周 剛,張舜磊

(徐州地鐵運營有限公司,江蘇 徐州 221000)

地鐵車輛經(jīng)過公路運輸后,牽引電機出現(xiàn)異響的情況多有發(fā)生,如成都地鐵[1]、株洲電機[2]、福州地鐵[3]等,主要表現(xiàn)為:在車輛低速行駛時,會出現(xiàn)明顯挫鈍的異響。拆解電機發(fā)現(xiàn),軸承內(nèi)圈滾道面存在多處規(guī)則軸向壓痕,與滾子節(jié)距相吻合,見圖1。

圖1 軸承內(nèi)圈壓痕

1 異響電機軸承探究

目前業(yè)內(nèi)主流觀點較為統(tǒng)一,認為壓痕問題由公路運輸問題導(dǎo)致,但對運輸中過載變形、振動磨損2種失效原因及影響程度沒有區(qū)分研究?，F(xiàn)以某地鐵為研究對象,對產(chǎn)生與滾動體節(jié)距一致的壓痕機理逐一分析(本文軸承失效的特征、描述參照GB/T 24611—2020[4])。

1.1 過載變形

1.1.1 靜載荷

電機靜止時,電機轉(zhuǎn)軸及其他部件的質(zhì)量會作用于軸承的承載區(qū),見圖2。

圖2 軸承靜載荷受力分析

軸承所受合力F合=F0+F1cosβ+F2cos2β+…。

當軸承過載時,內(nèi)外圈滾道與滾子直接接觸且接觸處發(fā)生塑性變形,使得內(nèi)外圈滾道形成與滾子節(jié)距相應(yīng)的凹痕。某地鐵牽引電機相對靜止狀態(tài)時,兩端軸承只需承載電機轉(zhuǎn)子(約160 kg)及電機側(cè)聯(lián)軸節(jié)的質(zhì)量負荷,遠低于所選用軸承166 kN的額定靜載荷,所以可排除靜載荷過載造成的塑性變形。

1.1.2 沖擊載荷

如今地鐵車輛普遍采用公路運輸,但采取的減振方式(如在止動裝置下安放緩沖膠墊等)很難將道路減速帶、凹坑等產(chǎn)生的振動顛簸全部消除,而車輛顛簸使轉(zhuǎn)子及軸承內(nèi)圈對滾動體產(chǎn)生反復(fù)沖擊,會對軸承內(nèi)圈上下部滾道造成損傷。因此存在運輸過程中載荷沖擊造成軸承損傷的可能性。

1.2 振動磨損

當轉(zhuǎn)子受到振動發(fā)生軸向躥動時,由于軸承游隙的存在(圖3),與轉(zhuǎn)子配合的軸承內(nèi)圈會與滾動體、外圈產(chǎn)生微小軸向位移。

圖3 軸承游隙示意圖

同時電機長期靜止時,游隙中因運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的潤滑油膜被破壞,內(nèi)外圈滾道與滾動體的直接接觸會對金屬表面造成磨損[5]。嚴重情況下接觸面的抗氧化層被破壞,導(dǎo)致金屬表面氧化銹蝕。

某地鐵整車運輸時保持聯(lián)軸節(jié)耦合,聯(lián)軸節(jié)存在徑向360°及軸向偏擺量;僅在非傳動端安裝防躥動工藝螺栓,受運輸途中顛簸(道路凹坑、減速帶等)、過彎偏擺的影響,軸承滾動體和內(nèi)外圈接觸面仍會處于微振磨損狀態(tài)。

拆解電機發(fā)現(xiàn),軸承損傷往往集中在傳動端圓柱滾子軸承,而非傳動端深溝球軸承因具有較大軸向承載能力,受影響較小。同時某地鐵早期出現(xiàn)異響的電機均存在運輸防護操作不當?shù)那闆r,即非傳動端工藝螺栓扭矩不夠,未起到防護限制效果。

綜上,地鐵牽引電機軸承壓痕損傷的主要原因是公路運輸顛簸產(chǎn)生的振動腐蝕,次要原因是顛簸帶來的載荷沖擊。

2 電機軸承監(jiān)測方法

滾動軸承故障診斷的常用方法有:基于振動信號、基于聲發(fā)射、基于溫度、基于油樣分析、基于油膜電阻、基于光纖的滾動軸承故障診斷技術(shù)等[6]。目前地鐵行業(yè)針對電機軸承缺陷,主要從溫度、潤滑脂、振動、聲音進行監(jiān)測。下文將簡述4種方式的監(jiān)測原理及測試方法。

