CN103364351A - 机车牵引电动机轴承保持架磨损是否异常的监控方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种机车牵引电动机轴承保持架磨损是否异常的监控方法，主要包括以下步骤：S1，近似处理，设定铜合金保持架磨损监控模型；S2，设定边界条件；S3，建立机车运行里程数与机车齿轮箱中润滑油所含Cu元素ppm(Cu)值之间的计算关系式；S4，根据机车实际运行里程数计算出润滑油中所含Cu元素的ppm值ppm(Cu)；S5，测定机车中待监测润滑油中所含Cu元素的ppm值ppm(Cu)’，并与ppm(Cu)进行比较，如果ppm(Cu)’＞ppm(Cu)，保持架磨损异常，需要及时分析原因；如果ppm(Cu)’≤ppm(Cu)，保持架磨损正常，可以继续使用。利用本发明提供的方法，可以在不拆卸机车牵引电动机轴承及保持架的前提下，根据机车实际已运行任意里程数来判断轴承保持架的磨损是否异常，节省了监控成本。

Description

机车牵引电动机轴承保持架磨损是否异常的监控方法

技术领域

本发明涉及机车牵引电动机技术领域，尤其是涉及一种机车牵引电动机轴承保持架磨损是否异常的监控方法。

背景技术

在机车运行过程中，由于轴承保持架相对于圆柱滚子轴承更容易磨损失效，如果牵引电动机圆柱滚子轴承保持架出现异常磨损而失效，将会导致轴承负载时也失效，从而降低轴承的使用寿命，甚至引发机车运行安全事故。因此，在机车运行和维护中，对轴承保持架的磨损监控就显得尤为重要。一般而言，当轴承保持架维系机车实际运行里程数(单位万公里)超过100万公里时，轴承保持架即达到磨损报废标准。

在现有技术中，当机车实际运行里程数不足100万公里时，为了监控牵引电动机轴承保持架的磨损是否正常，可以将轴承保持架从机车上完全拆卸下来，对磨损部位进行分析，从而判断保持架的磨损状态，这种方法费时费力，实施成本高。实际上，在机车的日常运行维护中，考虑到轴承保持架通常是铜合金保持架，在保持架工作过程中，保持架的被磨损掉的铜合金杂质将随着润滑机油流入到机车的齿轮箱中，因此，在不拆卸机车牵引电动机轴承及保持架的前提下，机车维护人员通常是利用光谱分析仪测取齿轮箱中润滑机油所含Cu元素的ppm(百万分率)值，再结合机车运行里程数和机车维护实践经验，粗略判断轴承保持架的磨损是否异常。但是，该判断方法更多的是依靠维护实践经验的积累，无法随时根据机车实际运行里程数来判断轴承保持架的磨损情况，给监控轴承保持架的磨损是否正常带来极大困难，可能导致更多的误判，从而不能提前做好相应的防范和保护措施，造成机车更大的潜在隐患。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有技术存在的问题，提供一种机车牵引电动机轴承保持架磨损是否异常的监控方法，当机车实际运行里程数不足100万公里时，在不拆卸机车牵引电动机轴承及保持架的前提下，根据机车实际已运行任意里程数即可判断轴承保持架的磨损是否正常，进而随时可以监控轴承的运行状况。

本发明要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：机车牵引电动机轴承保持架磨损是否异常的监控方法，主要包括以下步骤：

S1，近似处理，设定铜合金保持架磨损监控模型，将铜合金保持架的兜孔侧壁的磨损归入保持架兜孔圆弧面的磨损中，铜合金保持架的全部磨损完全集中在保持架兜孔圆弧面；

S2，设定边界条件；当保持架兜孔圆弧面磨损达到单边最大允许磨损深度c时，机车实际运行里程数至少为100万公里；

S3，建立机车运行里程数S与齿轮箱中润滑油所含Cu元素ppm(Cu)值之间的计算关系式，其中ppm(Cu)值的计算方法为：

$\mathrm{ppm}\left(\mathrm{Cu}\right)=\frac{\mathrm{\π}\·{\mathrm{\η}}_{\mathrm{Cu}}\·h\·{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{Cu}}\·N\·\mathrm{\α}}{180\×M_0}\×{10}^{-4}\·c^2\·S^2\·(\frac{1}{300}\·c\·S+r_0)$

