利用軸承磨合機增加段修故障軸承診斷的探討

李云波， 徐焱

（南京東車輛段徐州設備車間，江蘇徐州221007）

1 問題的提出

近年來，隨著我國鐵路快速發展，貨車安全監控裝備的不斷投入和完善，尤其是貨車段修中積極結合“5T”系統預報等先進手段的運用，有效地提高了段修軸承早期故障診斷的準確性，在實際生產中為確保貨車段修軸承質量發揮了重要作用。

在廠段修貨車進庫后，貨車輪軸的檢查、檢修是生產工藝的重要環節。在車輛段檢修車間需要退卸檢修的非到期軸承主要是：外觀狀態不良的軸承、轉動檢查有異音故障的軸承、踏面擦傷剝離過限輪軸上的軸承等;臨、輔修扣換的故障軸承（包括熱軸）；“TADS”系統曾有三級及以上預報且列檢未扣車更換輪對的軸承。

表1 是徐州檢修車間2012 年4～6 月份的軸承一般檢修統計表。

表1

上述問題軸承進行一般檢修之前需要人工檢查和確認，人工檢查主要是以手動的方式正反轉動軸承，檢查軸承有無卡死現象及有無異音故障。通常由于人為因素影響，對軸承的故障判斷也有較大出入，對許多有疑問的故障軸承沒有針對性和有效的防范措施。因此，建議利用貨車軸承磨合機的平臺，增加對故障軸承的智能檢測功能，有效地檢測和確認軸承故障，提高貨車滾動軸承檢修質量。

2 方案實施與技術

2.1 工作原理

為了能夠對貨車車輛的滾動軸承部分進行故障診斷，需要利用貨車滾動軸承磨合機現有的機械部分，重點是對故障信息采集位置進行改進、安裝和調試。

當雙向油缸頂起車輪，壓緊裝置固定輪對后，在雙側軸承外圈處各放置一個磁性的加速度傳感器，通過高速數據采集板將加速度信號送入專用計算機進行處理分析，從而判斷軸承是否存在故障。在數據分析過程中，根據《國標2372》速度標準及通用的加速度標準，綜合時域數據波形有效值及峭度指標，判斷軸承是否存在故障，如存在故障，通過分析頻譜圖，判斷故障的位置。由于滾動軸承在轉動時，其中的滾動體、軸承外圈、軸承內圈、保持架各部分的故障頻率不同，通過頻譜圖可以很直觀地判斷出故障位置。

2.2 滾動軸承的故障現象及故障產生原因

故障產生原因主要是集中在生產制造過程零部件組裝不到位、軸承壓裝力過大或不足、注脂量不合理、密封失效等，導致貨車車輛運行中滾動軸承滾子、內圈、保持架等產生疲勞剝落缺損、保持架斷裂等故障。

本系統可以診斷以上幾種故障，并可以給出有故障軸承的具體損壞部位。

滾動軸承組成部分有內圈、外圈、滾動體及保持架。滾動軸承在恒定荷載下運轉時，滾動軸承各部分附件具有以下工作頻率特性（滾動軸承外環滾動，內環靜止）：

（1）外環旋轉頻率：fr=n/60

（2）保持架的旋轉頻率：fc=1/2（1+（d/D）cosα）fr

（3）一個滾動體通過外滾道一點的頻率：

Z 個滾動體通過外滾道一點的頻率：

（4）一個滾動體通過內滾道一點的頻率：

Z 個滾動體通過內滾道一點的頻率：

（5）滾動體上一點通過內環或外環的頻率：

式中，n-轉速，r/min；d-滾子直徑；D-節圓直徑；α-接觸角；Z-滾子數。

在本設計中，針對貨車滾動軸承（SKF 及197726）型軸承，d=24.74mm，D=180mm，α=5°，Z=21，轉速n=375r/min，可以求出：內圈故障頻率為75Hz；外圈故障頻率為56Hz；滾動體故障頻率為3.5Hz；保持架故障頻率為3Hz。

2.3 滾動軸承故障分析常用方法-有效值與峰值判別法

滾動軸承振動信號的有效值反映其振動能量大小，當其中某一部件產生故障時其振動幅值必然增大，而有效值指標對于瞬間沖擊振動是不適用的，瞬間振動存在的時間短、幅值大，對于形態異常故障特征通常用峰值來判別。在滾動軸承故障診斷的過程中，利用振動量值（峰值、有效值等），與設定標準值進行比較，很容易對滾動軸承進行故障判斷。

