城轨转向架轴承故障形式及诊断方法研究.pdf

20D0I:10.14032/issn.1007-6034.2023.04.005文章编号：1 0 0 7-6 0 34（2 0 2 3）0 4-0 0 2 0-0 4机车车辆工艺第4期2 0 2 3 年8 月综述述评城轨转向架轴承故障形式及诊断方法研究吴柯江，杨阳，温炎丰，魏德豪（中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都6 1 0 0 31）摘要：随着我国城市轨道交通运营里程持续增加，如何有效保障其运营安全，持续提高运营维保水平，降低全生命周期成本已成为城市轨道交通行业持续健康发展的核心问题之一。轴承是列车走行部的重要组成部分，轴承可靠性对列车安全运行起到了重要的作用。文章首先介绍了城轨车辆转向架轴承的分类及其故障特点，接着对轴承常见的故障类型及其原因进行了分析，然后对目前主流的轴承故障诊断技术如温度诊断技术、振动诊断技术等进行了介绍与分析，并对其应用场景与优劣势进行了探讨，最后对轴承故障诊断方法的未来发展方向进行了初步的探讨。关键词：城轨车辆；转向架；轴承；轴承故障；故障诊断中图分类号：U260.331*.2文献标识码：A对于城市轨道交通车辆而言，车辆上的各类轴承安全平稳运行对行车安全起到了至关重要的作用。同时，轴承故障也是最常见的车辆机械故障之一，所以轴承故障的识别与诊断技术始终是轨道交通领域中值得研究的重点问题1城轨转向架轴承类型转向架是列车的走行机构，也是保障列车车辆平稳安全运行的核心部件之一，对于车辆有着承载、导向、减振及传递牵引力及制动力等多种功能，转向架上的轴承主要由轴箱轴承、齿轮箱轴承以及电机轴承等组成1-2(1）轴箱轴承轴箱轴承按采用的类型可分为滑动轴承和滚动轴承两类，在我国铁路发展初期，主要以滑动轴承为主；在8 0 年代以后，国内客车与货车均基本转换为滚动轴承。目前轴箱轴承主要采用圆锥滚子轴承和圆柱滚子轴承两大类。轴箱轴承长期处于高速旋转的运行状态，容易发生故障，轴箱轴承发生故障时，轻则发生切轴、热轴，重则可能脱轨、翻车，对行车安全有着极大的威胁（3（2）齿轮箱轴承齿轮箱是转向架的关键部件之一，加工工艺复杂、精度要求高，一旦发生故障将会直接危及行车安全。齿轮箱通常由齿轮箱箱体、轴承、齿轮、密封件、轴承座等部件组成，齿轮箱轴承对列车是否能安全收稿日期：2 0 2 2-0 4-1 5作者简介：吴柯江（1 9 9 3一），男，工程师，硕士。平稳运行有着直接的影响，目前齿轮箱轴承通常采用滚动轴承4。由于齿轮箱安装位置一般比较隐蔽，且部件结构相对复杂、拆装不便，故障类型较多且不易发现故障现象，检修存在一定的困难。(3）电机轴承牵引电机是列车牵引、制动的关键设备，它负责机械能与电能之间的转换，而电机轴承是牵引电机的核心部件，也是牵引电机发生故障最主要的原因。造成电机轴承故障的主要原因通常为润滑不良、过载以及异物侵人等，常见故障形式为磨损、腐蚀、表面剥离等，通常会造成电机的异常振动，严重时可能会造成电枢卡死，使得城轨车辆无法正常牵引。2轴承故障及形成原因分析对于城市轨道交通车辆，轴承过早损坏而达不到预期运行寿命的原因多种多样，常见的原因有装配不当、润滑失效、异物侵入、腐蚀及过载等。城轨车辆轴承常见的故障形式主要有以下几种：疲劳失效、胶合故障、磨损故障、腐蚀故障、压痕故障、保持架损坏等。2.1疲劳失效疲劳失效是列车轴承最常见的失效形式之一，对于滚动轴承而言通常为接触疲劳，有麻点、表面剥离和次表层剥落等形式，现象通常为表面金属超过材料的疲劳极限，首先产生疲劳裂纹并逐渐发展为表面金属呈片状剥落，产生不规则的凹坑。疲劳失效可能使轴承在运转时产生冲击振动，对行车安全造成威胁，是一种比较严重的失效形式51。轴承疲21吴柯江，杨城轨转向架轴承故障形式及诊断方法研究阳，温炎丰，等劳失效的原因通常为疲劳应力、润滑不良、装配不当、过载、对中不良等。轴承疲劳失效见图1。