滾動(dòng)軸承早期故障診斷技術(shù)

趙光昌，謝剛，張清華

（1.太原理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，太原 030024；2.廣東石油化工學(xué)院 計(jì)算機(jī)與電子信息學(xué)院，廣東 茂名 525000）

據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于軸承導(dǎo)致的故障在旋轉(zhuǎn)機(jī)械所有故障中占到1／3左右［1］。近年來，隨著相關(guān)學(xué)科的發(fā)展和相互滲透，機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù)在基礎(chǔ)理論研究及實(shí)際應(yīng)用中不斷發(fā)展和完善［2］，但對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的深層次復(fù)合故障，傳統(tǒng)的故障診斷方法不僅對(duì)操作人員要求較高，而且效果欠佳。

人工智能技術(shù)的發(fā)展使得旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷技術(shù)的研究取得突破性進(jìn)展，朝著智能化的方向發(fā)展［3-4］。這就要求在更高的知識(shí)層面上，通過知識(shí)處理技術(shù)集成數(shù)理邏輯和辯證邏輯，統(tǒng)一推理過程和算法流程，統(tǒng)一數(shù)值計(jì)算和符號(hào)處理，通過知識(shí)化概念和處理方式實(shí)現(xiàn)故障診斷的智能化處理，為進(jìn)一步處理復(fù)雜系統(tǒng)中的深層次復(fù)合故障問題提供工具［5］。

盡管目前可以熟練地提取到軸承中晚期故障的特征信息，但為時(shí)已晚，必須對(duì)設(shè)備進(jìn)行停機(jī)檢修［6］。為避免不必要的損失，提高生產(chǎn)效率，應(yīng)盡早發(fā)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備的故障部位以便防微杜漸，最關(guān)鍵的問題是如何提取軸承早期故障的微弱信號(hào)［7］。處于故障早期階段的故障特征極不明顯，故障信號(hào)比較微弱且受噪聲影響大，很難通過分析原始信號(hào)的時(shí)頻域特性識(shí)別故障的明顯特征，故障信息的早期識(shí)別難度相當(dāng)大［2］。因此，對(duì)軸承早期故障的檢測(cè)與診斷成為學(xué)者們研究的熱點(diǎn)。

1 振動(dòng)機(jī)理及頻率特性

1.1 振動(dòng)產(chǎn)生原因

常見的滾動(dòng)軸承損傷形式有疲勞損傷、電化學(xué)腐蝕、表面損傷、過熱燒傷、人為破損及膠合等［8］。雖然故障類型繁多，但經(jīng)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，內(nèi)外圈損傷類故障占90%以上，而由滾動(dòng)體和保持架所導(dǎo)致的故障不足10%［9］。

當(dāng)機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，軸承以設(shè)定的速度轉(zhuǎn)動(dòng)并帶有一定的負(fù)載，此時(shí)以軸承、軸承座和箱體為組成零件的軸承系統(tǒng)就會(huì)產(chǎn)生激勵(lì)，進(jìn)而促使整個(gè)設(shè)備系統(tǒng)發(fā)生振動(dòng)，其振動(dòng)通常會(huì)受內(nèi)部因素和外部因素的影響。軸承系統(tǒng)振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)理如圖1所示［10-11］。在外部，機(jī)械設(shè)備的其他部件會(huì)對(duì)軸承產(chǎn)生影響，例如軸承受到傳動(dòng)軸壓迫時(shí)就會(huì)有振動(dòng)產(chǎn)生；在內(nèi)部，除零件本身的材質(zhì)特性、加工制造誤差和裝配誤差之外，振動(dòng)產(chǎn)生最主要的原因就是運(yùn)行故障。

