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摘要： 牵引电机轴承是地铁列车主要动力部件， 长期在复杂工况运行容易产生故障， 直接影响列车的安全运营。通过对电机轴承故 障诊断现有检测方式的分析及比较， 结合地铁检修基地资源情况， 从经济性及安全性角度提出磁链检测结合 SPM 的检修策略。以 基于电信号的轴承磁链观测的方式实时检测单节车轴承状态， 再对检测异常的单节列车采用 SPM 设备准确的诊断轴承故障位置及 损伤程度， 实现实时检测轴承工作状态， 全面提升轴承使用安全性， 节省大量检修资源。
关键词： 电机轴承故障检测,检修策略,磁链检测,SPM
Discussion on Fault Diagnosis and Maintenance of Traction Motor Bearing Based on SPM Detection
Zhang Yi， Gu Kaidi
(Shanghai Metro Maintenance Support Co.，Ltd.Rolling Stock Branch，Shanghai 200031.China )
Abstract：The traction motor bearing is the main power component of the subway train.It is prone to failures in complex working conditions for a long time，which directly affects the safe operation of the train.Through the analysis and comparison of the existing detection methods for motor bearing fault diagnosis，combined with the resources of the subway maintenance base，a maintenance strategy of flux linkage detection combined with SPM was proposed from the perspective of economy and safety.Real time detection of the bearing status of a single train was carried out in the way of bearing flux observation based on electrical signals，and SPM equipment was used to accurately diagnose the bearing fault location and damage degree of a single train with abnormal detection，so as to realize real-time detection of the bearing working status，comprehensively improved the safety of bearing use，and saved a lot of maintenance resources.
Key words：motor bearing fault detection;maintenance strategy;flux detection;SPM
0 引言
城市轨道交通车辆是复杂的机电一体化系统， 牵引 电机是城市轨道交通车辆动力输出的关键部件， 其恶劣 的工作环境和负载频繁变换的工况， 使牵引电机较易出 现故障[1] 。在众多牵引电机类故障中， 轴承故障是导致 电机类故障的主要因素之一， 故障率约占所有电机故障 的 40%， 其故障形式通常为磨损 、点蚀和内圈外圈破裂 等 [2] 。而一旦发生电机轴承损坏， 将可能引起电机堵转、 齿轮箱损坏及轮轨擦伤等严重后果。而电机轴承的故障 原因较为复杂且伴随有诸多不确定因素， 导致预防轴承 失效的检修极为困难。
目前在轨道交通领域常见的牵引电机轴承日常检测 方法主要有异声诊断及 SPM 检测。前者具有一定的故障 预防作用， 但其实施的效果完全取决于检修人员的经验 及专业性; 后者检测准确性高， 但检修一次需长时间使 用检修基地的抬车机资源。 同时此两种方法只能定性， 而无法准确检测出轴承的故障程度准确检测出轴承的故 障程度或等级， 从而无法确定设备的最佳检修时机[3] 。
