关于地铁车辆转向架轴承故障诊断策略

张竞

摘要：地铁转向架轴承的意外故障可能导致生产停工，昂贵的维修费用和安全问题。电动机通常用于旋转机械，并且对其操作至关重要。因此，电动机的故障检测和诊断在提高其可靠性和操作安全性方面起着非常重要的作用，对于安全关键应用尤其如此。该研究旨在开发一种故障检测和诊断（FDD）策略，用于在开始时检测地铁车辆转向架轴承故障。本文考虑了两种涉及小波和状态估计的FDD策略。这些故障是在永磁无刷直流电机（PMBLDC）上进行物理模拟的。实验结果表明，所提出的故障检测和诊断方案在检测电动机轴承和绕组故障方面非常有效。

关键词：地铁车辆；转向架轴承；故障诊断

1.地铁车辆转向架轴承故障诊断的作用

地铁车辆转向架轴承在涉及高温和过载的不利环境中运行。这些应力与零件老化可能导致电机故障。一旦发生故障，通常会导致生产力下降，停机时间和昂贵的维修费用。因此，地铁车辆转向架轴承故障检测和诊断的状态监测具有很大的价值，并且在过去几年中受到了很多关注。

故障检测和诊断（FDD）是监控设备状况以查找故障或恶化迹象的过程，以便可以执行维护或修理以防止系统故障。仪器仪表是FDD的重要考虑因素。理想情况下，该方案应最大限度地减少对额外传感器的需求并使用现有信号。此外，它需要避免误报，可靠并及时提供早期故障的明确指示。在这项研究中，在永磁同步电动机上开发并实施了两种FDD方法。为了证明它们的有效性，通过物理模拟永磁无刷直流电动机的故障条件来验证FDD方法。

2.地铁车辆转向架轴承故障诊断常用设备

2.1永磁无刷直流电动机

永磁无刷直流电动机（BLDC）广泛用于地铁车辆转向架轴承故障。BLDC电动机通常包括具有三相电枢绕组的定子和具有永磁体的转子。在BLDC电机中，通过使用耦合到来自霍尔传感器的转子位置的反馈的功率电子器件来实现换向。与传统的有刷直流电动机相比，BLDC没有机械换向器，它具有表面磨损和电弧。BLDC电机转子上的稀土磁铁产生恒定磁场，从而实现高效率和高功率因数。BLDC电机的高扭矩重量比使其非常适用于电动汽车等应用。与直流电机和感应电机相比，BLDC电机具有许多优点，例如：更好的速度与转矩特性；高动态响应；效率高；使用寿命长；无噪音操作。

根据转子永磁体的位置和方向，BLDC电机可分为表面安装或内部安装。在定子绕组的情况下，BLDC可以基于其反电动势（反电动势）波形的形状分类为梯形或正弦曲线。除了反电动势之外，相电流还具有相应的梯形或正弦变化。具有正弦backEMF的那个也称为永磁同步电动机（PMSM）。对于PMSM，通过磁体的旋转在每个相绕组中产生的反电动势也是正弦的。

2.2轴承基础

地铁车辆中的大多数旋转轴使用滚动轴承。为了确保这些轴承的有效性和坚固性，它们在各种极端苛刻条件下的性能得到了广泛的研究。

虽然市场上有各种各样的滚动轴承，但它们相关的故障检测方法是类似的。因此，本研究选择了最常用的轴承之一——单列深沟球轴承。这些轴承有一排滚珠（称为单排），围绕滚珠轨道旋转，如图2所示。这些轴承由内圈、外圈、滚动元件（滚珠）和笼子（固定器）组成。内圈在其外径上有一个凹槽，具有光滑的精加工表面和极其严格的公差，以形成滚珠的路径。内圈安装在电机轴上，并与轴一起以相同的速度旋转。外圈与內圈相对应，内径有凹槽，精度高。外环放置在电动机壳体上的壳体中，因此相对于电动机保持静止。滚球位于内圈和外圈之间。这些球的直径略小于带槽球轨道，这使得它们可以在一个点上接触环。这种接触使轴承能够以最小的摩擦力旋转。为了实现点接触，公差严格控制在微英寸水平，以及球和环的尺寸。

3.地铁车辆转向架轴承故障诊断策略

3.1机械故障

地铁车辆转向架轴承的机械故障大致可分为两类：轴承故障和转子故障。转子故障通常是转子断条或偏心故障。根据工业调查，轴承故障引起的电机故障远远超过任何其他类型。因此，选择轴承故障的检测和诊断是本研究的主要焦点。电客车牵引电机异响故障如图3所示：异响电机轴承与永济电机厂技术人员一同对测量及拆解情况进行跟进。拆解两个轴承过程中发现：非传动端球轴承，轴承内圈约1/3轨道面有电蚀痕迹。轴承厂家初步分析现场异响为电蚀原因导致，目前永济厂家现场对30列车进行初步普查，共发现59处异响情况，23处异响较严重。

轴承失效机理已经研究了近四十年。因此，轴承失效模式的理论基础已被全面考虑。虽然存在基于不同测量源的监测技术，例如声发射（AE）和电动机电流特征分析（MCSA），但振动监测可能是最广泛使用的方法。

电动机中的振动可以来自许多来源，包括轴承、电磁力、不平衡转子等。每个都将在频域中具有其自身的特征，其可以表现为离散频带。为了提取埋在来自机器的振动信号中的故障特征，通常使用先进的信号处理技术，其中包括振动数据的过滤和特征提取。

3.2电气故障

对于BLDC电机，永磁体代替转子绕组，因此电气故障主要与定子相关。两种主电源定子绕组故障是：（1）断相故障；（2）短路转弯或匝间绝缘故障。前者可以允许机器以减小的扭矩操作，而后者可以快速发展成绝缘故障和机器的完全故障。绝缘故障通常始于匝间短路，这会引起高电流和大量热量，从而烧毁绝缘层。基于模型的方法是研究电动机短路故障的最常用技术之一。开发参数模型来模拟PMSM的操作条件。作为一种新颖性，该模型考虑了由于PM通量分布引起的反电动势中空间谐波的变化。

4.结语

地铁车辆转向架的安全性对于地铁安全运行起到了重要作用，因此必须对转向架的故障进行及时有效的检测，本文基于地铁车辆转向架的故障类型，提出了相应的检测方法。

参考文献

[1]李培玉，郑俊.基于多通道振动信号的港机车轮轴承故障诊断[J].轴承，2017（3）：35-38.

[2]杨鑫.列车转向架轴承服役过程监测与故障诊断系统研究[D].北京：北京交通大学，2012：3-4.

[3]陆爽，杨斌，李萌.基于小波和径向基函数神经网络的滚动轴承故障模式识别[J].农业工程学报，2014（08）：56-57.

（作者单位：南宁地铁轨道交通集团有限公司运营分公司）