鐵路車輛軸承的故障診斷與預防技術研究

張皓惟　唐可　何雷　黃志杰　侯娜娜

摘 要：在現代鐵路運輸中，鐵路車輛軸承作為關鍵性的機械元件之一，在確保鐵路安全和效率方面起著至關重要的作用。本文旨在探討鐵路車輛軸承的故障診斷與預防技術，以提升鐵路系統的可靠性和運行效率，針對鐵路車輛軸承的故障診斷與預防技術進行了系統化的研究。首先，對軸承的工作原理、故障類型和常見故障原因進行了歸納總結。然后，結合現代先進的故障診斷技術，探討了軸承故障的診斷方法和手段。最后，針對軸承故障的預防，提出了幾種常用的預防技術和措施。這些技術的應用可以最大限度地延長軸承的使用壽命，降低維修成本，并提高鐵路運輸的安全性和可靠性。綜上所述，該研究的結果對于鐵路車輛軸承的故障診斷和預防具有重要的實際意義。

關鍵詞：鐵路車輛 軸承 故障診斷 預防技術

鐵路運輸在現代交通中發揮著不可替代的重要作用，鐵路運輸作為一種長時間連續運行的交通方式，鐵路車輛軸承處于高負荷、高速度、長時間的工作環境中，容易受到磨損和疲勞的影響。鐵路車輛軸承的故障診斷與預防技術研究對于確保鐵路運輸的安全和可靠性至關重要。軸承作為鐵路車輛運行的核心部件之一，鐵路車輛軸承的故障將直接導致運行速度下降或者運行中斷。其可靠性和穩定性直接影響到整個鐵路系統的運行效率和安全性，若未能及時發現和修復軸承故障，很可能會引發嚴重的事故，對鐵路運輸的安全造成威脅。因此，通過對軸承故障的診斷和預防技術研究，可以及時發現潛在故障，并進行維護和修復，確保鐵路運輸的安全和可靠性?？傊?，鐵路運輸在現代交通系統中扮演著重要角色，軸承的故障診斷與預防技術研究對于確保鐵路運輸的安全和可靠性至關重要。通過加強對軸承故障的監測和預防，可以提高軌道交通系統的運行效率和安全性，從而為人們提供更加便捷和可靠的交通服務。

1 軸承在鐵路車輛中的關鍵作用

鐵路車輛的軸承在車輛運行中起到重要的作用，它們承載著車輪和車身的重量，并在運行過程中承受相應的載荷和振動。首先，軸承用于支撐車輪，通過減小摩擦和阻力，使車輪能夠在鐵軌上自由轉動。這樣一來，鐵路車輛可以更加順暢地行駛，大大提高了行車效率。其次，軸承還承擔著承載和傳遞車輛重量的任務。在高速列車等重型鐵路車輛上，軸承需要承受巨大的載荷。合理選擇和使用軸承，能夠確保車輛在高速行駛過程中的穩定性和安全性。此外，軸承還可減少能量損耗和振動。當車輪與鐵軌接觸時，由于摩擦而產生能量損耗和振動。軸承的優化設計和使用可以降低這些損耗和振動的程度，進一步提高車輛的效率和乘坐舒適度。這些作用的合理運用和優化設計，可以提高鐵路車輛的行駛效率、安全性和乘坐舒適度，對于鐵路交通運輸的發展起到了重要的推動和支撐作用。

2 鐵路車輛軸承故障的嚴重影響

2.1 軸承故障對鐵路安全的影響

軸承的故障會對鐵路的安全產生直接影響。軸承是支撐車輪和軸箱之間的關鍵部件，承載著車輛的重量和力，同時也要承受高速行駛產生的振動和沖擊力。軸承故障會導致車輪不穩定或轉動困難，從而影響車輛的控制能力。這會影響列車的穩定性和操縱性，增加列車行駛中的風險。如果軸承發生故障，可能導致車輪脫軌或者軸箱破裂，嚴重情況下還可能導致嚴重的車輛事故，危及乘客和列車工作人員的生命安全。當然軸承故障會使車輪與軌道之間的接觸質量下降，增加列車脫軌的風險。車輪脫軌可能導致事故發生，造成嚴重的人員傷亡和財產損失。因此，鐵路車輛軸承的故障對鐵路安全有著顯著的影響。為確保鐵路安全，鐵路運營企業和維修人員需要密切關注軸承的運行狀態，并定期進行檢查、維護和更換，以保證車輛的正常運行和乘客的安全。