2.2胶合故障一个金属的表面黏附在另一个金属表面的现象称为胶合，轴承出现胶合故障通常表现为滚道面和滚动体的表面局部融合在一起等。造成胶合的原因通常为轴承润滑不良或转速过快导致轴承温度过高引起。轴承胶合示意见图2。图1 轴承疲劳失效示意图2.3磨损故障磨损故障主要现象为滚道面、滚动体、保持架等部件的表面出现磨损、擦伤等，可能造成轴承游隙增大、轴承表面粗糙度增加，产生异常振动和噪声等。如果出现了共振的现象，磨损的破坏将会进一步扩大，可能造成列车无法运行。造成磨损的原因通常有润滑不良，配合间隙中进入异物产生滑动磨损，或装配不良等使得某些部件产生磨损。轴承磨损示意见图3。2.4腐蚀故障腐蚀指材料受到环境中的化学、电化学和机械作用产生变质和损坏的现象。对于轴承而言化学和电化学腐蚀均较为常见，腐蚀故障将严重降低轴承的运转质量。腐蚀故障通常的表现现象为轴承内部表面产生腐蚀，出现锈斑。造成轴承腐蚀的原因可能为水或者腐蚀性的介质侵人轴承，也可能为电流通过零部件时产生电火花导致电腐蚀，此外还可能由于轴承套环轻微振动造成微振腐蚀6 。轴承腐蚀示意见图4。图3轴承磨损示意图图4 轴承腐蚀示意图图2 轴承胶合示意图2.5压痕故障压痕主要指滚道面、滚动体表面出现的条状或楔形凹痕，造成压痕的原因可能是轴承运行时的静载荷过大或冲击载荷过大、偏载，也可能因密封不良等原因导致异物进人，从而造成压痕。轴承压痕示意见图5。2.6保持架损坏故障保持架主要功能是用于分离和引导滚动体在轴承内滚动，当保持架发生变形、损坏时，可能会增加轴承运转的阻力，甚至卡死滚动体，同时增加噪声和异常振动，使得轴承运转温度上升。造成保持架损坏的可能原因主要有装配不当、润滑不足、异物侵人等。保持架断裂示意见图6。图5轴承压痕示意图图6 保持架断裂示意图3轴承故障诊断技术为了更好地应对轴承故障，减少轴承故障造成的损失，对轴承故障诊断技术有显著的需求，目前常见的轴承故障诊断技术主要有温度诊断技术、振动信号诊断技术、油样分析诊断技术、油膜电阻诊断技术以及声发射诊断技术等3.1温度诊断技术当轴承存在磨损、腐蚀或压痕等故障，或处于润滑不良等不利状态时，轴承运转阻力增大，轴承运行时相应产生更多的摩擦热量，导致轴承温度升高。因此，轴承的温度可以较为准确地反映轴承运行状态，而以轴温测量为基础的温度检测方案，也是目前铁路上非常普遍的检测方法。轴温检测技术基于检测方式的区别目前主要分为红外轴温检测以及车载轴温检测两种红外轴温检测的原理为使用安装在轨旁的红外传感器采集轴承热量产生的电磁波，结合自动计轴等技术实现轴温数据的自动采集、记录、处理及报警等功能。该系统通常由传感器、轴温处理装置、传输线路、报警装置等组成。红外轴温检测技术应用广泛、使用方便且技术成熟，但由于红外传感器需要安装在轨旁，容易受到外界环境温度、气候等因素的影22机车车辆工艺第4 期2 0 2 3年8 月综述述评响，检测结果的准确性受到影响7 车载轴温检测将温度传感器直接安装在轴承适宜的位置，实现了对轴温的直接测量，避免了环境因素的影响，提高了检测精度并实现了轴温的长期实时监测。车载轴温检测系统通常由轴温传感器、无线通信系统、车一地通信系统等组成。总体来说基于轴温的检测方案对发现车辆热轴，防止切轴、燃轴等事故具备较好的应用效果，但当发现轴温显著上升时，轴承通常已处于较严重的故障中，对于轴承故障初期阶段的表面剥落、裂纹、压痕等损伤并不能有效发现，此外气候因素也可能对轴温检测准确性造成一定的影响，仅依靠温度诊断技术在效率与准确性方面已逐渐不能满足目前城市轨道交通运营的需要（）3.2振动信号诊断技术振动信号诊断技术与温度诊断技术一样，属于目前应用广泛的轴承故障诊断技术之一 。通常来说，大多数轴承存在缺陷或故障时，其运转的过程中将会产生周期性的冲击振动即脉冲信号，振动的强弱与频率信息和轴承的故障类型、部位等存在着密切的关系1 0。通过安装在轴承座或其他适宜位置上的振动、加速度传感器，对振动产生的脉冲信号进行采集，经过降噪滤波，并通过共振解调、神经网络、深度学习等方式对数据进行进一步分析和处理，从而对轴承的故障情况进行判断。