鐵路貨車缺陷軸承的轉速和轉矩對振動統計參數的影響

朱成九，朱愛華

(華東交通大學a. 土木建筑學院; b. 機電工程學院，南昌 330013)

目前，我國鐵路貨車主要采用21 t軸重的滾動軸承輪軸和25 t軸重的緊湊型滾動軸承輪軸，主要采用352226，352226X2-2RZ，353130X2-2RZ和353130B型4種軸承 ，其中352226X2-2RZ，353130X2-2RZ和353130B緊湊型滾動軸承已成為當今提速貨車軸承的主流。隨著鐵路貨車提速和重載化，輪對軸承的失效形式主要有內圈、外圈及滾動體的剝落，密封故障，保持架故障，輾皮和熱變色[1]。

為預防輪軸發生故障，我國鐵路干線上都已經安裝了紅外軸溫探測器，并構成了一個探測網絡，以便監測軸承溫度，該系統主要基于熱輻射原理來進行在線檢測以及故障預報，但對于早期無熱故障，紅外線探測軸溫效果很差[2]。據齊齊哈爾車輛段統計，僅2008年9月1日至2009年10月24日，達到微3級及以上的70 t貨車熱軸情況預報79件，其中把滾動軸承誤判為滑動軸承的熱軸就達28件。又據太原鐵路局湖東車輛段秦皇島動態監測車間統計，僅2010年4月，全路熱軸平均誤報率達53.7%，由于誤報而造成列車晚點，干擾正常的運輸秩序，造成了不必要的人力和物力資源的浪費。目前我國鐵路貨車輪對的現行管理體系是一年一檢，其余時間只是使用紅外線或人工檢查，難以及時發現并處理早期發生的軸承故障。

對于鐵路貨車軸承早期故障診斷，通常采用早期故障軌邊聲學診斷系統TADS[3]和振動法等，其中，鐵路貨車軸承故障振動法較簡單、直觀且成本低，在故障診斷中約占80%。振動法通過對軸承振動信號的測量與分析[4]，及時發現軸承早期故障，確定軸承是否需要進行分解檢修，為檢修提供及時準確的依據，確保列車運行安全與效率。

1 試驗方法

鐵路貨車輪對用353130B型滾動軸承結構復雜，由2列圓錐滾子、2個實體保持架、中間隔套、內外套圈和LL密封圈組成。在狀態檢測中，通過加速度計記錄振動信號，滾動軸承振動的變化過程可以看成一個隨機過程，通過統計的方法，選擇如峰值、均方根、波峰因數和峰度等合適的參數提取故障信息，并將這些統計參數與標準值比較以檢測和評估軸承工作狀態，同時研究軸承工作轉速和轉矩對其統計參數帶來的影響。

一個離散的振動信號xi的特性可以表示為[5]

(1)

(2)

(3)

(4)

在實驗室輪對試驗臺和某車輛段段修現場診斷裝置上模擬353130B型滾動軸承在貨車運行中的實際工況，并引進人工損傷，如圖1所示。用加速度計測量軸承座的徑向加速度，其中圖1b樣本的時間-加速度響應曲線如圖2所示。圖2中g為重力加速度。

圖1 人工損傷

圖2 加速度響應

2 結果分析

軸承測試設置運行中，記錄每個轉速和加速度數據，隨后用MATLAB程序[6]計算無載和有載(10 N·m)工況下的統計參數,結果如圖3和圖4所示，計算結果表明：在初期或加速時，波峰因數和峰度較高，隨著時間增加，波峰因數和峰度逐漸減少，而峰值和均方根值均保持增大，這表明軸承已經開始有損傷，并開始進入損傷后期，損傷會被壓平。將均方根的當前值與標準值(即無損傷軸承的統計參數)進行比較，可以判斷軸承使用中是否已經有損傷[7]。

圖3 無載時加速度響應統計參數

圖4 有載時加速度響應統計參數

試驗結果表明，隨著運行時間和轉速增加，峰值和均方根值均會增大，波峰因數和峰度則會減小。載荷變化對統計參數大小有影響，有載時統計參數大小會明顯增加，表明有更嚴重的損傷。而且，隨著轉速的增加，有載時峰值和均方根值增大的幅度，以及波峰因數和峰度減小的幅度均大于無載工況。

3 結束語

研究表明：隨運行時間和轉速增加，峰值和均方根值會增大，而波峰因數和峰度會減小；載荷對統計參數增大有影響，當無載時，統計參數的值是較低的，表明軸承有損傷；當有載時，統計參數值會增加，表明軸承損傷更嚴重。波峰因數和峰度對軸承初期故障比較敏感，而峰值和均方根值穩定性很好，但對初期故障振動信號不太敏感，因此，將它們同時使用，可兼顧敏感性和穩定性，能取得較好的效果。另外，這些統計參數對確定軸承缺陷位置及程度不太明顯，有待進一步研究。