2.2 軸承故障對鐵路運輸效率的影響

鐵路運輸最為重要的就是鐵路運輸效率，這也是運輸業中競爭的重要因素。而在運輸過程中軸承出現故障將嚴重影響鐵路運輸的效率。軸承出現故障引發的第一個問題就是減緩列車速度，當軸承發生故障時，列車的速度通常需要減慢以確保安全。這將增加乘客的出行時間，降低鐵路系統的運輸能力，還會進一步增加維修成本和停機時間。軸承故障需要立即修復或更換，這將造成維修和材料成本的增加。如果故障得不到及時處理，可能會導致更嚴重的損壞，進一步增加維修成本。軸承故障需要將列車送回修理廠進行維修或更換，將導致車輛停機時間的增加，影響鐵路的正常運行。綜上所述，鐵路運輸軸承的故障對鐵路效率會產生很大的負面影響，故而及時檢查和維護軸承的狀態非常重要，以確保鐵路系統的高效運行。

3 預防和診斷軸承故障的重要性

預防和診斷軸承故障在鐵路車輛軸承的正常運行和可靠性方面具有重要意義。首先，預防軸承故障可以有效延長軸承的使用壽命。鐵路車輛運行環境惡劣，軸承承受著大量的負荷和振動，容易導致磨損、裂紋和其他損壞。通過采取預防措施，如定期潤滑、安裝濾油器、控制負荷和振動等，可以減少軸承的損耗和磨損，延長軸承的壽命，從而降低車輛的故障率和維修成本。其次，及時診斷軸承故障可以防止事故的發生。軸承故障會導致車輛的不穩定、運行異常甚至破裂斷裂。通過建立軸承故障的診斷系統，及時檢測和分析軸承的運行狀態，可以在故障發生前提前預警，及時采取修復措施，以確保鐵路車輛的安全運行。最后，預防和診斷軸承故障可以提高車輛的可靠性和可用性。軸承故障不僅會造成車輛停工維修，還會影響列車的運行效率和準點率。通過預防軸承故障的發生和及時診斷故障，可以確保車輛的穩定運行，提高車輛的可靠性和可用性，從而提高鐵路貨運和客運的服務質量和效益。

綜上所述，預防和診斷軸承故障在鐵路車輛軸承的運行和維護管理中起著重要的作用。通過采取預防措施和建立故障診斷系統，可以延長軸承的使用壽命，防止事故發生，提高車輛的可靠性和可用性，以便更好地滿足鐵路運輸的需求。

4 鐵路車輛軸承的故障全面性診斷

鐵路車輛軸承的發生故障是十分嚴重的，需要加強對鐵路車輛軸承的故障診斷，重視軸承的維護和保養工作，更新軸承的監測和預警系統，確保車輛的安全運行和乘客的出行安全。

4.1 鐵路運輸中軸承故障的類型和原因

鐵路車輛軸承的故障可以分為不同的類型，包括疲勞故障和磨損摩擦引起的故障。疲勞故障是由于長期的載荷作用引起，長期運行過程中，由于載荷和振動的作用，軸承會產生磨損摩擦。這種損傷通常表現為軸承表面的裂紋、片屑以及局部磨損。磨損摩擦的原因主要包括載荷過大、軸承安裝不當、潤滑不良等。此外，磨損和摩擦也是軸承故障的常見原因，包括由于潤滑問題和顆粒污染引起的磨損。軸承在運行過程中，由于摩擦和磨損，會導致外圈、內圈和滾動體表面的磨損。磨損的主要原因包括潤滑不良、灰塵和顆粒物的侵入、軸承材料質量不佳等。而高溫會導致軸承的潤滑脂燒結、潤滑性能下降，從而加速軸承的磨損和失效。溫度過高的原因可能包括摩擦熱量過大、軸承潤滑不良、軸承密封不嚴等。當然，軸承需要在運行過程中保持良好的潤滑，以減少摩擦和磨損。如果軸承潤滑不良，可能會導致軸承表面的摩擦增大，甚至卡住無法旋轉。為了預防軸承故障，可以采取一些措施，包括合理使用載荷、正確安裝軸承、保證良好的潤滑、實施定期檢查和維護等。此外，可以利用故障診斷技術，監測軸承的工作狀態，及時發現故障，并采取相應的措施修復或更換軸承，以保證鐵路車輛的正常運行。

