利用轴承磨合机增加段修故障轴承诊断的探讨

2013-12-23李云波徐焱

机械工程师 2013年2期

李云波，徐焱

（南京东车辆段徐州设备车间，江苏徐州221007）

1 问题的提出

近年来，随着我国铁路快速发展，货车安全监控装备的不断投入和完善，尤其是货车段修中积极结合“5T”系统预报等先进手段的运用，有效地提高了段修轴承早期故障诊断的准确性，在实际生产中为确保货车段修轴承质量发挥了重要作用。

在厂段修货车进库后，货车轮轴的检查、检修是生产工艺的重要环节。在车辆段检修车间需要退卸检修的非到期轴承主要是：外观状态不良的轴承、转动检查有异音故障的轴承、踏面擦伤剥离过限轮轴上的轴承等;临、辅修扣换的故障轴承（包括热轴）；“TADS”系统曾有三级及以上预报且列检未扣车更换轮对的轴承。

表1 是徐州检修车间2012 年4～6 月份的轴承一般检修统计表。

表1

上述问题轴承进行一般检修之前需要人工检查和确认，人工检查主要是以手动的方式正反转动轴承，检查轴承有无卡死现象及有无异音故障。通常由于人为因素影响，对轴承的故障判断也有较大出入，对许多有疑问的故障轴承没有针对性和有效的防范措施。因此，建议利用货车轴承磨合机的平台，增加对故障轴承的智能检测功能，有效地检测和确认轴承故障，提高货车滚动轴承检修质量。

2 方案实施与技术

2.1 工作原理

为了能够对货车车辆的滚动轴承部分进行故障诊断，需要利用货车滚动轴承磨合机现有的机械部分，重点是对故障信息采集位置进行改进、安装和调试。

当双向油缸顶起车轮，压紧装置固定轮对后，在双侧轴承外圈处各放置一个磁性的加速度传感器，通过高速数据采集板将加速度信号送入专用计算机进行处理分析，从而判断轴承是否存在故障。在数据分析过程中，根据《国标2372》速度标准及通用的加速度标准，综合时域数据波形有效值及峭度指标，判断轴承是否存在故障，如存在故障，通过分析频谱图，判断故障的位置。由于滚动轴承在转动时，其中的滚动体、轴承外圈、轴承内圈、保持架各部分的故障频率不同，通过频谱图可以很直观地判断出故障位置。

2.2 滚动轴承的故障现象及故障产生原因

故障产生原因主要是集中在生产制造过程零部件组装不到位、轴承压装力过大或不足、注脂量不合理、密封失效等，导致货车车辆运行中滚动轴承滚子、内圈、保持架等产生疲劳剥落缺损、保持架断裂等故障。

本系统可以诊断以上几种故障，并可以给出有故障轴承的具体损坏部位。

滚动轴承组成部分有内圈、外圈、滚动体及保持架。滚动轴承在恒定荷载下运转时，滚动轴承各部分附件具有以下工作频率特性（滚动轴承外环滚动，内环静止）：

（1）外环旋转频率：fr=n/60

（2）保持架的旋转频率：fc=1/2（1+（d/D）cosα）fr

（3）一个滚动体通过外滚道一点的频率：

Z 个滚动体通过外滚道一点的频率：

（4）一个滚动体通过内滚道一点的频率：

Z 个滚动体通过内滚道一点的频率：

（5）滚动体上一点通过内环或外环的频率：

式中，n-转速，r/min；d-滚子直径；D-节圆直径；α-接触角；Z-滚子数。

在本设计中，针对货车滚动轴承（SKF 及197726）型轴承，d=24.74mm，D=180mm，α=5°，Z=21，转速n=375r/min，可以求出：内圈故障频率为75Hz；外圈故障频率为56Hz；滚动体故障频率为3.5Hz；保持架故障频率为3Hz。

