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[摘 要]本文根据动车组齿轮箱跑和试验台的动态检测现状，提出一种新型无线便携式故障诊断设备及诊断方法。文中详细介绍了跑和试验台上不同故障状态下轴承的振动特征值及频谱特性，通过数据采集、分析、制定门限并验证修正，最终形成跑和试验台上齿轮箱轴承的故障诊断系统，该系统能够提高动车组齿轮箱轴承的检测效率和准确性。
[关键词]动车组齿轮箱轴承；纹波系数；包络；门限
中图分类号：U269.32 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）13-0048-03
引言
四方股份有限公司生产的CRH380A（L）型动车组齿轮箱小齿轮轴轴承装配后的质量主要是通过齿轮箱高速跑合台上振动值和温升来体现，对于单体小齿轮轴轴承的动态检测并无有效的检测方法及检测工具，同时现有的振动测试设备仅能通过振动值来判断，只能识别严重故障，且不具备频谱分析功能。
本文采用轴承振动频谱分析仪对齿轮箱轴承进行振动检测，利用振动特征值和特征频谱对内轴承的故障和缺陷部位做出准确判断，这种诊断技术在动车组齿轮箱检修过程中具有十分重要的意义。
1 滚动轴承诊断方法
滚动轴承振动故障有效诊断方法：振值特征值检测、FFT分析、包络谱分析、倒谱分析。
1.1 振值检测包括有效值、峰值、波峰因数、振动能量、纹波系数选取综合判别。
纹波系数为一种新型无量纲轴承诊断参数，传统峭度指标仅能反映轴承振动冲击大小，但不能有效反映冲击的广度，即在有限时间，轴承信号冲击的频次大小，对于同样冲击值，峭度无法反应该冲击来源于灰尘、油脂润滑还是真正的轴承振动异常。纹波系数是通过改进峭度算法，将一定时间内所采振动信号做分时处理，计算每个微小时间片内时域峭度指标，通过统计冲击频次将时域信号冲击分为14个等级，不同等级代表着不同的冲击故障。
图1所示轴承信号有明显异音，但是振动有效值、峰值、 pr比值均在需用标准值以下，振动能量也不超设定门限，且无明显故障特征频率，但其纹波系数为 12，说明轴承存在冲击故障。
一般当纹波系数为 1-2时，此时轴承内可能有灰尘混入；当纹波系数为 6-9时，一般此时轴承内油脂不均或油脂有问题；当纹波系数为 10-14时，即微弱斑点或划痕故障，但未能形成特征频率冲击。因此，通过纹波系数即可诊断早期轴承异音。
1.2 FFT分析
通过轴承信号FFT分析，可了解轴承振动分布频率带，了解轴承大致健康状态，当轴承未磨损时，振动主要集中在高频，随着轴承不断磨损，轴承振动频率峰丘中心会向低频处左移，通过FFT分析，可了解轴承振动状况。
1.3 包络谱分析
利用Hilbert变换进行信号包络时的原理是让测试信号产生一个90°的相移，从而与原信号构成一个解析信号，求出它的解析信号，构成包络，对该包络信号进行FFT变换，即可得到清晰的轴承故障信息。包络谱分析可显著发现轴承外圈、内圈、滚动体部位划伤、磨损、点蚀等故障特征。
1.4 倒谱分析
倒谱分析能够揭示谱图中的周期分量，将原来谱图上成族的边频带谱线简化为单根倒频谱线，在普通频谱中难以识别的周期性，在倒谱中变得很明显，有利于滚动轴承的故障诊断。
2 动车组齿轮箱轴承检测系统研究试验
本项目试验是使用TL-1-1W无线便携式轴承故障诊断仪器检测大量已知故障的齿轮箱轴承，通过分析振动特征，查找故障特征规律，运用统计学方法，确立适合的振动诊断方法以及振动特征门限标准，以便于提高动车组齿轮箱轴承检测工作效率。
试验工作流程如下图3所示。
2.1 试验设备
本试验采用大连博峰轴承仪器有限公司TL-1-1W无线便携式轴承故障诊断设备。该仪器根据滚动轴承故障诊断机理对轴承典型故障数据进行分析，能准确判别出齿轮箱轴承的内外圈剥落、滚动体剥落、滚道锈蚀、部分严重压痕等不可修复的损伤问题。
2.2 试验轴承
本次试验选用CRH380A（L）型动车组齿轮箱R70-25g3QWAP6B轴承，通过新品（假定新轴承不存在可见机械故障）和故障轴承分别采集，故障轴承数量为30套，轴承的参数见表1，轴承950RPM时的特征频率见表2。
