城轨车辆转向架轴承的故障分析及对策研究

哈彦梅 胡学海

（四川铁道职业学院，四川成都 611732）

0 引言

城轨车辆的安全运营离不开性能优良的转向架，不仅支撑车体，还要传递牵引力、制动力和冲击力，同时与车辆的平稳性、安全性和舒适度息息相关。而要保证转向架能正常工作，转向架上安装的各类轴承非常关键，是动力变换、能量输出等方面的重要部件。

城轨车辆转向架上的轴承主要有轴箱轴承、齿轮箱轴承、牵引电机轴承等。城轨车辆运行环境复杂，转向架各类轴承在持续动力的作用下，轴承的内外圈、滚动体、轴承保持架等故障及轴承超温等现象常有发生，若不及时发现并处理，会危及行车安全。因此，加强对转向架轴承的故障诊断并提出有效的维护对策，对提高城轨车辆运营的安全性有着非常实际和重要的意义[1]。

1 城轨车辆转向架轴承各类故障分析

1.1 结构

城轨车辆转向架轴承通常采用滚动轴承，其结构主要是外圈、内圈、滚动体和保持架4 个部分。内圈安装在轴颈上，与轴同步转动；外圈与固定件配合，主要用来支承轴承；滚动体则在保持架内沿着内外圈之间的滚道运动，轴承结构如图1 所示。

图1 滚动轴承结构

1.2 主要故障类型及原因

城轨车辆转向架轴承本身设计制造符合工艺要求，但在复杂环境下长时间运转之后，还是会出现各种故障，常见断裂、腐蚀、磨损、胶合、剥落等故障。

（1）断裂：在城轨车辆满载的情况下，较大的横向力和重力作用于转向架轴承，此时轴承润滑效果不佳或者各部件之间存在较大的内应力，容易使轴承产生裂纹，严重时会出现断裂。

（2）腐蚀：潮湿环境中的水分较易使轴承发生化学反应，引起化学腐蚀；轴承中有电流通过时容易引起电腐蚀；车辆在运行过程中的振动会引起轴承与固定部件之间的微振腐蚀。这些腐蚀会使得轴承表面粗糙，从而影响轴承的精度。

（3）磨损：有异物侵入转向架轴承滚动体及内外圈滚道之间或者润滑较差时，会在轴承相对运动的接触表面造成磨损，进而在轴承表面产生裂缝，严重时可直接断轴。

（4）胶合：城轨车辆转向架轴承在润滑不良或车辆运行速度较高的情况下，轴承零部件的表面因为摩擦生热温度迅速上升，由此可能会导致金属表面黏附在一起。

（5）剥落：转向架轴承的滚动体和滚道因为受到车辆运行过程中存在的各种载荷作用而反复撞击，在撞击点由内而外出现裂纹，直到在滚道和滚动体表面出现剥落坑，最终使得轴承表面出现大面积的剥落[2]。

1.3 故障信号波形

在城轨车辆转向架上安装传感器，由于轴承跟随列车运行时出现振动，因此可通过传感器获取轴承的振动信号，从而判断轴承的工作状态和技术状态。在无故障情况下，轴承的振动信号规律、振动信号频率稳定；在滚动轴承出现故障时，其振动波形相比正常情况会有变化，且故障不同变化不同[3]。轴承不同故障下的振动波形如图2～图5 所示。

图2 正常波形图

图3 外圈故障波形图

图4 滚动体故障波形图

图5 内圈故障波形

2 城轨车辆齿轮箱轴承故障

2.1 故障类型

在城轨车辆的运行过程中，轴承保持架断裂是转向架齿轮箱轴承常见的故障，如图6 所示。

图6 轴承保持架断裂

当金属保持架受高速旋转的影响时，轴承零部件之间的冲击会产生碎屑，增大内外圈之间的运行阻力，同时也会造成轴承零部件接触面温度升高，润滑脂的性能下降，所产生的热量不能及时散出，从而产生胶合，导致拆解时无法退出轴承内圈而损坏轴颈，不仅增加了城轨车辆的运营成本，也给车辆正常运行带来了很大的影响[4]。

2.2 齿轮箱轴承保持架故障原因分析

（1）线路冲击大。城轨车辆运行线路或钢轨对接处不平顺，会对车辆轴承造成较大的冲击，尤其是城轨车辆在超负荷的高速运转下，齿轮箱轴承反复受到过大冲击，最终造成保持架断裂。

