基于单个轴承动态故障诊断的轴承检测应用研究

□ 梅荣海 □ 郭四洲 □ 闫晓凡

南车株洲电机有限公司 湖南株洲 412000

基于单个轴承动态故障诊断的轴承检测应用研究

□ 梅荣海 □ 郭四洲 □ 闫晓凡

南车株洲电机有限公司 湖南株洲 412000

分析了基于单个轴承动态故障检测平台下的轴承检测影响因素，提出故障判定方法，有效规避轴承检测中的误判与漏判，单个轴承故障诊断技术对轨道牵引电机检修技术具有重要意义。

牵引电机 轴承检测 故障判定 应用研究

随着我国机车朝高速重载方向的发展，机车牵引电机中的轴承出现多种早期异常磨损及剥离的失效形式，给机车安全运行及轴承检测技术带来了全新课题［1］。

为严格监控检修过程中的轴承质量状况，规范检测，提出了一种基于单个轴承动态故障诊断的轴承检测技术，分析转速、载荷、检测位置等因素对轴承检测的影响，通过振动值量化来分析评估轴承磨损状况。

1 轴承故障状态

电机轴承是支撑转子与定子连接的关键部件，是实现定子和转子稳定的、转动灵活的机械连接［1-2］。牵引电机轴承通常配置2个轴承，即驱动端轴承和非驱动端轴承，驱动端轴承主要用于承载，一般采用单列圆柱滚子轴承；非驱动端轴承主要用于定位及承受轴向力，一般采用深沟球轴承或带档边的圆柱滚子轴承。

典型的机车牵引电机驱动端轴承与非驱动端轴承，如图1所示。牵引电机轴承的典型故障特征反映如下。

▲图1 牵引电机轴承典型样品

（1）滚子表面“哑铃型”异常磨损状态，滚子中部直径小，两端直径大，如图 2（a）所示。

（2）滚子、内圈及外圈的端部剥离及保持架兜孔崁有异物，如图2（b）所示。

（3）保持架断裂、滚子或滚珠非规则摩擦变形，轴承烧损，如图2（c）所示。

▲图2 牵引电机轴承典型故障特征

2 轴承检测方法

为严格监控电机检修过程中轴承质量状况，改善早期检修的局限性，提出一种基于单个轴承动态故障诊断的轴承检测技术［3］。

2.1 早期轴承检测的局限性

早期牵引电机轴承检测方法主要采用电机旋转时的电机振动、轴承异音、轴承游隙及轴承部件外观检查共4项技术指标［4］。

但是，上述4项技术指标在轴承检测中具有一定的局限性：电机振动受电机组装影响，无法判定振动来源为轴承本身问题还是装配中问题；轴承异音受检修技工技能水平影响，且为定性检测，无法量化；轴承游隙为静态检测，受加载力及轴承磨损状态影响，游隙检测偏差较大；轴承内、外圈滚道表面的磨损情况，需对轴承拆套后再进行外观检查，如图3所示。

2.2 轴承故障检测技术

笔者研究基于单个轴承旋转动态振动的检测方法，检测原理是：基于旋转机械故障诊断技术、精密微冲击传感技术及计算机测控技术，对单个滚动轴承在旋转工作下进行动态故障检测。通过设置轴承故障检测上限值，可自动检测出轴承内圈滚道面、外圈滚道面、滚动体工作面等轴承组件的故障信息，如擦伤、裂纹、电蚀、剥离等［5］，检测原理如图4所示。

3 动态检测的影响因素分析

通过系列的试验验证，轴承动态振动检测结果主

要受轴承转速、加载力、加载位置、润滑介质量等因素影响。分析各因素与振动检测值的关系，主要通过振动均方根值、峭度系数2项技术指标来评估轴承质量状况。

▲图3 轴承拆套的部件外观检查

▲图4 单个轴承动态振动检测原理图

振动均方根值Xrms代表振动过程中所有合成振动的平均振动能量，单位为g（1g=9.8 m/s2）。

式中：X（t）为加速度振动幅值；T为时间周期。

峭度系数Kv反映被测振动系统工作表面缺陷处的冲击脉冲，故障越大，冲击响应幅值越大。

式中：P（X）为X（t）的导函数。

3.1 轴承转速对振动的影响

设定载荷、加载位置、轴承润滑不变，验证转速变化对轴承振动的影响，如图5所示。

由图5可知，在转速200～800 r/min范围内，振动均方根值随转速增加而增大，转速大于800 r/min时，振动的均方根值处于平稳；而峭度系数受转速影响小。

3.2 加载力的影响

设定转速、润滑及加载位置不变，验证载荷变化对轴承振动的影响，如图6所示。

由图6可知，轴承加载力0.2～0.5 kN时，振动均方根值随加载力增加而增大，载荷大于0.5 kN时，振动均方根值趋于稳定。当轴承出现故障、载荷高于1.5 kN时，将引起异常噪声和振动。

