HXD3(C)型機(jī)車牽引電機(jī)QJ318軸承內(nèi)圈剝離故障的檢測(cè)方法

孫 敏

(中國(guó)鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司 濟(jì)南西機(jī)務(wù)段， 濟(jì)南 250117)

HXD3(C)型機(jī)車牽引電機(jī)軸承只在C5及以上修程進(jìn)行拆解檢修，在日常機(jī)車整備作業(yè)及C1-C4修程中，僅有6A系統(tǒng)走行部故障監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)(JK11430B)檢測(cè)牽引電機(jī)軸承狀態(tài)的唯一技術(shù)手段。為了彌補(bǔ)JK11430B裝置在檢測(cè)QJ318軸承內(nèi)圈故障存在漏檢漏報(bào)缺點(diǎn)，從6A系統(tǒng)走行部故障監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)振動(dòng)報(bào)警原理，分析了HXD3C0069機(jī)車QJ318軸承內(nèi)圈剝離故障漏檢測(cè)原因。并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，提出一套通過JK11430B裝置的實(shí)時(shí)振動(dòng)波形和SV值趨勢(shì)分析、計(jì)算電機(jī)軸承故障診斷量值A(chǔ)dB和分析低速定速頂輪電機(jī)軸承異音的電機(jī)軸承內(nèi)圈故障診斷方法。

1 QJ318軸承途中塌架問題

2017年10月4日濟(jì)南鐵路局青島機(jī)務(wù)段配屬的HXD3C0069機(jī)車，擔(dān)當(dāng)太原至石北站間K1288次，途中6A系統(tǒng)語(yǔ)音提示6軸2位超溫報(bào)警，乘務(wù)員停車檢查發(fā)現(xiàn)第6牽引電機(jī)傳動(dòng)端溫度高。檢索該車近半個(gè)月6A軸報(bào)文件，分析數(shù)據(jù)無(wú)6軸2位和6軸5位軸承報(bào)警記錄，軸溫?zé)o異常。經(jīng)后續(xù)拆解發(fā)生軸承塌架的第6牽引電機(jī)發(fā)現(xiàn)6軸5位的非傳動(dòng)端QJ318軸承內(nèi)圈存在剝離(如圖1)。針對(duì)6A系統(tǒng)走行部車載監(jiān)測(cè)裝置(JK11430B)存在HXD3(C)型機(jī)車牽引電機(jī)QJ318軸承內(nèi)圈剝離故障檢測(cè)失效問題，導(dǎo)致機(jī)車途中發(fā)生牽引電機(jī)軸承塌架故障，嚴(yán)重影響正常的鐵路運(yùn)輸秩序。

2 前期振動(dòng)數(shù)據(jù)漏診斷及軸承內(nèi)圈剝離原因

2.1 JK11430B振動(dòng)報(bào)警原理

HXD3(C)型電力機(jī)車6A系統(tǒng)走行部故障監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)(JK11430B)是對(duì)機(jī)車走行部的軸箱軸承、牽引電機(jī)軸承、抱軸軸承(空心軸軸承)、傳動(dòng)齒輪及輪對(duì)踏面等進(jìn)行動(dòng)態(tài)安全監(jiān)測(cè)的重要行車安全保障裝置。

圖1 第6牽引電機(jī)非傳動(dòng)端QJ318軸承內(nèi)圈存在剝離

JK11430B裝置對(duì)軸承內(nèi)圈故障振動(dòng)診斷標(biāo)準(zhǔn)(AdB為故障量值)：預(yù)警為AdB=44.0 dB、I級(jí)報(bào)警為AdB=50.0 dB、II級(jí)報(bào)警為AdB=56.0 dB。其中：

(1)

