城轨转向架轴承故障诊断与运行维护

徐 斌

(上海地铁维护保障有限公司 车辆分公司，上海 200237)

0 引言

转向架是城轨车辆的关键部件，直接决定着车辆运行的安全性、舒适性和平稳性。其中，轴承又是转向架的关键部件，起到重量支撑、运动变换和能量传递等关键动力作用。城轨车辆运行环境十分复杂，在长期运行中，持续动力作用必然使轴承状态发生变化，轴承内圈、外圈、滚动体易发生故障。一旦轴承出现故障就会快速发展，若不及时发现并采取相应措施，会产生严重的安全事故。

城轨转向架轴承安装位置较为隐蔽，通常不便于拆卸和检修，仅仅对其进行日常的维护，所以对轴承的免维护性要求极高。但轴承免维护周期难以准确确定，城轨转向架轴承仍普遍存在“带病”运转的情况[1]。上海地铁2020年度发生轴箱轴承故障3起，皆为轴承外圈故障，给运营安全带来了极大的挑战，但轴承过度维护又会增加运营成本开支。因此，近些年来运营公司逐渐重视城轨车辆转向架轴承的在线监测，试图实时掌握轴承的工作状态，改变传统以轴承额定寿命(免维护周期)为依据制定的检修制度，达到在确保车辆安全运营的情况下极大地降低轴承维修费用。

本文对城轨转向架轴承故障类型、轴承故障诊断方法、轴承检修制度的现状进行了总结分析，并针对我国轴承维修存在的问题提出了一些建议，以期为轴承的应用维护及检修提供一定参考。

1 城轨转向架轴承及其故障分析

城轨转向架轴承按照轴承安装位置可划分为轴箱轴承、齿轮箱轴承和电机轴承，它们在动力转向架上的位置如图1所示。

城轨转向架轴承常见的故障有剥落、腐蚀、断裂、磨损、胶合5种形式。

(1) 剥落：转向架轴承的滚动体受到外部激励交变荷载作用，反复对轴承内外圈滚道产生较大的冲击，并在冲击处内部一定深处产生裂纹，裂纹扩展到内外圈滚道、滚动体表面，进而产生剥落坑，轴承表面最终发生大面积剥落。

(2) 腐蚀：当周边环境的水气、含水物质进入到轴承将产生化学腐蚀；当城轨车辆产生的轴电流经过轴承时将会产生电腐蚀；当轴承与固定部件间存在微小缝隙，相对运动时，还会产生微振腐蚀。

(3) 断裂：全日早晚高峰时段，城轨车辆基本上都是满负荷运行，车辆转向架轴承难免会受到较大垂向和横向振动冲击，再加之装配不当、润滑脂失效等原因，会引起轴承产生裂纹或断裂。

(4) 磨损：城轨车辆转向架轴承滚道和滚动体接触面上有铁屑或者其他异物侵入，当轴承滚动体与内外圈滚道相对运动时，将会引起表面磨损，当润滑脂失效润滑条件变差将会使磨损加快。

(5) 胶合：城轨车辆运行速度较大、加减速频繁且数值较高，一旦出现润滑不良的情况，摩擦将产生大量热量，使轴承零部件间接触表面的温度迅速上升，轴承零部件间的表面可能会发生相互黏附。

2 轴承故障诊断方法

2.1 振动信号检测

当转向架轴承出现故障时，轴承的振动输出信号也会发生变化。在转向架适当位置布设传感器，将能够获得振动信号，通过对振动信号进行识别分析，即可判断轴承的健康状态。

传感器采集的振动信号包含了大量的冲击信号，共振频带宽，并含有大量的噪声，直接应用将不易发现轴承的早期故障，很多有用的轴承故障信息将会被噪声淹没。因此需要采取降噪措施，目前国内外常用的降噪措施有基于小波的降噪方法、基于随机共振的降噪方法、基于形态学理论的降噪方法和自适应信号分解的降噪方法等[2]。

