HXD1系列交流傳動電力機車風機軸承壽命分析與研究

樊運新, 李希寧, 王 位, 張奕奕

(1 大功率交流傳動電力機車系統集成國家重點實驗室， 湖南株洲 412001；2 中車株洲電力機車有限公司 產品研發中心， 湖南株洲412001)

以可靠性為中心的維修(Reliability centered maintenance, RCM)分析是指按照以最少的維修資源消耗保持裝備固有可靠性水平和安全性的原則，應用邏輯決斷的方法確定裝備預防性維修要求的過程。

以可靠性為中心的檢修理念，其核心是在不影響產品安全性、可靠性的前提下，以最經濟的方式進行維修。目前，和諧型機車已經成為了我國鐵路運輸裝備的主力軍，隨著大批和諧型機車進入高級修程，維修成本問題日益凸顯。軸承是機車的關鍵部件，其壽命特性對機車設計選型、檢修周期和維修方式的確定起到了非常重要的作用。

以HXD1系列交流傳動電力機車輔助風機密封軸承為分析對象，開展RCM分析，通過邏輯決斷，確定軸承的維修工作類型。通過開展軸承加速壽命試驗，結合軸承實際運行情況，對風機軸承的壽命進行探索研究，評估軸承的實際使用壽命及2年檢更換后的殘余壽命，為機車修程的進一步優化及后續機車的設計選型提供基礎數據支撐。

1 風機軸承RCM分析

1.1 RCM分析程序

RCM分析程序如圖1所示。

首先確定重要功能產品，作為RCM的分析對象。這也是RCM的重要理念，根據故障后果確定預防性維修工作類型。將故障模式、影響及危害性分析(Failure Mode, Effect and Criticality Analysis, FMECA)的輸出作為RCM的輸入，通過邏輯決斷分析，選擇預防性維修工作類型，確定維修工作間隔期，提出各項維修工作的維修級別建議，形成預防性維修大綱。

圖1 RCM分析程序

1.2 風機軸承邏輯決斷分析

預防性維修的關鍵是如何確定其工作類型，RCM分析技術提出了一種根據故障后果確定維修工作類型的方法，這就是邏輯決斷分析。圖2為RCM分析的邏輯決斷圖。

上述邏輯決斷圖中，將預防性維修工作細分為7種工作類型：保養、操作人員監控、功能檢測、定時拆修、定期更換、使用檢查、綜合工作(指實施2種或多種類型的預防性維修工作)。

RCM邏輯決斷圖是從頂部開始，按照由上而下的流程方向選擇合適的維修工作類型。邏輯決斷圖分為2層：第1層：確定功能故障后果類型(安全性、運營性、經濟性)；第2層：確定故障管理策略(選擇預防性工作類型)。

HXD1系列交流傳動電力機車輔助風機包括牽引風機、冷卻塔風機和輔助變壓器柜風機，風機軸承選用的是免維護的深溝密封球軸承，在其壽命周期內免維護。根據圖2的邏輯決斷圖，風機軸承邏輯決斷分析見表1。

圖2 RCM分析的邏輯決斷圖

單元名稱功能故障模式故障原因故障影響后果評估HSEO運營性后果O0O1O2O3O4暫定措施H4H5S5建議的維修工作類型廠家維修間隔建議維修級別建議風機軸承支撐轉子,降低轉動摩擦系數,保證回轉精度異聲軸承磨損軸承燒損,機車牽引功率下降YNNYNNNNY---定期更換4a基地級

從表1可以得出，風機軸承建議的維修工作類型為定期更換。但更換周期的確定，與軸承的壽命特性密切相關。根據現場數據，很難獲得實際運行載荷下軸承的確切壽命；而由于軸承計算壽命采用的載荷條件與其現場使用環境之間存在較大的差異，因此也無法直接利用計算壽命數據對實際工況下的軸承壽命進行高精度估計。在工程分析中，壽命試驗是一種確定軸承實際使用壽命的較好方法。

