城轨车辆齿轮箱轴承保持架故障的诊断与对策

廖 云，黄贵发，李 辉，唐德尧

(北京唐智科技发展有限公司，北京 100097)

一、引言

城轨交通车辆齿轮箱轴承多发保持架故障，主要表现是：保持架端圈断裂、窗梁断裂、轴承滚子乱序、轴承超温等。

齿轮箱轴承多发保持架破损，主要原因是溅油润滑方式导致轴承保持架运转时阻尼低，容易受外冲击激发振荡冲击导致保持架疲劳断裂。采用共振解调、转速跟踪主动诊断技术识别保持架故障，可实现故障的早期预警，为车辆安全运营提供保障。

二、共振解调、转速跟踪主动诊断技术的应用

1.共振解调技术的特点

共振解调技术是一种用于检测机械设备故障的信号变换技术，与其他常规振动检测技术相比，特别适合监测机械设备的早期故障所发生的冲击信息，利用共振解调技术处理振动冲击信号可达到剔除常规振动和提取故障冲击的目的。

转速跟踪技术是一种变速机械的转速相位跟踪采样技术，可实现非周期信息的周期变换，从而可以沿用FFT技术成功实现故障分析。图1为共振解调与转速跟踪技术的信号变换过程分析，将传感器输出的机械振动冲击信号，用带有广义共振机制的振动、冲击、温度复合传感器接收，其振动和冲击广义共振信息经过电子变换技术，剔除其他机械振动或干扰，解调出传感器信号中的机械冲击激发的广义共振信号，从而实现在车辆强烈的机械振动干扰和电磁干扰中微弱故障信息的提取。在故障信号处理的AD采样过程中，实时获取车轮转速，转速相位跟踪采样将模拟信号变换为数字信号，进而对共振解调波的频谱作FFT分析，确认故障类别和级别。

图1 共振解调与转速跟踪技术

共振解调、转速跟踪主动诊断技术的优越性在于可实现保持架宏观破损的预知。为故障早期预警和设备性能评估提供了有效的技术手段。

2.基于共振解调的外孤谱识别技术

某些保持架初期运行时，可能有一些失落的铜渣和轴承损伤的失落物进入滚道，不稳定地短时粘附于外环，在滚子通过时引起基本频率(等于外环故障频率)的冲击，但因为不是固定的外环故障，故只有几乎孤立的1阶突出谱线，称为“外孤谱”。

北京地铁2号线某车利用“外孤谱”识别技术，在列车上的走行部安装了车载故障诊断系统，一次当它发出齿轮箱小轴轴承保持架报警时，经拆解发现小轴外侧圆柱滚子轴承保持架断裂成四块。由此可以证实此种诊断技术的有效性。

三、利用共振解调检测分析保持架破损的内因

1.保持架有变形的无油轴承检测试验分析

在单个轴承检测机上对保持架变形的无油轴承作检测试验，发现有明显的外环多阶谱或外孤谱，时而还有滚单(滚子端面)谱，如图2、3所示。

图2 变形保持架轴承的外孤谱有保持架调制谱和边频谱

图3 变形保持架轴承的滚单谱有保持架调制谱和边频谱

这是由于保持架变形，使得滚子在保持架中，至少有2个(单向的)甚至(严重时发生)4个(双向的)发生轴向窜动。该窜动被外环的档边限位，造成保持架运转一周有2个(甚至4个)滚子相继以不同的力度刮碰冲击外环挡边内侧突出点，从而形成2个(甚至4个)滚子冲击外环的脉冲群。所以，外环脉冲有均布的2次(甚至4次)调幅，其外环主频谱出现保持架2阶(甚至4阶)的边频，还出现保持架2阶(甚至4阶)调制谱。若滚子端面有突出点，则还出现滚单(端面)冲击谱。