式(1)中,AdB為故障量值,SV為沖擊值,N為軸承所在軸的轉(zhuǎn)速,r/min、D為軸承所在軸的軸徑,mm[1]。

2.2 JK11430B振動(dòng)報(bào)警失效原因

HXD3(C)型機(jī)車牽引電機(jī)為SEA-107C(東芝)/YJ85A1(永濟(jì))型三相鼠籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，齒輪比為4.81(101/21)，非傳動(dòng)端軸承由內(nèi)向外分別為NTN牌NU320、NSK牌QJ318軸承，其中QJ318軸承軸徑為90 mm。參照輪徑(1 200 mm)和齒輪比(4.81)換算出，QJ318軸承內(nèi)圈轉(zhuǎn)速N,r/min與機(jī)車速度v,km/h關(guān)系為:N=21.265·v，得出QJ318軸承內(nèi)圈故障振動(dòng)診斷標(biāo)準(zhǔn)公式(2):

(2)

通過計(jì)算分析HXD3C0069機(jī)車6軸5位的非傳動(dòng)端QJ318軸承內(nèi)圈最后一趟JK11430B振動(dòng)數(shù)據(jù)：①?gòu)恼駝?dòng)沖擊SV值實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析方面，SV值實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)能夠全程均勻覆蓋軸承內(nèi)圈振動(dòng)檢測(cè)過程，結(jié)合機(jī)車速度v計(jì)算出的故障診斷量值A(chǔ)dB趨勢(shì)能準(zhǔn)確反應(yīng)出軸承內(nèi)圈剝離程度，計(jì)算出的全程故障診斷量值A(chǔ)dB長(zhǎng)期分布在55 dB及以上，達(dá)到軸承振動(dòng)二級(jí)報(bào)警門限(如圖2左)，與軸承實(shí)際損壞程度一致；②從振動(dòng)故障診斷量值A(chǔ)dB實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析方面，由于JK11430B裝置對(duì)全車36個(gè)傳感器循環(huán)檢測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)故障診斷量值A(chǔ)dB異常時(shí)，則對(duì)該測(cè)點(diǎn)集中檢測(cè)，從JK11430B集中檢測(cè)的故障診斷量值A(chǔ)dB(2017.10.4 04:33:56至04:42:23)，此時(shí)AdB穩(wěn)定分布在44～46 dB范圍內(nèi)，雖然達(dá)到軸承振動(dòng)預(yù)警門限(如圖2右)，但是無(wú)異常波動(dòng)、上升趨勢(shì)，導(dǎo)致JK11430B內(nèi)部診斷機(jī)制認(rèn)為故障平穩(wěn)無(wú)發(fā)展趨勢(shì)，不輸出軸承振動(dòng)預(yù)警提示，出現(xiàn)漏檢測(cè)問題。

從以上兩種故障診斷量值A(chǔ)dB數(shù)據(jù)分析看，由于SV值實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)能夠全程均勻覆蓋軸承內(nèi)圈振動(dòng)檢測(cè)過程，通過全程實(shí)時(shí)SV值和機(jī)車速度v計(jì)算出的故障診斷量值 ，能夠?qū)崟r(shí)完整監(jiān)測(cè)出軸承內(nèi)圈故障。而JK11430B集中檢測(cè)的故障診斷量值A(chǔ)dB檢測(cè)范圍狹窄，若檢測(cè)范圍在軸承內(nèi)圈故障振動(dòng)衰弱區(qū)域時(shí)，會(huì)誤導(dǎo)JK11430B內(nèi)部診斷機(jī)制無(wú)振動(dòng)預(yù)報(bào)警輸出，軸承振動(dòng)故障診斷失效。

圖2 診斷量值A(chǔ)dB

2.3 QJ318軸承內(nèi)圈剝離原因

對(duì)HXD3(C)型機(jī)車牽引電機(jī)QJ318軸承內(nèi)圈剝離故障原因?yàn)椋瑱C(jī)車在進(jìn)修程時(shí)，對(duì)非傳動(dòng)端軸承補(bǔ)潤(rùn)滑油脂的作業(yè)，執(zhí)行“嚴(yán)格保證潤(rùn)滑脂的清潔”標(biāo)準(zhǔn)不到位，導(dǎo)致潤(rùn)滑脂不清潔，潤(rùn)滑脂中夾雜著雜質(zhì)異物，在電機(jī)在運(yùn)行過程中進(jìn)入軸承滾珠滾道內(nèi)，造成軸承損傷、剝離，隨著電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，軸承滾道面剝離面積逐漸增大，最終造成軸承失效[2]。