2 軸承壽命試驗實施方案

開展產品壽命研究的方法主要分為3類：仿真分析、實際運行、壽命試驗；壽命研究模型主要分為失效機理模型、統計學模型和經驗模型3種。其中，壽命試驗，特別是加速壽命試驗，由于試驗條件相對規范、風險可控、試驗周期較短，是目前普遍使用的壽命研究方法；統計學模型使用失效分布函數反映總體的失效規律，在已知產品的失效分布函數后，可以求出其可靠度函數、失效率函數以及表示壽命的許多特征量，且一種失效分布可以適用于具有共同失效機理的產品，因此，統計學模型的應用十分廣泛。

本次HXD1系列交流傳動電力機車風機軸承壽命分析與研究采用的是目前工程上最為成熟和常用的基于壽命試驗和統計學模型的壽命研究方法。對于軸承產品而言，壽命試驗時間將很長，為便于快速評價軸承的壽命和可靠性，采用加速壽命試驗方案。主要研究思路是通過對新軸承和經過2年檢更換下來的舊軸承在相同條件下進行恒定應力加速壽命試驗，對失效軸承進行解體檢測并分析失效模式及原因，在保證失效機理不變的條件下，使用Weibull(威布爾)壽命分布模型，通過試驗條件下獲得的數據和加速壽命模型對軸承在實際環境下的壽命特性及運行60萬km后(原2年檢修程公里數上限)的殘余壽命進行評估與研究。

2.1 試驗樣本

為確定實際工況下軸承的壽命特性，并充分考慮現場使用環境和試驗臺試驗之間的區別，每種風機軸承分別選擇新、舊兩種軸承作為試驗樣本進行加速壽命試驗。

新軸承為未經使用的新品軸承；舊軸承為在實際工況下運行了2年檢周期后換下的軸承。舊軸承由于已經包含了一部分現場工況信息，有助于建立試驗臺試驗條件與實際工況間的對應關系。同時，為對比分析使用環境條件對軸承壽命的影響，選擇來自于廣州和洛陽兩個地區的兩組舊軸承分別進行加速壽命試驗。

參照GB/T 24607—2009《滾動軸承壽命與可靠性試驗及評定》的要求，同時綜合考慮到舊軸承樣本的一致性、現場數據的質量、以及試驗周期和試驗成本等問題，每一組軸承選取14套樣本，其中12套為試驗樣本，2套為備用樣本。

為保證試驗樣本的隨機性，樣本抽樣時的備選樣本量為樣本量的4倍，即每組軸承抽樣時準備備選樣本56套，每一個備選樣本均具有清晰可辨的唯一性標識。對于新軸承，備選樣本為符合相關質量及性能標準的合格產品；對于舊軸承，備選樣本為已經實際運行55～60萬km的軸承，沒有進行預先的檢測、挑選。同時，為保證試驗樣本的典型性和一致性，采用均勻隨機抽樣的方法在備選樣本中隨機抽取所需的試驗樣本。

2.2 加速模型

根據工程經驗，結合軸承壽命特性，采用Weibull分布作為軸承的壽命分布，加速模型如下：

式中L10為軸承的基本額定壽命，即B10壽命；β為形狀參數。

L10按下式計算：

式中N為軸承轉速；C為軸承額定動載荷；P為軸承當量動載荷；ε為壽命指數，球軸承時，ε=3。

2.3 試驗方法

2.3.1試驗方案

每組軸承的試驗采用序貫試驗方案，在相同試驗條件下，當有試驗樣本出現失效時，將失效樣本更換為新樣本后繼續進行試驗，當累計出現至少5個失效時，試驗結束。

2.3.2加載方案

試驗采用恒定應力方式加載，試驗轉速根據實際工況確定。根據工程經驗，預先選取加速應力水平為P/C=0.38，由此可根據基本額定壽命計算公式計算得到試驗時所需的當量動載荷。在正式進行加速壽命試驗前需進行探索試驗并對試驗失效軸承進行失效分析，如果此載荷下軸承樣本失效機理較實際工況下發生變化則需降低應力水平后再進行試驗。

軸承加速壽命試驗臺的轉動軸中間安裝2套陪試軸承，用于提供支撐和加載所需應力；轉動軸兩側各安裝1套試驗樣本軸承進行試驗。試驗前軸承需要進行短時間的預運行，以保證油脂在軸承中達到均勻分布，軸承運行穩定。