利用有效值與峰值之比所得到峰值系數，用來判別軸承正常、異常與否很方便，峰值系數的特點是其值不因軸承尺寸大小、載荷、轉速及測量系統的靈敏度不同而受到很大影響，適合用于點蝕類故障的診斷。軸承初始狀態正常下，Fc≈5；局部故障產生并發展時，Fc>5，此階段有沖擊現象，Fc最大可達10。峰值系數過大時，滾動軸承有點蝕故障特征明顯；當峰值系數過小時其存在過度磨損的可能性較大。

峭度指標法能有效地反映振動信號的沖擊特征，在軸承無故障時，振動符合正態分布，其峭度約為3，當軸承有故障時，其值與波峰系數變化趨勢類似。峭度指標約為4 或超過4 的值時，說明滾動軸承在運轉時存在沖擊性振動。峭度指標在滾動軸承早期故障和晚期故障表現很明顯，在軸承故障早期時雖然有效值變化不大，而峭度指標可以增大到幾十到上百，在軸承故障進入晚期時有效值幅值變化很大，而峭度指標由于滾子、內圈等剝落斑點充實在滾道，導致其幅值明顯下降。峭度指標法對于滾動軸承早期故障判斷是非常有效的方法。

在本設計中，經常采用峰值、有效值以及峭度值指標來判斷軸承是否存在故障以及故障的嚴重程度。

2.4 滾動軸承的精密診斷法

通過滾動軸承的簡易診斷法只能判斷滾動軸承是否存在故障，此時我們通過對診斷信號進行頻譜分析則可以進行軸承的精密診斷，即通過振動信號的頻率分析，以判斷故障的類別及原因。

在本設計中，采用低頻段信號診斷軸承故障，低于1kHz 的振動信號稱為低頻頻率信號。通常采用加速度傳感器來實現對滾動軸承振動低頻信號進行分析。通過1kHz 的低通濾波器去除高頻噪音，進行頻率分析，以找出信號的故障頻率。采用自功率頻譜特性分析故障信息。

2.5 程序編制及操作系統的選擇

考慮到現場需要經常移動診斷儀以及經常切換電源，Windows 操作系統不能適應快速啟動停電需求，因而采用DOS 操作系統。

現場儀器程序編制采用TOUBOR C 語言編制。C 語言具有與低級硬件接口良好、運行速度快等特點。

上位機程序采用Windows 操作系統，通過VISUAL C++語言與Labview 語言接口編程。界面美觀、操作方便，分析功能更加強大。

2.6 系統硬件組成

控制部分主要利用ZMHJ-II 型微機控制雙工位軸承磨合機的操作臺、計算機和一些外圍檢測設備構成。外圍設備由2 臺液壓站電機和旋轉驅動電機組成，2 個雙向液壓缸用于將承載鞍及轉向架頂起，電磁閥控制液壓缸的伸縮、轉動裝置驅動滾動軸承運轉，加速度傳感器用于采集來自于加速度傳感器的信號。傳感器信號傳入到工業控制計算機進行數據處理。

3 技術應用與探討

3.1 結合“5T”預報診斷軸承故障

隨著“5T”技術的成熟運用，其聯網監控數據已逐步成為指導貨車檢修生產的重要數據來源。段修生產時針對以下5T 扣修的非正常、一般檢修軸承：THDS 系統預報扣車的“熱軸”車輛；紅外線探測站預報“熱軸”的甩車軸承和列檢點溫“熱軸”的扣修軸承。TADS 系統預報的故障軸承：列檢扣修的TADS 預報軸承和廠段修到期的TADS 歷史預報軸承。TPDS 系統列檢扣修的車輪踏面損傷的車輪。

可以利用磨合機軸承故障智能診斷技術，在靜置狀態下保持200r/min、250r/min 和300r/min 進行測試記錄，對相應的溫度和軸承內部振動數據進行自動故障診斷和確認。

3.2 結合外觀檢查診斷軸承故障

經過人工外觀檢查有卡滯、密封罩不良、甩油及其它有異狀的軸承，也可以利用磨合機軸承故障智能診斷技術，對疑似故障軸承進行診斷確認，在軸承一般檢修過程中進行重點檢測和質量追蹤，確保生產質量和安全。

4 結 語

利用ZMHJ-II 型微機控制雙工位軸承磨合機進行段修故障軸承的智能診斷，強化了在貨車檢修生產中保障生產質量及設備安全運行的基本措施，它既能對設備運行狀態的變化及故障發展做出早期預報，又能對設備有無故障、故障程度、故障部位及故障原因做出判斷，從而達到避免或減少事故發生的目的。