軸承壽命分析和監(jiān)測(cè)方法研究

吳云鋒 孫衛(wèi)紅 吳真光

中國(guó)人民解放軍91872部隊(duì) 山東青島市

1.概述

在機(jī)械設(shè)備的壽命周期歷程中，蘊(yùn)含了設(shè)備豐富地的綜合信息。包括：維修維護(hù)歷程信息；運(yùn)行狀態(tài)歷程信息；部件壽命歷程信息等。實(shí)時(shí)地自動(dòng)存儲(chǔ)（顯示）、統(tǒng)計(jì)這些賦有不同權(quán)重的歷程信息，對(duì)于研究設(shè)備壽命規(guī)律、提高可靠性和運(yùn)行管理水平以及優(yōu)化后續(xù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和科學(xué)價(jià)值。

根據(jù)粗略統(tǒng)計(jì)，一般船舶的軸承故障占到機(jī)械故障的30%以上，是影響設(shè)備可靠性的重要原因之一。因此，軸承壽命分析是一個(gè)重點(diǎn)也是一個(gè)難點(diǎn)，本文試圖從軸承監(jiān)測(cè)方法的建立、軸承壽命預(yù)測(cè)試驗(yàn)，探索軸承壽命分析和監(jiān)測(cè)的方法。

2.機(jī)械設(shè)備狀態(tài)信息模型設(shè)計(jì)

圖1是以機(jī)器軸系中的1個(gè)軸承為基礎(chǔ)建立的狀態(tài)信息模型，對(duì)于2個(gè)以上的軸承支撐來說，模型原理是一樣的，只是數(shù)量上的疊加。

信息模型描述了系統(tǒng)的基本架構(gòu)和功能，共有6個(gè)功能單元：①軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)與壽命評(píng)估；②整機(jī)狀態(tài)信息監(jiān)測(cè)與評(píng)估；③機(jī)器軸系統(tǒng)靜態(tài)信息寫入與記憶；④系統(tǒng)多元狀態(tài)信息顯示；⑤數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；⑥信息管理。模型的箭頭指向表征了系統(tǒng)的信息層次和功能模塊之間的邏輯關(guān)系。

3.軸承疲勞壽命監(jiān)測(cè)分析方法模型

圖1 狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息模型

一個(gè)軸承中的任一滾動(dòng)體或任一滾道出現(xiàn)疲勞剝落前，在一定轉(zhuǎn)速下能夠達(dá)到的工作小時(shí)數(shù)即為一個(gè)軸承的疲勞壽命。大量的軸承壽命實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，滾動(dòng)軸承的疲勞壽命是相當(dāng)離散的。因此，針對(duì)其離散特征，為表征一批軸承的壽命，必須用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算在一定使用概率（或可靠度）下的壽命。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了軸承的2種壽命統(tǒng)計(jì)值；一是額定壽命L，是指在一批相同的軸承中，有90%的軸承在任一滾動(dòng)體或任一滾道出現(xiàn)疲勞剝落前，在一定轉(zhuǎn)速下能夠達(dá)到的工作小時(shí)數(shù)；二是中值壽命Lm，是指在一批相同的軸承中，有50%的軸承在任一滾動(dòng)體或任一滾道出現(xiàn)疲勞剝落前，在一定轉(zhuǎn)速下能夠達(dá)到的工作小時(shí)數(shù)。

對(duì)大量的軸承試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)分析表明，軸承的（額定壽命）疲勞壽命符合韋布爾分布規(guī)律，其壽命規(guī)律曲線如圖2所示。

就機(jī)械設(shè)備來說，每一個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)軸承的疲勞壽命都關(guān)系到設(shè)備和系統(tǒng)的可靠性問題。鑒于軸承疲勞壽命的離散性，統(tǒng)計(jì)分析在實(shí)際運(yùn)行工況下的軸承壽命和壽命規(guī)律，對(duì)保障機(jī)器安全運(yùn)轉(zhuǎn)是非常必要的。統(tǒng)計(jì)軸承壽命，需要實(shí)時(shí)采集、分析軸承壽命歷程中的響應(yīng)數(shù)據(jù)以確定其壽命狀態(tài)。選用7項(xiàng)特征參數(shù)對(duì)軸承壽命狀態(tài)進(jìn)行融合分析：①通頻振動(dòng)加速度單峰值；②通頻振動(dòng)速度有效值；③共振解調(diào)包絡(luò)有效值；④軸承脈沖沖擊峰值；⑤軸承脈沖地毯值；⑥頻譜分析；⑦實(shí)時(shí)壽命時(shí)間比較與統(tǒng)計(jì)。