2.3.3失效判定原則

參照相關標準及實際工況，試驗中有以下任一條失效發生，則判定軸承失效：

(1)軸承內腔潤滑脂潤滑性能不良，引起軸承外圈溫度超過80℃，或軸承出現卡死等失效；

(2)軸承零件滾動表面剝落失效。剝落失效的標志為零件表面剝落面積大于0.5 mm2，深度大于0.05 mm；

(3)其他失效。如軸承任意零件損壞，使之不能正常工作；如保持架斷裂、嚴重變形；軸承散套、零件開裂等均屬失效。

3 加速壽命試驗及數據評估

現以牽引通風機軸承為例，說明軸承加速壽命試驗過程及數據評估方法。

3.1 試驗載荷

根據試驗方案及軸承基本參數，試驗所需加載的當量動載荷為P=24.7 kN，根據GB/T 6391-2010《滾動軸承額定動載荷和額定壽命》，得出試驗所需的徑向載荷Fr=8.100 kN、軸向載荷Fa=19.388 kN；試驗轉速參照軸承實際工況取為3 500 r/min。

經過探索試驗，對失效樣本進行失效模式分析后確認失效機理與實際工況下基本一致，未發生改變，具體見3.2。因此可以按照上述試驗載荷實施加速壽命試驗。

3.2 試驗數據

新、舊軸承的試驗數據分別如表2、表3、表4所示。

其中新軸承組最終獲得有效試驗數據10個、其中失效數據6個；北方舊軸承組最終獲得有效試驗數據10個、其中失效數據5個；南方舊軸承組最終獲得有效試驗數據13個、其中失效數據5個。

表2 新軸承組試驗數據 h

表3 北方舊軸承組試驗數據 h

表4 南方舊軸承組試驗數據 h

失效軸承的失效模式分析見圖3～圖8所示。

圖3 外圈滾道表面形貌

圖4 內圈滾道剝落區表面形貌

圖5 鋼球表面形貌

3.3 試驗數據評估

3.3.1確定軸承壽命分布的形狀參數

根據GB/T 24607—2009《滾動軸承壽命與可靠性試驗及評定》，軸承的壽命特性服從二參數Weibull分布。首先采用標準中位秩回歸分析法對新軸承組的試驗數據進行評估，得到軸承壽命分布的形狀參數β。新軸承的威布爾分布參數擬合圖如圖9所示。經過擬合分析得到軸承壽命分布的形狀參數β=2.360。

圖6 鋼球圓度檢測結果

圖7 內圈滾道運轉表面處顯微組織形貌

圖8 鋼球表面顯微組織形貌

圖9 新軸承組數據的威布爾分布參數擬合圖

3.3.2舊軸承試驗數據評估

(1) 確定舊軸承在實際工況下的運行里程

兩組舊軸承的實際運行數據如表5、表6所示：

表5 北方舊軸承組實際運行數據 km

根據加速模型，實際工況下運行里程與試驗條件下的轉換關系可表示為：

式中Ttest為試驗條件下的小時數；Tfield為實際環境下運行的里程數；f(Tfield)為運行里程與軸承轉數的對應關系；k為當量動載荷系數。

(2)根據現場使用數據對舊軸承試驗結果told進行修正，得到修正后的試驗數據t'old，如圖10所示。

表6 南方舊軸承組實際運行數據 km

圖10 舊軸承試驗數據的修正方法示意

(3)對修正后的試驗數據使用標準中位秩回歸分析法進行二參數Weibull壽命分布模型的擬合，北方舊軸承的威布爾分布參數擬合圖見圖11，南方舊軸承的威布爾分布參數擬合圖見圖12。最終得到北方軸承樣本的形狀參數β=2.360，南方軸承樣本的形狀參數β=2.360。擬合得到的形狀參數β與新軸承的形狀參數相同。

圖11 北方舊軸承的威布爾分布參數擬合圖

圖12 南方舊軸承的威布爾分布參數擬合圖

修正后的該批舊軸承樣本試驗數據如表7、表8所示：

表7 修正后的北方組舊軸承試驗數據 h

表8 修正后的南方組舊軸承試驗數據 h

通過計算得出，北方舊軸承樣本在試驗條件下的基本額定壽命為L10=163 669 6 h；加速壽命試驗的加速系數為KTest～Field=3 751.009 9，即軸承在試驗條件下運行1 h 大約相當于在實際環境下運行3 751 km；通過折算可知北方軸承在使用條件下的壽命為L10=613 926 km。