圖1 滾動(dòng)軸承系統(tǒng)振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)理

軸承系統(tǒng)的振動(dòng)成分較復(fù)雜，如果不考慮制造安裝等相關(guān)因素，引起振動(dòng)的原因可分為2大類［11］：（1）由軸承自身結(jié)構(gòu)特性和彈性形變引起的振動(dòng)，即軸承自身的固有振動(dòng)。只要軸承系統(tǒng)發(fā)生運(yùn)轉(zhuǎn)，不管有無故障存在，這類振動(dòng)都會(huì)發(fā)生，且通常具有確定的性質(zhì)；（2）故障損傷類振動(dòng)，主要由系統(tǒng)運(yùn)行異?；蛄慵p傷所致，該類振動(dòng)與軸承系統(tǒng)的故障一一對(duì)應(yīng)，即不同的振動(dòng)特征只與特定故障類型相對(duì)應(yīng)。第1類振動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)具有軸承各零件固有頻率不斷衰減的特點(diǎn)，呈現(xiàn)出每個(gè)脈沖的反復(fù)性自由衰減振動(dòng)；第2類則具有與軸承系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)形式和結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的特點(diǎn)，表現(xiàn)為周期性的沖擊振動(dòng)［12-13］。

1.2 滾動(dòng)軸承的頻率特征

軸承在正常運(yùn)行過程中通常會(huì)產(chǎn)生2種振動(dòng)，一種是正常的振動(dòng)，由軸承各零件的材料特性所引起的，例如表面粗糙度、波紋度等；另一種是軸承轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，滾動(dòng)體在內(nèi)、外圈之間發(fā)生相互碰撞而激起各部件的固有振動(dòng)，屬于強(qiáng)迫性振動(dòng)，頻率范圍為20～60 Hz［14］，遠(yuǎn)高于故障特征頻率，固有頻率一般由材料、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、制造質(zhì)量及安裝方式所決定，與軸承轉(zhuǎn)速無關(guān)。軸承系統(tǒng)各零件的固有頻率主要有［15-16］

式中：fB為滾動(dòng)體固有頻率，Hz；Dw為滾動(dòng)體直徑，mm；E為材料彈性模量，N／m2；ρ為材料密度，kg／m3；ft為內(nèi)、外圈固有頻率，Hz；t為軸承系統(tǒng)固有頻率的階數(shù)，t＝2，3，4，…；B為軸承寬度，mm；b為軸承套圈寬度，mm。

當(dāng)滾動(dòng)體在軸承滾道上運(yùn)行時(shí)，若某些零件存在局部缺陷，如內(nèi)、外圈或滾動(dòng)體的表面出現(xiàn)了損傷點(diǎn)，就會(huì)與其接觸的其他零件出現(xiàn)反復(fù)性碰撞，從而產(chǎn)生沖擊信號(hào)。這種短時(shí)間的低頻脈沖振動(dòng)具有形狀陡峭，周期性出現(xiàn)的特點(diǎn)，通常稱為通過頻率，即滾動(dòng)軸承的故障特征頻率［8-9］。一般情況下，假設(shè)軸承內(nèi)圈隨轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，外圈固定在軸承座上，且滾動(dòng)體與滾道之間只發(fā)生純滾動(dòng)而不存在相對(duì)滑動(dòng)。根據(jù)動(dòng)力學(xué)和幾何學(xué)條件可計(jì)算各零件的故障特征頻率［13，17］。軸承系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為

式中：n為軸的轉(zhuǎn)速，r／min；Dpw為球（滾子）組節(jié)圓直徑，mm；α為接觸角；Z為滾動(dòng)體個(gè)數(shù)。

目前，有關(guān)故障特征頻率的理論計(jì)算已非常精確，但在實(shí)際操作中，測(cè)量值與理論值仍存在一定的偏差［13］。盡管如此，故障特征頻率的計(jì)算仍是軸承故障診斷十分有效和便捷的方法，可以作為下一步故障診斷的理論依據(jù)。