4.2 軸承故障的診斷方法

最為簡單，也是最直接的方法就是形貌分析法，通過對軸承外觀形態的變化進行觀察和分析，判斷軸承是否存在表面磨損、裂紋、變形等故障。例如，軸承表面出現大量的劃痕、氧化等現象，可以判斷軸承是否存在摩擦、腐蝕等故障。但是這僅僅只能判斷出最為明顯的故障，而對于比較隱蔽、細微的故障，則是需要使用振動分析法、聲學法和油液分析法等一系列科學方法來實現。振動分析法是通過監測軸承振動信號，分析頻譜特征、幅值變化等信息來判斷軸承的工作狀態。通常采用加速度計或振動傳感器進行監測，并通過諧波分析、包絡分析等方法進行信號處理和分析處理。而聲學法則是利用麥克風等聲學傳感器監測軸承產生的聲音信號，通過聲音的頻率、幅值和頻譜特性等進行分析和診斷。當然，油液分析法是比較重要的檢測方法，可以檢測出來大部分問題。通過對軸承潤滑油液的化學成分、粘度、污染等指標進行分析，判斷軸承是否存在故障。例如，軸承過早磨損或損壞會導致油液中金屬顆粒增多，通過分析油液中的金屬顆粒含量可以判斷軸承的磨損情況。這也是鐵路運輸中比較常用的檢測方法。

需要注意的是，在科學技術飛速發展的今天，以上方法通常結合使用，綜合分析多種診斷信息才能更準確地判斷軸承的工作狀態和是否存在故障。此外，還可以借助機器學習和人工智能等技術對大量的軸承運行數據進行分析和建模，實現故障預測和預警，以有效提高鐵路車輛軸承的運行可靠性，減少故障發生，保證列車運行的安全和穩定。

5 鐵路車輛軸承故障預防技術

鐵路車輛軸承的故障預防技術是通過監測軸承的狀態和工作條件，提前發現軸承故障的跡象并采取相應措施，以延長軸承的使用壽命和保障鐵路運輸的安全。監測和維護同步運行是預防軸承故障比較科學的一種手段。通過一些高科技手段來提前檢測和發現軸承故障跡象，及時采取維修措施，提高軸承的使用壽命和運行安全性。

5.1 軸承故障實時監測，讓故障無處可躲

軸承每時每刻的監測是故障預防中必不可少的一環，及時發現問題，盡最大能力把每一絲的風險扼殺在搖籃之中。通過使用振動傳感器、溫度傳感器等實時監測軸承的振動、溫度等參數，通過對比實時數據和正常工作狀態數據，發現軸承異常情況。再進行振動分析，通過對軸承振動信號的分析，識別出可能出現的故障類型，如滾珠脫落、內圈磨損等?？梢允褂妙l譜分析和振動圖譜等方法進行分析。其中溫度檢測和潤滑檢測是至關重要的。軸承故障會導致局部摩擦和能量損失，從而引起軸承溫度的升高。通過實時監測軸承溫度，可以判斷軸承是否處于正常工作狀態；軸承的潤滑狀況對其壽命和運行穩定性有重要影響。監測軸承潤滑油的油質、油溫等參數，及時發現異常情況，保證軸承的潤滑性能。當然，故障預警系統是故障監測的“長明燈”?；趯崟r監測數據和故障預測模型，建立軸承故障預警系統。通過分析軸承的運行狀態和工作條件，預測軸承的壽命和可能出現的故障，提前采取維修或更換措施，避免因故障引起的事故和停機，這是至關重要的一環。