圖2 軸承疲勞壽命的一般規(guī)律

由設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)實(shí)踐證明，選擇的特征參數(shù)對(duì)診斷軸承壽命狀態(tài)有較高的可信度，賦予這些特征參數(shù)不同的權(quán)重，即可形成綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系。因此，圖3所提供的軸承疲勞壽命監(jiān)測(cè)分析方法模型是完全可行的。

4.軸承運(yùn)行質(zhì)量監(jiān)測(cè)與評(píng)估

軸承運(yùn)行質(zhì)量監(jiān)測(cè)與評(píng)估，是通過監(jiān)測(cè)軸承運(yùn)行中的特征參數(shù)和參數(shù)值的變化來分析軸承的實(shí)際運(yùn)行狀況。即依據(jù)數(shù)據(jù)的幅值大小、變化態(tài)勢(shì)和頻譜特征分析，綜合診斷軸承是否存在離散性缺陷故障或潤(rùn)滑不良故障等，進(jìn)而對(duì)軸承部件的壽命狀況給出準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。

（1）監(jiān)測(cè)參數(shù)設(shè)定。軸承振動(dòng)速度有效值v，mm/s；軸承振動(dòng)包絡(luò)波有效值ha，m/s2；軸承振動(dòng)加速度單峰值a，m/s2；軸承沖擊脈沖最大值dBm，dB；軸承沖擊脈沖地毯值dBc，dB。

（2）評(píng)估。圖4為評(píng)估模型。健康狀況設(shè)A、B、C、D 4個(gè)評(píng)價(jià)區(qū)域、3個(gè)邊界值，邊界值的權(quán)重越大，即表征設(shè)備的技術(shù)狀況越差。通過把監(jiān)測(cè)到的動(dòng)態(tài)振動(dòng)參數(shù)幅值寫入到系統(tǒng)中，與程序存儲(chǔ)器中的綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)邊界值進(jìn)行比較的方法，來得到機(jī)器的健康評(píng)價(jià)結(jié)果。根據(jù)機(jī)器的不同技術(shù)特性，可以擦寫綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)模型中的邊界值權(quán)重，以便能夠正確評(píng)估設(shè)備的實(shí)際技術(shù)狀況。

（3）報(bào)警。報(bào)警狀態(tài)設(shè)為2級(jí)：振動(dòng)幅值≥B/C邊界值，“黃燈”報(bào)警；振動(dòng)幅值≥C/D區(qū)邊界值，“紅燈”報(bào)警。

圖3 軸承疲勞壽命監(jiān)測(cè)分析方法模型

5.軸承疲勞壽命實(shí)驗(yàn)與剩余壽命預(yù)測(cè)

圖4 機(jī)器振動(dòng)健康狀況綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)模型

伴隨軸承運(yùn)行歷程而在其壽命軌跡線上同步移動(dòng)的實(shí)時(shí)工作點(diǎn)，涵蓋了軸承的2項(xiàng)重要壽命信息：軸承疲勞壽命實(shí)時(shí)值；軸承疲勞壽命剩余值。

為此，分別設(shè)計(jì)了滾動(dòng)軸承額定（或疲勞）壽命預(yù)置與顯示；實(shí)時(shí)壽命累計(jì)記憶與顯示2項(xiàng)功能，把這2種時(shí)間信息進(jìn)行實(shí)時(shí)比較后，便預(yù)測(cè)出了疲勞壽命的剩余時(shí)間。

軸承額定壽命與實(shí)時(shí)壽命的預(yù)置和記憶制式，設(shè)計(jì)了2種顯示方式，數(shù)字實(shí)時(shí)顯示和"棒柱"演變顯示。

6.結(jié)語

軸承的疲勞壽命一般是在給定的條件下進(jìn)行理論計(jì)算或通過軸承壽命試驗(yàn)機(jī)實(shí)驗(yàn)得到。在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境、運(yùn)行工況下考核、實(shí)驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)軸承的額定壽命，較之理論計(jì)算和壽命機(jī)實(shí)驗(yàn)兩種方法，有更高的可信度。軸承疲勞壽命實(shí)驗(yàn)與剩余壽命預(yù)測(cè)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，軸承壽命分析和監(jiān)測(cè)方法是可行的。設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)工程師，可根據(jù)設(shè)備出現(xiàn)的早期故障癥兆，跟蹤、分析其發(fā)展趨勢(shì)，及時(shí)進(jìn)行故障診斷和必要的剩余壽命預(yù)測(cè)；修船職能部門，可依據(jù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)分析報(bào)告和維修建議，做出有針對(duì)性地修理計(jì)劃和準(zhǔn)備措施。