和谐型机车走行部动态检测方案探讨

研究与探讨
2015年4月1日起，和谐型大功率交流传动机车
实行修程修制改革，改革后的修程修制由原来的年检、二年检、六年检等修程改为C1—C6修6个等级修程，也称1—6级修，改革后的修程主要以走行公里为界限，其中C1—C4修（走行公里在50万km左右，周期不超过3年）为段级修程，C5、C6修为高等级修程（走行公里在100万km以上、200万km以下）[1]。

在C3以上修程中，明确要求“对牵引电机进行轴承动态检测，不许有异常；对转向架轴箱轴承、抱轴箱轴承进行动态检测，不许有异常”。

根据和谐型大功率交流传动机车C级修的要求，机务段、大功率机车检修基地等单位需要对走行部中牵引电机轴承、转向架轴承和抱轴箱轴承进行不下车动态检测。

1 国内外研究情况
针对走行部轴承（包括牵引电机轴承和转向架轴承）的动态检测要求，国内外一些单位和供应商提供了多种能够满足部分功能的设备。

在国内，比较典型的有顶轮检测设备[2]和机车车载安全防护系统（6A系统）中的机车走行部故障监测子系统（ATDR）[3]。

在国外，西班牙达诺巴特铁路系统公司设计和制造了转向架回转零部件运行状态检测平台，用于铁路车辆转向架拆解后对转向架内有关轴承的升温、缺陷、零件松动、不对中、掉块、车轮不圆度等故障进行检测。

上述设备（系统）能够在不同程度上对走行部轴承进行检测，但和C级修的要求还有一定差距：
（1）检测损伤能力有限。

ATDR通过传感器采集轴承温度、振动冲击、轴转速等数据进行分析，是对机车轴承部位的常态实时检测。

因为轮对与钢轨摩擦、撞击产生的噪声严重影响ATDR对轴承故障引发的振动信号的捕捉，使其较难准确判断轴承故障及对轴承早期微弱故障信号进行预警。

（2）作业过程繁琐。

顶轮检测设备和达诺巴特铁路系统公司的转向架回转零部件运行状态检测平台均由机车内部牵引电机驱动。

检测过程中，需要打开变流器
和谐型机车走行部
动态检测方案探讨郑青松：中铁第四勘察设计院集团有限公司，高级工程师，湖北 武汉，430063
摘 要：研究外部驱动方式的和谐型机车走行
部动态检测系统，并利用加速度频谱分析和包
络分析技术检测齿端抱轴轴承外圈故障和刷端
抱轴轴承内圈故障，提出实施和谐型机车走行
部动态检测技术方案的方式、方法。

关键词：和谐型机车；走行部；故障诊断；轴
承故障；动态检测
中图分类号：U269.3 文献标识码：A
文章编号：1001-683X（2015）11-0037-06
从
和谐型机车走行部动态检测方案探讨 郑青松
机柜，拆解机车原有变流器电缆，将驱动电缆从车门拉入机车，接至电机引线端子，然后驱动牵引电机对走行部各轴承进行检测；检测完毕后，拆解驱动电缆，恢复变流器电缆，并关闭变流器机柜。

整个操作过程较为繁琐，作业时间较长；另外，在变流器机柜打开、关闭及变流器电缆拆解和连接过程中，存在一定隐患。

（3）轴箱轴承检测过程中受力方向和实际载荷方向相反。

顶轮检测设备和达诺巴特铁路系统公司的转向架回转零部件运行状态检测平台在检测过程中，轴箱轴承承载部位并非机车运行时轴箱轴承承载部位，二者恰恰相反。

机车运行过程中，载荷从轴箱轴承外圈顶部、滚子、轴承内圈传递到轴，再通过轴传递到机车轮对。

由于轴承外圈顶部长期承受载荷且轴承滚子在受载荷情况下通过轴承外圈滚动，轴承外圈顶部在机车运行过程中承受的应力远大于轴承底部，导致轴承外圈顶部更容易损坏。

由于顶轮检测设备和达诺巴特铁路系统公司的转向架回转零部件运行状态检测平台在检测过程中轴箱轴承承受载荷的位置为轴承外圈底部（与机车运行时轴箱轴承受力位置相反，轴承外圈受力面见图1），轴承内圈顶部与轴承外圈顶部出现游隙，造成外圈顶部损坏部位难以通过振动方式准确表现出来，而轴箱轴承易损坏部位恰恰在轴承外圈顶部。