3 QJ318軸承內(nèi)圈剝離診斷方法

3.1 分析振動(dòng)波形和SV值趨勢(shì)

時(shí)域特征：由于JK11430B裝置需要對(duì)采集的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行4096點(diǎn)FFT運(yùn)算(JK00430需要做2048點(diǎn)FFT運(yùn)算)，所以HXD機(jī)車輪對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈采樣點(diǎn)為400點(diǎn)，連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)十圈為4000點(diǎn)。由于輪對(duì)齒輪與電機(jī)齒輪傳動(dòng)比為4.81，電機(jī)軸承內(nèi)圈與電機(jī)齒輪同轉(zhuǎn)速，因此輪對(duì)每轉(zhuǎn)動(dòng)1圈，電機(jī)軸承內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)4.81圈，同時(shí)軸承圓柱型滾子周期性通過軸承內(nèi)圈剝離點(diǎn)產(chǎn)生周期性沖擊，如圖3a。

頻域特征：由于傳動(dòng)比為4.81，電機(jī)軸承內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)一圈與輪對(duì)齒輪產(chǎn)生一次諧波(48.1=10×4.81)≈50、二次諧波≈100、三次諧波≈150、四次諧波≈200等低頻沖擊諧波；同時(shí)內(nèi)圈在13個(gè)圓柱形滾子周期性經(jīng)過內(nèi)圈剝離點(diǎn)后會(huì)引起高頻沖擊諧波圖3b。

實(shí)時(shí)沖擊振動(dòng)SV值趨勢(shì)特征：采用地面數(shù)據(jù)軟件個(gè)性化分析，選擇分析SV值趨勢(shì)，點(diǎn)擊多記錄作圖，選擇同位對(duì)比分析，點(diǎn)擊同5位(為非傳動(dòng)端QJ318軸承位置)，即可對(duì)比全車5位電機(jī)軸承實(shí)時(shí)SV值趨勢(shì)，良好電機(jī)軸承內(nèi)圈的實(shí)時(shí)沖擊SV值應(yīng)<5 000，當(dāng)發(fā)生軸承內(nèi)圈剝離時(shí)，由于與輪對(duì)齒輪和滾子發(fā)生周期性沖擊，會(huì)導(dǎo)致沖擊SV值上升，處在8 000

圖3 時(shí)域、頻域特征

圖4 軸承內(nèi)圈剝離故障沖擊振動(dòng)SV值趨勢(shì)特征

3.2 計(jì)算故障診斷量值A(chǔ)dB

JK11430B裝置由于存在集中故障診斷量值，與通過SV實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)實(shí)際計(jì)算故障診斷量值，會(huì)發(fā)生不一致問題，導(dǎo)致裝置內(nèi)部診斷機(jī)制認(rèn)為故障平穩(wěn)無(wú)發(fā)展趨勢(shì)，不輸出軸承振動(dòng)預(yù)報(bào)警提示，出現(xiàn)漏檢測(cè)問題。在日常振動(dòng)數(shù)據(jù)分析時(shí)，可以通過途中實(shí)時(shí)SV值記錄，利用QJ318軸承內(nèi)圈故障振動(dòng)診斷標(biāo)準(zhǔn)公式(如式2)，計(jì)算出發(fā)生內(nèi)圈剝離的QJ318軸承故障真實(shí)發(fā)展趨勢(shì)。圖5為對(duì)HXD38134機(jī)車第1牽引電機(jī)的QJ318軸承途中振動(dòng)數(shù)據(jù)(2017年8月1日至8月3日)計(jì)算故障診斷量值A(chǔ)dB如圖5(a)。與集中故障診斷量值，如圖5(b)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)通過實(shí)時(shí)過SV實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)計(jì)算故障診斷量值更加準(zhǔn)確。

