鐵路貨車滾動軸承在運行中的故障診斷方法分析

王 軍，張海軍

（哈爾濱威克科技股份有限公司，黑龍江哈爾濱150090）

1 前言

目前，我國鐵路貨車基本上采用滾動軸承。滾動軸承具有效率高、摩擦阻力小、裝配較為方便、潤滑易實現等優點。因此，在鐵路車輛上被廣泛應用，是車輛上重要部件之一。滾動軸承在正常工作條件下，由于受到載荷、安裝、潤滑狀態等因素的影響，運轉一段時間后將會產生各種類型的故障。一旦貨車的滾動軸承發生故障，就會危及列車的行車安全，嚴重的甚至造成切軸的重大事故。如果只靠廠修、段修等定期的檢修，無法完成對軸承故障的及時發現和排除，所以需要在貨車運行過程中，對滾動軸承的狀態進行監測，及時發現滾動軸承的故障，采取相應措施，避免事故發生。針對滾動軸承故障形式，目前鐵路上主要通過探測軸承的溫度、聲音和圖像三種方法，建立了三個系統（THDS、TADS、TFDS）來發現貨車滾動軸承在運行中的故障。

2 滾動軸承故障的基本形式

滾動軸承在運轉過程中可能會由于各種原因，如裝配不當、潤滑不良、水分和異物侵入、腐蝕和過載等都可能導致軸承過早損壞。即使在安裝、潤滑和使用維護都正常的情況下，經過一段時間運轉，軸承也會出現疲勞剝落和磨損而不能正常工作。總之，滾動軸承的故障原因是十分復雜的。滾動軸承的主要故障形式如下[1]。

2.1 滾動軸承的磨損

磨損是滾動軸承最常見的一種故障形式，是軸承滾道、滾動體、保持架、座孔或安裝軸承的軸頸由于機械原因或潤滑雜質引起的表面磨損。在工作環境惡劣的情況下，許多雜質會混雜在潤滑油中進入軸承，從而在滾動體和滾道上產生磨損，在滾動體和滾道上出現不均勻的劃痕。

2.2 滾動軸承的疲勞

疲勞是滾動軸承的另一種故障形式，常表現為滾動體或滾道表面剝落或脫皮。初期是在表面上形成不規則的凹坑，以后逐漸延伸成片。滾動軸承在工作時，由于滾動體與內、外滾道接觸面積很小，因此接觸應力很大。在高速旋轉時，由于巨大的交變接觸應力多次反復作用，軸承元件金屬表面就會發生疲勞，產生剝落，形成小凹坑。

2.3 滾動軸承的腐蝕

由于濕氣或水分浸入軸承或由于使用了品質不好的潤滑油，就會在軸承表面形成腐蝕。

2.4 滾動軸承的斷裂

軸承零件的破斷與裂紋主要是由于磨削或熱處理引起的，也有的是由于運行時載荷過大、轉速過高、潤滑不良或裝配不善，使軸承某個部位發生應力集中，產生裂紋，最后導致軸承元件斷裂。

2.5 滾動軸承的壓痕

壓痕是由于軸承過載、撞擊或異物進入滾道內使得滾動體或滾道表面上產生局部變形而出現的凹坑。其原因主要是由于裝配不當，有時也可能是過載或撞擊造成。

2.6 滾動軸承的膠合

在潤滑不良、高速重載情況時，由于摩擦發熱，軸承零件可以在極短的時間達到很高的溫度，導致表面燒傷及膠合。膠合發生在滾動接觸的兩個表面間，為一個表面上的金屬粘附到另一個表面的現象。

