殷子鋒

（北（běi）京錦鴻希電信息技術股份有限公司，100070）

　　【摘　要】在地鐵車輛運（yùn）行過程（chéng）中，其內（nèi）部軸承的狀態對其安（ān）全程度有（yǒu）著決定性（xìng）的作用。現階（jiē）段，對於地（dì）鐵車輛軸承故障的診斷及檢測方麵還存在著一定的不足，如準確性和智能化程度低下等；基於這些不足，本文針對地鐵車輛軸承故障（zhàng）檢測等問題，提出（chū）了一套全新的智能診斷方法，介紹了一種基於MasCon48p在線監測（cè）技術的基礎上構建出一全新（xīn）的地鐵車輛齒輪箱軸承故（gù）障狀態監測係統。在地鐵在運行過程中，促使其齒輪箱軸承故障的診斷成為了可（kě）能；另外，還介紹了（le）共振解調技術和（hé）轉速跟蹤主動診斷技術在軸承保持架故障識別等方麵的優越性，並通過對部件破損機理的分（fèn）析，確定了故障出現了根本（běn）原因，從而為地鐵故障的診斷和監測提供了重要的技術（shù）支持。

　　【關鍵詞】地鐵；齒輪箱；軸承；故障；監測

　　引言

　　在地鐵這個大機器中（zhōng），齒輪箱作為重要組成部（bù）分並發揮著關鍵性的作用，但在長期（qī）的使用過程中，又很容（róng）易（yì）出現震動的不（bú）平（píng）穩，並通過轉向架來進（jìn）行振動的傳遞，在所有部件中屬於一故障發生頻率較多的部件；齒輪箱一旦發生故障，對整個地（dì）鐵車輛的安全運（yùn）行也將帶來嚴峻的影響，因此，加大對地鐵車（chē）輛齒輪箱故障的分析和監測就顯得意義重大。地鐵中由於內部齒輪箱的安裝一（yī）般都比較（jiào）隱蔽（bì），而且該部件（jiàn）結構也（yě）比（bǐ）較（jiào）複（fù）雜（zá），難以拆卸（xiè），因而所對應（yīng）的故障類（lèi）型也就比較多，再（zài）加之現有故障診斷測試條件的製約，所以目前對於地鐵車輛齒輪箱的（de）故障診斷工作還是具有著相當大的難度。

　　一、故障診斷分析係（xì）統

　　（一）試驗台的設計

　　地鐵車輛齒輪箱故障源信號試（shì）驗台的設計（jì）要求能夠能夠準確的模擬實際的車（chē）輛運行工況（主要是對其運行載荷和運動情況進行模擬），同時也能夠對車輛的齒輪箱轉（zhuǎn）速進行方便（biàn）的調節。

　　（二）數據采集及分析係（xì）統（tǒng）

　　在（zài）該（gāi）故障分析係統中，利用了SKF的一種便（biàn）攜式在線監測係統，其屬於一種專家向導式的數據分析軟件，能夠對（duì）機器的運行狀態進行智能化的監測和診斷，並針對地鐵車輛在運行過程中做出（chū）正確的評估和提供專業化的意見。該係統的應用能夠極大（dà）的簡化計算並且能夠（gòu）良好的顯示出機器中的故障通過率，從（cóng）而為工作人員（yuán）更好（hǎo）的分析和確定軸（zhóu）承工作狀態提供（gòng）可靠依據【1】。

　　二、數據采集處理

　　（一）數據采集（jí）

　　在實驗環節（jiē）所采取的齒輪箱是某（mǒu）地鐵（tiě）車輛（liàng）的實際齒輪箱設備，該（gāi）齒輪箱的具體（tǐ）參數如下，其傳動比為6.69，形（xíng）式（shì）為斜齒輪。在該齒輪（lún）箱（xiāng）運行（háng）過（guò）程（chéng）中，高速端轉速為1805r/min，轉頻為30hz，相應的低速端轉速為270r/min，轉頻為（wéi）4.5hz，其齧合頻率為481.5hz，該設備中（zhōng）軸承的（de）缺省故障通過頻率具體（tǐ）計算數據如下表所示：

　　注：在上表中BPFI表示（shì）的是軸承內圈故障通過頻率，BPFO表示的為（wéi）相應的外圈故障通過頻率，FTF為保持（chí）架的故障通過頻率，而BSF表（biǎo）示的為具體（tǐ）的軸承滾動體故障通過頻率。

　　（二）數據處理結果

　　圖像顯示的分別是（shì）在大、小軸承端所測得的該軸承水平方向上的振動加速度包絡信號（hào），依據兩圖可以看出，在大軸承端和小軸承端的故障通過率均未出（chū）現峰值，而（ér）且負值都普遍較小。一般情況下對於（yú）加速度包絡未超過0.5GE的，則說明該軸承目前運行（háng）情況比較良好，還未（wèi）進入失效階段【2】。

