城軌轉向架軸承故障診斷與運行維護

徐 斌

(上海地鐵維護保障有限公司 車輛分公司，上海 200237)

0 引言

轉向架是城軌車輛的關鍵部件，直接決定著車輛運行的安全性、舒適性和平穩性。其中，軸承又是轉向架的關鍵部件，起到重量支撐、運動變換和能量傳遞等關鍵動力作用。城軌車輛運行環境十分復雜，在長期運行中，持續動力作用必然使軸承狀態發生變化，軸承內圈、外圈、滾動體易發生故障。一旦軸承出現故障就會快速發展，若不及時發現并采取相應措施，會產生嚴重的安全事故。

城軌轉向架軸承安裝位置較為隱蔽，通常不便于拆卸和檢修，僅僅對其進行日常的維護，所以對軸承的免維護性要求極高。但軸承免維護周期難以準確確定，城軌轉向架軸承仍普遍存在“帶病”運轉的情況[1]。上海地鐵2020年度發生軸箱軸承故障3起，皆為軸承外圈故障，給運營安全帶來了極大的挑戰，但軸承過度維護又會增加運營成本開支。因此，近些年來運營公司逐漸重視城軌車輛轉向架軸承的在線監測，試圖實時掌握軸承的工作狀態，改變傳統以軸承額定壽命(免維護周期)為依據制定的檢修制度，達到在確保車輛安全運營的情況下極大地降低軸承維修費用。

本文對城軌轉向架軸承故障類型、軸承故障診斷方法、軸承檢修制度的現狀進行了總結分析，并針對我國軸承維修存在的問題提出了一些建議，以期為軸承的應用維護及檢修提供一定參考。

1 城軌轉向架軸承及其故障分析

城軌轉向架軸承按照軸承安裝位置可劃分為軸箱軸承、齒輪箱軸承和電機軸承，它們在動力轉向架上的位置如圖1所示。

城軌轉向架軸承常見的故障有剝落、腐蝕、斷裂、磨損、膠合5種形式。

(1) 剝落：轉向架軸承的滾動體受到外部激勵交變荷載作用，反復對軸承內外圈滾道產生較大的沖擊，并在沖擊處內部一定深處產生裂紋，裂紋擴展到內外圈滾道、滾動體表面，進而產生剝落坑，軸承表面最終發生大面積剝落。

(2) 腐蝕：當周邊環境的水氣、含水物質進入到軸承將產生化學腐蝕；當城軌車輛產生的軸電流經過軸承時將會產生電腐蝕；當軸承與固定部件間存在微小縫隙，相對運動時，還會產生微振腐蝕。

(3) 斷裂：全日早晚高峰時段，城軌車輛基本上都是滿負荷運行，車輛轉向架軸承難免會受到較大垂向和橫向振動沖擊，再加之裝配不當、潤滑脂失效等原因，會引起軸承產生裂紋或斷裂。

(4) 磨損：城軌車輛轉向架軸承滾道和滾動體接觸面上有鐵屑或者其他異物侵入，當軸承滾動體與內外圈滾道相對運動時，將會引起表面磨損，當潤滑脂失效潤滑條件變差將會使磨損加快。

(5) 膠合：城軌車輛運行速度較大、加減速頻繁且數值較高，一旦出現潤滑不良的情況，摩擦將產生大量熱量，使軸承零部件間接觸表面的溫度迅速上升，軸承零部件間的表面可能會發生相互黏附。

2 軸承故障診斷方法

2.1 振動信號檢測

當轉向架軸承出現故障時，軸承的振動輸出信號也會發生變化。在轉向架適當位置布設傳感器，將能夠獲得振動信號，通過對振動信號進行識別分析，即可判斷軸承的健康狀態。

傳感器采集的振動信號包含了大量的沖擊信號，共振頻帶寬，并含有大量的噪聲，直接應用將不易發現軸承的早期故障，很多有用的軸承故障信息將會被噪聲淹沒。因此需要采取降噪措施，目前國內外常用的降噪措施有基于小波的降噪方法、基于隨機共振的降噪方法、基于形態學理論的降噪方法和自適應信號分解的降噪方法等[2]。

