廣州地鐵二號(hào)線牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承故障分析

梁旭彤（廣州市地下鐵道總公司，廣東廣州510440）

廣州地鐵二號(hào)線牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承故障分析

梁旭彤
（廣州市地下鐵道總公司，廣東廣州510440）

通過(guò)對(duì)廣州地鐵二號(hào)線西門(mén)子電機(jī)軸承故障進(jìn)行分析，查找可能引發(fā)故障的原因，根據(jù)檢修現(xiàn)場(chǎng)情況給出軸承狀態(tài)檢測(cè)和預(yù)防維護(hù)方法，并提出軸承隱患解決措施。

牽引電機(jī)；軸承故障；原因分析；狀態(tài)檢測(cè)；預(yù)防維護(hù)

0　引言

地鐵列車(chē)是城市快速軌道交通行業(yè)中的重要交通運(yùn)輸工具，其在安全、正點(diǎn)、快捷、舒適性上有較高的要求，并具有運(yùn)行速度快、啟停周期短、運(yùn)載客流多等特點(diǎn)。牽引電機(jī)是整個(gè)地鐵列車(chē)的動(dòng)力緣，而軸承作為牽引電機(jī)中的關(guān)鍵部件，承載著轉(zhuǎn)子重量及運(yùn)行中的振動(dòng)和沖擊，其質(zhì)量和壽命對(duì)地鐵安全運(yùn)營(yíng)起著十分重要的作用，因此牽引電機(jī)軸承在選型和維護(hù)上有著極高的要求。而在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，牽引電機(jī)軸承故障也偶有發(fā)生，存在電機(jī)軸承磨損破裂、電機(jī)卡死、甚至引發(fā)地短路等問(wèn)題，給正線運(yùn)營(yíng)帶來(lái)較大的安全隱患，故牽引電機(jī)軸承的故障分析、狀態(tài)檢測(cè)和預(yù)防維護(hù)則顯得十分重要。

1　牽引電機(jī)軸承故障情況

1.1故障簡(jiǎn)述

廣州地鐵2&8項(xiàng)目列車(chē)2010年上線運(yùn)營(yíng)以來(lái)，已出現(xiàn)四起因牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承問(wèn)題導(dǎo)致電機(jī)燒損的故障，給運(yùn)營(yíng)造成較大的安全隱患。廣州地鐵2&8項(xiàng)目列車(chē)牽引電機(jī)采用西門(mén)子1TB2010-1GA02型產(chǎn)品，該電機(jī)轉(zhuǎn)子兩端通過(guò)兩種不同型號(hào)的軸承以作支撐，其中轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)端采用深槽滾珠軸承，型號(hào)為FAG 6016M.P6R85.105. J20AA，非驅(qū)動(dòng)端采用圓柱滾子軸承，型號(hào)為FAGNU210E.M1.R65.80NA.F1。

在西門(mén)子提供的電機(jī)維護(hù)文件中給出的對(duì)軸承的更換說(shuō)明為：每隔1 250 000+20%km、或每隔10年，在列車(chē)大修過(guò)程中，對(duì)牽引端軸承及非牽引端軸承進(jìn)行更換。由此可見(jiàn)，驅(qū)動(dòng)端FAG 6016M型軸承壽命遠(yuǎn)未達(dá)到其規(guī)定的更換周期要求。

1.2故障表現(xiàn)

牽引電機(jī)軸承故障造成電機(jī)燒損時(shí)，主要有以下表現(xiàn)。

（1）異味。牽引電機(jī)發(fā)生燒損時(shí)，故障電機(jī)附近的車(chē)廂及站臺(tái)可聞到明顯的燒焦的異味。異味也是牽引電機(jī)故障初期時(shí)跟車(chē)或乘務(wù)人員快速發(fā)現(xiàn)列車(chē)異常的一大關(guān)鍵現(xiàn)象，以便行調(diào)和司機(jī)迅速對(duì)列車(chē)進(jìn)行調(diào)整。列車(chē)回庫(kù)后，在列車(chē)兩側(cè)及車(chē)底地溝處仍可聞到燒焦異味。