　　三、共振解調、轉速跟蹤主動診斷技術的應用分（fèn）析

　　（一）共振解調技術的特點

　　共振解調屬（shǔ）於一項專業（yè）用於機械設備故障檢測的信號（hào）變換技術（shù），同其他傳統的常（cháng）規式振動檢測技術相比，該技術在（zài）該機（jī）械設備的早期故障所（suǒ）發生的衝擊信息等方（fāng）麵的應用尤為（wéi）必要【3】，對機械振動衝擊（jī）信（xìn）號（hào）實施共振協調技術的處理能夠達到一種能夠消（xiāo）除常規振動和避（bì）免故（gù）障衝擊（jī）的目的。

　　轉速跟蹤技術屬於一項應用於變速機械轉速相位的跟蹤采樣技術，能夠將設備的一些非周期性的數據（jù）信息進（jìn）行周期型變換，並通過FFT技術的應用實現對故（gù）障的分析。

　　在具體的（de）應用過程中，將機械振動衝擊信（xìn）號利用傳感器進行輸出，並通過具備了廣義振動和衝擊以及溫度等複合（hé）性能的傳感器進行接收。過程中振動和廣義的共（gòng）振信息都是（shì）經過了電子變換技術，有（yǒu）效地消除（chú）了其中的機械振動的幹擾，從而準（zhǔn）確的解調出其中由（yóu）機械（xiè）衝擊而激發的廣（guǎng）義共（gòng）振信（xìn）號，進而成功實現了對在地鐵車輛運行過程（chéng）中的強烈的電磁幹擾和及機械振（zhèn）動幹擾的（de）故（gù）障信息的提取。另外在采樣過程中，能夠對車輪轉速進行實（shí）時的獲取，並將模擬信號（hào）通過轉速（sù）相位跟蹤采（cǎi）樣成功轉化（huà）為數字信號，隨（suí）之隨（suí）其進行FFT分析，Z終實現了故障類型及級別的（de）確認。

　　共振解調和轉速跟蹤主動診斷技術Z大的優勢就是能夠實現對保持架宏（hóng）觀（guān）破損程度進行有效地預知，從而為設備的性能評估和故障的早期預警提供有效地（dì）技術支持。

　　（二）基於共振解調（diào）技術的外弧譜識別技術

　　在地鐵運行（háng）過程中，部分保持架的運行可能會存在一些散落的銅渣或軸承損傷的散落物進入滾道，並在外環部位粘（zhān）附，從而在滾子通過時導致（zhì）對基本頻率帶來一定的衝擊，因為該外環故障的不固定性，所（suǒ）以隻存在幾（jǐ）乎（hū）完全孤立的一階突出普線（xiàn），將其稱之為“外弧（hú）譜【4】”。

　　如在北京的地鐵2號線中，有效地利（lì）用了該“外（wài）弧譜”識（shí）別技（jì）術，在該車間的走行區域進行了車載故障診斷係（xì）統的安裝，當其發生齒（chǐ）輪箱軸承保持架的報警時，經拆卸發現其內部齒（chǐ）輪箱軸承保持（chí）架斷裂為了四塊，由此該診斷技術的有效性也得（dé）到了有效地的證實。

　　四、通過（guò）共（gòng）振解調技（jì）對保持架破損原因的檢測分析

　　（一）存在（zài）變形的（de）保（bǎo）持架無油軸承檢測試驗分析

　　對發生變形的無油軸（zhóu）承在單獨的軸承檢測機上做檢（jiǎn）測試驗【5】，結果顯示其存在明（míng）顯（xiǎn）的外弧譜和外環多階譜，並存（cún）在部分滾單譜，發（fā）生這一（yī）故（gù）障現象的主要原因就是由於保持架（jià）的發生的形變（biàn），造成在保持架中的多（duō）個滾子（2個（gè），嚴重時為4個）發生了軸向竄動（dòng）。在竄動（dòng）部位，保持（chí）架運轉過程中滾子不斷的（de）衝（chōng）擊外環擋邊的突出點，進而形成了滾（gǔn）子外環的脈衝（chōng）群，因此（cǐ），在外環脈（mò）衝中出現了2次或4次的調幅，相應的（de）在其主頻譜上出現了保持架2階或4階的（de）邊頻，同時還出現（xiàn）了保（bǎo）持架2階或4階的調製（zhì）譜。另外，如果在滾子的端麵存（cún）在突出點，則在運行過程中還會出現滾單衝擊譜。

