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8G型电力机车牵引电机轴承故障的振动诊断
时间: 2015-10-10 来源: 未知 作者: 太铁北机务段 王福泉 石幸地点击:
摘要：介绍了采用振动诊断技术，对机车牵引电机轴承故障进行动态检测的方法。利用简易诊断法可判断电机轴承有无异常，而精密诊断法则进一步判断电机轴承发生故障的部位，借助诊断分析系统，对所测信号进行频谱分析，根据电机轴承不同部位故障的特征频率，确定故障程度和部位，以便及时采取防范措施。
关键词：电力机车；牵引电机；轴承故障；振动诊断
1 电机轴承状态监测与故障诊断概述
牵引电机是电力机车产生牵引力的主要部件，其工作状态的良好与否，直接影响着电力机车的正常运转。苏制8G型电力机车牵引电机轴承采用的是标准的滚动轴承，由于异物进入、油润不良、安装质量不高、受过载冲击及长期使用等因素，都可能造成滚动轴承出现磨损、压痕、胶合、点蚀、裂纹、内套弛缓等损坏现象，如不能及时发现故障隐患，必将影响机车的正常运行，严重的将会造成机车破损，请求救援，给运输生产造成重大损失。因此，对轴承进行状态监测和故障诊断的研究引起越来越广泛的重视。
8G机车牵引电机轴承由于缺乏动态检测设备，目前只能靠测量静态尺寸来判断轴承的质量。实践证明，仅仅依靠静态手段来检测单件轴承的质量是不够的。因为轴承质量是在电机运转中表现出来的一种综合性动态特性，必须进行动态检测才能全面准确地评价轴承的质量。
轴承精度可通过静态几何检测进行判断。但基本尺寸及旋转精度的综合质量即运转状态，必须在轴承以一定转速及载荷下旋转时才能反映出来，这就需要对单件轴承进行动态检测。轴承故障的诊断是机械故障诊断技术的重要内容，因为牵引电机的故障中有相当数量与轴承有关。它一旦出现故障就将直接影响机车运行。目前用于滚动轴承故障诊断的最普遍和最实用的方法是振动诊断检测法，通常又分为“简易诊断”和“精密诊断”。轴承故障诊断技术经过多年的发展，已有了很大的提高。国内外目前已出现了许多轴承故障诊断仪器，并有成套检测设备，智能化程度较高，具有简易诊断与精密诊断的双重功能。铁道部科学院机车车辆研究所研究开发出了不同型号的机车轴承故障诊断仪器，如：JL-201机车轴承故障诊断仪、JL-501机车轴承动态检测系统等，非常适合电力机车牵引电机轴承的检测诊断，在实际故障检测工作中发挥了很好的作用。
2 电机轴承故障振动诊断方法
2.1 简易诊断法
通过对测量仪器内部参数的合理设置，以及电机轴承检测部位的多次采样，对得出的相关检测参数进行分析，即可判断出被检测轴承是否异常及故障的大小。主要检测参数有加速度有效值Grms和峭度系数Kv值。
2.1.1 振动加速度有效值有效值Grms反映的是轴承系统在分析频带范围内的振动大小，也就是故障程度的大小。它是轴承元件在测试过程中所有合成振动的能量平均。
2.1.2 峭度系数峭度系数是表示轴承工作表面出现疲劳故障时，每转一周，工作面缺陷处产生的冲击脉冲，故障越大，冲击响应幅值越大，故障现象越明显。
峭度系数表示故障形成的大幅值脉冲出现的概率。为了将脉冲响应与背景噪声的差距拉大以提高信噪比，峭度系数取脉冲响应幅值的4次方为判断依据，准确度大大提高。
Kv峭度系数的特性：一般运转平稳、无明显周期性干扰的轴承，其振动信号概率密度接近正态分布，而正态分布的峭度系数Kv=3。当轴承逐步出现故障，工作表面出现损伤引起机械冲击时，Kv值增加较快，其振动信号概率密度偏离正态分布。这是轴承简易诊断技术的重要依据。