轴承故障特征提取是振动信号降噪处理后的一个重要环节，获取故障特征的主要途径有时域、频域、时频分析3种。时域分析主要是对轴承运行时的参数指标(均值、幅值、方差、波形因素、波峰因素、概率密度和峭度系数等)进行分析。频域分析通过傅立叶变换得到故障信号频谱图，该频谱图含有比时域信号更丰富的故障内容，适用范围广。另外，倒谱分析、阶比谱分析也是常见的频域分析方法。但频域分析缺乏局域性信息识别能力，而时频域分析方法能够克服其不足，因此时频分析得到广泛的应用。时频域分析的主要方法有短时傅立叶变化、Winer-Ville分布、小波变换和经验模式分解(EMD)等。得到轴承故障特征信息后，结合轴承内外圈、滚动体的故障特征频率指标可以对轴承故障模式进行识别，判定轴承故障发生位置、故障类型及其发生的原因。

近些年，随着计算机技术的不断发展，轴承故障检测的各种智能提取方法不断涌现，熵理论以及机器学习技术用于轴承故障智能诊断最为广泛，目前常用的熵理论有Shannon熵、样本熵和排列熵等。利用这些理论及技术方法将能够实现轴承故障的自动识别和预警。

2.2 润滑油液分析检测

润滑油液分析检测主要应用了铁谱分析技术，当城轨车辆运行时，转向架轴承的滚动体、内外圈之间必然会产生相对位移进而发生摩擦，在摩擦力和振动冲击多重作用下，轴承内外圈及滚动体表面的金属碎片不可避免地会掉落到润滑油中。通过对润滑油内铁屑颗粒的大小、形态、分布情况进行分析，可以获得轴承磨损状态的重要信息。因此该方法也是一种非常适合判定及预测转向架轴承表面磨损情况的有效方法。

不同的磨粒特征和轴承故障类型存在一定的对应关系,润滑油中不同损伤形式下的铁屑磨粒特征如表1所示。

表1 润滑油中不同损伤形式下的铁屑磨粒特征

2.3 温度检测

当转向架轴承润滑不良或出现其他故障时，轴承的零部件间摩擦加剧，产生大量的热量，引起轴承温度升高，出现“烧轴”现象，滚动体将出现擦伤、表面颜色发黑等情况。温度监测能够综合反映包括轴承润滑状态在内的各种因素，在城轨轴承监测中应用广泛。

采用温度检测方法时在轴承附近安装温度传感器，并设置一系列条件及温度阈值，通过无线测温技术实现实时温度采集、监测、记录、分析，并及时反馈，以避免重大的经济损失。另外，车辆基地内还会配置离线温度检测设备，如手持红外温度仪、测温试纸等，检修人员在做日常维护时，会进一步对转向架轴承状态进行细致检查，作为确保车辆运行安全的最后一道屏障。

2.4 声发射检测

声发射技术主要是利用轴承内外圈、滚动体等各部分表面产生裂纹、磨损等故障时，轴承材料局部将快速产生能量并以波的形式传播，产生声发射现象。通常这种信号非常微弱，需要借助信号放大器才能将故障信息提取出来。其原理是利用物质内部微粒由于相对运动而以弹性波的形式释放应变能的现象来识别和了解物质或结构内部状态[3]。

2.5 几种诊断方法比较

4种轴承诊断方法的对比分析如表2所示。

表2 各种轴承故障诊断方法的特点对比分析

3 轴承故障检修制度及预防措施

本文以上海地铁轴承检修制度为例来论述轴承故障检修制度及预防措施。

3.1 上海地铁轴承检修制度

城轨车辆转向架轴承检修是城轨车辆检修的重要组成部分，我国城轨车辆检修按照定期维修、状态维修、事后维修3种维修方式进行。按照GB50157-2013《地铁设计规范》规定，车辆检修修程按照厂修、架修、定修、三月检、双周检、列检6级进行。为提高列车高峰可利用率，上海地铁对车辆的日常运维均衡化，优化了原有的修程修制，其检修修程调整为大修、架修、均衡修和日检。在确保列车可靠性的同时，也降低了地铁车辆的维修成本。均衡修相比传统的预防性计划修能够降低检修车辆的备用率，减少配属车辆。上海地铁车辆检修修程和检修周期如表3所示。