2.1 溫度傳感器及溫度貼紙

軸承發(fā)熱是由軸承內(nèi)部摩擦引起,當摩擦異常時,軸承溫度也會隨之變化(往往是升高)。地鐵牽引電機內(nèi)部安裝的溫度傳感器能對電機內(nèi)部環(huán)境溫度進行測量,但無法精準檢測電機軸承溫度。而電機端蓋附著溫度貼紙,可以有效記錄車輛運行周期中電機軸端處最高溫及溫升情況,但易受組件熱容量、環(huán)境條件影響,無法真實反映軸承溫度。這2種方法均無法在軸承缺陷初期進行精準反饋,所以只能作為地鐵日常檢修(日檢)的一種輔助診斷措施。

2.2 潤滑脂檢查

地鐵檢修常通過檢查電機兩端廢油腔,查看潤滑脂是否氧化變質(zhì),有無生成一些不溶物及沉淀物,如黑灰色的膠狀軟沉淀物油泥、灰黃至棕黑色的堅硬漆膜等;或觀察潤滑脂中是否摻入磨損的機械雜質(zhì),較大顆粒/碎屑可直接肉眼觀察,細小顆粒雜質(zhì)可取少量潤滑脂均勻涂抹在透明玻璃板或PC板上觀察。

軸承運行時,潤滑脂形成的油膜厚度僅幾微米,若頻繁地打開廢油腔進行檢查,會增加灰塵等污染物進入軸承的風(fēng)險。因此,潤滑脂檢查在地鐵行業(yè)往往是作為年檢、2.5年檢或抽檢項目。

2.3 振動監(jiān)測

針對電機軸承進行振動監(jiān)測是目前最主流的故障診斷手段。振動監(jiān)測的優(yōu)點之一是,在軸承缺陷初期,無需拆解電機,就可以精準測定軸承有無異常,并基于振幅、振頻鎖定故障部件。常用提取軸承故障特征分量的手段主要有沖擊脈沖法和加速度包絡(luò)解調(diào)2種方法,加速度包絡(luò)相對于沖擊脈沖法,對軸承早期故障檢測更為準確[7]。

當軸承存在缺陷時,受到運行滾動體的沖擊會產(chǎn)生異常振動,這種異常振動疊加電機轉(zhuǎn)軸自身的工頻信號會被加速度傳感器采集到。經(jīng)帶通濾波,工頻信號被濾除;再經(jīng)半波整流、低通濾波后,得到的信號形式為滾動軸承受沖擊而激起的振幅邊緣(包絡(luò))。這種振幅的包絡(luò)形式是由軸承自身結(jié)構(gòu)特性和轉(zhuǎn)速決定的[8]。因此通過對電機軸承振動監(jiān)測并進行加速度包絡(luò)解調(diào)是軸承故障早期診斷的可靠手段。

主流的軸承在線監(jiān)測主要針對缺陷頻率及其倍頻特征、包絡(luò)總值進行分析。振動監(jiān)測技術(shù)的普及應(yīng)用使得各大軸承廠商針對各自產(chǎn)品進行了測試計算。常用缺陷頻率計算公式如下:

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:BPFO為外圈缺陷頻率;BPFI為內(nèi)圈缺陷頻率;BSF為滾動體缺陷頻率;TFT為保持架缺陷頻率;z為每列滾動體個數(shù);n為轉(zhuǎn)速,r/min;DR為滾動體直徑;dm為節(jié)圓直徑;α為接觸角。

表1為兩款常見軸承在212 r/min(對應(yīng)車速5 km/h)轉(zhuǎn)速下的缺陷頻率。

表1 兩款常見軸承的缺陷頻率 Hz

軸承頻譜的倍頻特征在一定程度上能夠反映軸承的健康狀態(tài),同時,頻譜中密集的邊頻帶也可以表征軸承的運行狀態(tài)。例如轉(zhuǎn)速212 r/min下,某廠商推薦包絡(luò)總值預(yù)警值0.23 gE,報警值0.7 gE。

無缺陷頻率或有缺陷頻率但包絡(luò)總值≤0.23 gE時,代表軸承狀態(tài)正常;有缺陷頻率且包絡(luò)總值在0.23(預(yù)警值)～0.7 gE(報警值)之間時,代表軸承出現(xiàn)輕微異常,需加強維護及跟蹤;有缺陷頻率且包絡(luò)總值≥0.7 gE時,代表軸承已出現(xiàn)較明顯缺陷。