上述公式中，

η_Cu-铜合金保持架中Cu元素的质量分数；

h-兜孔被磨损面的轴向宽度，单位mm；

ρ_Cu-铜合金保持架的密度，单位mg/mm³；

N-铜合金保持架上的兜孔个数；

α-被磨损的圆弧面所占所在圆周的角度；

M₀-机车齿轮箱中润滑油样本质量，单位kg；

r₀-铜合金保持架磨损前，兜孔被磨损的圆弧面的半径，单位mm；

c-保持架兜孔圆弧面单边最大允许磨损深度，单位mm；

S-机车实际运行里程数，单位万公里；

S4，根据机车实际运行里程数S，计算出机车齿轮箱中的润滑油所含Cu元素的ppm值ppm(Cu)；

S5，测定机车中待监测润滑油中所含Cu元素的ppm值ppm(Cu)’，并与ppm(Cu)进行比较，如果：

(1)ppm(Cu)’＞ppm(Cu)，保持架磨损异常，需要及时分析原因；

(2)ppm(Cu)’≤ppm(Cu)，保持架磨损正常，可以继续使用。

进一步地，利用铜合金产品成分标准DIN/EN 12163，查取铜合金产品中Cu的质量分数η_Cu，并取其最小值。

进一步地，使用光谱分析仪测定机车中待监测润滑油中所含Cu元素的ppm值ppm(Cu)’，并与ppm(Cu)进行比较。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过分析机车牵引电动机轴承保持架的磨损监控模型，根据所选用的不同的轴承型号设定相应的保持架兜孔圆弧面单边最大允许磨损深度，利用铜合金保持架磨损的数学计算模型，可以推导并建立起机车实际运行里程数与机车齿轮箱中润滑油所含Cu元素ppm(Cu)值之间的计算关系式，由于该计算关系式只包含有唯一变量机车实际运行里程数，故可以在不需要拆卸机车牵引电动机轴承及保持架的前提下，根据机车实际已运行任意里程数计算出机车齿轮箱中润滑油所含Cu元素的ppm(Cu)值，然后再与测定的齿轮箱中待监测润滑油含Cu元素的ppm值ppm(Cu)’相比较，即可判断轴承保持架的磨损是否异常，从而实现随时监控轴承的运行状况，以便提前做好相应的预防和保护措施。既节省监控成本，又能方便、快捷地对轴承保持架的磨损进行随时监控。

附图说明

图1为机车牵引电动机轴承保持架的构造图。

图2为机车牵引电动机轴承保持架的展开剖视图。

图3为本发明机车牵引电动机轴承保持架磨损是否异常的监控方法的流程图。

图中标记：1-保持架兜孔，2-圆柱滚子，3-保持架兜孔圆弧面，4-保持架横筋，5-保持架兜孔侧壁。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1、图2所示，机车牵引电动机轴承保持架主要包括有保持架兜孔1、圆柱滚子2和保持架横筋4，其中，圆柱滚子2与保持架横筋4之间是保持架兜孔圆弧面3，该保持架兜孔圆弧面3是保持架的主要被磨损面；圆柱滚子2的上下两侧轴向端与保持架横筋4之间则是保持架兜孔侧壁5，由于保持架的两侧壁会因圆柱滚子2的轴向窜动而引起磨损，但该磨损很小，可以忽略不计，而且保持架兜孔侧壁5磨损的铜合金杂质也会流入润滑油中。因此，在本发明的判定方法中，可以将保持架兜孔侧壁5的磨损归入保持架兜孔圆弧面3的磨损中，这样使得整个保持架的磨损完全集中在保持架兜孔1的两个圆弧面，便于机车牵引电动机轴承保持架的磨损监控模型的分析，简化推导过程和判定结果，尽可能地提高判定结果的可靠性。

为了清楚地说明本发明的判定方法，下面以牵引圆柱滚子轴承BC1-0425B(SKF轴承，斯凯孚公司生产)为例进行详细阐述，其相关技术参数如下表：

如图3所示，一种机车牵引电动机轴承保持架磨损是否异常的监控方法，具体包括如下步骤：

首先，通过上述的近似处理来设定铜合金保持架磨损的监控模型，即将铜合金保持架的兜孔侧壁5的磨损归入保持架兜孔圆弧面3的磨损中，因此，使得铜合金保持架的全部磨损完全集中在保持架兜孔圆弧面3，如图2所示。

