基于單個軸承動態(tài)故障診斷的軸承檢測應用研究

□ 梅榮海 □ 郭四洲 □ 閆曉凡

南車株洲電機有限公司 湖南株洲 412000

基于單個軸承動態(tài)故障診斷的軸承檢測應用研究

□ 梅榮海 □ 郭四洲 □ 閆曉凡

南車株洲電機有限公司 湖南株洲 412000

分析了基于單個軸承動態(tài)故障檢測平臺下的軸承檢測影響因素，提出故障判定方法，有效規(guī)避軸承檢測中的誤判與漏判，單個軸承故障診斷技術對軌道牽引電機檢修技術具有重要意義。

牽引電機 軸承檢測 故障判定 應用研究

隨著我國機車朝高速重載方向的發(fā)展，機車牽引電機中的軸承出現(xiàn)多種早期異常磨損及剝離的失效形式，給機車安全運行及軸承檢測技術帶來了全新課題［1］。

為嚴格監(jiān)控檢修過程中的軸承質(zhì)量狀況，規(guī)范檢測，提出了一種基于單個軸承動態(tài)故障診斷的軸承檢測技術，分析轉(zhuǎn)速、載荷、檢測位置等因素對軸承檢測的影響，通過振動值量化來分析評估軸承磨損狀況。

1 軸承故障狀態(tài)

電機軸承是支撐轉(zhuǎn)子與定子連接的關鍵部件，是實現(xiàn)定子和轉(zhuǎn)子穩(wěn)定的、轉(zhuǎn)動靈活的機械連接［1-2］。牽引電機軸承通常配置2個軸承，即驅(qū)動端軸承和非驅(qū)動端軸承，驅(qū)動端軸承主要用于承載，一般采用單列圓柱滾子軸承；非驅(qū)動端軸承主要用于定位及承受軸向力，一般采用深溝球軸承或帶檔邊的圓柱滾子軸承。

典型的機車牽引電機驅(qū)動端軸承與非驅(qū)動端軸承，如圖1所示。牽引電機軸承的典型故障特征反映如下。

▲圖1 牽引電機軸承典型樣品

（1）滾子表面“啞鈴型”異常磨損狀態(tài)，滾子中部直徑小，兩端直徑大，如圖 2（a）所示。

（2）滾子、內(nèi)圈及外圈的端部剝離及保持架兜孔崁有異物，如圖2（b）所示。

（3）保持架斷裂、滾子或滾珠非規(guī)則摩擦變形，軸承燒損，如圖2（c）所示。

▲圖2 牽引電機軸承典型故障特征

2 軸承檢測方法

為嚴格監(jiān)控電機檢修過程中軸承質(zhì)量狀況，改善早期檢修的局限性，提出一種基于單個軸承動態(tài)故障診斷的軸承檢測技術［3］。

2.1 早期軸承檢測的局限性

早期牽引電機軸承檢測方法主要采用電機旋轉(zhuǎn)時的電機振動、軸承異音、軸承游隙及軸承部件外觀檢查共4項技術指標［4］。

但是，上述4項技術指標在軸承檢測中具有一定的局限性：電機振動受電機組裝影響，無法判定振動來源為軸承本身問題還是裝配中問題；軸承異音受檢修技工技能水平影響，且為定性檢測，無法量化；軸承游隙為靜態(tài)檢測，受加載力及軸承磨損狀態(tài)影響，游隙檢測偏差較大；軸承內(nèi)、外圈滾道表面的磨損情況，需對軸承拆套后再進行外觀檢查，如圖3所示。

2.2 軸承故障檢測技術

筆者研究基于單個軸承旋轉(zhuǎn)動態(tài)振動的檢測方法，檢測原理是：基于旋轉(zhuǎn)機械故障診斷技術、精密微沖擊傳感技術及計算機測控技術，對單個滾動軸承在旋轉(zhuǎn)工作下進行動態(tài)故障檢測。通過設置軸承故障檢測上限值，可自動檢測出軸承內(nèi)圈滾道面、外圈滾道面、滾動體工作面等軸承組件的故障信息，如擦傷、裂紋、電蝕、剝離等［5］，檢測原理如圖4所示。