軸承故障特征提取是振動信號降噪處理后的一個重要環節，獲取故障特征的主要途徑有時域、頻域、時頻分析3種。時域分析主要是對軸承運行時的參數指標(均值、幅值、方差、波形因素、波峰因素、概率密度和峭度系數等)進行分析。頻域分析通過傅立葉變換得到故障信號頻譜圖，該頻譜圖含有比時域信號更豐富的故障內容，適用范圍廣。另外，倒譜分析、階比譜分析也是常見的頻域分析方法。但頻域分析缺乏局域性信息識別能力，而時頻域分析方法能夠克服其不足，因此時頻分析得到廣泛的應用。時頻域分析的主要方法有短時傅立葉變化、Winer-Ville分布、小波變換和經驗模式分解(EMD)等。得到軸承故障特征信息后，結合軸承內外圈、滾動體的故障特征頻率指標可以對軸承故障模式進行識別，判定軸承故障發生位置、故障類型及其發生的原因。

近些年，隨著計算機技術的不斷發展，軸承故障檢測的各種智能提取方法不斷涌現，熵理論以及機器學習技術用于軸承故障智能診斷最為廣泛，目前常用的熵理論有Shannon熵、樣本熵和排列熵等。利用這些理論及技術方法將能夠實現軸承故障的自動識別和預警。

2.2 潤滑油液分析檢測

潤滑油液分析檢測主要應用了鐵譜分析技術，當城軌車輛運行時，轉向架軸承的滾動體、內外圈之間必然會產生相對位移進而發生摩擦，在摩擦力和振動沖擊多重作用下，軸承內外圈及滾動體表面的金屬碎片不可避免地會掉落到潤滑油中。通過對潤滑油內鐵屑顆粒的大小、形態、分布情況進行分析，可以獲得軸承磨損狀態的重要信息。因此該方法也是一種非常適合判定及預測轉向架軸承表面磨損情況的有效方法。

不同的磨粒特征和軸承故障類型存在一定的對應關系,潤滑油中不同損傷形式下的鐵屑磨粒特征如表1所示。

表1 潤滑油中不同損傷形式下的鐵屑磨粒特征

2.3 溫度檢測

當轉向架軸承潤滑不良或出現其他故障時，軸承的零部件間摩擦加劇，產生大量的熱量，引起軸承溫度升高，出現“燒軸”現象，滾動體將出現擦傷、表面顏色發黑等情況。溫度監測能夠綜合反映包括軸承潤滑狀態在內的各種因素，在城軌軸承監測中應用廣泛。

采用溫度檢測方法時在軸承附近安裝溫度傳感器，并設置一系列條件及溫度閾值，通過無線測溫技術實現實時溫度采集、監測、記錄、分析，并及時反饋，以避免重大的經濟損失。另外，車輛基地內還會配置離線溫度檢測設備，如手持紅外溫度儀、測溫試紙等，檢修人員在做日常維護時，會進一步對轉向架軸承狀態進行細致檢查，作為確保車輛運行安全的最后一道屏障。

2.4 聲發射檢測

聲發射技術主要是利用軸承內外圈、滾動體等各部分表面產生裂紋、磨損等故障時，軸承材料局部將快速產生能量并以波的形式傳播，產生聲發射現象。通常這種信號非常微弱，需要借助信號放大器才能將故障信息提取出來。其原理是利用物質內部微粒由于相對運動而以彈性波的形式釋放應變能的現象來識別和了解物質或結構內部狀態[3]。

2.5 幾種診斷方法比較

4種軸承診斷方法的對比分析如表2所示。

表2 各種軸承故障診斷方法的特點對比分析

3 軸承故障檢修制度及預防措施

本文以上海地鐵軸承檢修制度為例來論述軸承故障檢修制度及預防措施。

3.1 上海地鐵軸承檢修制度

城軌車輛轉向架軸承檢修是城軌車輛檢修的重要組成部分，我國城軌車輛檢修按照定期維修、狀態維修、事后維修3種維修方式進行。按照GB50157-2013《地鐵設計規范》規定，車輛檢修修程按照廠修、架修、定修、三月檢、雙周檢、列檢6級進行。為提高列車高峰可利用率，上海地鐵對車輛的日常運維均衡化，優化了原有的修程修制，其檢修修程調整為大修、架修、均衡修和日檢。在確保列車可靠性的同時，也降低了地鐵車輛的維修成本。均衡修相比傳統的預防性計劃修能夠降低檢修車輛的備用率，減少配屬車輛。上海地鐵車輛檢修修程和檢修周期如表3所示。

