铁路货车缺陷轴承的转速和转矩对振动统计参数的影响

朱成九，朱爱华

(华东交通大学a. 土木建筑学院; b. 机电工程学院，南昌 330013)

目前，我国铁路货车主要采用21 t轴重的滚动轴承轮轴和25 t轴重的紧凑型滚动轴承轮轴，主要采用352226，352226X2-2RZ，353130X2-2RZ和353130B型4种轴承 ，其中352226X2-2RZ，353130X2-2RZ和353130B紧凑型滚动轴承已成为当今提速货车轴承的主流。随着铁路货车提速和重载化，轮对轴承的失效形式主要有内圈、外圈及滚动体的剥落，密封故障，保持架故障，辗皮和热变色[1]。

为预防轮轴发生故障，我国铁路干线上都已经安装了红外轴温探测器，并构成了一个探测网络，以便监测轴承温度，该系统主要基于热辐射原理来进行在线检测以及故障预报，但对于早期无热故障，红外线探测轴温效果很差[2]。据齐齐哈尔车辆段统计，仅2008年9月1日至2009年10月24日，达到微3级及以上的70 t货车热轴情况预报79件，其中把滚动轴承误判为滑动轴承的热轴就达28件。又据太原铁路局湖东车辆段秦皇岛动态监测车间统计，仅2010年4月，全路热轴平均误报率达53.7%，由于误报而造成列车晚点，干扰正常的运输秩序，造成了不必要的人力和物力资源的浪费。目前我国铁路货车轮对的现行管理体系是一年一检，其余时间只是使用红外线或人工检查，难以及时发现并处理早期发生的轴承故障。

对于铁路货车轴承早期故障诊断，通常采用早期故障轨边声学诊断系统TADS[3]和振动法等，其中，铁路货车轴承故障振动法较简单、直观且成本低，在故障诊断中约占80%。振动法通过对轴承振动信号的测量与分析[4]，及时发现轴承早期故障，确定轴承是否需要进行分解检修，为检修提供及时准确的依据，确保列车运行安全与效率。

1 试验方法

铁路货车轮对用353130B型滚动轴承结构复杂，由2列圆锥滚子、2个实体保持架、中间隔套、内外套圈和LL密封圈组成。在状态检测中，通过加速度计记录振动信号，滚动轴承振动的变化过程可以看成一个随机过程，通过统计的方法，选择如峰值、均方根、波峰因数和峰度等合适的参数提取故障信息，并将这些统计参数与标准值比较以检测和评估轴承工作状态，同时研究轴承工作转速和转矩对其统计参数带来的影响。

一个离散的振动信号xi的特性可以表示为[5]

(1)

(2)

(3)

(4)

在实验室轮对试验台和某车辆段段修现场诊断装置上模拟353130B型滚动轴承在货车运行中的实际工况，并引进人工损伤，如图1所示。用加速度计测量轴承座的径向加速度，其中图1b样本的时间-加速度响应曲线如图2所示。图2中g为重力加速度。

图1 人工损伤

图2 加速度响应

2 结果分析

轴承测试设置运行中，记录每个转速和加速度数据，随后用MATLAB程序[6]计算无载和有载(10 N·m)工况下的统计参数,结果如图3和图4所示，计算结果表明：在初期或加速时，波峰因数和峰度较高，随着时间增加，波峰因数和峰度逐渐减少，而峰值和均方根值均保持增大，这表明轴承已经开始有损伤，并开始进入损伤后期，损伤会被压平。将均方根的当前值与标准值(即无损伤轴承的统计参数)进行比较，可以判断轴承使用中是否已经有损伤[7]。

图3 无载时加速度响应统计参数

图4 有载时加速度响应统计参数

试验结果表明，随着运行时间和转速增加，峰值和均方根值均会增大，波峰因数和峰度则会减小。载荷变化对统计参数大小有影响，有载时统计参数大小会明显增加，表明有更严重的损伤。而且，随着转速的增加，有载时峰值和均方根值增大的幅度，以及波峰因数和峰度减小的幅度均大于无载工况。

3 结束语

研究表明：随运行时间和转速增加，峰值和均方根值会增大，而波峰因数和峰度会减小；载荷对统计参数增大有影响，当无载时，统计参数的值是较低的，表明轴承有损伤；当有载时，统计参数值会增加，表明轴承损伤更严重。波峰因数和峰度对轴承初期故障比较敏感，而峰值和均方根值稳定性很好，但对初期故障振动信号不太敏感，因此，将它们同时使用，可兼顾敏感性和稳定性，能取得较好的效果。另外，这些统计参数对确定轴承缺陷位置及程度不太明显，有待进一步研究。