其次，根据图1和图2所示的铜合金保持架的磨损监控模型，建立保持架磨损的数学计算模型，由该数学计算模型出发，推导并建立机车运行里程数S与机车齿轮箱中润滑油所含Cu元素ppm(Cu)值之间的计算关系式。其中，根据铜合金保持架的磨损监控模型，可以得知保持架被磨损掉的质量m_cage的计算方法是：

$\∫[2\×\mathrm{\π}\×(r_0+\mathrm{\Δr}/2)\×\frac{\mathrm{\α}}{360}]\×h\×{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{cu}}\×\left(2N\right)\×\mathrm{\Δr}\×\mathrm{d\Δr}=m_{\mathrm{cage}}\·\·\·\·\·\·\left(1\right)$

在上述计算式(1)中，

Δr-铜合金保持架沿半径方向的磨损深度，单位mm；

r₀-铜合金保持架磨损前，兜孔被磨损的圆弧面的半径，单位mm；

α-被磨损的圆弧面所占所在圆周的角度；

h-兜孔被磨损面的轴向宽度，单位mm；

ρ_Cu-铜合金保持架的密度，单位mg/mm³；

N-铜合金保持架上的兜孔个数；

m_cage-铜合金保持架被磨损掉的质量，单位mg；

由于上述计算式(1)中的参数h、ρ_Cu、N、α均为常数，故计算式(1)可以整理为：

$2\mathrm{\π}\·h\·{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{Cu}}\·N\·\frac{\mathrm{\α}}{360}\·\∫({\mathrm{\Δr}}^2+2\·r_0\·\mathrm{\Δr})\·\mathrm{d\Δr}=m_{\mathrm{cage}}$

上述计算式中的“·”表示相乘(下同)。

解出方程可得计算式：

$\frac{1}{3}\·\mathrm{\Δ}{r}^3+r_0\·\mathrm{\Δ}{r}^2=\frac{m_{\mathrm{cage}}}{2\mathrm{\π}\·h\·{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{Cu}}\·N\·\frac{\mathrm{\α}}{360}}\·\·\·\·\·\·\left(2\right)$

对于铁路机车机械传动系统而言，机车实际运行里程数S(单位：万公里，即10¹⁰mm)与电动机转轴所转过的圈数N₁之间存在如下关系：

$S\·{10}^{10}=\mathrm{\π}\·D_{\mathrm{wheel}}\·\frac{N_1}{\mathrm{\μ}}\·\·\·\·\·\·\left(3\right)$

其中，D_wheel-机车车轮直径，单位mm；

μ-机车与电机的齿轮传动比。

对于圆柱滚子轴承而言，轴承内圈在随电机转轴旋转时，轴承圆柱滚子与轴承内圈的接触线拥有相同的线速度。因此，电机转轴旋转的圈数N₁与圆柱滚子发生旋转(磨损)的圈数N₂有如下关系：

$\frac{N_1}{N_2}=\frac{D_{\mathrm{gz}}}{D_{\mathrm{nqw}}}\·\·\·\·\·\·\left(4\right)$

其中，D_nqw-轴承内圈外直径，单位mm；

D_gz-圆柱滚子直径，单位mm；

接下来，设定边界条件。一般地，在铁路专用轴承无其它损伤的情况下，当铜合金保持架兜孔圆弧面3的磨损达到单边最大允许磨损深度c时，机车实际运行里程数S至少为100万公里。其中，铜合金保持架兜孔圆弧面3单边最大允许磨损深度c是个定值，其取值根据轴承型号的不同而不同。在本实施例中，所设定的铜合金保持架兜孔圆弧面3单边最大允许磨损深度c为0.01mm(即10微米)深度。因此，在圆柱滚子转动N₂圈时，保持架兜孔圆弧面3被磨损深度Δr为：

$\mathrm{\Δr}=\frac{r_0}{r_0+\mathrm{\Δr}}\×\frac{c}{N_{\max }\·\frac{D_{\mathrm{nqw}}}{D_{\mathrm{gz}}}}\·N_2$

由于r₀远大于Δr，作为工程运用，可令r₀+Δr＝r₀，则上述计算式可以简化写成如下：

$\mathrm{\Δr}=\frac{c}{N_{\max }\·\frac{D_{\mathrm{nqw}}}{D_{\mathrm{gz}}}}\·N_2\·\·\·\·\·\·\left(5\right)$