峭度系数对轴承早期故障较敏感，轴承一旦发生故障，Kv值即增大。也就是说当轴承逐步出现滚动表面损伤时，振动信号中必然产生周期性大幅值脉冲。由于峭度系数表达式中分子为x的4次方，而分母为均方值的平方，也就是说分母是一个平均量，这就必然导致分子的增加快于分母，Kv上升很快，反映了故障已出现。峭度系数是振动幅值概率密度函数陡峭程度的量度，计算时，采样频率及采样点数对计算结果有一定的影响。Kv值的计算是在概率密度函数标准化后进行的，当转速或载荷变化虽然也发生变化，但其均值和标准差也随之变化，幅值概率密度函数的形状与原工作状况无太大差别，对轴承故障的发展程度反映不很敏感，所以Kv值变化不大。
2.1.3 峭度系数与有效值的关系
轴承故障与峭度系数、有效值的关系见图1。
要取得简易诊断的可信效果，就要对峭度系数和有效值进行综合分析，可同时兼顾故障诊断的敏感性与稳定性，是牵引电机轴承故障监测的较好方法。
2.2 精密诊断法
简易诊断只能诊断出电机轴承有无故障，但不能判断出故障的具体部位。而精密诊断方法则是采用共振解调技术，利用频谱分析方法，就能够判断出轴承发生故障的部位，可以做到准确判断，视情维修。
轴承的加工精度分为基本尺寸精度和旋转精度两类：基本尺寸精度是指内外圈滚道直径、内外圈装配直径、宽度等按不同等级规定的尺寸公差要求。
旋转精度是指轴承元件形位公差按等级规定的要求，如滚道径向跳动、内圈端跳、内外滚道对基准面垂直度、滚道侧摆、内外圈端面平行度、滚动体椭圆度、游隙、光洁度、波纹度等。电机轴承出现故障时，其精度尺寸就会发生变化，轴承及滚动体旋转就会轮番碾压这些损伤表面，高速旋转的内圈会使这种碾压形成冲击。这种故障冲击波在电机轴承尚未发生破损形变前，就以声波的形式向外发射，并有着陡峭的前沿和极其丰富的频谱。精密诊断法就是利用对此频谱的检测分析，确定故障部位。
2.2.1 电机轴承故障的测定
把从传感器接收到的轴承故障冲击力脉冲信号，经放大后，采用滤波技术，获得高信噪比的故障信号，通过共振解调处理，就可得到与轴承故障部位相应的频率信号，从而确定故障部位。共振解调诊断轴承故障的步骤见图2。
不同型号电机的故障轴承，在不同的转速下，有着各自相应部位的故障频率，但是轴承不同部位的故障频率计算方法是一致的。具体计算公式如下：2.2.3 轴承检测的频谱分析
电机轴承有缺陷时，滚动体滚过缺陷部位就会产生冲击振动，在轴承转速固定的情况下，这种振动具有固定的频率，称之为故障特征频率。不同的轴承元件对应不同的故障特征频率。在对轴承检测信号作频谱分析后，就可以找出相应的故障特征频率，从而确定轴承存在缺陷的部位。
在实际检测中，通过对检测数据的观察，看峭度系数、振动有效值是否正常，来分析判定电机轴承是否异常。对存在故障现象的电机，可通过对轴承故障脉冲信号的共振解调处理，用频谱分析方法，找出轴承的周期性故障特征频率，对照轴承故障特征频率表，确定电机轴承故障部位。
3 结论
采用轴承振动诊断技术，对8G型电力机车牵引电机轴承进行动态检测，可以及时发现牵引电机轴承的质量问题，采取有效措施，及时消除故障隐患。用简易诊断法可以判断电机轴承有无异常，主要采用Kv、Grms等指标参数来判断。用精密诊断法可以进一步判断电机轴承故障的起因及发生部位，主要是借助诊断装置及信号检测分析仪器，对所测的故障脉冲信号进行共振解调处理，采用频谱分析方法，找出电机轴承的故障特征频率，确定故障的程度和部位，以便采取措施，保证牵引电机的正常运行。
参考文献
