殷子锋

（北京锦鸿希电信息技术股份有限公司，100070）

　　【摘　要】在地铁车辆运行过程中，其内部轴承的状态对其安全程度有着决定性的作用。现阶段，对于地铁车辆轴承故障的诊断及检测方面还存在着一定的不足，如准确性和智能化程度低下等；基于这些不足，本文针对地铁车辆轴承故障检测等问题，提出了一套全新的智能诊断方法，介绍了一种基于MasCon48p在线监测技术的基础上构建出一全新的地铁车辆齿轮箱轴承故障状态监测系统。在地铁在运行过程中，促使其齿轮箱轴承故障的诊断成为了可能；另外，还介绍了共振解调技术和转速跟踪主动诊断技术在轴承保持架故障识别等方面的优越性，并通过对部件破损机理的分析，确定了故障出现了根本原因，从而为地铁故障的诊断和监测提供了重要的技术支持。

　　【关键词】地铁；齿轮箱；轴承；故障；监测

　　引言

　　在地铁这个大机器中，齿轮箱作为重要组成部分并发挥着关键性的作用，但在长期的使用过程中，又很容易出现震动的不平稳，并通过转向架来进行振动的传递，在所有部件中属于一故障发生频率较多的部件；齿轮箱一旦发生故障，对整个地铁车辆的安全运行也将带来严峻的影响，因此，加大对地铁车辆齿轮箱故障的分析和监测就显得意义重大。地铁中由于内部齿轮箱的安装一般都比较隐蔽，而且该部件结构也比较复杂，难以拆卸，因而所对应的故障类型也就比较多，再加之现有故障诊断测试条件的制约，所以目前对于地铁车辆齿轮箱的故障诊断工作还是具有着相当大的难度。

　　一、故障诊断分析系统

　　（一）试验台的设计

　　地铁车辆齿轮箱故障源信号试验台的设计要求能够能够准确的模拟实际的车辆运行工况（主要是对其运行载荷和运动情况进行模拟），同时也能够对车辆的齿轮箱转速进行方便的调节。

　　（二）数据采集及分析系统

　　在该故障分析系统中，利用了SKF的一种便携式在线监测系统，其属于一种专家向导式的数据分析软件，能够对机器的运行状态进行智能化的监测和诊断，并针对地铁车辆在运行过程中做出正确的评估和提供专业化的意见。该系统的应用能够极大的简化计算并且能够良好的显示出机器中的故障通过率，从而为工作人员更好的分析和确定轴承工作状态提供可靠依据【1】。

　　二、数据采集处理

　　（一）数据采集

　　在实验环节所采取的齿轮箱是某地铁车辆的实际齿轮箱设备，该齿轮箱的具体参数如下，其传动比为6.69，形式为斜齿轮。在该齿轮箱运行过程中，高速端转速为1805r/min，转频为30hz，相应的低速端转速为270r/min，转频为4.5hz，其啮合频率为481.5hz，该设备中轴承的缺省故障通过频率具体计算数据如下表所示：

　　注：在上表中BPFI表示的是轴承内圈故障通过频率，BPFO表示的为相应的外圈故障通过频率，FTF为保持架的故障通过频率，而BSF表示的为具体的轴承滚动体故障通过频率。

　　（二）数据处理结果

　　图像显示的分别是在大、小轴承端所测得的该轴承水平方向上的振动加速度包络信号，依据两图可以看出，在大轴承端和小轴承端的故障通过率均未出现峰值，而且负值都普遍较小。一般情况下对于加速度包络未超过0.5GE的，则说明该轴承目前运行情况比较良好，还未进入失效阶段【2】。

　　三、共振解调、转速跟踪主动诊断技术的应用分析

　　（一）共振解调技术的特点

　　共振解调属于一项专业用于机械设备故障检测的信号变换技术，同其他传统的常规式振动检测技术相比，该技术在该机械设备的早期故障所发生的冲击信息等方面的应用尤为必要【3】，对机械振动冲击信号实施共振协调技术的处理能够达到一种能够消除常规振动和避免故障冲击的目的。

　　转速跟踪技术属于一项应用于变速机械转速相位的跟踪采样技术，能够将设备的一些非周期性的数据信息进行周期型变换，并通过FFT技术的应用实现对故障的分析。

　　在具体的应用过程中，将机械振动冲击信号利用传感器进行输出，并通过具备了广义振动和冲击以及温度等复合性能的传感器进行接收。过程中振动和广义的共振信息都是经过了电子变换技术，有效地消除了其中的机械振动的干扰，从而准确的解调出其中由机械冲击而激发的广义共振信号，进而成功实现了对在地铁车辆运行过程中的强烈的电磁干扰和及机械振动干扰的故障信息的提取。另外在采样过程中，能够对车轮转速进行实时的获取，并将模拟信号通过转速相位跟踪采样成功转化为数字信号，随之随其进行FFT分析，Z终实现了故障类型及级别的确认。

