高速动车组转向架轴承故障诊断分析

高速动车组转向架轴承故障诊断分析

贺金飞

四方庞巴迪铁路运输设备有限公司 山东青岛 266000

摘要：轴承是高速动车组运行中最重要的构成部分，被称为是高速动车组的心脏，可以看出高速动车组中轴承的重要性。一旦在高速动车运行中出现轴承故障，就很容易对高速动车运行状况、运行安全产生重要的影响，因此就必须要提升高速动车组转向架轴承故障诊断水平，并采取有效的轴承检修、养护措施。

关键词：轴承故障；故障诊断；原因分析

1 故障原因分析

1.1轴承加工与组装不良

高速动车组转向架轴承内部一般由外圈、内圈、滚动体和保持架组成，为保证轴承润滑与密封性能良好，在轴箱体处加装密封圈，并注入润滑脂; 防止润滑不良或雨水、灰尘等异物进入轴箱内部。由此可见，外部环境因素几乎不会对轴承造成影响。可能引发轴承故障的原因在于轴箱内部，最明显的因素为: 轴承的加工与安装。在加工过程中，车加工设备与夹具的操作、设计或选用不当; 在组装轴承时，轴承安装位置存在偏差，造成轴承内外圈旋转中心不一致，轴承游离间隙过大或过小; 以上两种情况均有可能造成轴承作用不良，引发轴承故障。

1.2 润滑不良

高速动车组转向架轴承采用润滑脂作为润滑介质，一般涂抹于轴承的最外圈，用于降低轴承与滚道间的摩擦，利于滚动轴承密封使用，防止轴温过高造成不良影响。通过对部分轴承故障进行诊断与分析发现: 若未及时加注润滑脂或润滑脂加注不到位，会造成轴承内部润滑脂减少，甚至出现局部无油脂润滑的情况，运行时间过长便会导致轴承损伤。

1.3 其他原因

由于轴承长时间高负荷运行、维修不当、设备老化等原因造成材质正常疲劳破坏; 轴承安装环境不清洁，造成轴承表面有污染物或者一系悬挂装置结构设置不合理，可能传递来自轨道的冲击与振动，轴承若长期处在交变冲击载荷的作用下，就会造成轴承局部外伤、锈蚀、偏载、过载，增加了轴承剥离的风险。

2故障检测原理与方法

高速动车组转向架轴承故障的检测方法较多，但是就目前的应用实际情况来看，冲击脉冲方法和共振解调法的应用相对比较广泛。冲击脉冲轴承故障检测方法其实是利用滚动轴承滚道上的剥离区域相互碰撞所产生的能量来对轴承的故障进行诊断的。如果高速动车组的轴承滚动体撞击滚道上剥离的尖锐处时会比较产生强烈的弹性波，通过轴承固定座将该弹性波传递至传感器。如果在轴承的滚道出现剥离程度比较明显的情况下会产生高幅值的冲击脉冲，且该冲击脉冲的范围比较宽泛，其中包含大量的高频能量成分，冲击脉冲的幅值与滚动体相对剥离位置和速度有关。在应用该方法的过程中必须要采集轴承运行中产生的振动信号，并在采集过程中采用带通滤排除其中的中低频干扰信号排除，然后应用数字包络技术获取特征信号，从而识别轴承的运行状态。共振解调法也是比较常见的高速动车组轴承故障诊断的方法。应用该技术就要通过提取振动信号中的小幅度、重复性的信号，并在提取信号的过程中采取低通滤波方式，排除其中的低频同步振动信号，提取其中的高频冲击信号，铜鼓采取包络线处理的方式来获得时域波形，再通过傅里叶变化获取轴承的故障特征。

3故障特征频率

当轴承局部存在损伤时，在旋转过程中就会对损伤处产生周期性的撞击，从而形成一系列因冲击产生的减幅振荡，该振荡发生的频次即为特征频率。由于轴承具有固定的结构形式和相应的几何尺寸，通过故障频率即可确定损伤的部位。由几何关系、结构特征及转速可计算出不同部位的故障频率。

外圈故障特征频率：

内圈故障特征频率：

滚动体故障特征频率：

保持架故障特征频率：

式中:N 表示滚动体个数;s 表示转速;D 表示滚子分布直径;d 表示滚子直径;α 表示接触角。

3.3 轴承诊断实例

针对实际运用情况，依据对轴承运行里程的统计分析结果，采用库内检测设备对符合检测条件的轴承进行了诊断排查，轴承转速为 21 r/min，通过计算可得外圈基频为 3.04 Hz。从检测结果分析，一部分轴承出现了早期的故障特征，如图 1 所示。通过特征频谱分析可知，该故障主要为外圈早期缺陷，轴承的故障频率特征不十分显著，时域谱中的周期性振动不明显，不影响轴承的运用。图 1所示为轴承外圈故障的特征频谱，从图示结果分析，故障特征明显，基频与倍频同时出现，且时域频谱中的主频和谐波明显，形成完整的周期性冲击，据此判定该轴承具有严重的轴承剥离故障。基于以上检测判定对轴承进行了分解，损坏状况如图 3 所示。轴承发生了明显的剥离，沿周向的长度达到了 170 mm，接近轴承的承载长度范围，该轴承持续运行将导致表面粗糙度增加，异音异响会更加明显，及时排除故障可有效保证车辆运行安全。

图 1 早期故障特征

图 2 轴承故障特征频谱

图 3 轴承剥离状态

4关于高速动车组转向架轴承故障诊断的几点建议

针对高速动车组运行状况以及轴承故障情况，为了能够有效的监测与控制轴承故障，在实际的高速动车组转向架轴承的运行性能监测与日常养护工作中还必须要做好以下几个方面的工作：首先，必须要不断提升高速动车组机械工程师方对于高速动车组转向架轴承故障的判断能力，这样才能及时的监测、判断高速动车组轴承组的运行情况，对于运行中轴承故障频发的里程范围、发生部位进行重点监控；还可以根据以往的轴承故障诊断经验来制定相应的轴承故障声音特征，这样机械师就能够及时的对高速动车组运行中的轴承故障进行及时、准确的确认。其次，可以采取跟踪测试手段。需要机械师对高速动车组中符合监测条件的轴承制定与之相匹配的轴承运行情况检测计划，要定时的对高速动车组转向架轴承进行诊断与排查，这样可以尽早的发现轴承的早期故障，然后制定轴承故障的追踪方案。这样不仅可以明确故障发生的里程范围，还能为以后的轴承故障检修、监测提供有效的参考依据。最后，还可以适当的改善高级修的转向架组装工艺。因为在轴承的高级修之后会发生一定的故障。基于此，这就需要对轴承的组装流程、设备的可靠性等都进行全面的排查，从而有效的规避组装过程中造成轴承表面损伤。还需要注意的是，就目前的高速动车组转向架轴承故障诊断结果分析来看，目前采取有的检测诊断手段还只能判断轴承各部位出现剥离故障，但是不能明确出现剥离故障后具体的剥离长度、深度等尺寸判断信息，也不能对发生故障的部位故障后运行状态进行合理的推理与预测，还需要进行更加深入的研究。

结束语

依据现有的技术手段，只能检测出转向架轴承是否发生剥离故障，但无法判断轴承剥离的具体长度与深度尺寸，由此可见，现有的检测技术仍存在较大的提升与进步空间。为降低高速动车组转向架轴承故障率，须加强对轴承的精准管理与维修，合理改进制造工艺流程，有效应用轴承故障排查与诊断技术，提高轴承的质量与使用寿命。

参考文献

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