为了适应和谐型大功率交流传动机车C级修要求，从走行部驱动方式、信号检测方式和数据分析方法的角度研究走行部动态检测系统。

2 走行部动态检测系统研究
鉴于机车内部牵引电机驱动方式的不便性，研究走
行部外部电机驱动方式。

另外，采用轴承振动加速度信号和包络信号，可以对走行部轴承早期故障做出判断，实现对轴承故障的持续监测。

2.1 外部电机驱动方式
根据和谐型大功率交流传动机车实行修程修制改革要求， C1—C4修为段级修程，如无故障，走行部不宜拆解下车，因此走行部需要在线完成动态检测（见图2）。

为了简化走行部检测流程，提高检测效率，研究系统采用外部电机驱动方式，避免牵引电机接线拆线过程，缩短检测时间，消除拆接线过程存在的误操作隐患。

外部电机驱动方式走行部动态检测系统布置及结构见图3、图4。

减速电机提供驱动力，由联轴器将驱动力传递到驱动轮对，再由驱动轮对驱动机车轮对旋转。

通过变频器实现电机无级调速，转速可在0～350 r/min范围内调节。

检测过程中，机车走行部受载荷情况与机车运行过程中走行部受载荷情况完全一致。

2.2 振动信号检测方法
走行部轴承和大多数轴承一样，都由内圈、外圈、
滚动体和保持架四部分组成，当滚动体和滚道接触处遇
（a）顶部图3 外部电机驱动方式走行部动态检测系统布置
图2 机车走行部在线动态检测示意图
（b）底部
图1 机车运行时轴承外圈受力面
受力面
受力面
走行部动态检测设备
和谐型机车走行部动态检测方案探讨 郑青松
到一个局部缺陷时，就产生一个冲击信号。

不同部件的缺陷，接触点经过缺陷的特征频率就不同[4]。

其中：
f i =f r （1+d cos α/D ）Z /2
f o =f r （1-d cos α/D ）Z /2 （1）f b =f r （1+d ·d ·cos α·cos α/D /D ）D /2/d ，f c =f r （1-d cos α/D ）/2
式中：D 为轴承节径，mm；d 为滚动体直径，mm；α为接触角；f i 为滚动轴承内圈故障特征频率；f o 为滚动轴承外圈故障特征频率；f b 为滚动轴承滚动体故障特征频率；f c 为滚动轴承保持架故障特征频率；Z 为滚子数。

一般来说，滚动轴承故障在低频和高频段都有表现。

低频段指频率处于0～800 Hz的频段，基本覆盖轴承各部件的故障特征频率及其高阶谐波；高频段指频率处于2 000～5 000 Hz的频段，主要是轴承各部件的固有频率。

在轴承故障早期，高频段反应比较敏感，可以通过采集高频信号的包络方式得到轴承振动的特征频率及其高阶谐波。

实验测试过程中同时使用加速度信号和包络信号对轴承故障进行分析。

3 实验测试
3.1 实验设备
实验设备主要由机械系统、电气控制系统、数据采集系统组成。

3.1.1 机械系统
机械系统主要由动力单元、驱动轮对、液压支撑系统等组成（见图5）。

动力单元采用SEW减速机与驱动轴通过万向联轴器
连接，减速机功率55 kW，转速353 r/min，扭矩1 300 N·m。

驱动轮对由铸铁轮毂和柔性接触轮面组成，驱动轮直径1 050 mm。

减速机工作时产生的振动将通过驱动轴传递到驱动轮对上。

采用铸铁轮毂能够降低振动，同时柔性接触轮面能隔离振动；驱动轮采用柔性接触轮面，能够减小驱动轮与机车轮对间产生的振动。

由于不具有机车在线检测条件，实验过程中采用液压系统给机车轴箱轴承加载，模拟真实荷载。

液压系统主要由液压站、液压缸、轮对电机组安装架组成。

轮对电
机组安装在支架上，支架通过液压缸支撑。

液压缸缸径150 mm，杆径105 mm，工作压力16 MPa，能够提供最大28 t的支撑力和14 t的拉力。

3.1.2 电气控制系统
电气控制系统主要为东芝VFAS1-4220KPC-WN1（220 kW）变频器，该变频器通过减速机可实现对轮对的无级调速。

3.1.3 数据采集系统
数据采集系统采用SKF的Ptitude Analyst轴承振动分析平台，在测试过程中，该平台可以获取转向架轴箱、抱轴箱、电机轴承的加速度和包络数据，并通过后续算法对走行部各轴承质量进行综合评估。