1 冯庚斌 机车车辆故障振动诊断技术[M] 北京：中国铁道出版社，1994
第一作者简介：王福泉，男，1957年生，山西省襄汾县人，1990年毕业于山西矿业学院，工程师，太铁北机务段，山西省太原市，030003(end)
关键词：电力机车；牵引电机；轴承故障；振动诊断
1 电机轴承状态监测与故障诊断概述
牵引电机是电力机车产生牵引力的主要部件，其工作状态的良好与否，直接影响着电力机车的正常运转。苏制8G型电力机车牵引电机轴承采用的是标准的滚动轴承，由于异物进入、油润不良、安装质量不高、受过载冲击及长期使用等因素，都可能造成滚动轴承出现磨损、压痕、胶合、点蚀、裂纹、内套弛缓等损坏现象，如不能及时发现故障隐患，必将影响机车的正常运行，严重的将会造成机车破损，请求救援，给运输生产造成重大损失。因此，对轴承进行状态监测和故障诊断的研究引起越来越广泛的重视。
8G机车牵引电机轴承由于缺乏动态检测设备，目前只能靠测量静态尺寸来判断轴承的质量。实践证明，仅仅依靠静态手段来检测单件轴承的质量是不够的。因为轴承质量是在电机运转中表现出来的一种综合性动态特性，必须进行动态检测才能全面准确地评价轴承的质量。
轴承精度可通过静态几何检测进行判断。但基本尺寸及旋转精度的综合质量即运转状态，必须在轴承以一定转速及载荷下旋转时才能反映出来，这就需要对单件轴承进行动态检测。轴承故障的诊断是机械故障诊断技术的重要内容，因为牵引电机的故障中有相当数量与轴承有关。它一旦出现故障就将直接影响机车运行。目前用于滚动轴承故障诊断的最普遍和最实用的方法是振动诊断检测法，通常又分为“简易诊断”和“精密诊断”。轴承故障诊断技术经过多年的发展，已有了很大的提高。国内外目前已出现了许多轴承故障诊断仪器，并有成套检测设备，智能化程度较高，具有简易诊断与精密诊断的双重功能。铁道部科学院机车车辆研究所研究开发出了不同型号的机车轴承故障诊断仪器，如：JL-201机车轴承故障诊断仪、JL-501机车轴承动态检测系统等，非常适合电力机车牵引电机轴承的检测诊断，在实际故障检测工作中发挥了很好的作用。
2 电机轴承故障振动诊断方法
2.1 简易诊断法
通过对测量仪器内部参数的合理设置，以及电机轴承检测部位的多次采样，对得出的相关检测参数进行分析，即可判断出被检测轴承是否异常及故障的大小。主要检测参数有加速度有效值Grms和峭度系数Kv值。
2.1.1 振动加速度有效值有效值Grms反映的是轴承系统在分析频带范围内的振动大小，也就是故障程度的大小。它是轴承元件在测试过程中所有合成振动的能量平均。
2.1.2 峭度系数峭度系数是表示轴承工作表面出现疲劳故障时，每转一周，工作面缺陷处产生的冲击脉冲，故障越大，冲击响应幅值越大，故障现象越明显。
峭度系数表示故障形成的大幅值脉冲出现的概率。为了将脉冲响应与背景噪声的差距拉大以提高信噪比，峭度系数取脉冲响应幅值的4次方为判断依据，准确度大大提高。
Kv峭度系数的特性：一般运转平稳、无明显周期性干扰的轴承，其振动信号概率密度接近正态分布，而正态分布的峭度系数Kv=3。当轴承逐步出现故障，工作表面出现损伤引起机械冲击时，Kv值增加较快，其振动信号概率密度偏离正态分布。这是轴承简易诊断技术的重要依据。