3.3 加载位置的影响

轴承径向加载力依次按照0°（外圈下方承载区中心处）、90°、180°、270°4个位置通过液压缸加载在轴承外圈上，轴承内圈及滚子旋转，如图7所示。

加载位置对振动的影响如图8所示，在0°位置处轴承振动均方根值最大，这与轴承外圈承载区磨损程度最大相符合，因此选择0°位置为加载位置，以便甄别轴承磨损情况及评估轴承故障。

▲图5 转速对轴承振动检测的影响

▲图6 载荷对轴承振动检测的影响

▲图7 加载位置示意图

▲图8 加载位置对轴承振动检测的影响

▲图9 润滑脂填充对轴承振动的影响

3.4 润滑的影响

轴承旋转时，轴承内部需要有润滑介质，轴承润滑方式及轴承润滑介质填充量均对轴承振动检测结果产生影响。轴承选择油润滑或

脂润滑需与轴承实际运行工况相结合。

本文以6226轴承脂润滑进行试验验证，分析润滑脂填充量对轴承振动检测的影响，如图9所示。

由图9可知，轴承初始填充润滑脂，运行磨合2 min后振动均方根值稳定；再次对轴承注脂润滑，重新运转的轴承振动均方根值迅速降低，约5 min后振动均方根值和峭度系数重新恢复至注脂前水平。试验初步表明，轴承润滑脂初始填充对轴承振动有影响，但注脂后轴承稳定运行时对振动检测结果影响较小。

3.5 检测方法制定

基于上述各因素对轴承振动检测的影响分析，实际检测中需严格执行单个轴承动态检测方法，规避各因素对轴承故障识别的影响，避免轴承故障漏判及误判。

试验以6226型深沟球轴承为例，规定适用该轴承的动态振动检测参数，设置如下。

主轴转速：800 r/min；加载力：1.5 kN；加载位置：轴承外圈承载区；轴承检测注脂量：200 g/套。

4 检测故障判定

对检测影响因素的规定，是轴承故障判定的关键，也是进一步摸索适用于不同轴承故障检测判定的标准。

4.1 基于振动能量的故障判定

振动能量判定方法主要是检测和剖析轴承不同程度的磨损，掌握振动均方根值、峭度系数与轴承磨损的分布对应关系，制定上限值或检测标准，监控轴承故障。

笔者以 6226型深沟球轴承为例，经过系列试验，振动均方根值与轴承磨损状况、峭度系数与轴承磨损状况的分布关系如图10、图11所示。

▲图10 均方根值与轴承磨损关系图

▲图11 峭度系数与轴承磨损关系图

抽样已检测20套轴承，与轴承拆套检测结果如下。

（1）振动均方根值≥6的10套轴承中，8套轴承滚道面发生剥离现象；而均方根值＜6的10套轴承中，有9套轴承滚道及滚动体磨损状况良好。

（2）峭度系数≥5的6套轴承中出现不同程度磨损与剥离现象，而峭度系数＜5的14套轴承滚道面仅有轻微磨损。

为验证振动检测值上限值的准确性，以6032#电机的6226轴承为例，检测出振动均方根值为12.018，峭度系数为12.52，拆套轴承发现外圈滚道面出现剥离现象，如图12所示。

▲图12 6032#电机6226轴承外圈滚道剥离现象

4.2 基于振动频谱的故障判定

故障频率判定方法是利用轴承组件（外圈、滚子、内圈及保持架）的自身频率，识别各组件的故障情况。

以6032#电机6226型深沟球轴承为例，在800± 5%r/min转速下运行，试验可明显识别轴承故障频率为45 Hz，倍频特征非常显著。基于该频谱可判定6226型深沟球轴承的外圈出现故障，如图13所示。

▲图13 6032#电机6226轴承外圈故障频率

5 结束语

本文对牵引电机检修的常规轴承检测方法进行了分析，系列试验验证了轴承转速、加载力、加载位置及轴承润滑对轴承振动检测的影响，提出一种基于单个轴承动态故障诊断的检测技术和检测方法的操作规范，规避各因素对轴承故障识别的影响，避免轴承故障

的漏判及误判，在实际工程应用中，对轴承故障的严控起到良好效果。

单个轴承动态故障诊断对机车牵引电机装配、检修及在实际工况中的轴承运行进行监控具有良好的研究价值，为轴承在线监测技术提供了数据支撑，对高速、重载牵引技术具有重要意义。

［1］杨振中，梅荣海，阮鸿芳.机车牵引电动机油润滑轴承失效分析与对策［J］.轴承，2014（1）:45-47.

［2］刘泽九.滚动轴承应用［M］.北京：机械工业出版社，2006.

［3］张弛哲.共振解调技术在牵引电机轴承故障诊断中的应用［D］.北京：北京交通大学，2011.

［4］池田伸一，尚拥军.牵引电机不解体检修方法的研究［J］.电力机车技术，1997（3）：46-48.

（编辑 平 平）

TH186；U26

A

1000-4998（2015）06-0082-04

2015年4月