上海地铁车队数量超 7 000 节， 列车检修基地资源极为紧张， 上述 2 种方式单一使用均不能满足经济 、合 理预防牵引轴承故障的目标， 急需一种合理 、有效的牵 引电机轴承检测方案， 在有效确保牵引电机轴承安全的 前提下， 最大限度的节省检修资源， 按需检修。 因此， 本文立足于上海地铁列车运维检修实际情况， 结合电机 轴承故障检修方式现状进行分析， 以得出较为适合列车 运维体系的牵引电机轴承故障检修策略。
1 电机轴承故障诊断方式现状及分析
轴承故障诊断技术是一 门综合性学科， 电机轴承的 运行磨损 、安装误差或电腐蚀等因素均会导致其发生故 障， 从而影响牵引电机的安全运行。 目前地铁列车牵引 电机轴承的日常检测方法主要有如下几种： 轴承异声诊 断 、基于 SPM 设备的轴承状态诊断 、基于电信号的轴承磁链观测诊断。
1.1 通过异声诊断轴承故障
当轴承外圈或内圈存在缺陷时， 轴承在滚动过程中 会产生异常的振动， 当这种缺陷达到一定程度时， 这些 异常的振动一般会以异声的形式呈现出来。检修人员可 以通过近距离观察低速运行列车是否存在异声的方式来判断轴承状态， 同时轴承故障信号容易被背景信号淹 没 [4]， 这将降低故障判断的准确性。如要提高检查的准 确性， 可以将列车停在安静的场地使列车处于禁止状态 后通过外力使得牵引电机轴承转动， 如使用镟轮设备使 车轮定速转动也可以将齿轮箱与电机分离让人员以一定 的速度转动电机轴承从而观察电机轴承在转动过程中是否存在异声， 但在此状态下将大量占用车场检测资源。
1.2 SPM 方法诊断轴承故障
SPM 法亦称振动冲击脉冲方法， 用来监测与诊断运 行中滚动轴承的状态与损伤程度的技术[5] 。相比传统诊 断方法它具有以下特点[6]： 无须专业人员进行分析， 可 直接获取轴承损伤程度; 诊断快捷 、准确， 可作为滚动 轴承监测的主要手段， 系统适用性广。 目前 SPM 检测设 备是一种比较成熟的轴承状态检测设备， 部分轴承厂家 也有针对自身轴承产品特性所设计的 SPM 设备。
当轴承故障时会产生固定频率的振动， 通过冲击脉 冲传感器可以记录其高频共振波形， 对波形进行包络、 检波 、低通滤波 ( 即解调)， 使其在 32 kHz 发生共振， 然后通过高通滤波， 将低频振动滤掉， 留高频的轴承故 障信号， 只针对高频的冲击信号作分析处理， 这种技术 能够检测到很弱的冲击故障信号， 冲击故障信号强弱反映故障程度。
1.3 基于电信号的轴承磁链观测诊断
不论是通过异声还是 SPM 设备来判断电机轴承状态， 本质上都是通过检查轴承在滚动过程中所产生的异 常振动来判断轴承状态， 检测方式较为直接但是也存在 一定的局限性。相较于上述传统的轴承诊断技术， 基于 电信号的诊断技术可以在不额外增加设备和检修窗口的 前提下诊断电机轴承状态。在交流电动机中三相对称电 流通过三相对称绕组会在电动机气隙中产生空间旋转的 磁场。当电机发生轴承故障时， 滚动体经过故障点时会 造成感应电机转子的一个径向的位移， 从而导致电机及转 子与定子间气隙长度以及电机负载转矩的变化， 这种变化 在电机定子电流中就会表现为微弱的周期性谐波脉冲[7] 。
因此， 当轴承出现故障时， 可提取到轴承不同故障 类型的磁通密度的特征频率， 进一步通过磁通密度与磁 链之间的关系， 可通过分析提取电机定子磁链来实现电 机轴承故障诊断。图 1 为磁链观测电机轴承诊断示意图。该方法的诊断流程如下。
(1) 基于实测电流信号， 采用 Park 变换获得 α/β轴 电流; 由于异步电动机三相原始动态模型相当复杂， 分 解和求解这组非线性方程十分困难， 在实际应用中必须 予以简化[8] 。通过 Park 变换将在数学意义上可以将电机 的三相静止坐标系转换为两相旋转坐标， 便于后续磁链 观测的模型建立。
(2) 定子磁链观测模型是电机轴承状态诊断的关 键 [9]， 基于 α/β和实测电机转速， 采用全阶观测模型， 获得电机磁链观测值; 交流电动机中三相对称电流通过 三相对称绕组会在电动机气隙中产生空间旋转的磁场。 通过对全阶观测模型可以获得电机磁链的观测值以进行 分析[10] 。
(3) 通过观测获取的磁链进行 FFT 分析， 提取轴承 故障的脉冲指标实现牵引电机轴承故障诊断。在诊断流 程中， 涉及主要技术是定子电流的 Park 变换以及基于定 子电流和转速的磁链观测和对磁链值进行 FFT 分析提取故障特征。
1.4 轴承诊断方式分析
通过声音来判断电机轴承是否存在故障的方式不需 要借助其他特殊工具， 操作较为简洁。但是声音是否存 在异常主要是依赖检修人员经验及专业性来判断， 很难 确定一个量化的标准或是明确的检查规范进行推广。 同 时越是嘈杂的环境异声判断的准确性越差， 且并不能够 判断轴承损伤的严重程度。