通过R70-25g3QWAP6B轴承的内部尺寸参数，我们发现该轴承的外圈和滚动体故障频率较为相近，在转速为950RPM下，齿轮箱小轴轴承R70的外圈故障计算频率为86.8195Hz，滚动体故障频率为86.3714Hz，该轴承的内部尺寸参数导致滚动体故障和外圈故障不能很好的进行区分。
2.3 试验数据
根据齿轮箱跑合台上设定的试验转速，分别采集了齿轮箱轴承在950RPM、1900RPM、4140RPM、 5810RPM转速下的振动信号，根据实验测试的情况，选取950RPM的测试数据进行分析。检测时，轴承运转时间不低于30s，确保轴承振动稳定，每个轴承采集四组数据，包括齿轮轴两端。实际测试轴承共计90套。以下为齿轮箱轴承的振动数据统计（图4-9）。
2.4 频谱特征分析
仅依靠振动值特征难以将早期缺陷轴承完全甄别，有些振动值较小，但有缺陷轴承需增加特征频谱来加以甄别。根据滚动轴承的故障发展阶段，在早期的故障中轴承的振动有效值与正常轴承的差异不明显，随着故障的持续恶化，轴承的振动有效值会越来越大，并且频谱特征也越来越明显。因此对于轴承的早、中期故障必须结合轴承的故障频谱来分析。以下是部分轴承的故障频谱（图10-12、表3）。
2.5 振动值门限值确立
根据齿轮箱试验台上R70轴承振动特征值分析结果，峰值、振动能量和纹波系数不适合作为该状态下振动特征值判定门限，振动有效值也易受到齿轮箱安装状态及其他传动部件冲击信号干扰，本试验中将振动有效值作为辅助参考门限，振动有效值门限初设为42dB，超过该门限认为该轴承需要在UH-15S试验台上进行单体检查。
特征频谱诊断方法采用全频带包络解调，为确保轴承诊断准确度，特征频谱诊断选用查找4次谐波，超过特征频率门限并出现两次谐波，则认为该轴承存在特征频率缺陷。根据跑合台上R70轴承频谱特征值统计结果，将跑合台上R70的频谱特征门限初步设为R70轴承频谱特征值门限0.01g，超过该门限值需要解体，在UH-15试验台上进行单体动态检测。
3 总结
本项目研发出TL-1-1W无线便携式轴承故障诊断設备弥补了现有齿轮箱小轴轴承检测设备和检测方法的不足。通过试验验证，TL-1-1W无线便携式轴承故障诊断仪器能够较为准确的判断低速下轴承滚道面的典型故障。
[关键词]动车组齿轮箱轴承；纹波系数；包络；门限
中图分类号：U269.32 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）13-0048-03
引言
四方股份有限公司生产的CRH380A（L）型动车组齿轮箱小齿轮轴轴承装配后的质量主要是通过齿轮箱高速跑合台上振动值和温升来体现，对于单体小齿轮轴轴承的动态检测并无有效的检测方法及检测工具，同时现有的振动测试设备仅能通过振动值来判断，只能识别严重故障，且不具备频谱分析功能。
本文采用轴承振动频谱分析仪对齿轮箱轴承进行振动检测，利用振动特征值和特征频谱对内轴承的故障和缺陷部位做出准确判断，这种诊断技术在动车组齿轮箱检修过程中具有十分重要的意义。
1 滚动轴承诊断方法
滚动轴承振动故障有效诊断方法：振值特征值检测、FFT分析、包络谱分析、倒谱分析。
1.1 振值检测包括有效值、峰值、波峰因数、振动能量、纹波系数选取综合判别。
纹波系数为一种新型无量纲轴承诊断参数，传统峭度指标仅能反映轴承振动冲击大小，但不能有效反映冲击的广度，即在有限时间，轴承信号冲击的频次大小，对于同样冲击值，峭度无法反应该冲击来源于灰尘、油脂润滑还是真正的轴承振动异常。纹波系数是通过改进峭度算法，将一定时间内所采振动信号做分时处理，计算每个微小时间片内时域峭度指标，通过统计冲击频次将时域信号冲击分为14个等级，不同等级代表着不同的冲击故障。
图1所示轴承信号有明显异音，但是振动有效值、峰值、 pr比值均在需用标准值以下，振动能量也不超设定门限，且无明显故障特征频率，但其纹波系数为 12，说明轴承存在冲击故障。
一般当纹波系数为 1-2时，此时轴承内可能有灰尘混入；当纹波系数为 6-9时，一般此时轴承内油脂不均或油脂有问题；当纹波系数为 10-14时，即微弱斑点或划痕故障，但未能形成特征频率冲击。因此，通过纹波系数即可诊断早期轴承异音。
