引言

軸箱軸承是動車組轉(zhuǎn)向架中的核心部件之一,承擔(dān)著承載支撐、運動轉(zhuǎn)換等重要功能。在長期運行過程中,軸承不可避免地會出現(xiàn)故障,主要故障形式表現(xiàn)為腐蝕、疲勞剝落、磨損、膠合和套圈斷裂等。尤其是在軌道不平順的影響下,對軸箱軸承疲勞可靠性和使用性能的要求更高。例如:CRH380A軸箱軸承大部分選用自潤滑密封式雙列圓錐滾子軸承,其檢修周期為1.2×106km,設(shè)計壽命為2.4×106km。軸箱軸承的故障若未及時處理,可能導(dǎo)致燃軸、切軸等安全事故,造成重大經(jīng)濟損失或危及生命安全。因此,為進(jìn)一步提升軸承的性能,軸承故障的狀態(tài)監(jiān)測和診斷工作至關(guān)重要。

本文以動車組轉(zhuǎn)向架軸箱軸承為研究對象,從振動信號中準(zhǔn)確提取軸承的故障特征信息,利用時域分析與小波分析結(jié)合的方法對故障的類型及原因進(jìn)行診斷,便于后期對故障實施相應(yīng)的處理,確保動車組運行安全。

1動車組轉(zhuǎn)向架軸箱軸承結(jié)構(gòu)原理及其故障形式

1.1動車組轉(zhuǎn)向架軸箱軸承結(jié)構(gòu)原理

轉(zhuǎn)向架是動車組的行走機構(gòu),具有承載重量、導(dǎo)向、牽引、制動和減振等功能[5]。動車組裝有兩種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)向架系統(tǒng),分別是動力車轉(zhuǎn)向架和拖車轉(zhuǎn)向架。兩種轉(zhuǎn)向架主要區(qū)別是:動力車轉(zhuǎn)向架比拖車轉(zhuǎn)向架多一組齒輪箱和一個電機吊架。兩者不具備互換性,但結(jié)構(gòu)組成基本相似。轉(zhuǎn)向架由構(gòu)架、輪對、軸箱、制動裝置、一系懸掛、二系懸掛和牽引裝置等組成,由此可見,動車組轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵部件很多。軸箱是連接輪對與構(gòu)架的活動關(guān)節(jié),是動車組的A類部件。而軸箱多項功能都與軸承存在關(guān)系,因此,軸箱軸承是保證動車組安全運行的核心部件之一,要求具備很高的安全性和可靠性。

軸承連接著車軸與軸箱體,承載著車輛靜負(fù)荷、沖擊振動載荷和軸向載荷,起到將車體重量和載荷傳遞給輪對的作用。它由外圈、內(nèi)圈、滾動體和保持架等重要部件組成:(1)軸承外圈不動,與軸承座起到支撐作用:(2)內(nèi)圈與軸一起旋轉(zhuǎn):(3)滾動體分布在內(nèi)圈和外圈之間,它使內(nèi)圈和外圈的相對運動從滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦,滾動體的大小、形狀和數(shù)量直接決定軸承的使用壽命:(4)保持架使相鄰滾動體不能直接接觸,達(dá)到從根本上降低滾動體運動過程中摩擦損失的目的。我國動車組軸箱軸承主要采用自密封結(jié)構(gòu)的雙列圓柱滾子軸承和雙列圓錐滾子軸承兩種。

不同型號的動車組使用的軸箱軸承也不同。目前,選用較多的軸承類型為內(nèi)徑130mm、外徑230mm/240mm的圓錐滾子軸承,該軸承能承受一定的軸向載荷和徑向載荷,不同類型和品牌的軸承參數(shù)如表1所示。如我國CRH380A型動車組轉(zhuǎn)向架采用脂潤滑密封型雙列圓錐滾子軸承,此單套軸箱軸承承受的軸向載荷為20kN,徑向載荷為90kN。