正常軸承監(jiān)測頻譜圖如圖4所示,該軸承無缺陷頻率且包絡(luò)總值為0.114 9 gE,小于0.23 gE。

圖4 正常軸承監(jiān)測頻譜圖

輕微異常軸承監(jiān)測頻譜圖如圖5所示,該軸承存在缺陷頻率及倍頻特征,且包絡(luò)總值為0.350 2 gE,在0.23～0.7 gE之間。

圖5 輕微異常軸承監(jiān)測頻譜圖

2.4 人耳監(jiān)聽

電機在運轉(zhuǎn)時,會產(chǎn)生一定的噪聲,常見的噪聲分析方法是將采集到的噪聲信號波形分解,依靠頻域特征來推斷噪聲來源或使用送話器陣列來定位噪聲的位置等[9]。但聲音監(jiān)測相較于振動監(jiān)測,對環(huán)境及試驗條件要求更為苛刻,更容易受到環(huán)境因素干擾。

地鐵車輛受限于設(shè)備結(jié)構(gòu)及電機工況(電機的轉(zhuǎn)動伴隨著車輛的行駛),使用常規(guī)的聽棒(圖6)或工業(yè)“聽診器”難以進行批量監(jiān)測。但聲音作為振動引起的聲波,在一定程度上,可以對部分缺陷作出明顯反應(yīng),所以依賴于檢修經(jīng)驗和噪聲音頻積累的人耳監(jiān)聽是地鐵重要檢測手段之一,即普遍施行的“回庫檢”。

圖6 聽棒

3 地鐵應(yīng)用情況分析

現(xiàn)取某地鐵24臺電機,分別編號01～24號,同時采取上述多種監(jiān)測手段,進行兩輪監(jiān)測,對比分析在壓痕類軸承問題實際診斷中的應(yīng)用及壓痕缺陷的衍變情況。

3.1 監(jiān)測手段比較

第1輪監(jiān)測的24臺電機中僅09號電機人耳監(jiān)聽存在異響,其余監(jiān)測手段均未監(jiān)測到異常。第2輪監(jiān)測新發(fā)現(xiàn)04、06、10、20、24號電機存在人耳監(jiān)聽異響且存在頻譜內(nèi)圈缺陷特征,電機05、12、23號電機僅存在人耳監(jiān)聽異響。對24臺電機進行拆解,現(xiàn)以拆解軸承的壓痕輕重來作為軸承缺陷實際情況的判斷依據(jù),有肉眼可見但觸摸無手感的壓痕為早期缺陷,觸摸有輕微手感的壓痕為初期缺陷。兩輪監(jiān)測發(fā)現(xiàn)的軸承問題匯總?cè)绫?所示(無異常的不做統(tǒng)計)。

表2 問題電機檢測情況

除上表中的13臺電機外,其余11臺電機軸承也存在早期缺陷特征,但均未被監(jiān)測發(fā)現(xiàn)。以24臺電機監(jiān)測情況進行分析,12臺具備軸承早期缺陷特征的電機,人耳監(jiān)聽的檢出率僅為8.3%(僅檢出1臺),振動監(jiān)測對早期缺陷問題檢出率為0(檢出0臺);另12臺具備軸承初期缺陷特征的電機,人耳監(jiān)聽的問題檢出率為66.7%(檢出8臺),振動監(jiān)測的問題檢出率為41.7%(檢出5臺)。

上述數(shù)據(jù)表明,與主流軸承缺陷檢測技術(shù)認識不同,人耳(聲音)監(jiān)聽雖然會受到產(chǎn)品細微差異、環(huán)境及個人主觀影響,但在地鐵牽引電機軸承壓痕缺陷問題早期及初期的檢測中,相對于振動監(jiān)測,反而更為敏感、高效;而振動監(jiān)測技術(shù),軸承缺陷頻率特征是看相對峰值,沒有量化適用的標準,所以在軸承缺陷早期難以精準診斷,但符合振動監(jiān)測頻率缺陷特征的軸承,100%有缺陷。因此,電機軸承故障檢測及診斷,應(yīng)采取多技術(shù)手段相融合的技術(shù)方案。考慮車輛實際安全及經(jīng)濟因素,定期的潤滑脂(廢油腔)檢查及振動監(jiān)測,結(jié)合每日運營車輛回庫時的人耳監(jiān)聽,日檢作業(yè)時的溫度貼紙檢查及溫度報警系統(tǒng),就是一種較為全面綜合的檢測方案。

