城軌車輛轉(zhuǎn)向架軸承的故障分析及對策研究

哈彥梅 胡學(xué)海

（四川鐵道職業(yè)學(xué)院，四川成都 611732）

0 引言

城軌車輛的安全運營離不開性能優(yōu)良的轉(zhuǎn)向架，不僅支撐車體，還要傳遞牽引力、制動力和沖擊力，同時與車輛的平穩(wěn)性、安全性和舒適度息息相關(guān)。而要保證轉(zhuǎn)向架能正常工作，轉(zhuǎn)向架上安裝的各類軸承非常關(guān)鍵，是動力變換、能量輸出等方面的重要部件。

城軌車輛轉(zhuǎn)向架上的軸承主要有軸箱軸承、齒輪箱軸承、牽引電機軸承等。城軌車輛運行環(huán)境復(fù)雜，轉(zhuǎn)向架各類軸承在持續(xù)動力的作用下，軸承的內(nèi)外圈、滾動體、軸承保持架等故障及軸承超溫等現(xiàn)象常有發(fā)生，若不及時發(fā)現(xiàn)并處理，會危及行車安全。因此，加強對轉(zhuǎn)向架軸承的故障診斷并提出有效的維護對策，對提高城軌車輛運營的安全性有著非常實際和重要的意義[1]。

1 城軌車輛轉(zhuǎn)向架軸承各類故障分析

1.1 結(jié)構(gòu)

城軌車輛轉(zhuǎn)向架軸承通常采用滾動軸承，其結(jié)構(gòu)主要是外圈、內(nèi)圈、滾動體和保持架4 個部分。內(nèi)圈安裝在軸頸上，與軸同步轉(zhuǎn)動；外圈與固定件配合，主要用來支承軸承；滾動體則在保持架內(nèi)沿著內(nèi)外圈之間的滾道運動，軸承結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 滾動軸承結(jié)構(gòu)

1.2 主要故障類型及原因

城軌車輛轉(zhuǎn)向架軸承本身設(shè)計制造符合工藝要求，但在復(fù)雜環(huán)境下長時間運轉(zhuǎn)之后，還是會出現(xiàn)各種故障，常見斷裂、腐蝕、磨損、膠合、剝落等故障。

（1）斷裂：在城軌車輛滿載的情況下，較大的橫向力和重力作用于轉(zhuǎn)向架軸承，此時軸承潤滑效果不佳或者各部件之間存在較大的內(nèi)應(yīng)力，容易使軸承產(chǎn)生裂紋，嚴重時會出現(xiàn)斷裂。

（2）腐蝕：潮濕環(huán)境中的水分較易使軸承發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，引起化學(xué)腐蝕；軸承中有電流通過時容易引起電腐蝕；車輛在運行過程中的振動會引起軸承與固定部件之間的微振腐蝕。這些腐蝕會使得軸承表面粗糙，從而影響軸承的精度。

（3）磨損：有異物侵入轉(zhuǎn)向架軸承滾動體及內(nèi)外圈滾道之間或者潤滑較差時，會在軸承相對運動的接觸表面造成磨損，進而在軸承表面產(chǎn)生裂縫，嚴重時可直接斷軸。

（4）膠合：城軌車輛轉(zhuǎn)向架軸承在潤滑不良或車輛運行速度較高的情況下，軸承零部件的表面因為摩擦生熱溫度迅速上升，由此可能會導(dǎo)致金屬表面黏附在一起。

（5）剝落：轉(zhuǎn)向架軸承的滾動體和滾道因為受到車輛運行過程中存在的各種載荷作用而反復(fù)撞擊，在撞擊點由內(nèi)而外出現(xiàn)裂紋，直到在滾道和滾動體表面出現(xiàn)剝落坑，最終使得軸承表面出現(xiàn)大面積的剝落[2]。