1.2 FFT分析
通过轴承信号FFT分析，可了解轴承振动分布频率带，了解轴承大致健康状态，当轴承未磨损时，振动主要集中在高频，随着轴承不断磨损，轴承振动频率峰丘中心会向低频处左移，通过FFT分析，可了解轴承振动状况。
1.3 包络谱分析
利用Hilbert变换进行信号包络时的原理是让测试信号产生一个90°的相移，从而与原信号构成一个解析信号，求出它的解析信号，构成包络，对该包络信号进行FFT变换，即可得到清晰的轴承故障信息。包络谱分析可显著发现轴承外圈、内圈、滚动体部位划伤、磨损、点蚀等故障特征。
1.4 倒谱分析
倒谱分析能够揭示谱图中的周期分量，将原来谱图上成族的边频带谱线简化为单根倒频谱线，在普通频谱中难以识别的周期性，在倒谱中变得很明显，有利于滚动轴承的故障诊断。
2 动车组齿轮箱轴承检测系统研究试验
本项目试验是使用TL-1-1W无线便携式轴承故障诊断仪器检测大量已知故障的齿轮箱轴承，通过分析振动特征，查找故障特征规律，运用统计学方法，确立适合的振动诊断方法以及振动特征门限标准，以便于提高动车组齿轮箱轴承检测工作效率。
试验工作流程如下图3所示。
2.1 试验设备
本试验采用大连博峰轴承仪器有限公司TL-1-1W无线便携式轴承故障诊断设备。该仪器根据滚动轴承故障诊断机理对轴承典型故障数据进行分析，能准确判别出齿轮箱轴承的内外圈剥落、滚动体剥落、滚道锈蚀、部分严重压痕等不可修复的损伤问题。
2.2 试验轴承
本次试验选用CRH380A（L）型动车组齿轮箱R70-25g3QWAP6B轴承，通过新品（假定新轴承不存在可见机械故障）和故障轴承分别采集，故障轴承数量为30套，轴承的参数见表1，轴承950RPM时的特征频率见表2。
通过R70-25g3QWAP6B轴承的内部尺寸参数，我们发现该轴承的外圈和滚动体故障频率较为相近，在转速为950RPM下，齿轮箱小轴轴承R70的外圈故障计算频率为86.8195Hz，滚动体故障频率为86.3714Hz，该轴承的内部尺寸参数导致滚动体故障和外圈故障不能很好的进行区分。
2.3 试验数据
根据齿轮箱跑合台上设定的试验转速，分别采集了齿轮箱轴承在950RPM、1900RPM、4140RPM、 5810RPM转速下的振动信号，根据实验测试的情况，选取950RPM的测试数据进行分析。检测时，轴承运转时间不低于30s，确保轴承振动稳定，每个轴承采集四组数据，包括齿轮轴两端。实际测试轴承共计90套。以下为齿轮箱轴承的振动数据统计（图4-9）。
2.4 频谱特征分析
仅依靠振动值特征难以将早期缺陷轴承完全甄别，有些振动值较小，但有缺陷轴承需增加特征频谱来加以甄别。根据滚动轴承的故障发展阶段，在早期的故障中轴承的振动有效值与正常轴承的差异不明显，随着故障的持续恶化，轴承的振动有效值会越来越大，并且频谱特征也越来越明显。因此对于轴承的早、中期故障必须结合轴承的故障频谱来分析。以下是部分轴承的故障频谱（图10-12、表3）。
2.5 振动值门限值确立
根据齿轮箱试验台上R70轴承振动特征值分析结果，峰值、振动能量和纹波系数不适合作为该状态下振动特征值判定门限，振动有效值也易受到齿轮箱安装状态及其他传动部件冲击信号干扰，本试验中将振动有效值作为辅助参考门限，振动有效值门限初设为42dB，超过该门限认为该轴承需要在UH-15S试验台上进行单体检查。
特征频谱诊断方法采用全频带包络解调，为确保轴承诊断准确度，特征频谱诊断选用查找4次谐波，超过特征频率门限并出现两次谐波，则认为该轴承存在特征频率缺陷。根据跑合台上R70轴承频谱特征值统计结果，将跑合台上R70的频谱特征门限初步设为R70轴承频谱特征值门限0.01g，超过该门限值需要解体，在UH-15试验台上进行单体动态检测。
3 总结
本项目研发出TL-1-1W无线便携式轴承故障诊断設备弥补了现有齿轮箱小轴轴承检测设备和检测方法的不足。通过试验验证，TL-1-1W无线便携式轴承故障诊断仪器能够较为准确的判断低速下轴承滚道面的典型故障。