2 滾動(dòng)軸承早期故障診斷的現(xiàn)狀

大約在20世紀(jì)50年代，國外有人通過聽取設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)聲音對(duì)旋轉(zhuǎn)設(shè)備中滾動(dòng)軸承故障診斷展開了初步的研究［18］。該方法目前仍在使用，常用設(shè)備有聽棒、電子聽診器等，但這些方法過度依賴人為經(jīng)驗(yàn)，可靠性存在異議。由于以上缺陷，致使大量使用振動(dòng)速度的振動(dòng)烈度、振動(dòng)加速度的峭度值等來檢測(cè)軸承故障的測(cè)振儀器迅速涌現(xiàn)［19］，從而大大減少了對(duì)人為經(jīng)驗(yàn)的依賴性，有效提高了診斷準(zhǔn)確性，但仍很難提取滾動(dòng)軸承早期故障的有效信息。

經(jīng)過50多年的發(fā)展，信息技術(shù)推動(dòng)著滾動(dòng)軸承信號(hào)處理方法和故障診斷技術(shù)向更高水平的方向發(fā)展，診斷方法呈現(xiàn)出多樣化，準(zhǔn)確度也越來越高?？v觀滾動(dòng)軸承故障診斷的研究歷程，可將其分為以下4個(gè)階段［20-22］：

第1階段——頻譜分析診斷技術(shù)。20世紀(jì)60年代中期，信號(hào)譜分析法在滾動(dòng)軸承故障診斷領(lǐng)域開始嶄露頭角，與快速Fourier變換的融合更是促進(jìn)了滾動(dòng)軸承故障診斷技術(shù)的飛速發(fā)展［23］。這一時(shí)期，人們先計(jì)算軸承零件發(fā)生故障時(shí)振動(dòng)信號(hào)的特征頻率，然后與頻譜分析儀的實(shí)際測(cè)量結(jié)果比較，最終確定滾動(dòng)軸承的故障情況。

第2階段——沖擊脈沖診斷技術(shù)。第1家使用沖擊脈沖技術(shù)進(jìn)行故障診斷的公司是瑞典的SPM儀器公司，他們于20世紀(jì)60年代末研發(fā)出了沖擊脈沖計(jì)。該方法的關(guān)鍵是如何確定沖擊脈沖的最大幅值，其是判斷軸承有無故障的重要依據(jù)［24］，適用于檢測(cè)滾動(dòng)軸承的早期損傷類故障。

第3階段——共振解調(diào)診斷技術(shù)。最早將共振解調(diào)思想引入故障診斷領(lǐng)域的科學(xué)家是美國的雅迪，他于1974年發(fā)明了共振解調(diào)分析系統(tǒng)［25］，之后逐步演變?yōu)楝F(xiàn)在所使用的共振解調(diào)技術(shù)。該技術(shù)最大的特點(diǎn)是融合了包絡(luò)譜分析法，在對(duì)滾動(dòng)軸承早期損傷類故障進(jìn)行診斷時(shí)比沖擊脈沖技術(shù)更有效。其可以同時(shí)檢測(cè)軸承有無故障發(fā)生以及故障類型，對(duì)故障的嚴(yán)重程度也有一定的診斷能力［26］。

第4階段——在線監(jiān)測(cè)與智能診斷技術(shù)。進(jìn)入20世紀(jì)80年代以后，掀起了以計(jì)算機(jī)為核心的發(fā)展狂潮，使?jié)L動(dòng)軸承故障診斷技術(shù)向智能化方向發(fā)展［27］。這一階段的特點(diǎn)是以計(jì)算機(jī)為核心，適應(yīng)性強(qiáng)，可以在線進(jìn)行監(jiān)測(cè)，滿足生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的需求，得到了廣泛的使用。

國內(nèi)對(duì)這一領(lǐng)域的研究起步較晚，在科技信息高速發(fā)展的年代不斷發(fā)展，取得了一些顯著性的成果。目前，對(duì)滾動(dòng)軸承中晚期故障的研究已趨于成熟化，許多合理有效的診斷方法在實(shí)際生產(chǎn)中已投入使用。一般情況下，滾動(dòng)軸承的故障診斷過程如圖2所示，主要分為4個(gè)步驟：（1）設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的信息采集；（2）故障特征提取；（3）信號(hào)識(shí)別檢測(cè)；（4）診斷決策。其中，故障特征提取是診斷過程中最主要、最困難的環(huán)節(jié)，而故障特征的提取又與現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)密切相關(guān)，因此就需要進(jìn)一步完善機(jī)械故障診斷理論和技術(shù)，這已成為旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷領(lǐng)域至關(guān)重要的研究課題［28-30］。