表3 上海地鐵車輛檢修修程和檢修周期

軸承的檢修制度同城軌車輛檢修制度一樣，采用定期檢修和狀態檢修相結合的檢修制度。但軸承精度要求高，專業技術性強，軸承維修只有軸承生產廠商才能完成，通常軸承會有一定的免維護時間，當軸承運用一段時間后，才需要進行維修。結合上海地鐵車輛檢修情況來看，在架修前，軸承的檢修工作主要是以檢查、維護為主，如查看軸箱連接件是否松動、潤滑油脂是否滲漏等。車輛架修時，軸箱軸承會被分解，并送至軸承制造廠商進行檢修，對于無法修復的軸承將會報廢處理；牽引電機軸承因為電腐蝕等原因，考慮在架修時進行更換，不會進一步進行檢修；齒輪箱軸承在架修時會結合齒輪箱的狀態進行振動、溫升等檢測，到大修時更換齒輪箱軸承。

3.2 上海地鐵軸承故障預防措施

為控制車輛轉向架軸承故障的發生頻率，確保車輛安全運行，上海地鐵采用的預防措施如下：

(1) 牽引電機軸承異響判斷及維護。列車運營結束后，日檢人員會對列車進行預檢，判斷列車是否存在異響；在均衡修作業中，檢修人員每年根據相應的修程對牽引電機軸承進行滾動加油，保障牽引電機軸承的正常工作狀態。

(2) 配置溫度檢測裝置。上海地鐵配置有軸承地面溫度檢測設備、車載溫度檢測設備，探測到的軸承溫度超過提前設置閾值時系統將會報警，檢修人員將會對該軸承工作狀態進行排查。這些裝置通常能將軸承溫度等相關信息自動傳輸至地面并經分析處理，指導軸承維修作業。日常維護時，檢修人員會在軸箱軸承處貼軸溫試紙，通過觀察軸溫試紙顏色變化判斷軸承溫度是否異常，如軸承溫度偏高，應對軸承油脂狀態進行檢查，并確認軸承是否出現異常。

(3) 配置有振動檢測裝置。上海地鐵部分車輛上配置有車載振動監測裝置，能夠對軸承狀態進行實時監控，當軸承出現故障，在線診斷裝置會自動顯示，檢修人員及時采取相應措施。維修部門會不定期對軸承進行振動檢測，及時發現軸承故障，根據檢測結果分析軸承故障點，并采取相應的措施。

(4) 更換軸承配件。針對軸承已有故障，分析其不足，對軸承配件進行升級改造，如更換軸承材質、油密封方式等[4]。

4 存在問題及展望

軸承的免維護時間和軸承壽命是息息相關的，同一批次軸承在相同運行工況下，其壽命相差數倍甚至十倍。再加之城軌車輛本身運行工況復雜、惡劣，要準確確定軸承壽命是困難的。近些年來，上海地鐵通過增設軸承在線監測設備，力爭將軸承維護做到狀態修，以期減少軸承拆卸檢修成本。從目前架修情況來看，約有5%的軸承故障沒有被及時發現，在架修時直接報廢。

另外，目前我國城軌軸承基本上都采用進口軸承，企業技術壟斷，軸承的修理方法以及修理標準均由軸承生產廠家提出，城軌運營單位處于從屬地位，各方利益存在分歧，一些從技術角度上能夠修理的缺陷零部件也無法得到修理，就直接報廢，造成軸承維護成本的增加。近些年來，隨著國內軸承廠家檢修技術的提升，上海地鐵車輛部分開放式軸承如SKF BC1B326441/2-HB1已實現了國產化檢修，維修質量基本達到運營需求，與國內軸承廠商合作值得繼續推廣。

因此，加強軸承質量監控、優化現有軸承檢修制度是有必要的，探索新的維修模式是十分必要的。具體措施如下：

(1) 新造列車安裝軸承在線檢測設備，已運營列車加快軸承監控的更新改造，利用軸承在線診斷技術對軸承運行狀態進行監控，提供有效的診斷數據。

(2) 目前故障診斷均為定性研究，研發軸承故障在線定量診斷設備，實現軸承故障狀態的定量診斷，開展智能運維分析，進一步優化和指導軸承的檢修周期。

(3) 探索城軌運營公司和國內自主軸承生產廠商的合作模式，以降低軸承維修成本為合作目標。使國內軸承廠商成為我國龐大城軌軸承保養維修市場的主力軍，也為今后軸承國產化提供契機。

(4) 逐步建立軸承整個運維過程(狀態監測、維護、檢修、質量驗收)的技術標準，完善現有軸承檢修制度的不足。