同理，可以得到南方舊軸承樣本在試驗條件下的基本額定壽命為L10=215.000 1 h；加速壽命試驗的加速系數為KTest～Field=3 036.847 8，即軸承在試驗條件下運行1 h 大約相當于在實際環境下運行3 036 km；通過折算可知南方軸承在使用條件下的壽命為L10=652 923 km。

3.3.3確定實際工況下軸承壽命特性

試驗軸承在實際環境下運行時的壽命特性曲線如圖13～圖16所示。

圖13 在北方實際工況下軸承的失效率曲線

圖14 在南方實際工況下軸承的失效率曲線

圖15 在北方實際工況下軸承的可靠度曲線

從圖13～圖16可以看出，軸承的失效率隨著運行里程的增加不斷上升，失效率上升的速度開始時較慢，隨著運行里程的增加，失效率上升的速度也逐漸加快；可靠度隨著運行里程的增加不斷下降，下降速度逐漸加快。

圖16 在南方實際工況下軸承的可靠度曲線

3.4 關于評估結果的進一步說明

(1)由于在實際工作環境下無法對軸承進行嚴格的性能監測、對軸承的失效檢測也是破壞性的。因此相比較實際運用中對軸承失效的判別方式而言，本次加速壽命試驗中對于軸承的失效判別準則較實際工作情況下略為嚴格。這將導致評估結果偏向保守，即可靠性指標相對于實際運用情況將偏低。

(2)由于加速壽命試驗采用的是利用加速條件下的試驗結果外推實際環境下的特性指標，而軸承的實際工作環境下應力水平較試驗條件要低，因此會導致外推結果的誤差范圍也隨之變大，對本課題研究得出的結論的準確性可能會受到一定的影響。

4 結 論

(1)根據3類軸承的壽命試驗評估結果，3類軸承在北方、南方實際環境下的B10壽命、60萬km的可靠度以及對應60萬km的剩余壽命見表9所示。

(2)分析表9的數據可知，3類軸承的殘余壽命均達不到下一個相同修程的要求。

(3)輔助變壓器柜風機軸承和牽引風機軸承應用于南方環境時壽命略優于北方環境，但總體而言差異不大，說明機車運行環境溫度條件的差異對于這兩類軸承壽命影響不大。

(4)冷卻塔風機軸承應用于北方環境時壽命評估結果要大于南方環境，這有可能是由于北方環境溫度偏低，因此在北方環境下冷卻塔風機的實際運行轉速和時間要小于南方環境，而我們在評估時是將機車運行里程等同于風機的工作時間造成的。對此可以在后續工作中收集相關數據，進一步分析驗證。

表9 實際環境下60萬km的可靠度及其剩余壽命

5 結束語

研究首次使用產品壽命試驗與產品實際運行數據相結合的壽命評估方法，將使用后的產品與新品進行試驗對比分析，縮短了壽命試驗的時間，提高了評估的準確性，為后續類似部件壽命可靠性等基礎研究工作的開展提供了參考。

課題研究結果表明，2年檢更換軸承的殘余壽命雖無法保證運行到下一個同級修程，但為機車檢修周期的設置和優化、以及后續機車的設計選型提供了數據支撐，對后續降低機車檢修成本、優化機車檢修周期及檢修范圍提供了基礎數據。該課題雖僅針對HXD1系列交流傳動電力機車風機軸承開展壽命研究，但其研究成果及壽命評估方法為其他軌道交通產品的壽命研究起到了借鑒、參考作用。通過本課題研究，可以看出機車關鍵部件的實際使用壽命對于以可靠性中心的維修(RCM)實施，對于優化維修策略和預防性維修大綱、提升維修管理水平、提高機車維修效率、降低維修成本等方面有著重大的影響，是建立和優化機車修程修制的行之有效的科學方法。結合現場數據資料和試驗結果，通過關鍵部件壽命特性分析來確定維修周期和級別，使維修工作更有針對性和有效性，更科學合理和經濟。

[1] 趙 宇.可靠性數據分析[M].北京:國防工業出版社,2011.

[2] GB/T 24607-2009. 滾動軸承壽命與可靠性試驗及評定[S].

[3] GB/T 6391-2003. 滾動軸承額定動載荷和額定壽命[S].

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