（2）電機(jī)溫度過(guò)高。使用紅外測(cè)溫槍測(cè)量電機(jī)表面的溫度通常超過(guò)150℃，部分電機(jī)表面防銹漆存在脫漆現(xiàn)象，電機(jī)工藝孔塑料螺堵燒融，如圖1所示，電機(jī)底部表面、廢油腔上方斜槽處粘貼的TMC 8格B型熱敏溫度試紙（71～110℃）檢測(cè)到的溫度超過(guò)量程范圍，8格檢測(cè)方格呈全黑狀態(tài)，見(jiàn)圖2。人體感官感覺(jué)電機(jī)熱輻射明顯，遠(yuǎn)超正常電機(jī)。

圖1　電機(jī)工藝孔螺堵燒融

圖2　溫度試紙超量程

（3）廢油腔積有廢油并伴有軸承碎片。廢油腔為牽引電機(jī)排除廢油的通道，當(dāng)對(duì)牽引電機(jī)進(jìn)行潤(rùn)滑時(shí)，軸承多余的潤(rùn)滑油脂將進(jìn)入廢油腔，并逐漸液化排出。拆開(kāi)故障電機(jī)廢油腔檢查，可見(jiàn)廢油腔內(nèi)積有黑色的油脂，油脂內(nèi)含有大量沙粒狀金屬顆粒物，如圖3所示。此外，在油脂中也可發(fā)現(xiàn)較大的金屬碎片，例如2013年4月30日2C029車(chē)3軸牽引電機(jī)故障時(shí)，在廢油腔油脂內(nèi)找到了3片金屬碎片，大小分別為25mm× 17 mm、14 mm×7 mm、7 mm×7 mm，如圖4所示。經(jīng)外形和顏色對(duì)比，判斷其為驅(qū)動(dòng)端軸承保持架碎片，說(shuō)明電機(jī)軸承已嚴(yán)重破損，從而導(dǎo)致電機(jī)損壞。

圖3　廢油腔內(nèi)油脂情況

圖4　廢油槽內(nèi)軸承碎片

（4）輪對(duì)擦傷。當(dāng)電機(jī)軸承嚴(yán)重?fù)p壞，軸承破碎導(dǎo)致電機(jī)卡滯，列車(chē)無(wú)法通過(guò)聯(lián)軸節(jié)和齒輪箱帶動(dòng)輪對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，或轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)需克服較大的阻力，則該軸輪對(duì)與鋼軌之間將出現(xiàn)滑行，并產(chǎn)生較大的滑動(dòng)摩擦力，勢(shì)必造成輪對(duì)及鋼軌產(chǎn)生不同程度的損傷，甚至導(dǎo)致影響列車(chē)運(yùn)營(yíng)安全的事故發(fā)生。

2　軸承故障的可能性因素

滾動(dòng)軸承的綜合性能與軸承的基體材料、滾動(dòng)體、滑道表面特性、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造加工、潤(rùn)滑等因素密切相關(guān)。牽引電機(jī)軸承故障的原因有多方面的，如選型不當(dāng)導(dǎo)致不滿足線路振動(dòng)沖擊要求、產(chǎn)品質(zhì)量不達(dá)標(biāo)、安裝不規(guī)范、未按要求維護(hù)等等[1]。下面將對(duì)主要的可能性原因分別加以介紹。

2.1軸承選型不當(dāng)

軸承是在機(jī)械傳動(dòng)過(guò)程中起固定和減小載荷摩擦系數(shù)的部件。在牽引電機(jī)中，軸承有著非常重要的作用：軸承支撐轉(zhuǎn)子重量，保持軸的中心位置，承擔(dān)徑向載荷；在轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，減小轉(zhuǎn)子與端蓋間的摩擦系數(shù)；在列車(chē)行駛過(guò)程中，承載運(yùn)行中的振動(dòng)和沖擊。電機(jī)軸承主要的要求為轉(zhuǎn)速高，潤(rùn)滑性能好，噪音小，承載大。在軸承的選型過(guò)程中，需綜合考慮軸承的工作載荷、工作轉(zhuǎn)速和軸承結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)（如軸徑、外徑、內(nèi)徑、滾子數(shù)、游隙等）。若軸承選型不當(dāng)，則將影響電機(jī)軸承工作壽命，或?qū)е鹿收下试龈摺?/p>

2.2生產(chǎn)及裝配中存在問(wèn)題

軸承生產(chǎn)工藝、質(zhì)量、裝配和安裝環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，均可造成軸承性能達(dá)不到要求。

（1）產(chǎn)品質(zhì)量：產(chǎn)品所使用材質(zhì)不符合規(guī)定要求，或產(chǎn)品制造過(guò)程中出現(xiàn)瑕疵，未嚴(yán)格按照要求對(duì)軸承進(jìn)行各項(xiàng)檢測(cè)等原因，導(dǎo)致軸承良品率低。