表3 上海地铁车辆检修修程和检修周期

轴承的检修制度同城轨车辆检修制度一样，采用定期检修和状态检修相结合的检修制度。但轴承精度要求高，专业技术性强，轴承维修只有轴承生产厂商才能完成，通常轴承会有一定的免维护时间，当轴承运用一段时间后，才需要进行维修。结合上海地铁车辆检修情况来看，在架修前，轴承的检修工作主要是以检查、维护为主，如查看轴箱连接件是否松动、润滑油脂是否渗漏等。车辆架修时，轴箱轴承会被分解，并送至轴承制造厂商进行检修，对于无法修复的轴承将会报废处理；牵引电机轴承因为电腐蚀等原因，考虑在架修时进行更换，不会进一步进行检修；齿轮箱轴承在架修时会结合齿轮箱的状态进行振动、温升等检测，到大修时更换齿轮箱轴承。

3.2 上海地铁轴承故障预防措施

为控制车辆转向架轴承故障的发生频率，确保车辆安全运行，上海地铁采用的预防措施如下：

(1) 牵引电机轴承异响判断及维护。列车运营结束后，日检人员会对列车进行预检，判断列车是否存在异响；在均衡修作业中，检修人员每年根据相应的修程对牵引电机轴承进行滚动加油，保障牵引电机轴承的正常工作状态。

(2) 配置温度检测装置。上海地铁配置有轴承地面温度检测设备、车载温度检测设备，探测到的轴承温度超过提前设置阈值时系统将会报警，检修人员将会对该轴承工作状态进行排查。这些装置通常能将轴承温度等相关信息自动传输至地面并经分析处理，指导轴承维修作业。日常维护时，检修人员会在轴箱轴承处贴轴温试纸，通过观察轴温试纸颜色变化判断轴承温度是否异常，如轴承温度偏高，应对轴承油脂状态进行检查，并确认轴承是否出现异常。

(3) 配置有振动检测装置。上海地铁部分车辆上配置有车载振动监测装置，能够对轴承状态进行实时监控，当轴承出现故障，在线诊断装置会自动显示，检修人员及时采取相应措施。维修部门会不定期对轴承进行振动检测，及时发现轴承故障，根据检测结果分析轴承故障点，并采取相应的措施。

(4) 更换轴承配件。针对轴承已有故障，分析其不足，对轴承配件进行升级改造，如更换轴承材质、油密封方式等[4]。

4 存在问题及展望

轴承的免维护时间和轴承寿命是息息相关的，同一批次轴承在相同运行工况下，其寿命相差数倍甚至十倍。再加之城轨车辆本身运行工况复杂、恶劣，要准确确定轴承寿命是困难的。近些年来，上海地铁通过增设轴承在线监测设备，力争将轴承维护做到状态修，以期减少轴承拆卸检修成本。从目前架修情况来看，约有5%的轴承故障没有被及时发现，在架修时直接报废。

另外，目前我国城轨轴承基本上都采用进口轴承，企业技术垄断，轴承的修理方法以及修理标准均由轴承生产厂家提出，城轨运营单位处于从属地位，各方利益存在分歧，一些从技术角度上能够修理的缺陷零部件也无法得到修理，就直接报废，造成轴承维护成本的增加。近些年来，随着国内轴承厂家检修技术的提升，上海地铁车辆部分开放式轴承如SKF BC1B326441/2-HB1已实现了国产化检修，维修质量基本达到运营需求，与国内轴承厂商合作值得继续推广。

因此，加强轴承质量监控、优化现有轴承检修制度是有必要的，探索新的维修模式是十分必要的。具体措施如下：

(1) 新造列车安装轴承在线检测设备，已运营列车加快轴承监控的更新改造，利用轴承在线诊断技术对轴承运行状态进行监控，提供有效的诊断数据。

(2) 目前故障诊断均为定性研究，研发轴承故障在线定量诊断设备，实现轴承故障状态的定量诊断，开展智能运维分析，进一步优化和指导轴承的检修周期。

(3) 探索城轨运营公司和国内自主轴承生产厂商的合作模式，以降低轴承维修成本为合作目标。使国内轴承厂商成为我国庞大城轨轴承保养维修市场的主力军，也为今后轴承国产化提供契机。

(4) 逐步建立轴承整个运维过程(状态监测、维护、检修、质量验收)的技术标准，完善现有轴承检修制度的不足。