之間產生的沖擊和振動通過齒輪箱的齒輪嚙合傳遞到電機上，使軸承承受軸向力，傳動端圓柱滾子軸承出現軸向偏擺，從而軸承內外環的振動容易通過擋邊與保持架定位面傳遞到保持架。當軸承保持架變形、異常摩擦時，在某些條件下，保持架可能受到外圈檔邊的激勵產生的低阻尼振動。該振動與外圈檔邊的振動相位相反，會引起相互撞擊，可能引發保持架疲勞斷裂。

以上兩個因素綜合作用，會導致軸承滾柱與保持架在運行過程中產生異常摩擦，引起軸承溫度升高。當溫度升高時，保持架引導面與外圈擋邊內徑面之間的間隙減小，保持架引導面與外圈擋邊內徑面的接觸面積增大甚至全接觸[6]，從而產生更大的摩擦，導致軸承溫度進一步升高。而軸承滾柱與保持架摩擦產生的異物也會進一步影響軸承的運行狀態，最終可能會導致軸承失效。

4.3 軸承保持架破損原因

導致該電機傳動端圓柱滾子軸承保持架異常磨損的可能原因有以下4個方面。

（1）安裝不當：圓柱滾子軸承對于電機的同軸度要求更高，出現軸承安裝不當時，會出現圓柱滾子軸承滾動體與保持架之間的異常磨損。

（2）潤滑不良：電機長時間放置，潤滑脂基礎油流失，潤滑性能下降，并且在維護保養的時候沒有按時按量補充潤滑脂，這是電機故障中最為常見的故障；電機溫度偏高，潤滑脂消耗量增大，同時電機運用方未完全掌握電機的使用工況，未能按要求補充潤滑脂。

（3）異常沖擊：地鐵車輛過岔道或者小彎道時，軸承遭受異常振動和沖擊，導致滾動體對保持架的撞擊。

（4）異物入侵：電機裝配、使用過程以及后期維護過程中，砂礫、鐵屑等硬度高的異物進入，導致滾動體與保持架的摩擦，從而使保持架損壞。

通過對電機的制造、運維進行綜合分析后可判斷：電機運行6年，因此，可排除因安裝不當導致的軸承故障；傳動端軸承保持架出現摩擦痕跡，可能是由于后期運用過程油脂未及時按量補充，導致軸承運行過程中潤滑脂產生的基油不足，滾子表面油膜不良，滾子對軸承保持架產生異常沖擊，從而導致軸承保持架異常磨損。

5 結論

滾動軸承保持架具有非線性受力、非平穩振動以及無明顯沖擊特性，并且頻譜分析時故障特征難以提取。通過采用共振解調方法，保持架故障產生的特定頻率使檢測設備中的元器件產生共振，進而信號加強，然后進行包絡解調，將高頻信號變換到低頻信號再進行FFT快速傅立葉變換，可得到明顯的保持架故障頻率及其倍頻。本研究證明共振解調方法可以有效識別出地鐵牽引電機滾動軸承保持架故障，保障地鐵牽引電機在線安全運營，同時指導地鐵牽引電機的后期運維。