SPM 方法可以准确地诊断轴承故障还可以呈现轴承 的损伤程度， 便于对列车的运营风险进行合理的评估， 但是使用 SPM 方法需要在列车电机轴承恒定转速下进 行， 列车需通过镟轮设备驱动车轮或者将列车抬起后通 过外接驱动设备来驱动车轮恒速转动。不论通过何种方 式实现列车电机轴承的恒定转速都需要耗费极大的场段 资源及人力资源， 所以很难通过这种方法对运营列车的 电机轴承状态进行长期持续的检查。
相比于其他轴承诊断方式， 磁链观测方法的优点是 可以实时监测电机轴承的状态， 不影响列车的正常运营 使用及占用场段内的检修资源在轴承规定的维护周期 ( 一般指列车的架修或大修周期) 以外再单独的对其进 行额外的检测。同时基于牵引电机轴承的状态实时跟踪 性及轴承状态的信息可视化， 可以建立轴承故障模型， 综合轴承的故障严重程度及变化趋势， 进而合理制定生 产检修计划， 应检尽检， 提前安排窗口时间对故障列车 进行维修。但是这种诊断方式也并非没有缺点， 目前普 遍的城轨车辆设计中， 牵引控制箱集中控制本节列车 (指动车) 的 4 台牵引电机而并非单独控制， 电流电压 传感器也仅布置于牵引箱内， 这就导致列车无法单独获 得每台电机的电流值。所以通过此种方式的监测精度只能精确到单节车 (指动车) 而不能精确到单台电机。
2 电机轴承检测的建议方案
通过上文对几种检测方式的分析， 可以发现采用磁 链观测的方式， 其实时跟踪的特性能够保证对列车轴承 的情况进行实时反馈， 且无需占用车场资源 ( 镟床 、架 车机 、车场天窗点 、检修人员等)， 更满足地铁列车检 修的需求。此外， 考虑到列车正常运营过程中电机轴承 的损伤过程是类似于线性的而并非阶跃式的， 所以实时 跟踪电机轴承状态可以对其进行健康评估。在地面端对 列车开展电机轴承的健康评估工作不但可以避免列车上 记录过多不必要的信息也可以根据采集的大量数据修正 轴承的健康管理模型。针对磁链观测的检测精度至单节 动车的薄弱点， 则通过 SPM 检测进行补充。
电机轴承检测建议 方案为： 采用磁链观测 对轴承故障特征进行初 筛， 通过 SPM 检测精准 判断动单节车牵引电机 轴承故障点。具体检测 流程 (图 3) 如下：
(1) 牵引控制箱 (DCU) 诊断电机轴承状态。采用 磁链观测的方式， 通过 DCU 持续对本节车电机轴承的状 态进行监测， 并将电机数据及诊断结果通过车载维护以 太网发送至地面服务器， 并对电机轴承的损伤程度进行 跟踪。
(2) 根据诊断结果安排列车检修计划。通过地面服 务器收集的各列车电机数据及诊断结果， 按电机轴承损 伤程度及损伤趋势， 制定列车电机检修计划， 合理分配 车场检修资源。
(3) 对疑似轴承故障电机采用 SPM 检测。在对电机 轴承跟踪过程中判断轴承需进行更换时， 对故障动车的 四台电机分别采用 SPM 检测， 确定故障电机。
采用这种检查策略不但可以实时有效跟踪列车电机 轴承状态最大限度确保运行安全， 同时也避免了不必要 的过度检修， 从而节省了生产成本。
3 电机轴承检测的应用实践分析
上海地铁 13 号线列车 (6 节编组 A 型车) 具有车载 无线传输设备并且无线传输设备接入了维护以太网， 硬 件方面均具备电机磁链观测的条件， 所以选用该车型进 行实验测试， 如图 4 ~ 7 所示。在对列车电机轴承跟踪期 间， 发现 1338 号列车 M2 车存在电机轴承外圈及滚动体 特征阶次。使用 SKF Microlog GX75 手持式振动检测分析 仪， 采用 SPM 方法对疑似故障的四台电机进行检测， 发 现四轴电机 N 端时域信号周期性冲击特征明显， 加速度 包络频 谱 和 FFT 频 谱 中 均 出 现 较 为 明 显 的 外 圈 缺 陷 频率。通过 SPM 检测确认四轴电机存在故障， 据此对故障电机进 行拆解， 如图 8 、9 所示。 由图可知， 轴承外圈承载区存在 明显的 “搓衣板”痕迹 (指感不明显， 疑为被磨损)， 滚道 面凹坑明显、磨损严重， 滚动体有明显电腐蚀痕迹。
4 结束语
本文通过对几种现有的 日常牵引电机轴承失效检测 方式进行分析及应用案例的实践， 提出采用磁链观测的 检测方式实时跟踪电机轴承状态， 并提供诊断结果， 识 别单节车的轴承故障风险。再基于磁链观测到的故障风 险， 采用 SPM 的检测方式， 精准捕捉动车轴承故障点。通 过将磁链观测及 SPM 检测组合的方式， 实现电机轴承状态 实时跟踪及状态信息可视化， 进而合理制定生产检修计划， 节省大量检修资源之余确保应检尽检、按需检查， 同 时又保证故障判断的准确性， 确保电机轴承的安全应用， 兼顾经济性及安全性， 满足地铁列车的检修需求。
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