3 動態(tài)檢測的影響因素分析

通過系列的試驗驗證，軸承動態(tài)振動檢測結果主

要受軸承轉(zhuǎn)速、加載力、加載位置、潤滑介質(zhì)量等因素影響。分析各因素與振動檢測值的關系，主要通過振動均方根值、峭度系數(shù)2項技術指標來評估軸承質(zhì)量狀況。

▲圖3 軸承拆套的部件外觀檢查

▲圖4 單個軸承動態(tài)振動檢測原理圖

振動均方根值Xrms代表振動過程中所有合成振動的平均振動能量，單位為g（1g=9.8 m/s2）。

式中：X（t）為加速度振動幅值；T為時間周期。

峭度系數(shù)Kv反映被測振動系統(tǒng)工作表面缺陷處的沖擊脈沖，故障越大，沖擊響應幅值越大。

式中：P（X）為X（t）的導函數(shù)。

3.1 軸承轉(zhuǎn)速對振動的影響

設定載荷、加載位置、軸承潤滑不變，驗證轉(zhuǎn)速變化對軸承振動的影響，如圖5所示。

由圖5可知，在轉(zhuǎn)速200～800 r/min范圍內(nèi)，振動均方根值隨轉(zhuǎn)速增加而增大，轉(zhuǎn)速大于800 r/min時，振動的均方根值處于平穩(wěn)；而峭度系數(shù)受轉(zhuǎn)速影響小。

3.2 加載力的影響

設定轉(zhuǎn)速、潤滑及加載位置不變，驗證載荷變化對軸承振動的影響，如圖6所示。

由圖6可知，軸承加載力0.2～0.5 kN時，振動均方根值隨加載力增加而增大，載荷大于0.5 kN時，振動均方根值趨于穩(wěn)定。當軸承出現(xiàn)故障、載荷高于1.5 kN時，將引起異常噪聲和振動。

3.3 加載位置的影響

軸承徑向加載力依次按照0°（外圈下方承載區(qū)中心處）、90°、180°、270°4個位置通過液壓缸加載在軸承外圈上，軸承內(nèi)圈及滾子旋轉(zhuǎn)，如圖7所示。

加載位置對振動的影響如圖8所示，在0°位置處軸承振動均方根值最大，這與軸承外圈承載區(qū)磨損程度最大相符合，因此選擇0°位置為加載位置，以便甄別軸承磨損情況及評估軸承故障。

▲圖5 轉(zhuǎn)速對軸承振動檢測的影響

▲圖6 載荷對軸承振動檢測的影響

▲圖7 加載位置示意圖

▲圖8 加載位置對軸承振動檢測的影響

▲圖9 潤滑脂填充對軸承振動的影響

3.4 潤滑的影響

軸承旋轉(zhuǎn)時，軸承內(nèi)部需要有潤滑介質(zhì)，軸承潤滑方式及軸承潤滑介質(zhì)填充量均對軸承振動檢測結果產(chǎn)生影響。軸承選擇油潤滑或

脂潤滑需與軸承實際運行工況相結合。

本文以6226軸承脂潤滑進行試驗驗證，分析潤滑脂填充量對軸承振動檢測的影響，如圖9所示。

由圖9可知，軸承初始填充潤滑脂，運行磨合2 min后振動均方根值穩(wěn)定；再次對軸承注脂潤滑，重新運轉(zhuǎn)的軸承振動均方根值迅速降低，約5 min后振動均方根值和峭度系數(shù)重新恢復至注脂前水平。試驗初步表明，軸承潤滑脂初始填充對軸承振動有影響，但注脂后軸承穩(wěn)定運行時對振動檢測結果影響較小。

3.5 檢測方法制定

基于上述各因素對軸承振動檢測的影響分析，實際檢測中需嚴格執(zhí)行單個軸承動態(tài)檢測方法，規(guī)避各因素對軸承故障識別的影響，避免軸承故障漏判及誤判。

