地铁牵引电机滚动轴承保持架故障识别技术研究

梅 涛 黄宏臣

（中车株洲电机有限公司,湖南 株洲 412000）

1 引言

滚动轴承一般由内圈、外圈、滚动体和保持架4个部件以及润滑剂组成[1]。保持架，通常又称保持器和隔离器，将轴承中的滚动体均匀地分布在整个轴承内，具有引导滚动体运动、优化载荷分布、改善轴承内部润滑条件和降低噪声的作用，还能减小轴承的摩擦力矩和因摩擦产生的热量，在无载区引导滚动体，以改善滚动条件和防止出现损坏性的滑动。

在轨道交通领域，滚动轴承是车辆走行部的核心，其中牵引电机是动力心脏，轴承质量决定车辆运行状态。在国内，机车走行部滚动轴承常采用均方根值（RMS）和峭度系数（Kv）相结合的方式判断轴承运行状态。该方法对于疲劳失效类的剥离可以有效识别，对于保持架故障难以识别，对于地铁牵引电机轴承保持架故障不具有借鉴意义。因此，本文提出基于共振解调方法的地铁牵引电机轴承保持架故障诊断方法。

2 滚动轴承保持架振动特性和故障识别的难点

保持架主要有金属冲压保持架、机削金属保持架以及聚合塑料保持架三大类，图1为不同材质的保持架示例。钢制冲压保持架重量轻、强度比较高，能在轴承内提供充足的空间，以充分发挥润滑剂的效用；铜合金保持架具有很好的强度，可以承受更高的转速；聚合塑料保持架密度小、转动惯性小，低速运行时噪声小，同时兼具高强度和高弹性的优点，聚合塑料与钢球之间摩擦小，具有良好的滑动特性。

图1 不同材质保持架

在轴承运转过程中，保持架受温度、载荷及振动的影响会发生径向弹性变形，外圈凸缘内径面约束保持架运动，使其保持相对稳定的运行姿态，正常情况下保持架引导面与外圈凸缘内径面部分接触[2]，因此，滚动轴承保持架具有非线性受力、非平稳振动、无明显冲击特性的运行特征。

当轴承外圈、内圈及滚动体出现局部故障和缺陷时，会发生较为明显的周期性撞击，形成一系列非常明显的冲击振动，可以有效识别故障部位和严重程度。而保持架出现故障和缺陷一般不会引起设备明显的振动和噪声变化。在保持架发生早期故障时，虽然会出现高频加速度变化，但对振动值及波动影响很小，在进行频谱分析时，保持架故障特征频率通常难以获取，在频谱图上仅能发现存在一些异常的高频的谱峰，且幅值很小，无法识别保持架故障。在保持架故障晚期，振动值和波动也不会出现明显增大，常规方法也难以获得保持架故障频率特征，仅会出现较为明显的2倍转频[3]。在实际运用过程中，保持架的失效一般会造成设备的故障突发与恶劣后果，因此，对保持架进行故障诊断研究具有重大意义。

3 共振解调技术

当机械受到外力作用时，将一边自由振动一边储存能量，外力撤除后，储存的能量就会以自由衰减的方式释放。对于滚动轴承而言，出现局部损伤时，各部件之间会发生撞击，从而产生能量集中的冲击脉冲力，自由衰减的振动，便会产生一种压缩波或应力波。因此，可利用冲击脉冲力的宽频带特性，与设备元件、传感器等各元器件的固有频率产生共振，利用中心频率等于该固有频率的带通滤波器将该固有频率分离出来，然后通过包络检波器去除高频衰减振动的频率成分，得到只包含故障特征信息的低频包络信号，通过对低频包络信号进行分析即可诊断出故障。该方法称为共振解调（计算过程见图2），对于滚动轴承早期故障诊断具有良好的效果。

图2 共振解调计算过程

共振解调波与故障冲击波存在一一对应的关系，即有故障才会出现相应的频谱图。当选取相同的共振频带、采用相同的滤波器及阶数进行处理时，共振解调的幅值与故障冲击强度成正比，因此，可以较好地用来衡量故障的程度。由于共振解调技术采用高通滤波，引起传感器广义共振过滤掉低频信号，使共振解调波具有良好的信噪比。可以利用保持架与滚动体之间的异常摩擦产生的冲击脉冲，利用特定的高频段激起设备的固有频率，可以有效地识别出保持架故障。

4 地铁牵引电机轴承诊断实例

4.1 电机振动检测与分析

国内某地铁车辆某车厢电机在运行过程中发生异响，对该车厢的4台牵引电机的轴承进行振动检测，采用外接变频器的方式将电机控制在1 500 r/min匀速运行，将振动加速度传感器固定在端盖的垂直下方采集振动信号，发现存在异响的第二位电机振动信号中存在较为明显的异常波形（见图3、图4），其余三位电机较为正常。

图3 第二位电机传动端轴承时域图

图4 第二位电机非传动端轴承时域图

对两端振动信号均方根值RMS和峭度系数Kv统计如表1所示。第二位电机的传动端峭度系数Kv为5.34，均方根值RMS相对于其他轴位电机无明显差异；非传动端端的均方根值RMS为3.00，相对偏大，峭度系数Kv则无明显差异。电机1500r/min运行时轴承故障频率如表2所示。