（2）生產(chǎn)工藝：軸承生產(chǎn)過(guò)程中未按工藝要求執(zhí)行，如縮減加工工序、壓縮部件工藝處理時(shí)間、未達(dá)到工藝要求的熱處理溫度等，均將造成產(chǎn)品強(qiáng)度和壽命低于設(shè)計(jì)要求。

（3）裝配環(huán)節(jié)：若裝配環(huán)節(jié)存在問(wèn)題，部件間匹配不良好，包括保持架與滾珠、滾珠與內(nèi)圈或外圈的搭配不當(dāng)，均會(huì)使軸承存在安全隱患。而電機(jī)裝配過(guò)程中轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸與軸承內(nèi)圈的過(guò)盈配合狀態(tài)也同樣重要，電機(jī)軸承安裝的好壞與否，將直接影響到軸承的精度、壽命和性能。

2.3維護(hù)不到位

為減小摩擦力，降低軸承對(duì)傳動(dòng)的影響，軸承必須實(shí)現(xiàn)良好的潤(rùn)滑。在運(yùn)用過(guò)程中，若未按手冊(cè)要求對(duì)牽引電機(jī)軸承進(jìn)行維護(hù)，或不正確的維護(hù)方式，則軸承將潤(rùn)滑不到位，轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中摩擦力增大，增加軸承破損的概率，并導(dǎo)致?tīng)恳姍C(jī)溫度過(guò)熱而燒損。

因本項(xiàng)目多數(shù)列車(chē)尚未進(jìn)入架修期，故現(xiàn)場(chǎng)日常維護(hù)工作主要按照西門(mén)子提供的1TB2010-1GA02型電機(jī)維護(hù)手冊(cè)的要求加注潤(rùn)滑油脂以滿足電機(jī)軸承潤(rùn)滑需求。列車(chē)每運(yùn)行125 000 km+20%或每隔一年，需對(duì)驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)端軸承加注潤(rùn)滑脂進(jìn)行潤(rùn)滑，牽引電機(jī)軸承潤(rùn)滑采用RETINAX LX2潤(rùn)滑脂，每個(gè)注油周期驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)端軸承分別加注45 g和25 g油脂。

3　電機(jī)軸承振動(dòng)沖擊脈沖值測(cè)試

為防止同類(lèi)故障再次發(fā)生，并調(diào)查西門(mén)子牽引電機(jī)故障多發(fā)的原因，廣州地鐵和西門(mén)子定期采用SPM沖擊脈沖監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)2&8項(xiàng)目列車(chē)牽引電機(jī)軸承進(jìn)行測(cè)試，及時(shí)了解各牽引電機(jī)軸承運(yùn)行情況，對(duì)疑似損傷的電機(jī)軸承進(jìn)行更換并拆解分析其狀態(tài)，以便更好地查找故障原因。

3.1SPM沖擊脈沖技術(shù)簡(jiǎn)介

SPM（Shock Pulse Method）沖擊脈沖技術(shù)是一種滾動(dòng)軸承監(jiān)測(cè)技術(shù)。往往一個(gè)軸承的失效將影響整個(gè)設(shè)備安全運(yùn)行，只有有效地監(jiān)控軸承早期損傷并做出預(yù)警才能達(dá)到預(yù)知維修目的。

車(chē)輛在勻速運(yùn)行中，有段時(shí)間電機(jī)會(huì)處于惰性狀態(tài)，此時(shí)聯(lián)軸節(jié)、輪對(duì)、定子、齒輪箱在慣性下運(yùn)動(dòng)，如若此時(shí)機(jī)構(gòu)之中沒(méi)有故障發(fā)生，電機(jī)外殼會(huì)進(jìn)行平穩(wěn)的振動(dòng)；如若機(jī)構(gòu)中有缺陷出現(xiàn)在某些部件之中，那么電機(jī)的振動(dòng)就會(huì)加強(qiáng)。其振動(dòng)時(shí)域圖上，會(huì)有峰值出現(xiàn)在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)倍數(shù)出現(xiàn)的地方和其頻域內(nèi)。可以通過(guò)分析頻域、振動(dòng)的有效值及幅值來(lái)找出電機(jī)出現(xiàn)故障的地方[2]。