其中，N_max-机车运行里程数Smax为100万公里时，轴承圆柱滚子转动的圈数。

根据计算式(3)可知，

$N_{\max }=\frac{S_{\max }\·\mathrm{\μ}}{\mathrm{\π}\·D_{\mathrm{wheel}}}=\frac{100\×{10}^{10}\·\mathrm{\μ}}{\mathrm{\π}\·D_{\mathrm{wheel}}}\·\·\·\·\·\·\left(6\right)$

将计算式(3)、(4)、(6)代入(5)，消去N₁和N₂，即可得到：

$\mathrm{\Δr}=\frac{c}{100}S\·\·\·\·\·\·\left(7\right)$

将计算式(7)代入(2)，可得：

$\frac{1}{180}\×{10}^{-4}\·c^2\·S^2\·(\frac{1}{300}\·c\·S+r_0)=\frac{m_{\mathrm{cage}}}{\mathrm{\π}\·h\·{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{Cu}}\·N\·\mathrm{\α}}\·\·\·\·\·\·\left(8\right)$

由于本发明的技术方案是通过对机车齿轮箱中润滑油样本中所含Cu元素ppm(Cu)值来监控铜合金保持架的磨损情况，在机车的实际运行中，其齿轮箱中的润滑油总量基本保持一定，为了方便阐述本发明的监控方法，完全可以假定机车中含被磨损掉的铜合金杂质的润滑油总质量M₀为定值，因此，可以据此计算出机车齿轮箱的润滑油样本中所含Cu元素ppm(Cu)值，其计算式如下：

$\mathrm{ppm}\left(C_u\right)=\frac{m_{\mathrm{Cu}}\left(\mathrm{mg}\right)}{M_0\left(\mathrm{kg}\right)}=\frac{m_{\mathrm{cage}}\·{\mathrm{\η}}_{\mathrm{Cu}}}{M_0}\·\·\·\·\·\·\left(9\right)$

其中，η_Cu-铜合金轴承保持架中Cu元素的质量分数。该η_Cu值可以利用铜合金产品成分标准DIN/EN 12163查取，并取其最小值。

将计算式(8)代入(9)中，消去m_cage后，即可建立机车运行里程数S与齿轮箱中润滑油所含Cu元素ppm(Cu)值之间的计算关系式。所得的ppm(Cu)值的计算方法为：

$\mathrm{ppm}\left(\mathrm{Cu}\right)=\frac{\mathrm{\π}\·{\mathrm{\η}}_{\mathrm{Cu}}\·h\·{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{Cu}}\·N\·\mathrm{\α}}{180\×M_0}\×{10}^{-4}\·c^2\·S^2\·(\frac{1}{300}\·c\·S+r_0)\·\·\·\·\·\·\left(10\right)$

上述公式中，

η_Cu-铜合金保持架中Cu元素的质量分数；

h-兜孔被磨损面的轴向宽度，单位mm；

ρ_Cu-铜合金保持架的密度，单位mg/mm³；

N-铜合金保持架上的兜孔个数；

α-被磨损的圆弧面所占所在圆周的角度；

M₀-机车齿轮箱中润滑油样本质量，单位kg；

r₀-铜合金保持架磨损前，兜孔被磨损的圆弧面的半径，单位mm；

c-保持架兜孔圆弧面单边最大允许磨损深度，单位mm；

S-机车实际运行里程数，单位万公里；

在本实施方式中，所选用的轴承为牵引圆柱滚子轴承BC1-0425B，通过铜合金产品成分标准DIN/EN 12163(铜合金产品专业标准，标准号：DIN/EN 12163-2011)，查取铜合金CuAi10Fe3Mn2中Cu的质量分数η_Cu为79.5％～87.5％，取其最小值η_Cu(min)为79.5％。将该轴承的相关技术参数代入计算式(10)中，可得：

$\mathrm{ppm}\left(\mathrm{Cu}\right)=509\×\frac{c^2\·S^2}{M_0}(\frac{1}{300}\·c\·S+19.42)\·\·\·\·\·\·\left(11\right)$

对于铁路机车专用轴承BC1-0425B而言，设定在无其它损伤的情况下，当铜合金保持架兜孔圆弧面3单边最大允许磨损深度c为0.01mm，超过此最大值后，需更换新轴承。将c为0.01mm代入计算式(11)中，则有：

$\mathrm{ppm}\left(\mathrm{Cu}\right)=0.0509\×\frac{S^2}{M_0}(\frac{0.01}{300}\·S+19.42)\·\·\·\·\·\·\left(12\right)$