　　在單個檢測機上（shàng）對無油軸承的（de）檢測容易出現故障的主要就是由於油膜未掩蓋、外（wài）環擋邊的微小（xiǎo）突出點高度高於油膜厚度而完全暴（bào）露在外麵，再加上之間阻尼的（de）缺乏【6】，直接導致了較強的故障衝擊性和較大的（de）噪聲等。而在單個檢測機上（shàng）的有油（主要指油脂）軸承的檢測相對來說不易出現無（wú）油軸承的係列故（gù）障，其主要原因就在於外環擋邊內測的突出點完全被油膜所覆蓋，而且存在著（zhe）較大的阻尼，所以極大地的（de）緩解了衝擊，也有效地降低的設備運行的（de）噪（zào）音問題。所以，在無油軸（zhóu）承或濺油潤滑軸承（chéng）運行過程中由於阻（zǔ）尼的缺（quē）乏或存在較低的（de）阻尼，使得在係列的擾動激勵下很（hěn）容易出現一種無油振動的（de）跳躍衝擊（jī），具體的衝（chōng）擊形式有偏擺式的軸向衝擊和徑向衝擊等。而地鐵車輛之間（jiān）的軌道接縫衝擊、踏麵故障衝擊（jī）、蛇形衝擊以及強烈的波（bō）磨衝擊等因素都是造成衝擊或隨機擾動的主要原（yuán）因，這些衝擊在運行過程中都是客觀（guān）存在，無法避免的，這也是（shì）交（jiāo）通軌道所用軸承同特定環境下固定機械（xiè）軸承的本質（zhì）區別。

　　濺油潤滑的（de）軸承能夠在（zài）固定（dìng）的機械（xiè）設備或不存在（zài）衝擊擾動的設備中正常的工作，但在地鐵車輛的軌（guǐ）道（dào）裝（zhuāng）備中（zhōng）卻不適（shì）宜（yí）應用【7】，因為在靜態下由於自身重力問（wèn）題，無油軸承和濺油潤滑軸承的保持架會同（tóng）外環擋邊接（jiē）觸，當固定的外環遭受到外部衝擊時，與（yǔ）之相接觸的保持架將會發生跳躍式衝擊，當其跳（tiào）躍幅度大於外環擋邊與保持架之間的間隙時，就（jiù）會被（bèi）直（zhí）接的對（duì）邊造成衝擊並被反彈，在兩（liǎng）邊之間發生循環（huán）式的彈跳和衝擊；而當其跳躍幅度小於外環擋邊同保持（chí）架之間的間隙時，就會出現衝擊在原邊的跌落，其衝擊頻率也會相應的減半。

　　五、結語

　　在本文（wén）中，基於地（dì）鐵車輛齒輪箱軸承故（gù）障（zhàng）提出了一套全新的MASCON48在線監測係統（tǒng），並通過試驗分析Z終得出了該技術能夠對軸承的（de）故障缺省頻率進行直觀準確的識別，從而為後期的實際運營過程中的地鐵車輛齒輪（lún）箱狀態監測（cè）及故障診斷（duàn）等（děng）工作（zuò）打下了堅實的基礎。另（lìng）外，地鐵（tiě）車輛在（zài）運行過程中，其不可避免的會受到各方麵的衝擊（jī）和擾動，因此，增（zēng）加對齒輪箱保持架（jià）與外環擋邊的相對運（yùn）動的阻尼，能夠有效地避免保持架由於長期的摩擦和碰撞而出（chū）現斷裂等現（xiàn）象；需要指出的是，在地鐵等城軌車輛的走行（háng）部軸承之間比較適宜應用油脂潤滑。

　　參考（kǎo）文（wén）獻

　　[1]梁瑜.地鐵列車（chē）軸承故障診（zhěn）斷及在途（tú）診斷係統研究[D].北京交通大學，2014.

　　[2]劉建強，趙（zhào）治博，章國平，王廣明，孟雙，任剛.地（dì）鐵（tiě）車輛轉向架軸承故障診斷方法研究[J].鐵道學報，2015，01：30-36.

　　[3]趙治博.地鐵車輛轉向架軸（zhóu）承故障診斷方法研（yán）究[D].北京交通大學，2015.

　　[4]楊明瀚.城軌車輛齒輪箱的在線監測與故障診斷係統[D].北京（jīng）建築大（dà）學，2015.

　　[5]張乳燕.地鐵車輛牽引係統故障診斷技術及係統的研究[D].北京交通大學，2009.

　　[6]姚德臣.軌道交通車輛軸承故障診斷係統的研究[D].太原科技大學，2010.

　　[7]廖雲，黃貴發，李輝，唐德堯.城軌車輛齒輪箱軸承保持架故障的診斷與對策[J].中國設備工程，2014，03：65-67.

來源：《科技（jì）與企業》2016年第2期