1.2軸箱軸承故障形式

動車組軸箱軸承是發(fā)生故障概率較大的零件之一。由于動車組長周期運行,軸承會受到各種載荷的作用,這些載荷作用會使軸承逐漸發(fā)生形變,當(dāng)形變達(dá)到一定程度時,就會出現(xiàn)故障,影響動車運行的穩(wěn)定性。軸箱軸承故障類型較多,無論發(fā)生哪種類型的故障,當(dāng)損傷達(dá)到一個極限,都會使軸承不能正常光滑地轉(zhuǎn)動,故障類型主要分為腐蝕、疲勞剝落、磨損和膠合等。

2軸箱軸承狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)

軸箱軸承狀態(tài)監(jiān)測是利用檢測、測量、分析和判別等方法掌握設(shè)備的運行狀態(tài),預(yù)測其可靠性和使用性,當(dāng)其出現(xiàn)異常時,及時可靠地反映故障,為設(shè)備的故障分析提供基礎(chǔ)信息。目前,主要的監(jiān)測技術(shù)有溫度測量、油樣分析、聲發(fā)射和振動信號等。

振動是反映軸承健康狀態(tài)最主要的標(biāo)志,動車組軸箱軸承除了來自于車軸或車軸上其他零部件的激勵作用外,如果外圈、內(nèi)圈、滾動體和保持架等部件表面有磨損,軸承轉(zhuǎn)動通過缺陷位置時,會產(chǎn)生強烈的振動沖擊。振動信號對軸承故障敏感,故障會改變振動特征。

軸承振動信號屬于高頻信號,必須使用加速度傳感器采集。此傳感器是利用壓電效應(yīng)原理,將加速度轉(zhuǎn)換為成正比的電荷量。通過振動信號波形的各種時域統(tǒng)計參數(shù),判斷出當(dāng)前軸承的故障形式,例如腐蝕、疲勞剝落、磨損、膠合等,具體波形圖如圖1所示。振動信號監(jiān)測比起溫度測量、油樣分析和聲發(fā)射等技術(shù),可以更早、更準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)故障。

由振動波形圖可以看出,動車組正常運行過程中,正常振動波形趨于平穩(wěn)。當(dāng)出現(xiàn)故障時,振動信號具有非平穩(wěn)特征。由于在軸承中存在固定位置的損傷,損傷位置的振動幅值會遠(yuǎn)高于正常振動信號,出現(xiàn)一個具有規(guī)律性的沖擊成分。在疲勞剝落、磨損、膠合等不同的軸承故障中,振動信號的特征頻率也不同,特征頻率取決于軸承內(nèi)圈損傷位置、外圈損傷位置、滾動體損傷位置、軸的轉(zhuǎn)速。因此,軸承故障位置可以通過特征頻率計算公式得出,外圈故障特征頻率、內(nèi)圈故障特征頻率、滾動體故障特征頻率和保持架故障特征頻率計算公式分別如公式(1)(2)(3)(4)所示。

式中·z為滾動體數(shù)目(個)﹔n為轉(zhuǎn)速(r●min-1)﹔α為滾動體接觸角(o)﹔d為滾動體直徑(mm)﹔D為節(jié)圓直徑(mm)。

3軸箱軸承故障診斷方法及應(yīng)用

信號處理方法一般有時域分析法、頻域分析法、時頻分析法和小波分析法等幾種,下文將結(jié)合時域分析與小波分析對故障特征進(jìn)行提取及診斷。

3.1時域分析

時域分析是在時間域上對信號進(jìn)行統(tǒng)計分析,通過觀察信號的概率分布特征來診斷軸承故障狀態(tài)。它根據(jù)信號的時間歷程繪制波形,獲得軸承運行的特征參數(shù)。主要指標(biāo)包括有效值、峰值、峰值因數(shù)、峭度因子、脈沖因數(shù)、波形因數(shù)、裕度因數(shù)等等,其中有效值、峰值、峰值因數(shù)和峭度因子應(yīng)用比較廣泛。時域分析不能準(zhǔn)確確定故障的部位,須結(jié)合其他方法進(jìn)行精確診斷。