2.保持架破损内因

无油轴承在单个轴承检测机上容易出现上述信息是由于没有油膜掩盖，外环挡边内侧的微小突出点或滚子端面突出点高度大于油膜厚度而完全暴露，加之没有阻尼，故障冲击强，噪声大。有油(特 别是油脂)的轴承在单个轴承检测机上不易出现上述信息的原因是外环挡边内侧的微小突出点或滚子端面微小突出点被油膜掩盖，滚子端面和外环挡边之间存在油膜阻尼，故冲击微弱，噪声小。

因此，无油或溅油润滑轴承因缺乏阻尼或阻尼低，在随机扰动激励下将引起无油振荡跳跃冲击，冲击的形式有径向冲击和偏摆式的轴向冲击。造成城轨车辆轴承受到随机扰动甚至冲击的因素有：轨道接缝冲击、蛇行冲击、踏面故障冲击、强烈的波磨冲击等，而这些冲击都是无法避免的，经常存在的甚至是周而复始地频繁发生的，这是轨道交通所用轴承的工作环境与固定机械轴承的工作环境之显著区别。溅油润滑轴承也许可以在固定的或在没有冲击扰动的飞行器、船舰等机械中正常工作，却不适宜在轨道交通装备上工作。

无油或溅油润滑轴承在静态下由于自重，保持架与外环挡边接触。当不动的外环原边受到冲击时，与其接触的保持架将发生跳跃，如果跳跃幅度试图大于保持架与外环挡边的间隙，便与对边发生冲击而反弹过来，在原边和对边之间形成周而复始的弹跳、振荡、冲击。如果跳跃的幅度小于间隙，则发生跌落到原边的冲击，冲击频率约减半。如图4所示。

图4 无油轴承径向跳跃冲击和轴向偏摆式冲击

由于保持架弹跳到接触挡边时，保持架本身旋转的惯性力必然参与对外环的相互作用，增强冲击的力度，从而增加了弹跳振荡的能量、强度和持续时间。由于该振荡不可能仅仅是径向的，而是还存在轴向偏摆，于是迫使滚子端面碰磨外环挡边的内侧。如果轴承中存在油脂，则其阻尼作用消耗了能量，便能使振荡频率下降，使振荡迅速衰减。

某些城轨车辆走行部齿轮箱轴承使用溅油润滑轴承，油膜很薄，阻尼不足，当齿轮啮合振动传递到轴承内外环时，轴承内外环的振动容易通过档边与保持架“定位面”传递到保持架，特别是存在抖动时。在齿轮啮合频率高于保持架共振频率时，低共振频率的保持架受到(例如外环)档边的激励产生的低阻尼振动，与(外环)档边的振动相位相反，引起相互撞击，也是造成保持架疲劳断裂的因素之一，如图5所示。

图5 保持架与外环相互撞击造成疲劳断裂

图示样本的检测跨距约27m。在检测此样本前4m的一次轨缝冲击引起了536号谱线、128Hz的冲击，在本样本结束前6m的轨缝冲击引起了275谱线、65Hz的冲击；这些冲击不属于任何轴承、踏面、齿轮滚动工作面的故障冲击，而是轨缝冲击车轮的外因引发的保持架振荡、冲击单边的冲击频谱。

究其原因，仍然是因为该保持架外定位面与外环挡边之间的间隙太小，加之使用了“溅油润滑”方式，使得轴承保持架与外环挡边之间缺油而对它们相对运动的阻尼不足，更加剧了保持架相对外环挡边的振动强度和产生的相互冲击强度和频度，从而加速了保持架的破碎。

四、结论

轨道交通车辆轴承受到随机扰动、冲击是不可避免的，根据上述的机理分析，只有增加保持架与外环挡边相对运动的阻尼，才有可能防止保持架与外环相互撞击而造成保持架疲劳断裂。所以，城轨车辆走行部的轴承宜使用油脂润滑，而不宜使用溅油润滑。

[1]唐德尧.广义共振、共振解调故障诊断与安全工程—铁路篇[M].北京：中国铁道出版社，2006.

[2] 唐德尧等.识别轴承保持架故障的共振解调外孤谱诊断技术[J].中国设备工程，2009.