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識別軸承保持架故障的共振解調外孤譜診斷技術

2012-11-29

作者：唐德堯　李輝　宋辛暉　黃貴發
（北京唐智科技發展有限公司）
　　摘　要：用于機車和地鐵車輛的某型進口軸承保持架故障多，為了防止軸承故障危及安全，對其發生機理進行了研究，提出了“外孤譜”技術及相應的識別、診斷方法，并在試驗中獲得成效。
　　關鍵詞：軸承；保持架；故障；外孤譜
　　一、機車使用的某型進口軸承保持架與國產軸承保持架的重要區別
　　國產軸承的保持架絕大多數是使用鋼鉚釘連接，而某型進口軸承保持架（以下簡稱F保持架）則沒有鉚釘，而是將銅窗梁的端部切小代為鉚釘的。保持架比較如圖1所示。
　　二、基于保持架破壞過程識別的原診斷方法
　　JK00430設計時調查了大量機車軸承，發現國產保持架的故障十分少見。特別是軸箱保持架發生故障時極少出現解體，而只是有損傷。甚至軸承其他零件出現重大故障、對保持架造成重大損害時，保持架也能保持完整而不易破碎。
　　原設計的保持架故障報警策略是“識別受到破壞的信息，發出保持架預警”。因此，SS7E-0023-61的軸箱軸承有保持架的二級報警，但保持架并未破碎，而只是被故障滾子對端圈內部撕裂了一塊。撕下材料的保持架與端面開裂的滾子的刮碰作用，使該滾子通過承載區時保持架強烈跳動，撞擊軸承擋邊，被監測裝置發現而發出報警。基于這一原理，即使保持架沒有破碎，而是在外部條件作用下跳動，其端圈撞擊外環擋邊的內圓（因為這是引導面或者定位面），保持架正在受到破壞，檢測裝置就發出預警信息。圖2中保持架發生報警的原因是破碎的滾子掉下的鋼屆隨著潤滑油沖刷到保持架窗梁，使保持架跳動而發出報警，鋼屆將銅制保持架沖刷出溝道。
　　三、機車使用的某型進口軸承保持架故障多發的原因及故障先兆
　　由前文可知F保持架的故障多發原因有：保持架可能是鑄銅甚至是雜銅制造的，強度和柔性不足；鉚釘由窗梁切小而成，突變截面處應力集中，極易斷裂；工藝差異使其單鉚釘頭及窗梁承受軸承受到的大部分振動力而斷裂。斷口掉下的銅渣部分落入軸承的滾道。
　　掉渣被碾壓時可能粘在外環滾道上，在滾子通過時，產生形同外環故障的沖擊信息。這樣的故障沖擊的頻譜將因為沖擊信號的時間、相位抖動而發生頻譜發散——等于外環故障頻律的特征譜線變寬，其共振解調的高階譜線幅度銳減，不具有鮮明的多階性。
　　據此復查已知出現了保持架鉚釘掉頭的進口軸承的監測數據，證實了這一推測：都曾經出現過大量的孤立的外環1階譜線，而軸承沒有外環故障。將這種孤立的外環故障譜定義為“外孤譜”。
　　外環故障不是出現外孤譜，而是出現外環的多階譜。對此，軟件直接報告外環故障，見圖3。此軸承雖然僅57.8dB，但卻有外環多階譜，是外環故障。
　　四、外孤譜理論用于包括保持架故障的診斷
　　所述外孤譜雖然在進口軸承中幾乎就是保持架故障的表現，但其實質卻是軸承中出現雜質的表現。因此，出現外孤譜只是有保持架故障的可能，而不能肯定是保持架故障。
　　軸承的滾動工作面損傷雖然也掉渣，也會引起外孤譜，但是同時有以“確定多階譜”為特征的原始故障存在，這種原始故障達到一定程度，就會以1、2級報警的方式報告出來。
　　綜上所述，直接報告外孤譜，不僅可以防止保持架故障發展，也可以為滾動工作面出現初期損傷提供信息。
　　圖4、5、6的案例是滾子端面初期開裂掉渣，引起長達2個月的外孤譜。滾子故障擴展，出現端面報警，此后滾子很快劈裂，出現滾子圓周報警的發展趨勢自動診斷記錄。


　　統計了許多國產軸承的診斷信息，絕大多數沒有外孤譜，而機車使用某型進口軸承的診斷信息，幾乎都有超限的外孤譜，說明停止進口該軸承的決策是正確的。
　　用外孤譜技術分析軸承雜質和該進口軸承保持架故障的數據和素材，大量存在于已有的JK00430監測裝置的軟件所獲取和歸檔的診斷數據中，可充分利用這些信息，及時發現保持架的故障。
　　這一理論在地鐵的進口軸承故障診斷中發揮了很好的作用，準確發現了保持架的故障（見圖7、圖8、圖9）。


　　使用外孤譜識別保持架故障需要注意下列問題。
　　1.外孤譜是軸承中存在硬質雜質的特征。
　　2.真正的外環故障不出現外孤譜，而是出現多階性外環故障譜。
　　3.外孤譜也是保持架損傷（失落材料）的特征。出現外孤譜的軸承多數都有相應的保持架特征信息——保持架周期的調制沖擊。
　　4.使用鋼鉚釘的國產軸承很少見到外孤譜，而機車所使用的進口軸承都存在超標的外孤譜。
　　5.保持架局部破碎故障初期出現的外孤譜是發現故障Z佳時機。應經常瀏覽“沖擊趨勢”，如果發現外環記錄連續出現，則立即查找對應時段的精密樣本，如果發現為外孤譜，則應警惕軸承保持架故障或軸承中存在異物。
　　6.鉚釘裂口、全斷、端圈脫落者，外孤譜幅度強大；而斷條（以致滾子亂序）后的外孤譜量值很小。應當在斷鉚釘頭階段發出報警，以免錯過Z佳識別時機。
　　7.軟件應用如下方式實施外孤譜報警：基于外孤譜計算的故障大于55dB，5次立即決策中出現概率在2次及以上則報警，以識別掉鉚釘頭，防止斷條。出現斷條后，滾子亂序，外孤譜將降到50dB，特征是連續決策統計5次，出現概率在3次及以上則報警。
　　8.如果一度出現的外孤譜消失而隨后沒有滾動工作面的故障報警，則應警惕保持架失落物磨碎，應當對軸承開蓋檢查。
來源：《中國設備工程》2009年10期