3.2小波分析

小波分析用某小波函數(shù)族來表示觀測信號,它能實現(xiàn)對信號的整體和局部分析,符合對非平穩(wěn)信號特性分析的要求,具有特征參數(shù)選取的有效性。小波函數(shù)定義為:設(shè)w(1)為平方可積函數(shù),即w(1)∈L2(R),若其傅里葉變換w(o)滿足條件小波函數(shù)的可容許條件,即公式(5)所示,則w(1)為一個基本小波。將基本小波w(1)伸縮和平移,代入伸縮因子a和平移因子b,即公式(6)所示,可得到小波基函數(shù)。x(1)的連續(xù)小波變換為w7x(a,b),即公式(7)所示。

3.3故障診斷方法應(yīng)用

下面以CRH380A動車組的軸箱軸承外圈點蝕為例,說明故障診斷方法的應(yīng)用。該車采用NTN公司生產(chǎn)的2E-CRI-2677T2LLxCs770Px1/L552s17型號雙列圓錐滾子軸承,軸承表面采用淬火鋼,車軸材料為30NiCrMoV12,軸承內(nèi)外圈材料為GCr15,滾動體材料為GCr15,保持架材料為低碳鋼。該動車組軸箱軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

通過加速度傳感器采集軸承振動信號,時域分析選取2015個采樣點,計算得出:軸轉(zhuǎn)動頻率為31.24Hz,外圈的故障特征頻率為109.17Hz。時域參數(shù)選擇峰值和峭度值,正常軸承信號時域波形如圖2所示,軸承外圈故障信號時域波形如圖3所示。

與圖2對比,圖3波形幅值明顯變大,說明外圈發(fā)生點蝕故障。考慮可能存在噪聲疊加的原因,僅僅依據(jù)波形幅值變大,無法科學(xué)準(zhǔn)確地獲取故障信息,需要進(jìn)一步結(jié)合小波分析方法。

圖2 正常軸承信號時域波形圖

圖3 軸承外圈故障信號時域波形圖

首先,分解振動信號為d1~d4的4層細(xì)節(jié)信號,做出4層小波分解譜圖,如圖4所示:然后對d1層細(xì)節(jié)信號進(jìn)行Hilbert包絡(luò)分析,得出包絡(luò)譜圖,如圖5所示:最后從外圈d1層細(xì)節(jié)信號的包絡(luò)譜圖得出頻率109.3Hz,利用上述計算公式得出軸承外圈故障特征頻率108.58Hz,確定軸承外圈發(fā)生點蝕故障。

4結(jié)論

動車組系統(tǒng)龐大、運行環(huán)境復(fù)雜,軸箱軸承又是動車組轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵部件,其健康監(jiān)測與故障診斷對于動車組安全運行具有重要意義。

合適的信息載體是診斷軸箱軸承故障的關(guān)鍵,由于振動信號比溫度信息更敏感,應(yīng)用可靠性較高,結(jié)合軸箱軸承外圈點蝕故障案例分析,得出以下結(jié)論:

(1)軸承振動信號需要用加速度傳感器采集,經(jīng)電荷放大器和抗混濾波處理,剔除振動噪聲后,充分顯現(xiàn)故障引起的振動信號,進(jìn)行特征提取、狀態(tài)識別、故障分析和決策干預(yù)。

(2)時域分析法只能判斷出故障發(fā)生的必要條件,即時域波形幅度改變,但無法對故障進(jìn)行準(zhǔn)確定位,而小波分析法從包絡(luò)譜圖中直接看出故障特征頻率,且與理論計算吻合。在實際軸箱軸承故障診斷的過程中,可將時域分析與小波分析綜合使用,以提高故障診斷的準(zhǔn)確性與實時性。