2.3 滚动轴承故障分析常用方法-有效值与峰值判别法

滚动轴承振动信号的有效值反映其振动能量大小，当其中某一部件产生故障时其振动幅值必然增大，而有效值指标对于瞬间冲击振动是不适用的，瞬间振动存在的时间短、幅值大，对于形态异常故障特征通常用峰值来判别。在滚动轴承故障诊断的过程中，利用振动量值（峰值、有效值等），与设定标准值进行比较，很容易对滚动轴承进行故障判断。

利用有效值与峰值之比所得到峰值系数，用来判别轴承正常、异常与否很方便，峰值系数的特点是其值不因轴承尺寸大小、载荷、转速及测量系统的灵敏度不同而受到很大影响，适合用于点蚀类故障的诊断。轴承初始状态正常下，Fc≈5；局部故障产生并发展时，Fc>5，此阶段有冲击现象，Fc最大可达10。峰值系数过大时，滚动轴承有点蚀故障特征明显；当峰值系数过小时其存在过度磨损的可能性较大。

峭度指标法能有效地反映振动信号的冲击特征，在轴承无故障时，振动符合正态分布，其峭度约为3，当轴承有故障时，其值与波峰系数变化趋势类似。峭度指标约为4 或超过4 的值时，说明滚动轴承在运转时存在冲击性振动。峭度指标在滚动轴承早期故障和晚期故障表现很明显，在轴承故障早期时虽然有效值变化不大，而峭度指标可以增大到几十到上百，在轴承故障进入晚期时有效值幅值变化很大，而峭度指标由于滚子、内圈等剥落斑点充实在滚道，导致其幅值明显下降。峭度指标法对于滚动轴承早期故障判断是非常有效的方法。

在本设计中，经常采用峰值、有效值以及峭度值指标来判断轴承是否存在故障以及故障的严重程度。

2.4 滚动轴承的精密诊断法

通过滚动轴承的简易诊断法只能判断滚动轴承是否存在故障，此时我们通过对诊断信号进行频谱分析则可以进行轴承的精密诊断，即通过振动信号的频率分析，以判断故障的类别及原因。

在本设计中，采用低频段信号诊断轴承故障，低于1kHz 的振动信号称为低频频率信号。通常采用加速度传感器来实现对滚动轴承振动低频信号进行分析。通过1kHz 的低通滤波器去除高频噪音，进行频率分析，以找出信号的故障频率。采用自功率频谱特性分析故障信息。

2.5 程序编制及操作系统的选择

考虑到现场需要经常移动诊断仪以及经常切换电源，Windows 操作系统不能适应快速启动停电需求，因而采用DOS 操作系统。

现场仪器程序编制采用TOUBOR C 语言编制。C 语言具有与低级硬件接口良好、运行速度快等特点。

上位机程序采用Windows 操作系统，通过VISUAL C++语言与Labview 语言接口编程。界面美观、操作方便，分析功能更加强大。

2.6 系统硬件组成

控制部分主要利用ZMHJ-II 型微机控制双工位轴承磨合机的操作台、计算机和一些外围检测设备构成。外围设备由2 台液压站电机和旋转驱动电机组成，2 个双向液压缸用于将承载鞍及转向架顶起，电磁阀控制液压缸的伸缩、转动装置驱动滚动轴承运转，加速度传感器用于采集来自于加速度传感器的信号。传感器信号传入到工业控制计算机进行数据处理。

3 技术应用与探讨

3.1 结合“5T”预报诊断轴承故障

随着“5T”技术的成熟运用，其联网监控数据已逐步成为指导货车检修生产的重要数据来源。段修生产时针对以下5T 扣修的非正常、一般检修轴承：THDS 系统预报扣车的“热轴”车辆；红外线探测站预报“热轴”的甩车轴承和列检点温“热轴”的扣修轴承。TADS 系统预报的故障轴承：列检扣修的TADS 预报轴承和厂段修到期的TADS 历史预报轴承。TPDS 系统列检扣修的车轮踏面损伤的车轮。

可以利用磨合机轴承故障智能诊断技术，在静置状态下保持200r/min、250r/min 和300r/min 进行测试记录，对相应的温度和轴承内部振动数据进行自动故障诊断和确认。