3.2 实验轮对基本情况
2015年8月初，丰润机务段对HX D 3B0261机车进行日常检测时，发现该车5轴齿端抱轴轴承振动异常，判
图4 外部电机驱动方式走行部动态检测系统结构
图5 实验设备
变频器
1——机车走行部轮对；2——驱动轮对；3——联轴器；4——减速电机
驱动轮对
电机及减速机
1
2
3
4
和谐型机车走行部动态检测方案探讨 郑青松
断为内圈二级报警，后又利用中国铁道科学研究院顶轮检测设备进行复核，复核过程未报警。

8月13日利用所述设备对HX D 3B0261机车走行部进行检测，走行部具体参数见表1。

在驱动轴转动频率为1 Hz时，走行部各轴承特征频率见表2（齿轮箱减速比为4.95）。

3.3 轮对故障检测
系统实验过程中，检测了存在疑似故障的5轴抱轴轴承。

实验轮对转速为295.6 r/min，因此轮对转动频率f r =295.6 r/60 s=4.93 Hz。

3.3.1 齿端抱轴轴承检测
齿端抱轴轴承加速度信号频谱见图6，加速度信号频谱中出现3个幅值较大频点，分别是14.688 Hz、50 Hz、96.5 Hz、72.5 Hz频点的2倍频。

其中50 Hz是50 Hz交流电的频率，不反应轴承出现故障情况；基频为14.688 Hz的频点，归一化频率
f 1=14.688 Hz/f r =3 Hz，和表2中齿端
抱轴轴承各部件特征频率无匹配；
基频为96.5 Hz的频点，归一化频率f 1=96.5 Hz/f r =19.77 Hz，和表2中刷端抱轴轴承内圈特征频率19.82 Hz接近，此信号应为刷端抱轴轴承内圈传递信号，说明刷端抱轴轴承内圈存在一定损伤；72.5 Hz的频点归一化频率f 1=72.5 Hz/
f r =14.9 Hz。

齿端抱轴轴承外圈特征频率为15.22 Hz（见表
2），考虑到计算误差，齿端抱轴轴承加速度信号频谱中出现基频为72.5 Hz的频点即为齿端抱轴轴承外圈的特征频率。

齿端抱轴轴承包络信号频谱见图7，包络信号频谱中出现基频为73.27 Hz的频点，归一化频率f 1=73.2 Hz/
f r =15.01 Hz。

齿端抱轴轴承外圈的特征频率为15.22 Hz
（见表2），考虑到计算误差，包络信号频谱中出现基频为73.27 Hz的频点即为齿端抱轴轴承外圈的特征频率，且73.27 Hz频点的幅度较大，说明外圈存在一定程度损伤，建议使用过程中密切观察。

3.3.2 刷端抱轴轴承
刷端抱轴轴承加速度信号频谱见图8，加速度信号频谱中出现幅值较大的频点分别是96.6 Hz和73.2 Hz，归一化频率分别是f 1=96.6 Hz/f r =19.8 Hz和f 1=73.2 Hz/
f r =15 Hz。

和表2中刷端抱轴轴承各部件特征频率进行对
比发现：f 1=19.8 Hz即为刷端抱轴轴承内圈特征频率，说明刷端抱轴轴承内圈存在故障，但因该频点幅度较小，对应损伤较小；f 1=15 Hz即为齿端抱轴轴承外圈特征频
率，说明此信号应为齿端抱轴轴承外圈损伤传递信号，
表1 HX D 3B0261机车走行部轴承参数
注：数据由丰润机务段提供。

表2 特定转动频率下走行部各轴承特征频率 Hz
图6 齿端抱轴轴承加速度频谱
和谐型机车走行部动态检测方案探讨 郑青松
73.27 Hz频点的信号应为齿端抱轴轴承外圈损伤传递信号，从侧面说明齿端轴承外圈出现一定损伤。

综上所述，从齿端和刷端抱轴轴承包络信号频谱和齿端抱轴轴承加速度信号频谱中，分别检测出齿端抱轴轴承的外圈故障特征频率，说明齿端抱轴轴承外圈存在一定损伤，且达到一定程度；从刷端和齿端抱轴轴承加速度信号中检测到刷端内圈的故障特征频率，说明刷端内圈存在一定损伤。