5.2 軸承故障切實維護，讓故障無所遁形

制定軸承的維護保養制度，包括軸承的潤滑、清洗、保養等工作流程和要求，確保軸承處于良好的工作狀態。接著，定期對軸承進行潤滑和清潔，及時更換磨損嚴重的軸承，可以延長軸承的使用壽命。在軸承周圍加裝密封裝置，防止灰塵、水分等進入軸承內部，減少軸承故障的發生。當然，維護人員的軸承維護意識是十分重要的。通過培訓和宣傳，提高工作人員對軸承故障的識別和預防意識，及時發現和解決潛在問題。在鐵路車輛軸承的故障診斷與預防技術研究中，軸承的維護是一個重要的環節，通過定期檢查、建立維護保養制度、提高維護人員維護意識等手段，可以及時發現和解決軸承的問題，確保車輛安全運行。

6 總結

鐵路車輛軸承的故障診斷與預防技術是確保鐵路運輸安全和提高車輛運行效率的重要研究方向。然而，這些技術在實際應用中存在一些局限性，并且還有一些可以進一步改進的方向。首先，目前的軸承故障診斷技術主要依賴于傳統的振動分析方法和故障診斷模型。盡管這些方法在許多實際情況下具有一定的準確性和可靠性，但仍然存在一些局限性。例如，傳統振動分析方法對于軸承在高速運行和復雜條件下的故障診斷效果不佳。此外，現有的故障診斷模型往往是基于理想條件下的假設，實際運行中的誤差和噪聲對診斷結果的影響沒有得到充分考慮，但有很大的改進空間。未來的工作可以集中在開發更精確可靠的故障診斷方法、考慮實際運行條件下的誤差和噪聲、引入無損檢測技術和建立完善的預防維護策略等方面。這些工作將有助于提高鐵路運輸的安全性和運行效率。

鐵路車輛軸承是鐵路運輸系統中至關重要的組件，對運行安全和運行質量起著關鍵作用。故障診斷與預防技術的研究對于保障鐵路運輸系統正常運行具有重要的意義。通過對鐵路車輛軸承故障診斷與預防技術的研究進行總結，鐵路車輛軸承故障診斷與預防技術的研究對于保障鐵路運輸系統的正常運行具有重要的意義。只有通過不斷地深入研究優化故障診斷和預防技術，才能提高鐵路車輛軸承的安全性和可靠性，為鐵路運輸系統的發展做出貢獻。

基金項目：

（1）2023年度柳州市教師隊伍建設理論與實踐研究課題，虛擬仿真類技能大賽促進教師隊伍成長的研究（2023-RSA-09）。

（2）2022年度柳州鐵道職業技術學院校級立項項目，城軌車輛系統動力學性能研究（2022-KJC05）。

（3）2022年度柳州鐵道職業技術學院課程思政教改項目，“鐵道車輛制動裝置檢修”課程思政教學策略研究與實踐探索（2022-KCSZ-JGC08）?！皠榆嚱M運用與管理”課程思政教學策略研究與實踐探索（2022-KCSZ-JGC11）。

（4）2022年度廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目，“地鐵多源強噪環境下齒輪傳動系統故障信息提取及智能診斷算法研究”（2022KY1401）。

參考文獻：

[1]白海濱．鐵路貨車車輛滾動軸承運用中的故障分析及措施[J].科技資訊，2017，15（34）：63-64.

[2]晁代勇，賈現召，李倫.高速鐵路軸承試驗臺的主軸結構優化[J]．軸承，2011（3）：17-19.

[3]永友貴史.車輛用軸承及新技術動向[J]鐵軸承技術，2010，37（04）.

[4]王海山.鐵路貨車車輛滾動軸承運用中的故障分析及改進措施[J].民營科技，2018（12）：141；143.

[5]陳金海，李偉，張文遠，等．智能滾動軸承監測方法與技術研究現狀綜述[J]．機械強度，2021，43（3）：509-516．