試驗以6226型深溝球軸承為例，規(guī)定適用該軸承的動態(tài)振動檢測參數(shù)，設置如下。

主軸轉(zhuǎn)速：800 r/min；加載力：1.5 kN；加載位置：軸承外圈承載區(qū)；軸承檢測注脂量：200 g/套。

4 檢測故障判定

對檢測影響因素的規(guī)定，是軸承故障判定的關鍵，也是進一步摸索適用于不同軸承故障檢測判定的標準。

4.1 基于振動能量的故障判定

振動能量判定方法主要是檢測和剖析軸承不同程度的磨損，掌握振動均方根值、峭度系數(shù)與軸承磨損的分布對應關系，制定上限值或檢測標準，監(jiān)控軸承故障。

筆者以 6226型深溝球軸承為例，經(jīng)過系列試驗，振動均方根值與軸承磨損狀況、峭度系數(shù)與軸承磨損狀況的分布關系如圖10、圖11所示。

▲圖10 均方根值與軸承磨損關系圖

▲圖11 峭度系數(shù)與軸承磨損關系圖

抽樣已檢測20套軸承，與軸承拆套檢測結果如下。

（1）振動均方根值≥6的10套軸承中，8套軸承滾道面發(fā)生剝離現(xiàn)象；而均方根值＜6的10套軸承中，有9套軸承滾道及滾動體磨損狀況良好。

（2）峭度系數(shù)≥5的6套軸承中出現(xiàn)不同程度磨損與剝離現(xiàn)象，而峭度系數(shù)＜5的14套軸承滾道面僅有輕微磨損。

為驗證振動檢測值上限值的準確性，以6032#電機的6226軸承為例，檢測出振動均方根值為12.018，峭度系數(shù)為12.52，拆套軸承發(fā)現(xiàn)外圈滾道面出現(xiàn)剝離現(xiàn)象，如圖12所示。

▲圖12 6032#電機6226軸承外圈滾道剝離現(xiàn)象

4.2 基于振動頻譜的故障判定

故障頻率判定方法是利用軸承組件（外圈、滾子、內(nèi)圈及保持架）的自身頻率，識別各組件的故障情況。

以6032#電機6226型深溝球軸承為例，在800± 5%r/min轉(zhuǎn)速下運行，試驗可明顯識別軸承故障頻率為45 Hz，倍頻特征非常顯著。基于該頻譜可判定6226型深溝球軸承的外圈出現(xiàn)故障，如圖13所示。

▲圖13 6032#電機6226軸承外圈故障頻率

5 結束語

本文對牽引電機檢修的常規(guī)軸承檢測方法進行了分析，系列試驗驗證了軸承轉(zhuǎn)速、加載力、加載位置及軸承潤滑對軸承振動檢測的影響，提出一種基于單個軸承動態(tài)故障診斷的檢測技術和檢測方法的操作規(guī)范，規(guī)避各因素對軸承故障識別的影響，避免軸承故障

的漏判及誤判，在實際工程應用中，對軸承故障的嚴控起到良好效果。

單個軸承動態(tài)故障診斷對機車牽引電機裝配、檢修及在實際工況中的軸承運行進行監(jiān)控具有良好的研究價值，為軸承在線監(jiān)測技術提供了數(shù)據(jù)支撐，對高速、重載牽引技術具有重要意義。

［1］楊振中，梅榮海，阮鴻芳.機車牽引電動機油潤滑軸承失效分析與對策［J］.軸承，2014（1）:45-47.

［2］劉澤九.滾動軸承應用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2006.

［3］張弛哲.共振解調(diào)技術在牽引電機軸承故障診斷中的應用［D］.北京：北京交通大學，2011.

［4］池田伸一，尚擁軍.牽引電機不解體檢修方法的研究［J］.電力機車技術，1997（3）：46-48.

（編輯 平 平）

TH186；U26

A

1000-4998（2015）06-0082-04

2015年4月