但从齿端和刷
端抱轴轴承包络频谱中均未检测到刷端内圈的故障特征频率。

4 结束语
基于C3、C4段修过程中走行部不宜拆解下车的要求，研究了外部电机驱动走行部动态检测系统。

通过对丰润机务段HX D 3B0261机车5轴抱轴轴承进行检测，发现5轴齿端外圈故障和刷端内圈故障，且齿端外圈故障程度较大，建议使用过程中密切观察。

检测过程中得到如下结论：
（1）包络检测能够有效发现
图7 齿端抱轴轴承包络信号频谱
图8 刷端抱轴轴承加速度信号频谱
图9 刷端抱轴轴承包络信号频谱
从侧面说明齿端轴承外圈出现一定损伤。

刷端抱轴轴承包络信号频谱见图9，包络信号频谱中出现基频为73.27 H z 的频点，归一化频率
f 1=73.2 Hz/f r =15.01 Hz，和表2中刷
端抱轴轴承各部件特征频率无匹配，因此从包络信号中没有发现刷端抱轴轴承故障信息。

但基频为73.27 Hz的频点幅值较大，说明走行部某些部位存在损伤。

由于齿端抱轴轴承外圈存在损伤，且刷端、齿端抱轴轴承距离较近，此
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走行部轴承外圈故障，难以发现内圈故障；
（2）加速度检测能够有效发现走行部各零部件故障；
（3）对于轴承外圈，包络检测较加速度检测更易发现故障。

所述和谐型机车走行部动态检测方案具有如下优点：
（1）采用外部驱动方式，无须使用牵引电机，省去拆解机车原有变流器电缆等作业，避免在变流器机柜打开、关闭及变流器电缆拆解和连接过程中产生误操作；
（2）轴箱轴承检测过程中受力方向和实际载荷方向吻合；
（3）由于避免了轮轨冲击产生的噪声，可以对故障进行定位。

走行部轴承检测结果与机务段作业方式和工作量直接相关，因此机务段对走行部轴承动态检测系统的可靠性和准确性要求较高。

下一步需要进一步对系统进行测试，使其工作性能满足现场需要。

参考文献
[1] 中国铁路总公司．HX
D
3B型电力机车检修技术规程（C1—C4修）[S]．2015．
[2] 宋兆辉，牛学强．机车走行部轴承顶轮检测分析[J].
铁道机车车辆工人，2006(4)：12-15．
[3] 中国铁道科学研究院机车车辆研究所．机车车载安
全防护系统检修手册[R]．北京，2013．
[4] 虞和济，韩庆大，李沈，等．设备故障诊断工程[M].
北京：冶金工业出版社，2001．
责任编辑 高红义
收稿日期 2015-09-14
（上接第8页）提供的技术文件一致，被考核的样品按技术文件制造且具有代表性，实际运用考核方案适应评价产品所需的性能和实际运用行为，监控和检验产品在实际运行、操作和维护中的进程，产品运用企业签发的考核报告及过程中收集到的信息（测试报告、维护经验等），评价产品实际运用行为结果是否满足标准和用户需求。

参考文献
[1] UIC541-3 制动—盘形制动及其应用—闸片验收的一
般规定[S].
[2] UIC541-4 制动—合成闸瓦制动—合成闸瓦一般规定
[S].
[3] 2002/735/EC 跨欧洲机车车辆TSI技术规范[S].
[4] 2006/861/EC 跨欧洲货车TSI技术规范[S].
[5] 2002/732/EC 跨欧洲基础设施子系统TSI技术规范[S].
[6] EN 13261 铁路应用—轮对和转向架—车轴—产品要
求[S].[7] EN 13262 铁路应用—轮对和转向架—车轮—产品要
求[S].
[8] EN 12082 铁路应用—轴箱—性能试验[S].
[9] EN 13146-8 铁路应用—轨道—第8部分：扣件系统
的试验方法运用考核试验[S].
[10] 铁科技［2012］96号 铁道部科技成果评价管理办
法[S].
[11] 国铁设备监［2014］19号 铁路机车车辆设计制造
维修进口许可实施细则[S].
[12] 铁总科技［2014］169号 中国铁路总公司铁路机车
车辆设计定型管理办法[S].
[13] 铁总科技［2014］289号 中国铁路总公司关于加强
铁路专用产品认证管理中的运用（试用）考核工作实施意见[S].
责任编辑 王志明
收稿日期 2015-10-19。