基于振动信号的轴承故障诊断技术在铁路、城轨、航空以及风电机组等场景均有着广泛的应用，适用工况多，可以识别早期轻微故障，信号采集方式较为方便，获取数据容易，可靠性较好，应用经验丰富。虽然振动信号诊断技术具有上述优点，但城轨车辆转向架工作环境复杂且较为恶劣，在收集轴承振动信号的同时，其他设备、部件的振动以及轨道不平顺产生的振动也将被收集到，将会对诊断的准确性造成不利影响，也是目前基于振动的轴承故障诊断技术的重点研究方向。3.3油样分析诊断技术对轴承油样的分析诊断包括对润滑油的常规理化检测，也包括对其中的金属颗粒进行铁谱或光谱分析。由于轴承通常使用油作为润滑或冷却的介质，对于轴承磨损等失效形式，均会有磨掉的金属颗粒进人循环使用的油液中，油液中金属元素的成分、含量以及颗粒的形状、大小等指标可以体现轴承的磨损情况与程度，进而判断轴承故障情况油样分析技术可以较好地反映出轴承早期疲劳失效等故障，也可以用于轴承磨损研究，分析时无需解体轴承，具有检修工作量低、费用相对较低、检测效果较好等优势。但该技术仅能用于使用润滑油的轴承，且需要轴承有注油孔方便取样，对于脂润滑的轴承不适用，对于没有注油孔的轴承取样困难。此外，该技术仅能实现离线检测，无法实现对轴承工作状态的实时监测3.4油膜电阻诊断技术转向架轴承在正常运转过程中，滚动体与滚道之间应润滑良好,存在一层均匀的油膜,而由于油膜的存在，轴承内外圈之间应存在很大的电阻；而当润滑不良即油膜受到破坏时，电阻将会显著降低，甚至接近为0 Q112)。因此，对轴承内外圈的电阻值进行测量，电阻越大则油膜越厚，轴承润滑状态良好；电阻越小则油膜越薄，轴承摩擦增大处于异常状态。油膜电阻诊断技术可以对不同工况下的轴承使用统一的评判标准，对轴承的磨损、腐蚀、润滑不良等异常情况进行判断，但仅适用于旋转轴外露的轴承，对表面剥落、裂纹、压痕等故障诊断效果较差1 3O3.5声发射诊断技术声发射指材料在受到应力作用发生应变或开裂时，以弹性波的形式向周围环境释放应变能的现象。声发射信号相对振动信号而言，具有频率范围更宽、信息量更大的特点。使用设备探测和记录分析声发射信号的技术称为声发射检测技术，这是无损检测技术的重要分支之一1 4 对于转向架轴承而言，表面有缺陷、故障的轴承运转过程中在不断的弹性振动冲击中释放声发射信号，这些信号通过传感器采集、前置放大器增幅、滤波器滤波处理，再通过信号处理技术提取其中的故障信息，从而实现轴承故障的识别。目前，时频分析方法以及未来的智能诊断算法是主要发展趋势。声发射诊断可以在不影响轴承运转的前提下进行无损检测，理论上在滚动轴承出现轻微故障时便可以探测到其声发射信号，同时相对于振动信号，故障轴承产生的声发射信号频率可达到数万Hz，可以有效减少干扰，提高检测的准确性。但是，由于轴承故障的多样性，部分故障可能在运转中不产生声发射信号。此外，声发射信号在传播过程中可能受到噪声、传播介质及环境的影响，声信号中包含的故障信息通常会受到环境以及其他系统噪声的影响，存在信噪比较低、特征提取难度大、信号分析难度大等问题1 5】，在实际应用中需要研究合理的安装位置与更加高效准确的信号解析算法，技术难度较高，这些23上接第1 2 页）吴柯江，杨城轨转向架轴承故障形式及诊断方法研究阳，温炎丰，等因素限制了声发射诊断的实际应用。4发展与展望综上所述，目前城轨车辆轴承故障诊断技术主要有温度、振动信号、油样分析、油膜电阻、声发射等技术，这些技术各有优势，但也有各自需要突破的难点。总的来说，温度诊断技术与振动信号诊断技术发展相对成熟、检测也比较方便，是目前应用最广的轴承故障检测技术。然而，对于温度诊断技术，当轴温显著异常时通常轴承故障程度已较为严重，存在难以发现早期故障的问题，而振动信号诊断技术由于城轨车辆转向架运行环境复杂工况恶劣，需要通过多种方式优化算法提升诊断准确性。油样分析诊断技术与油膜电阻诊断技术应用效果较好，成本较低，但对可应用的轴承结构类型有特殊的要求，应用面相对较窄