在所有的滾動(dòng)軸承中，滾道和滾動(dòng)體之間的接觸面會(huì)產(chǎn)生沖擊脈沖信號(hào)。SPM沖擊脈沖技術(shù)通過(guò)32 kHz的固有頻率的沖擊脈沖傳感器，直接采集到軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的沖擊信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。通過(guò)共振、放大，沖擊脈沖傳感器得到的是已經(jīng)包絡(luò)后的沖擊波形，從而使得SPM沖擊脈沖頻譜分析技術(shù)能夠得到極其純凈的頻譜。

3.2軸承故障評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作中，在牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)端軸承所在位置附近選取檢測(cè)點(diǎn)，將其打磨平整，并在檢測(cè)點(diǎn)處粘貼沖擊脈沖傳感器金屬探頭，通過(guò)鏇輪機(jī)或傳動(dòng)工裝使輪對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)從而帶動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，保持電機(jī)轉(zhuǎn)速為88±5 r/min時(shí)，即可測(cè)試電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的軸承沖擊脈沖值HDm。

HDm是以分貝表示的測(cè)量結(jié)果，是用以判斷軸承損壞嚴(yán)重程度的基本值，代表的是測(cè)量周期中發(fā)現(xiàn)的最高沖擊脈沖，該值也用于觸發(fā)報(bào)警。參照?qǐng)D5中所示，通常，當(dāng)最高沖擊脈沖HDm小于20 dB時(shí)，可認(rèn)為軸承處于良好的運(yùn)用狀態(tài)；當(dāng)HDm處于20至35 dB之間時(shí)，軸承處于逐漸走向劣化的狀態(tài)；當(dāng)HDm超過(guò)35 dB時(shí)，則認(rèn)為軸承某部件已損壞，若繼續(xù)運(yùn)行，將增加故障發(fā)生的幾率，存在較高的安全隱患和運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)。

圖5　軸承沖擊脈沖值趨勢(shì)圖

3.3現(xiàn)場(chǎng)軸承運(yùn)用狀態(tài)及維護(hù)

現(xiàn)場(chǎng)已完成八輪電機(jī)測(cè)試，選取一列未更換過(guò)電機(jī)的車(chē)如2A051052，對(duì)16個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承進(jìn)行跟蹤，通過(guò)研究1年多時(shí)間內(nèi)軸承振動(dòng)沖擊脈沖值來(lái)反映軸承運(yùn)用狀態(tài)。表1為8次測(cè)試時(shí)電機(jī)軸承沖擊脈沖值。

表1　電機(jī)測(cè)試脈沖值

通過(guò)以上基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可得到14個(gè)月中該車(chē)16個(gè)牽引電機(jī)軸承振動(dòng)沖擊脈沖值趨勢(shì)圖6，進(jìn)而反映出軸承的運(yùn)用的趨勢(shì)情況。

此外，注油也將影響電機(jī)軸承性能，該車(chē)在電機(jī)脈沖值測(cè)試前后分別在2013年3月12日和2014年1月24日進(jìn)行過(guò)電機(jī)軸承注油，兩次注油時(shí)間內(nèi)共運(yùn)行里程為125 295 km。即一次注油在電機(jī)測(cè)試前，一次注油在第五輪和第六輪測(cè)試之間。

從之前介紹可知，脈沖值越小，軸承狀態(tài)越優(yōu)。從圖6分析來(lái)看，總體來(lái)說(shuō)，在電機(jī)未注油情況下，沖擊脈沖呈逐步增大趨勢(shì)，軸承性能逐漸降低；而當(dāng)公里數(shù)達(dá)到注油標(biāo)準(zhǔn)并按要求加注潤(rùn)滑油脂后，軸承性能將有所提高，如第六次測(cè)試脈沖值較第五輪測(cè)試脈沖值大幅降低可知。

因此在日常維護(hù)中，一是按運(yùn)營(yíng)公里數(shù)及運(yùn)營(yíng)年限要求及時(shí)加注潤(rùn)滑油脂，二是在沖擊脈沖測(cè)試中對(duì)脈沖值超過(guò)35 dB的牽引電機(jī)及時(shí)進(jìn)行更換，將極大地避免牽引電機(jī)故障的發(fā)生。

4　軸承故障原因分析及解決措施

自2012年7月至今，廣州地鐵28線項(xiàng)目總計(jì)發(fā)生四起西門(mén)子牽引電機(jī)故障，均由牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)端FAG軸承損毀造成的。為防止同類(lèi)故障再次發(fā)生，廣州地鐵連同西門(mén)子采取了如下措施：