2.7 滾動軸承的保持架損壞

由于裝配或使用不當可能會引起保持架變形，增加它與滾動體之間的摩擦，甚至使某些滾動體卡死不能滾動，也有可能造成保持架與內外圈發生摩擦等。

3 紅外線軸溫探測系統（THDS）

3.1 THDS工作原理

當某物體的溫度高于絕對零度時 (即攝氏-273℃)，就會釋放出紅外輻射能。就算是人們認為很冷的東西，如冰塊，也不例外。不同物體不同溫度，就釋放出不同種類的紅外輻射。車輛在運行過程中，車軸與軸承之間要互相摩擦，產生的熱會使軸溫升高。車軸是鋼制的，常溫下既堅硬又富有彈性。但是，隨著溫度的升高，它的剛性和彈性就逐漸減弱。如果它的溫度達到一定的程度，就不能承受車箱的載重，輕的使車體變形，重的造成燃軸、切軸事故，造成列車顛覆[2]。紅外線軸溫探測系統是以環溫或選定的參照溫度為基準，利用安裝在鐵路兩側的紅外線軸溫探測器捕捉通過車輛的軸承或軸箱輻射的紅外能量，并將其轉換為相應的電信號。軸承或軸箱表面的溫度越高，其紅外輻射的能量也越高，紅外探頭輸出的相應電壓值也越高。通過和車號設備結合，車輛軸位準確定位，從而達到檢測每個通過車輛的軸承溫度和發現熱軸的目的。

3.2 THDS發現的熱軸故障32點波形圖

圖1 微熱的波形圖

圖2 強熱的波形圖

3.3 THDS優缺點

THDS在鐵路上實施比較早，對因磨損、腐蝕、斷裂、膠合等造成的滾動軸承高溫故障準確判別率比較高，避免了很多熱軸故障的發生。但是當滾動軸承出現早期點蝕、剝落和輕微磨損等故障時，一般情況下故障軸承并不表現出明顯的高溫，溫度檢測基本失去效用。

4 貨車滾動軸承早期故障聲學診斷系統（TADS）

4.1 TADS工作原理

當軸承零件的滾動工作面上出現故障（如剝離、碎裂、點蝕、塑性變形等）時，在軸承運轉中滾動體碾壓到故障部位，就會產生沖擊振動。這種沖擊振動與正常情況下的振動有所不同，具有很寬的頻率范圍，常能激起軸承零件的共振，引發異常聲響。這種信號的特點是每個沖擊的作用時間很短，時域能量不大，但頻譜豐富，且沖擊具有周期性。貨車滾動軸承早期故障聲學診斷系統在鋼軌兩側分別安裝了一組高性能聲學傳感器，采集通過車輛的軸承發出的聲音信號，采用特定的信號分析技術，可以從時域、頻域或幅域提取出軸承的故障特征，再應用專家系統和神經網絡結合的方法，判定滾動軸承的工作狀態，實現滾動軸承的故障診斷。

4.2 TADS發現的滾動軸承故障聲音波形圖

圖3 內滾道故障的聲音波形圖

圖4 外滾道故障的聲音波形圖

4.3 TADS優缺點

TADS對因剝離、斷裂、點蝕、塑性變形等造成的軸承內外滾道和滾動體故障有比較高的判別率，并且可以發現滾動軸承的早期故障。但TADS缺少對保持架故障聲音的判別模型，對保持架的故障還無法判別。

5 貨車故障軌邊圖像檢測系統（TFDS）

5.1 TFDS工作原理

TFDS是采用高速攝像機對運行的列車進行圖像采集,通過計算機進行分析與處理,計算出列車運行速度，判斷出列車車種車型,取出系統所需要的車輛關鍵部位圖像進行存儲,以一車一檔的方式在窗口計算機中顯示,并能按要求打印、傳輸。通過人機結合的方式判別出車輛轉向架、制動裝置、車鉤緩沖裝置等部件及其零配件有無缺損、斷裂、丟失等故障,從而達到動態檢測貨車運行故障的目的。其中高速攝像機可以拍到車輛側架工位位置，看到滾動軸承外圈、前蓋、承載鞍、軸箱無裂損，軸端螺栓無脫出等情況。

5.2 TFDS發現的滾動軸承故障圖像

圖5 滾動軸承甩油

5.3 TFDS優缺點

TFDS采用高速攝像機對運行的列車進行圖像采集，圖像比較直觀，故障可以比較明顯看到，但只能看到滾動軸承的外圈外側和密封情況，而且受天氣影響比較大，特別是在雨雪天、大霧天拍攝效果不好。

6 結論

THDS、TADS和TFDS都可以對鐵路貨車滾動軸承在運行中進行故障判別，但都有各自的優點和缺點，對三個系統預報的軸承故障進行綜合報警，可以大大提高滾動軸承的預報準確率，提高行車的安全性。

[1]盛兆順，尹琦嶺.設備狀態檢測與故障診斷技術及應用[M.]北京：化學工業出版社,2003.

[2]張維，李新東.鐵路無損檢測與地面安全監測技術[M].西安：西南交大出版社,2008.