李鸿浩 周勤
中车株洲电力机车有限公司 湖南 株洲 412001
【摘要】：本文以城轨车辆轴箱轴承故障诊断为背景，介绍了人工观察、温度诊断、声学诊断、振动诊断等故障诊断方式的原理和特点，并对轴箱轴承不同故障诊断方式的应用进行了建议，对城轨车辆轴箱轴承维护使用具有一定的参考意义。
【关键词】：轴箱轴承，故障诊断，温度诊断，声学诊断，振动诊断
随着我国城市的快速发展，交通拥堵成了越来越突出的问题，而轨道交通具有客运量大、安全、快速、准点等特点，能够大大缓解城市交通拥堵问题。轴箱轴承是城轨车辆的关键零部件之一，轴承的可靠性与安全性直接关系到城轨车辆运用的可靠性与安全性。然而轴箱轴承在运转过程中，由于制造缺陷、材料不良、装配安装不当、润滑不良、水分和异物侵入等原因都可能导致轴承故障。即使是同样尺寸、结构、材料、热处理、加工方法的同一批轴承，在同一条件下运转，轴承的疲劳寿命也是非常离散的，最长寿命与最短寿命可能相差几十倍至百倍[1]。轴承故障对于列车的安全行驶造成了重大隐患，因此对城轨车辆轴箱轴承进行故障诊断可极大程度的避免事故的发生，对保障人身、财产的安全具有不可小觑的意义。
1.轴箱轴承故障诊断措施
轴箱轴承的故障诊断措施主要有人工观察法、温度诊断法、声学诊断法、振动诊断法。早期阶段，轴箱轴承故障诊断主要依赖人工观察外观、测量温度来判断。随着计算机技术的逐渐发展，信号处理以及人工智能技术飞速发展，对于轴箱轴承故障的诊断效率不断提高，对于轴承运行过程中实时产生的声音信号以及振动信号进行快速分析成为了当前实时性故障诊断的重要手段。
1.1 人工观察法
早期轴箱轴承主要为分体式轴承，打开轴箱后，能够人工观察到轴承部分内部状况和润滑脂状态。对于发生锈蚀、异物侵入（如接地碳粉）、轴承套圈裂纹、密封装置接磨等异常情况，能够发现轴承故障。但人工观察法诊断成功率低，轻微故障不易发现。而且随着分体式轴承逐渐被整体式轴承替代，轴承的内部及润滑脂状况无法观察，该方法也越来越受限，仅仅作为轴箱轴承其他故障诊断技术的一种辅助手段。
1.2 温度诊断法
轴承若处于不良的运转状态，其温度会发生变化。因此，根据温度的变化情况，可对轴承状态进行诊断。温度诊断法技术成熟、灵敏度高、检测速度快，对轴承后期故障判断效果好。温度诊断法主要分为温度试纸、轨旁轴温、车载轴温等方式。
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（1）温度试纸：温度试纸采用了温度敏感变色技术，其在贴纸上设置有一系列方格或圆点，用来表示不同的温度（见图1）。当测试的温度大于该点的温度时，就会变色，从而判断物体所经历的温度，而不用长时间在旁监测。一般将温度试纸粘贴在轴箱体外壳，且位于轴承承载区，温度大于阈值即为不合格，需要将轴承进行更换。温度试纸为接触式测量，因此车辆在运行中无法及时观察。但温度试纸能够不可逆保持最高温度，可使车辆回车辆段后进行检查轴箱轴承运行中的最高温。温度试纸具有体积小、显示明显、直观、价廉、易实行等特点。
（2）轨旁轴温：由于物体的温度与其红外线辐射能量有关，利用红外线辐射转换为其它信号，就能够以非接触的方式测量物体温度。轨旁轴温诊断系统在轨边设置轴温传感器（见图2），采用红外线探头对通过车辆的每个轴承温度进行检测，并将检测信息实时上传到数据中心并实时报警。轨旁轴温诊断技术为非接触式测量，可避免传感在车辆上的布置和走线，对于恶劣的振动环境和多轴承检测更加简便。
（3）车载轴温：如图3所示，车载轴温系统在轴箱体安装温度传感器，将温度转化为其它信号，实时传输到车辆上的主机进行实时诊断并报警。根据需要，可传输到地面的数据中心。传感器可同时复合测量温度和振动信号。车载轴温诊断技术为接触式测量，测量精确，灵敏度高，实时性强，不受阳光雨雪等外部环境影响。
1.3 振动诊断技术
轴承元件的工作表面出现剥离、麻点或局部腐蚀时，轴承运行中会出现周期性的振动信号。通过安装在轴箱体上的振动传感器来接收振动信号，再采用振动信号的共振解调技术来提取故障信号，从而诊断轴承的故障。振动诊断技术主要分为线下振动诊断和车载振动诊断。