峭度系数对轴承早期故障较敏感，轴承一旦发生故障，Kv值即增大。也就是说当轴承逐步出现滚动表面损伤时，振动信号中必然产生周期性大幅值脉冲。由于峭度系数表达式中分子为x的4次方，而分母为均方值的平方，也就是说分母是一个平均量，这就必然导致分子的增加快于分母，Kv上升很快，反映了故障已出现。峭度系数是振动幅值概率密度函数陡峭程度的量度，计算时，采样频率及采样点数对计算结果有一定的影响。Kv值的计算是在概率密度函数标准化后进行的，当转速或载荷变化虽然也发生变化，但其均值和标准差也随之变化，幅值概率密度函数的形状与原工作状况无太大差别，对轴承故障的发展程度反映不很敏感，所以Kv值变化不大。
2.1.3 峭度系数与有效值的关系
轴承故障与峭度系数、有效值的关系见图1。
图1 Kv、Grms与轴承故障程度的关系
要取得简易诊断的可信效果，就要对峭度系数和有效值进行综合分析，可同时兼顾故障诊断的敏感性与稳定性，是牵引电机轴承故障监测的较好方法。
2.2 精密诊断法
简易诊断只能诊断出电机轴承有无故障，但不能判断出故障的具体部位。而精密诊断方法则是采用共振解调技术，利用频谱分析方法，就能够判断出轴承发生故障的部位，可以做到准确判断，视情维修。
轴承的加工精度分为基本尺寸精度和旋转精度两类：基本尺寸精度是指内外圈滚道直径、内外圈装配直径、宽度等按不同等级规定的尺寸公差要求。
旋转精度是指轴承元件形位公差按等级规定的要求，如滚道径向跳动、内圈端跳、内外滚道对基准面垂直度、滚道侧摆、内外圈端面平行度、滚动体椭圆度、游隙、光洁度、波纹度等。电机轴承出现故障时，其精度尺寸就会发生变化，轴承及滚动体旋转就会轮番碾压这些损伤表面，高速旋转的内圈会使这种碾压形成冲击。这种故障冲击波在电机轴承尚未发生破损形变前，就以声波的形式向外发射，并有着陡峭的前沿和极其丰富的频谱。精密诊断法就是利用对此频谱的检测分析，确定故障部位。
2.2.1 电机轴承故障的测定
把从传感器接收到的轴承故障冲击力脉冲信号，经放大后，采用滤波技术，获得高信噪比的故障信号，通过共振解调处理，就可得到与轴承故障部位相应的频率信号，从而确定故障部位。共振解调诊断轴承故障的步骤见图2。
图2 共振解调步骤示意图
不同型号电机的故障轴承，在不同的转速下，有着各自相应部位的故障频率，但是轴承不同部位的故障频率计算方法是一致的。具体计算公式如下：2.2.3 轴承检测的频谱分析
电机轴承有缺陷时，滚动体滚过缺陷部位就会产生冲击振动，在轴承转速固定的情况下，这种振动具有固定的频率，称之为故障特征频率。不同的轴承元件对应不同的故障特征频率。在对轴承检测信号作频谱分析后，就可以找出相应的故障特征频率，从而确定轴承存在缺陷的部位。
在实际检测中，通过对检测数据的观察，看峭度系数、振动有效值是否正常，来分析判定电机轴承是否异常。对存在故障现象的电机，可通过对轴承故障脉冲信号的共振解调处理，用频谱分析方法，找出轴承的周期性故障特征频率，对照轴承故障特征频率表，确定电机轴承故障部位。
3 结论
采用轴承振动诊断技术，对8G型电力机车牵引电机轴承进行动态检测，可以及时发现牵引电机轴承的质量问题，采取有效措施，及时消除故障隐患。用简易诊断法可以判断电机轴承有无异常，主要采用Kv、Grms等指标参数来判断。用精密诊断法可以进一步判断电机轴承故障的起因及发生部位，主要是借助诊断装置及信号检测分析仪器，对所测的故障脉冲信号进行共振解调处理，采用频谱分析方法，找出电机轴承的故障特征频率，确定故障的程度和部位，以便采取措施，保证牵引电机的正常运行。
参考文献
1 冯庚斌 机车车辆故障振动诊断技术[M] 北京：中国铁道出版社，1994
第一作者简介：王福泉，男，1957年生，山西省襄汾县人，1990年毕业于山西矿业学院，工程师，太铁北机务段，山西省太原市，030003(end)