3.3 分析低速定速頂輪軸承異聲

由于HXD3(C)型機(jī)車牽引電機(jī)軸承只在C5及以上修程進(jìn)行拆解檢修，在日常機(jī)車檢修作業(yè)中，僅有JK11430B裝置檢測(cè)牽引電機(jī)軸承狀態(tài)的唯一技術(shù)手段。為了彌補(bǔ)JK11430B裝置在檢測(cè)QJ318軸承內(nèi)圈故障存在漏檢漏報(bào)缺點(diǎn)，可以采用低速定速頂輪檢測(cè)方式準(zhǔn)確判斷內(nèi)圈剝離的QJ318軸承。

計(jì)算內(nèi)圈轉(zhuǎn)速：HXD3(C)型機(jī)車牽引電機(jī)為SEA-107C(東芝)/YJ85A1(永濟(jì))型三相鼠籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)(極對(duì)數(shù)P=2)，電機(jī)在額定電壓2 150 V、電源頻率f=46 Hz，正常負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速n=1 365 r/min[3]，通過交流異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速公式(3),計(jì)算出HXD3(C)牽引電機(jī)轉(zhuǎn)差率s=0.011。

(3)

通過上述公式，計(jì)算該電機(jī)定子在頻率為5 Hz的三相電源驅(qū)動(dòng)下，電機(jī)轉(zhuǎn)速為148.35 r/min即0.404 s/r(約0.4 s/r)，即電機(jī)軸承內(nèi)圈轉(zhuǎn)速。

內(nèi)圈異聲判斷：當(dāng)牽引電機(jī)軸承內(nèi)圈存在剝離故障時(shí)，會(huì)發(fā)出約0.4 s周期的振動(dòng)沖擊異聲，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員可以使用秒表核實(shí)異音周期判斷故障。若需要準(zhǔn)確判斷異音的周期，可以使用錄音筆先記錄低速頂輪時(shí)，牽引電機(jī)軸承內(nèi)圈剝離沖擊異聲，再使用音頻處理軟件對(duì)異聲進(jìn)一步可視化分析。如圖6為使用Audacity聲音編輯軟件對(duì)HXD38134機(jī)車第1牽引電機(jī)的QJ318軸承低速定速頂輪異聲可視化分析，將錄音筆記錄的音頻文件導(dǎo)入Audacity軟件中，選擇合適的縮放大小，多次選取音頻時(shí)長(zhǎng)為4 s的區(qū)域后，確認(rèn)4 s內(nèi)存在10個(gè)異聲沖擊波峰，計(jì)算出錄音筆記錄的異聲沖擊周期為0.4 s，與牽引電機(jī)軸承內(nèi)圈剝離時(shí)發(fā)出0.4 s周期的沖擊異聲一致(如圖6)，從而方便機(jī)務(wù)段技術(shù)人員準(zhǔn)確判斷故障。

圖5 故障診斷量值A(chǔ)dB

圖6 HXD38134機(jī)車第1牽引電機(jī)的QJ318軸承低速定速頂輪異聲可視化分析

4 結(jié)束語(yǔ)

自2013年10月起，濟(jì)南鐵路局濟(jì)南西機(jī)務(wù)段技術(shù)科積極探索，針對(duì)HXD3(C)型機(jī)車牽引電機(jī)軸承內(nèi)環(huán)剝離裂損故障診斷方法，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出一套通過JK11430B裝置的實(shí)時(shí)振動(dòng)波形和SV值趨勢(shì)分析、計(jì)算電機(jī)軸承故障診斷量值A(chǔ)dB和分析低速定速頂輪電機(jī)軸承異聲的電機(jī)軸承內(nèi)圈故障診斷方法，并提前防止HXD38134機(jī)車第1電機(jī)軸承內(nèi)環(huán)剝離途中塌架故障隱患(如圖7)，該方法不僅適用于HXD3(C)型機(jī)車

圖7 HXD38134機(jī)車第1牽引電機(jī)的QJ318軸承內(nèi)圈剝離

QJ318軸承內(nèi)圈剝離，也適用NTN牌NU330(傳動(dòng)端)和NU320(非傳動(dòng)端)軸承內(nèi)圈剝離故障診斷。