表1 电机轴承统计分析

表2 电机1 500 r/min运行时轴承故障频率（单位：Hz）

从图5、图6可以看出，在第二位电机传动端和非传动端均出现明显的轴承保持架故障频率10.5 Hz、2倍频21 Hz及3倍频31.5 Hz，但是，传动端的幅值要明显高于非传动端，振动信号和特征可能是由传动端轴承传递至非传动端。

图5 第二位电机传动端轴承频域图

图6 第二位电机非传动端轴承频域图

4.2 轴承拆解与分析

4.2.1 轴承拆解现象

对第二位电机轴承进行拆解后，电机非传动端轴承未见任何异常，而传动端圆柱滚子轴承的保持架的中间黄铜隔挡外径部位出现明显的卷边变形，隔挡中间位置出现疑似擦伤，保持架两侧也存在异常摩擦的现象，如图7所示。

图7 传动端轴承保持架状态

对滚动体和轴承内圈滚道面进行轮廓检测，发现滚动体、轴承内圈表面Pt值如图8（a）、（b）所示，可以看出滚动体和轴承内圈滚道面存在较为明显的异常磨损。

图8 轴承滚动体表面轮廓检测

4.2.2 保持架分析

保持架不直接承受载荷，其运动需要其他部件引导。保持架受力主要包括：引导套圈对保持架的作用力（FCF、MCF）、滚动体对保持架的作用力（FCP、fCP）、润滑脂对保持架的作用力（FCL、MCL）以及离心力（FUB），如图9所示[4]。

图9 保持架受力分析

该电机传动端采用圆柱滚子轴承，通过分析轴承保持架和滚动体状态，结合现场的运行现象，可以推断出滚动体在保持架内出现非正常运行，导致多个滚子发生径向窜动，进而导致滚动体与保持架、套圈挡边之间的异常冲击。如果保持架的窜动幅度大于保持架与外环挡边的间隙，将发生保持架与套圈之间的异常碰撞。保持架本身旋转的惯性参与对外环的相互作用，会破坏轴承保持架的受力平衡而导致异常冲击和振动[5]，迫使滚子端面碰磨外圈挡边内侧。虽然轴承中的润滑脂的阻尼作用消耗了一定的能量，使振荡频率下降，但是当润滑脂量不足时，保持架与滚动体之间出现干摩擦，将导致滚动体原有的运转规律发生急剧变化，使得保持架涡动以及喘动，从而进一步导致保持架发生更大的变形，致使轴承与保持架在运转过程中发生刮擦，从而产生磨损。

同时，轮与轨道之间产生的冲击和振动通过齿轮箱的齿轮啮合传递到电机上，使轴承承受轴向力，传动端圆柱滚子轴承出现轴向偏摆，从而轴承内外环的振动容易通过挡边与保持架定位面传递到保持架。当轴承保持架变形、异常摩擦时，在某些条件下，保持架可能受到外圈档边的激励产生的低阻尼振动。该振动与外圈档边的振动相位相反，会引起相互撞击，可能引发保持架疲劳断裂。

以上两个因素综合作用，会导致轴承滚柱与保持架在运行过程中产生异常摩擦，引起轴承温度升高。当温度升高时，保持架引导面与外圈挡边内径面之间的间隙减小，保持架引导面与外圈挡边内径面的接触面积增大甚至全接触[6]，从而产生更大的摩擦，导致轴承温度进一步升高。而轴承滚柱与保持架摩擦产生的异物也会进一步影响轴承的运行状态，最终可能会导致轴承失效。

4.3 轴承保持架破损原因

导致该电机传动端圆柱滚子轴承保持架异常磨损的可能原因有以下4个方面。

（1）安装不当：圆柱滚子轴承对于电机的同轴度要求更高，出现轴承安装不当时，会出现圆柱滚子轴承滚动体与保持架之间的异常磨损。

（2）润滑不良：电机长时间放置，润滑脂基础油流失，润滑性能下降，并且在维护保养的时候没有按时按量补充润滑脂，这是电机故障中最为常见的故障；电机温度偏高，润滑脂消耗量增大，同时电机运用方未完全掌握电机的使用工况，未能按要求补充润滑脂。

（3）异常冲击：地铁车辆过岔道或者小弯道时，轴承遭受异常振动和冲击，导致滚动体对保持架的撞击。

（4）异物入侵：电机装配、使用过程以及后期维护过程中，砂砾、铁屑等硬度高的异物进入，导致滚动体与保持架的摩擦，从而使保持架损坏。

通过对电机的制造、运维进行综合分析后可判断：电机运行6年，因此，可排除因安装不当导致的轴承故障；传动端轴承保持架出现摩擦痕迹，可能是由于后期运用过程油脂未及时按量补充，导致轴承运行过程中润滑脂产生的基油不足，滚子表面油膜不良，滚子对轴承保持架产生异常冲击，从而导致轴承保持架异常磨损。

5 结论

滚动轴承保持架具有非线性受力、非平稳振动以及无明显冲击特性，并且频谱分析时故障特征难以提取。通过采用共振解调方法，保持架故障产生的特定频率使检测设备中的元器件产生共振，进而信号加强，然后进行包络解调，将高频信号变换到低频信号再进行FFT快速傅立叶变换，可得到明显的保持架故障频率及其倍频。本研究证明共振解调方法可以有效识别出地铁牵引电机滚动轴承保持架故障，保障地铁牵引电机在线安全运营，同时指导地铁牵引电机的后期运维。