1.3 故障信號波形

在城軌車輛轉(zhuǎn)向架上安裝傳感器，由于軸承跟隨列車運行時出現(xiàn)振動，因此可通過傳感器獲取軸承的振動信號，從而判斷軸承的工作狀態(tài)和技術(shù)狀態(tài)。在無故障情況下，軸承的振動信號規(guī)律、振動信號頻率穩(wěn)定；在滾動軸承出現(xiàn)故障時，其振動波形相比正常情況會有變化，且故障不同變化不同[3]。軸承不同故障下的振動波形如圖2～圖5 所示。

圖2 正常波形圖

圖3 外圈故障波形圖

圖4 滾動體故障波形圖

圖5 內(nèi)圈故障波形

2 城軌車輛齒輪箱軸承故障

2.1 故障類型

在城軌車輛的運行過程中，軸承保持架斷裂是轉(zhuǎn)向架齒輪箱軸承常見的故障，如圖6 所示。

圖6 軸承保持架斷裂

當金屬保持架受高速旋轉(zhuǎn)的影響時，軸承零部件之間的沖擊會產(chǎn)生碎屑，增大內(nèi)外圈之間的運行阻力，同時也會造成軸承零部件接觸面溫度升高，潤滑脂的性能下降，所產(chǎn)生的熱量不能及時散出，從而產(chǎn)生膠合，導(dǎo)致拆解時無法退出軸承內(nèi)圈而損壞軸頸，不僅增加了城軌車輛的運營成本，也給車輛正常運行帶來了很大的影響[4]。

2.2 齒輪箱軸承保持架故障原因分析

（1）線路沖擊大。城軌車輛運行線路或鋼軌對接處不平順，會對車輛軸承造成較大的沖擊，尤其是城軌車輛在超負荷的高速運轉(zhuǎn)下，齒輪箱軸承反復(fù)受到過大沖擊，最終造成保持架斷裂。

（2）超負荷運營。通過調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，造成城軌車輛轉(zhuǎn)向架齒輪箱軸承保持架斷裂的主要原因是車輛運營周期長、超負荷運營，對軸承的壽命影響較大。

（3）材料耐勞強度不夠。城軌車輛齒輪箱軸承保持架的材料抗疲勞強度不足，因此，在城軌車輛長期運行過程中，軸承保持架容易出現(xiàn)故障。

2.3 齒輪箱軸承保持架故障維護對策

（1）提高保持架材料性能。針對因材料性能不足引發(fā)齒輪箱軸承保持架故障的情況，軸承保持架要采用高性能材料，尤其是抗疲勞性能強的材料[5]。為了使軸承保持架具有較強的抗沖擊能力，通常設(shè)計保持架為一體式結(jié)構(gòu)，同時增加軸承保持架的板梁厚度、寬度以及壓坡深度等。

（2）規(guī)范車輛運營及維護。規(guī)范城軌車輛日常運營，定期對車輛做好維護保養(yǎng)，增設(shè)軸承在線監(jiān)測設(shè)備，確保及時發(fā)現(xiàn)車輛齒輪箱軸承保持架故障并進行有效的維護。配置車載溫度檢測設(shè)備，重視對齒輪箱軸承溫度的監(jiān)測，避免軸承因溫度過高發(fā)生膠合而影響列車運行。

（3）加強質(zhì)量監(jiān)控。通過軸承在線診斷技術(shù)監(jiān)控軸承運行狀態(tài)，研發(fā)軸承故障在線定量診斷設(shè)備，充分利用智能運維技術(shù)實現(xiàn)對軸承保持架質(zhì)量的監(jiān)督和管理，逐步建立軸承狀態(tài)監(jiān)測、維護、檢修、質(zhì)量驗收的技術(shù)標準，解決目前軸承檢修制度存在的問題。