1.线下振动诊断：线下振动诊断系统一般在车辆段、检修厂通过液压装置或诊断台将轮对悬空，用车辆电机或外部驱动轮驱动轮对转动。同时，磁吸在轴箱体上的振动传感器采集振动信号，传输到主机进行分析并预警。该技术为接触式测量且装置简单，无需在车辆布线，具有测量精确、灵敏度高的特点。但车辆在线路运行中无法检测，实时性不强，适合周期性诊断。
2.车载振动诊断：如图3所示，车载振动诊断系统与车载轴温诊断系统类似，在轴箱体安装振动传感器，将振动信号实时传输到车辆上的主机进行实时诊断并预警。根据需要，可传输到地面的数据中心。振动传感器一般同时复合测量温度信号，因此车载振动诊断与车载轴温诊断系统可结合使用。车载振动诊断技术为接触式测量，测量精确，灵敏度高，实时性强，不受阳光雨雪等外部环境影响。
1.4 声学诊断法
滚动轴承内部材料裂纹的产生和发展，会释放弹性波，这种现象叫做声发射。滚动轴承发生剥落或裂纹时，也会产生不同类型的噪声信号。据此可对轴承工况作出评估。该技术诊断快速、简便，可在线监测。声学诊断主要分为接触式和非接触式。
1.接触式：声学诊断的传统方式主要借助听音棍等简易工具接触轴承部件，通过声响来辨别轴承的工作状态和损伤程度。由于该方法完全依赖人工经验，所以其故障诊断准确性较低。随着技术的发展，尽管电子听诊器能够代替听音棒以提高诊断的灵敏度，但诊断准确率仍不尽人意。
2.非接触式（轨旁声学诊断）：轴箱轴承在工作过程中会产生振动，这种振动通过空气产生声信号。非接触式声学诊断系统通过轨旁的类似于麦克风的探头对通过车辆的声音信号进行采集，采用特定的信号分析技术，可以从时域、频域或幅域提取出轴承的故障特征，再应用各种模式识别方法，就能够实现滚动轴承的故障诊断[2]。非接触式声学诊断能够发现早期故障。而且，非接触式的诊断相比车载轴温或振动系统，免去了传感器在车辆上的布置和走线，对于恶劣的振动环境和多轴承检测更加简便，但可能受环境声响的影响。
2.轴箱轴承故障诊断措施应用建议
当轴承故障处于麻点、剥离等早、中期状态时，由于轴承润滑尚未失效，轴承产生的运转热并不突出，温度诊断对这类轴承故障的敏感性较差[3]。但声学诊断和振动诊断能够识别轴承故障特征频率，判断轴承故障部位和类型。当轴承故障处于后期状态时，由于轴承润滑失效，轴承内部发生结构性损伤，继续运转会出现保持架、滚子或套圈的断裂、融化等情况，进而失去滚动作用，轴承卡死甚至发生断轴[3]。此时，轴承温度能够准确反映故障的后期状态。因此，温度诊断只能在轴承故障后期起到报警的作用，而声学诊断和振动诊断能够在轴承早、中期故障阶段预警并跟踪故障的发展。
在城轨车辆轴箱轴承的维护使用过程中，可结合声学/振动诊断与温度诊断，覆盖轴箱轴承的早、中、后期状态。对轴箱轴承早、中期的轻微故障，进行预警并重点跟踪观察，避免过度维修和加大维护工作量。当轴承故障发展到中、后期的严重故障时，及时进行更换，避免发生轴承烧损、固死甚至热轴等危害城轨车辆安全运行的情况发生。具体应用建议如下：
（1）轨旁诊断：轨旁声学诊断系统和轨旁轴温诊断系统结合使用，一条线路设置一套系统即可，不用每辆车安装，成本相对车载诊断要低。轨旁诊断能有效诊断轴承不同程度的故障，且适合进行多轴承检测。
（2）车载诊断：车载温度诊断系统和车载振动诊断系统的结合，可有效诊断轴承不同程度的故障的同时，具有精确度高、受外部环境影响小的特点。相比轨旁系统，车辆运行中一直能够诊断，实时性更强。
（3）简易诊断：温度试纸和线下振动检测的结合，可周期性地诊断轴承不同程度的故障，还有施行简单、成本低廉的特点。
（4）辅助诊断：人工观察法可作为辅助手段并结合其他诊断技术，对重点关注的轴箱轴承进行进一步诊断。
参考文献：
[1]陈龙，颉潭成，夏新涛.滚动轴承应用技术[M].北京：机械工业出版社，2010
[2]刘瑞扬，王毓民.铁路货车滚动轴承早期故障轨边声学诊断系统（TADS）[M].北京：中国铁道出版社，2005
[3]齐辉.THDS-A型车辆轴温智能探测系统自检功能的改进设计[J].铁道车辆，2013,51(5):40-42
李鸿浩 1989.3 湖南郴州 男 本科 毕业于中南大学机械设计制造及其自动化专业 412001 工程师 电力机车,城轨车辆及动车组转向架设计开发工作
周勤 1990.8 湖南长沙 男 本科 中车株洲电力机车有限公司 412001 工程师 电力机车，城轨车辆及动车组转向架设计开发工作