（1）定期檢測(cè)廣州地鐵28線牽引電機(jī)軸承狀態(tài)，對(duì)疑似損傷的軸承進(jìn)行更換并分析其狀態(tài)；

（2）為分析牽引電機(jī)受載情況，于2013年9月份選取2B050車(chē)二架的兩臺(tái)電機(jī)，將其安裝小游隙軸承，并分別在電機(jī)、轉(zhuǎn)向架、軸箱等部位安裝有振動(dòng)傳感器，經(jīng)過(guò)功能調(diào)試后，進(jìn)行了為期兩天的牽引電機(jī)正線振動(dòng)沖擊試驗(yàn)。

圖6　軸承沖擊脈沖測(cè)試值曲線

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取及分析計(jì)算，分別得到在試車(chē)線測(cè)試過(guò)程中及正線載客運(yùn)營(yíng)中，牽引方向、軸向、垂向的振動(dòng)沖擊加速度值，如表2所示。

表2　振動(dòng)沖擊加速度測(cè)試值

而合同規(guī)定的IEC61373標(biāo)準(zhǔn)中，針對(duì)轉(zhuǎn)向架上安裝的部件，其振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3。

表3　轉(zhuǎn)向架上部件振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)及IEC61373標(biāo)準(zhǔn)，最終得出的電機(jī)軸承故障結(jié)論為廣州地鐵28線牽引電機(jī)所受沖擊載荷高于合同規(guī)定的IEC61373標(biāo)準(zhǔn)。高負(fù)載使得軸承內(nèi)部磨耗增加，游隙增大，從而增加了滾動(dòng)體與軸承滾道邊緣的接觸幾率，使得滾動(dòng)體受力面承受截?cái)嗔Γ瑢?dǎo)致應(yīng)力集中，最終發(fā)生疲勞損壞。

在小游隙軸承中，滾動(dòng)體和滾道可達(dá)到的最大運(yùn)動(dòng)偏移范圍仍處于滾道內(nèi)部，極限位置下滾動(dòng)體與滾道邊緣有一定距離，即軸承內(nèi)圈和外圈受力面仍在滾道內(nèi)部，尚未延伸至滾道邊緣，在軸承質(zhì)量正常且軸承選型滿足振動(dòng)沖擊載荷要求的情況下，一般較少出現(xiàn)故障。

軸承游隙偏大或因軸承內(nèi)部磨耗導(dǎo)致游隙增大，則列車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中因振動(dòng)沖擊的作用，使得大游隙軸承存在較多滾動(dòng)體與軸承滾道邊緣接觸的機(jī)會(huì)。與滾動(dòng)體接觸的受力面承受振動(dòng)沖擊產(chǎn)生的截?cái)嗔Γ枚弥疂L動(dòng)體也將產(chǎn)生磨損或凹痕，同樣內(nèi)圈或外圈將發(fā)生疲勞而損壞。

故針對(duì)此分析結(jié)論，制定了牽引電機(jī)軸承問(wèn)題的最終解決方案，將全部牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承更換為小游隙軸承，以減少正線振動(dòng)沖擊對(duì)軸承內(nèi)部的磨耗影響，進(jìn)而避免故障的發(fā)生。

［1］施洪生，張奕黃，高培慶.高速牽引電機(jī)軸承關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)［J］.機(jī)車(chē)電傳動(dòng)，2007（2）：1-5.

［2］張清林.深圳地鐵株機(jī)車(chē)牽引電機(jī)軸承固死的預(yù)防措施［J］.技術(shù)與市場(chǎng)，2012（12）：37-38.

(編輯：王智圣)

The Analysis for M otor Bearing Faultof Guangzhou M etro Line2

LIANGXu-tong
（Guangzhou Metro Corporation，Guangzhou510440，China）

The paper analyzes the Siemensmotor bearing fault of Guangzhou Metro Line 2 to find its possible causes.According to the depotsituation the author provides the bearing testmethod and preventivemaintenancemeasures，moreover findsout the final solution of themotorbearing fault.

tractionmotor；bearing fault；causesanalysis；state detection；preventivemaintenance

U231.94

A

1009－9492(2015)04－0100－05

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.04.027

2014－10－20

梁旭彤，男，1988年生，遼寧鳳城人，大學(xué)本科，助理工程師。研究領(lǐng)域：城市軌道交通機(jī)車(chē)車(chē)輛。已發(fā)表論文1篇。