3 城軌車輛牽引電機軸承故障

3.1 故障類型

電腐蝕的通用定義是，由于電流的通過造成接觸表面材料的遺失。軸承電腐蝕是城軌車輛牽引電機軸承常見的故障。

當牽引電機軸承承受過電壓時，通過滾動體和潤滑脂的電流經(jīng)過軸承的內(nèi)外圈，在接觸面造成電擊穿并產(chǎn)生高頻續(xù)流，使內(nèi)外圈和滾動體的接觸面在短時間內(nèi)局部受熱并發(fā)生熔化焊接在一起，最終造成軸承損傷剝離，滾道及滾動體表面產(chǎn)生小環(huán)形坑，如圖7 所示。如此持續(xù)發(fā)展，環(huán)形坑會演變?yōu)榈撞款伾l(fā)暗的波紋狀凹槽，如圖8所示。

圖7 環(huán)形坑

圖8 波紋凹槽

3.2 牽引電機軸承電腐蝕故障原因分析

城軌車輛中牽引電機軸承腐蝕的原因主要包括以下兩個方面。

（1)不對稱磁路。牽引電機的端蓋、機座、軸承和軸會組成導(dǎo)電回路。若磁路不對稱，會在電機中產(chǎn)生圓周交流磁通，導(dǎo)電回路中因此感應(yīng)出交流電壓，如圖9 所示。若此感應(yīng)電壓過大造成潤滑劑絕緣層被擊穿，由于磁路不對稱產(chǎn)生的低頻軸承電流就會經(jīng)過回路兩端的軸承，從而造成軸承的電腐蝕。

圖9 電機內(nèi)部感應(yīng)電路

（2）共模電壓。對稱的三相正弦交流電中性點電壓為0，而脈寬調(diào)制技術(shù)的控制造成直流電轉(zhuǎn)換的三相交流電瞬時的輸出電壓之和為0，使中性點電壓不為0，導(dǎo)致出現(xiàn)共模電壓。高頻共模電壓會產(chǎn)生共模電流，經(jīng)過電機軸承造成電腐蝕。同時，由于牽引逆變器中的IGBT 元件，共模電流還可在軸承上產(chǎn)生電壓，引起牽引電機軸承損傷[6]。

3.3 牽引電機軸承電腐蝕故障解決對策

（1）軸承電流的計算公式為：

式中：i為軸承電流；C為軸承電容；du/dt為電壓變化率。軸承電流會隨著共模電壓變化率的降低而減小，因此降低共模電壓可減少軸承電腐蝕故障。

（2）安裝絕緣軸承，切斷由于牽引電機磁路不對稱形成的導(dǎo)電回路，防止產(chǎn)生軸承電流。

（3）通過在牽引電機轉(zhuǎn)軸和機座之間安裝導(dǎo)電環(huán)短接軸承內(nèi)外圈，防止電流經(jīng)過軸承滾道和滾動體，該方案已在國內(nèi)外項目的牽引電機中運用。

（4）對牽引電機進行設(shè)計時，研究分析牽引逆變器與軸承的絕緣匹配情況，計算并驗證軸承絕緣層的耐受電壓值，充分考慮牽引電機軸承的電氣壽命，優(yōu)化牽引電機結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)[7]。

4 結(jié)語

對城軌車輛轉(zhuǎn)向架軸承中齒輪箱軸承及牽引電機軸承的常見典型故障進行分析，結(jié)合故障成因提出解決對策，為城軌車輛轉(zhuǎn)向架軸承的故障診斷與處理提供一定的思路。

針對城軌車輛轉(zhuǎn)向架軸承存在的各類故障問題，需通過不斷的技術(shù)積累及試驗研究，開展轉(zhuǎn)向架軸承故障診斷分析及壽命預(yù)測，持續(xù)優(yōu)化軸承結(jié)構(gòu)。搭建智能運維平臺，結(jié)合軸承技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)對齒輪箱、軸箱、牽引電機軸承的故障類型、故障原因及故障危害進行分析，探索新的維修模式，以適應(yīng)我國城市軌道交通的運營工況。