　　共振解调和转速跟踪主动诊断技术Z大的优势就是能够实现对保持架宏观破损程度进行有效地预知，从而为设备的性能评估和故障的早期预警提供有效地技术支持。

　　（二）基于共振解调技术的外弧谱识别技术

　　在地铁运行过程中，部分保持架的运行可能会存在一些散落的铜渣或轴承损伤的散落物进入滚道，并在外环部位粘附，从而在滚子通过时导致对基本频率带来一定的冲击，因为该外环故障的不固定性，所以只存在几乎完全孤立的一阶突出普线，将其称之为“外弧谱【4】”。

　　如在北京的地铁2号线中，有效地利用了该“外弧谱”识别技术，在该车间的走行区域进行了车载故障诊断系统的安装，当其发生齿轮箱轴承保持架的报警时，经拆卸发现其内部齿轮箱轴承保持架断裂为了四块，由此该诊断技术的有效性也得到了有效地的证实。

　　四、通过共振解调技对保持架破损原因的检测分析

　　（一）存在变形的保持架无油轴承检测试验分析

　　对发生变形的无油轴承在单独的轴承检测机上做检测试验【5】，结果显示其存在明显的外弧谱和外环多阶谱，并存在部分滚单谱，发生这一故障现象的主要原因就是由于保持架的发生的形变，造成在保持架中的多个滚子（2个，严重时为4个）发生了轴向窜动。在窜动部位，保持架运转过程中滚子不断的冲击外环挡边的突出点，进而形成了滚子外环的脉冲群，因此，在外环脉冲中出现了2次或4次的调幅，相应的在其主频谱上出现了保持架2阶或4阶的边频，同时还出现了保持架2阶或4阶的调制谱。另外，如果在滚子的端面存在突出点，则在运行过程中还会出现滚单冲击谱。

　　在单个检测机上对无油轴承的检测容易出现故障的主要就是由于油膜未掩盖、外环挡边的微小突出点高度高于油膜厚度而完全暴露在外面，再加上之间阻尼的缺乏【6】，直接导致了较强的故障冲击性和较大的噪声等。而在单个检测机上的有油（主要指油脂）轴承的检测相对来说不易出现无油轴承的系列故障，其主要原因就在于外环挡边内测的突出点完全被油膜所覆盖，而且存在着较大的阻尼，所以极大地的缓解了冲击，也有效地降低的设备运行的噪音问题。所以，在无油轴承或溅油润滑轴承运行过程中由于阻尼的缺乏或存在较低的阻尼，使得在系列的扰动激励下很容易出现一种无油振动的跳跃冲击，具体的冲击形式有偏摆式的轴向冲击和径向冲击等。而地铁车辆之间的轨道接缝冲击、踏面故障冲击、蛇形冲击以及强烈的波磨冲击等因素都是造成冲击或随机扰动的主要原因，这些冲击在运行过程中都是客观存在，无法避免的，这也是交通轨道所用轴承同特定环境下固定机械轴承的本质区别。

　　溅油润滑的轴承能够在固定的机械设备或不存在冲击扰动的设备中正常的工作，但在地铁车辆的轨道装备中却不适宜应用【7】，因为在静态下由于自身重力问题，无油轴承和溅油润滑轴承的保持架会同外环挡边接触，当固定的外环遭受到外部冲击时，与之相接触的保持架将会发生跳跃式冲击，当其跳跃幅度大于外环挡边与保持架之间的间隙时，就会被直接的对边造成冲击并被反弹，在两边之间发生循环式的弹跳和冲击；而当其跳跃幅度小于外环挡边同保持架之间的间隙时，就会出现冲击在原边的跌落，其冲击频率也会相应的减半。

　　五、结语

　　在本文中，基于地铁车辆齿轮箱轴承故障提出了一套全新的MASCON48在线监测系统，并通过试验分析Z终得出了该技术能够对轴承的故障缺省频率进行直观准确的识别，从而为后期的实际运营过程中的地铁车辆齿轮箱状态监测及故障诊断等工作打下了坚实的基础。另外，地铁车辆在运行过程中，其不可避免的会受到各方面的冲击和扰动，因此，增加对齿轮箱保持架与外环挡边的相对运动的阻尼，能够有效地避免保持架由于长期的摩擦和碰撞而出现断裂等现象；需要指出的是，在地铁等城轨车辆的走行部轴承之间比较适宜应用油脂润滑。

　　参考文献

　　[1]梁瑜.地铁列车轴承故障诊断及在途诊断系统研究[D].北京交通大学，2014.

　　[2]刘建强，赵治博，章国平，王广明，孟双，任刚.地铁车辆转向架轴承故障诊断方法研究[J].铁道学报，2015，01：30-36.

　　[3]赵治博.地铁车辆转向架轴承故障诊断方法研究[D].北京交通大学，2015.

　　[4]杨明瀚.城轨车辆齿轮箱的在线监测与故障诊断系统[D].北京建筑大学，2015.

　　[5]张乳燕.地铁车辆牵引系统故障诊断技术及系统的研究[D].北京交通大学，2009.

　　[6]姚德臣.轨道交通车辆轴承故障诊断系统的研究[D].太原科技大学，2010.

　　[7]廖云，黄贵发，李辉，唐德尧.城轨车辆齿轮箱轴承保持架故障的诊断与对策[J].中国设备工程，2014，03：65-67.

来源：《科技与企业》2016年第2期