（2）超负荷运营。通过调查分析发现，造成城轨车辆转向架齿轮箱轴承保持架断裂的主要原因是车辆运营周期长、超负荷运营，对轴承的寿命影响较大。

（3）材料耐劳强度不够。城轨车辆齿轮箱轴承保持架的材料抗疲劳强度不足，因此，在城轨车辆长期运行过程中，轴承保持架容易出现故障。

2.3 齿轮箱轴承保持架故障维护对策

（1）提高保持架材料性能。针对因材料性能不足引发齿轮箱轴承保持架故障的情况，轴承保持架要采用高性能材料，尤其是抗疲劳性能强的材料[5]。为了使轴承保持架具有较强的抗冲击能力，通常设计保持架为一体式结构，同时增加轴承保持架的板梁厚度、宽度以及压坡深度等。

（2）规范车辆运营及维护。规范城轨车辆日常运营，定期对车辆做好维护保养，增设轴承在线监测设备，确保及时发现车辆齿轮箱轴承保持架故障并进行有效的维护。配置车载温度检测设备，重视对齿轮箱轴承温度的监测，避免轴承因温度过高发生胶合而影响列车运行。

（3）加强质量监控。通过轴承在线诊断技术监控轴承运行状态，研发轴承故障在线定量诊断设备，充分利用智能运维技术实现对轴承保持架质量的监督和管理，逐步建立轴承状态监测、维护、检修、质量验收的技术标准，解决目前轴承检修制度存在的问题。

3 城轨车辆牵引电机轴承故障

3.1 故障类型

电腐蚀的通用定义是，由于电流的通过造成接触表面材料的遗失。轴承电腐蚀是城轨车辆牵引电机轴承常见的故障。

当牵引电机轴承承受过电压时，通过滚动体和润滑脂的电流经过轴承的内外圈，在接触面造成电击穿并产生高频续流，使内外圈和滚动体的接触面在短时间内局部受热并发生熔化焊接在一起，最终造成轴承损伤剥离，滚道及滚动体表面产生小环形坑，如图7 所示。如此持续发展，环形坑会演变为底部颜色发暗的波纹状凹槽，如图8所示。

图7 环形坑

图8 波纹凹槽

3.2 牵引电机轴承电腐蚀故障原因分析

城轨车辆中牵引电机轴承腐蚀的原因主要包括以下两个方面。

（1)不对称磁路。牵引电机的端盖、机座、轴承和轴会组成导电回路。若磁路不对称，会在电机中产生圆周交流磁通，导电回路中因此感应出交流电压，如图9 所示。若此感应电压过大造成润滑剂绝缘层被击穿，由于磁路不对称产生的低频轴承电流就会经过回路两端的轴承，从而造成轴承的电腐蚀。

图9 电机内部感应电路

（2）共模电压。对称的三相正弦交流电中性点电压为0，而脉宽调制技术的控制造成直流电转换的三相交流电瞬时的输出电压之和为0，使中性点电压不为0，导致出现共模电压。高频共模电压会产生共模电流，经过电机轴承造成电腐蚀。同时，由于牵引逆变器中的IGBT 元件，共模电流还可在轴承上产生电压，引起牵引电机轴承损伤[6]。

3.3 牵引电机轴承电腐蚀故障解决对策

（1）轴承电流的计算公式为：

式中：i为轴承电流；C为轴承电容；du/dt为电压变化率。轴承电流会随着共模电压变化率的降低而减小，因此降低共模电压可减少轴承电腐蚀故障。

（2）安装绝缘轴承，切断由于牵引电机磁路不对称形成的导电回路，防止产生轴承电流。

（3）通过在牵引电机转轴和机座之间安装导电环短接轴承内外圈，防止电流经过轴承滚道和滚动体，该方案已在国内外项目的牵引电机中运用。

（4）对牵引电机进行设计时，研究分析牵引逆变器与轴承的绝缘匹配情况，计算并验证轴承绝缘层的耐受电压值，充分考虑牵引电机轴承的电气寿命，优化牵引电机结构和技术参数[7]。

4 结语

对城轨车辆转向架轴承中齿轮箱轴承及牵引电机轴承的常见典型故障进行分析，结合故障成因提出解决对策，为城轨车辆转向架轴承的故障诊断与处理提供一定的思路。

针对城轨车辆转向架轴承存在的各类故障问题，需通过不断的技术积累及试验研究，开展转向架轴承故障诊断分析及寿命预测，持续优化轴承结构。搭建智能运维平台，结合轴承技术状态数据对齿轮箱、轴箱、牵引电机轴承的故障类型、故障原因及故障危害进行分析，探索新的维修模式，以适应我国城市轨道交通的运营工况。