3.2 軸承缺陷的變化

對比同一臺電機兩輪振動監(jiān)測的頻譜圖(圖7),經(jīng)過一年的運行,內(nèi)圈缺陷頻率36.37 Hz的包絡(luò)值由0.005 gE(圖7(a))擴大到0.02 gE(圖7(b)),趨于明顯;對比同一列車的12臺電機包絡(luò)總值(表3),均有不同幅度的提升。因此可知,隨著電機的持續(xù)運轉(zhuǎn),即使是無手感壓痕類早期軸承缺陷,也會持續(xù)發(fā)展惡化,造成電機軸承異常振動及異音,所以應(yīng)酌情及時更換缺陷軸承,避免軸承缺陷進一步惡化造成更大事故及經(jīng)濟損失。

表3 同一列車12臺電機包絡(luò)總值對比 gE

圖7 同1臺電機的兩輪振動監(jiān)測頻譜圖

4 軸承防護措施

4.1 地鐵常見方案

各家地鐵公司針對公路運輸各自采取了相適應(yīng)的電機防護方案。如成都地鐵針對電機整機運輸,將軸端壓緊轉(zhuǎn)子的長壓板改為圓壓板,并配有相應(yīng)橡膠圈,增大壓板與軸的接觸摩擦力,減少轉(zhuǎn)子徑向跳動[3]。但這種方法只適用于電機安裝在轉(zhuǎn)向架前,未考慮整車運輸防護,且未針對非傳動端采取防護措施。

廈門地鐵針對整車運輸,采取的措施為:(1)非傳動端使用工藝螺栓頂住轉(zhuǎn)子,限制轉(zhuǎn)子向非傳動端軸向躥動;(2)傳動端使用綁帶將電機軸在徑向拉緊固定,限制游隙產(chǎn)生的振動空間[10](圖8)。但使用綁帶進行固定的方式更適用于小型電機,增大了軸承靜載荷的同時,限制了游隙內(nèi)潤滑油膜的形成。

圖8 防護示意圖

4.2 改良方案

4.2.1 傳動端

傳動端需要對聯(lián)軸節(jié)進行解耦防護:解耦聯(lián)軸節(jié)后,分別使用防護袋進行包裹,防止灰塵等污染;將解耦后的聯(lián)軸節(jié)沿軸向推至分離最大間隙,然后將電機側(cè)聯(lián)軸節(jié)用金屬壓板(粘有2 mm橡膠墊用于增大緩沖)安裝固定,該壓板由傳統(tǒng)長條型壓板升級為全覆蓋聯(lián)軸節(jié)端面的方型壓板,增加接觸面積與摩擦力,在限制軸向躥動的同時,也能起到減少徑向跳動的作用;同時使用尼龍鎖緊帶將齒輪箱側(cè)聯(lián)軸節(jié)與齒輪箱固定住,避免運輸過程中產(chǎn)生磕碰。傳動端防護方案見圖9。

圖9 傳動端防護方案

4.2.2 非傳動端

非傳動端使用工藝螺栓(由M8升級為M16螺栓)頂住轉(zhuǎn)子,見圖10,緊固力矩調(diào)整為40 N·m,限制轉(zhuǎn)子軸向躥動。

圖10 非傳動端工藝螺栓防護

這種防護方案相對于傳統(tǒng)的防護方案,在面對正常車輛振動顛簸時,可以更好地限制電機軸向躥動和徑向跳動;但對于平穩(wěn)運輸,減少或避免振動顛簸仍是公路運輸?shù)氖滓蟆?/p>

5 結(jié)論

通過對地鐵電機異響問題的試驗研究,可知軸承故障的檢測及診斷依靠單一狀態(tài)監(jiān)測信號難以實現(xiàn),需要綜合振動、溫度、噪聲、轉(zhuǎn)速等因素。人耳監(jiān)聽在針對壓痕特征的軸承問題時,是一種更為高效的檢測方法;振動監(jiān)測,即加速度包絡(luò)振動解調(diào)技術(shù),可以在人耳監(jiān)聽的基礎(chǔ)上,進一步精準鎖定軸承缺陷。而軸承缺陷不能自我改善的特性,導(dǎo)致即使是細小的壓痕缺陷,也會伴隨著電機運轉(zhuǎn)持續(xù)惡化,繼而產(chǎn)生異常抖動、噪聲等特征,對電機正常使用產(chǎn)生影響,嚴重時直接造成電機無法工作,影響地鐵運營。所以可靠的軸承檢測診斷及防護措施尤為重要。

本文的研究分析可以為業(yè)內(nèi)同行在電機異響類問題中的調(diào)查處理提供參考,同時也希望可以為各大電機、主機廠在電機設(shè)計、防護及軸承狀態(tài)監(jiān)測等環(huán)節(jié)提供參考。