从计算式(12)可以看出，ppm(Cu)值只是与S和M₀有关，而机车齿轮箱中润滑油样本质量M₀是个定值，因此，可以根据机车实际运行里程数S，利用计算式(12)计算出机车齿轮箱中的润滑油所含Cu元素的ppm值ppm(Cu)。

最后，可以抽取一定分析量的机车齿轮箱中待监测润滑油，测定其中所含Cu元素的ppm值ppm(Cu)’，为了检测的快捷、可靠，通常是使用光谱分析仪测定机车齿轮箱中待监测润滑油中所含Cu元素的ppm值ppm(Cu)’，再与ppm(Cu)进行比较。如果ppm(Cu)’大于ppm(Cu)，则说明保持架磨损异常，需要及时分析原因；如果ppm(Cu)’小于或者等于ppm(Cu)，则说明保持架磨损正常，可以继续使用。

对于其他型号的轴承，完全可以根据本专利提供的方法，利用计算式计算得出科学、可靠的判定结论。

综上所述，本发明提供的监控方法可以在不解体电机的情况下，只需输入不同型号的轴承的技术参数和机车实际运行里程数，设定新的铜合金保持架兜孔圆弧面单边最大允许磨损深度，利用光谱分析仪测定机车齿轮箱中待监测润滑油中所含Cu元素的ppm值，即可得出监控结论，从而实现了对机车轴承运行状况的随时监控，以便提前做好相应的预防和保护措施，既节省监控成本，又有利于减少人为的误判，为快捷、准确地判断机车轴承保持架的磨损情况提供了非常重要的判定依据。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.机车牵引电动机轴承保持架磨损是否异常的监控方法，其特征在于：所述监控方法主要包括以下步骤：

S1，近似处理，设定铜合金保持架磨损监控模型，将铜合金保持架的兜孔侧壁(5)的磨损归入保持架兜孔圆弧面(3)的磨损中，铜合金保持架的全部磨损完全集中在保持架兜孔圆弧面(3)；

S2，设定边界条件；当保持架兜孔圆弧面(3)磨损达到单边最大允许磨损深度c时，机车实际运行里程数至少为100万公里；

S3，建立机车运行里程数S与齿轮箱中润滑油所含Cu元素ppm(Cu)值之间的计算关系式，其中ppm(Cu)值的计算方法为：

$\mathrm{ppm}\left(\mathrm{Cu}\right)=\frac{\mathrm{\π}\·{\mathrm{\η}}_{\mathrm{Cu}}\·h\·{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{Cu}}\·N\·\mathrm{\α}}{180\×M_0}\×{10}^{-4}\·c^2\·S^2\·(\frac{1}{300}\·c\·S+r_0)$

上述公式中，

η_Cu-铜合金保持架中Cu元素的质量分数；

h-兜孔被磨损面的轴向宽度，单位mm；

ρ_Cu-铜合金保持架的密度，单位mg/mm³；

N-铜合金保持架上的兜孔个数；

α-被磨损的圆弧面所占所在圆周的角度；

M₀-机车齿轮箱中润滑油样本质量，单位kg；

r₀-铜合金保持架磨损前，兜孔被磨损的圆弧面的半径，单位mm；

c-保持架兜孔圆弧面单边最大允许磨损深度，单位mm；

S-机车实际运行里程数，单位万公里；

S4，根据机车实际运行里程数S，计算出机车齿轮箱中的润滑油所含Cu元素的ppm值ppm(Cu)；

S5，测定机车中待监测润滑油中所含Cu元素的ppm值ppm(Cu)’，并与ppm(Cu)进行比较，如果：

(1)ppm(Cu)’＞ppm(Cu)，保持架磨损异常，需要及时分析原因；

(2)ppm(Cu)’≤ppm(Cu)，保持架磨损正常，可以继续使用。

2.根据权利要求1所述的机车牵引电动机轴承保持架磨损是否异常的监控方法，其特征在于：利用铜合金产品成分标准DIN/EN 12163，查取铜合金产品中Cu的质量分数η_Cu，并取其最小值。

3.根据权利要求1所述的机车牵引电动机轴承保持架磨损是否异常的监控方法，其特征在于：使用光谱分析仪测定机车中待监测润滑油中所含Cu元素的ppm值ppm(Cu)’，并与ppm(Cu)进行比较。

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