圖2 旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備故障診斷過程

3 滾動(dòng)軸承早期故障診斷常用方法

3.1 聲音檢測(cè)法

聲音檢測(cè)法依賴人為經(jīng)驗(yàn)，主要是根據(jù)人的聽覺來實(shí)現(xiàn)，至今仍在使用。電子聽診器隨著科技的發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生并得到廣泛使用。該方法影響因素較多，可靠性也比較差，而且對(duì)故障的嚴(yán)重程度和噪聲級(jí)別都不能作出定量分析。

3.2 溫度檢測(cè)法

溫度檢測(cè)法由軸承系統(tǒng)的溫度變化反映設(shè)備的損傷狀況。對(duì)于軸承承載過大、轉(zhuǎn)速不均、潤滑不良等原因?qū)е碌墓收?，該方法比較有效，特別當(dāng)軸承出現(xiàn)過熱或燒傷現(xiàn)象時(shí)顯得尤為敏感。但此方法不易對(duì)軸承表面的輕微損傷進(jìn)行有效診斷，如磨損、剝落、早期點(diǎn)蝕等。

3.3 油液檢測(cè)法

油液檢測(cè)法針對(duì)系統(tǒng)的潤滑油進(jìn)行診斷，通過分析所采集的油樣中金屬顆粒及氧化物的大小和形狀判斷軸承系統(tǒng)是否存在故障［31］。油液檢測(cè)法主要包括理化分析法、光譜分析法、鐵譜分析法和磁塞分析法等，其可以用于滾動(dòng)軸承故障的早期診斷，但存在取樣不便、實(shí)時(shí)性差、大金屬顆粒分析困難等不足，而且容易受到其他顆粒物的影響，具有一定的局限性。

3.4 振動(dòng)檢測(cè)法

通過分析振動(dòng)信號(hào)時(shí)頻域特性有效提取出故障特征信息，即可判斷設(shè)備的運(yùn)行狀況和故障情況［32-33］。故障特征信息由多樣化的振動(dòng)信號(hào)獲取，研究發(fā)現(xiàn)，軸承的振動(dòng)加速度信號(hào)與實(shí)際情況最相近，因此，現(xiàn)階段大多使用加速度參數(shù)判定軸承故障。振動(dòng)分析方法對(duì)振動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)和處理具有很強(qiáng)的可操作性和可靠性，對(duì)早期的輕微故障診斷也能取得很好的效果，應(yīng)用領(lǐng)域比較廣泛［39］。

3.5 聲發(fā)射檢測(cè)法

聲發(fā)射現(xiàn)象是金屬材料釋放應(yīng)變能量和短暫性的彈性應(yīng)力波的一種物理現(xiàn)象，這種現(xiàn)象通常是由金屬材料內(nèi)部裂紋、晶格錯(cuò)位、晶界滑移所致［9，34］。由于不同的物理特性，不同材料的聲發(fā)射頻率往往存在很大差異，聲發(fā)射頻率從高到低依次為超聲頻、聲頻、次聲頻。金屬材料同樣如此，聲發(fā)射頻率可以小到幾十Hz，大到幾百M(fèi)Hz，而且具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，但金屬材料故障信號(hào)的強(qiáng)度卻相差無幾。聲發(fā)射檢測(cè)可以對(duì)各種類型的材料進(jìn)行故障診斷，而且可以在無損的情況下對(duì)故障信息進(jìn)行準(zhǔn)確的識(shí)別，可操作性強(qiáng)，尤其適用于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的旋轉(zhuǎn)設(shè)備［35］。

3.6 游隙檢測(cè)法

軸承系統(tǒng)在運(yùn)行過程中一般要固定外圈或內(nèi)圈，而未被固定的套圈會(huì)向一側(cè)發(fā)生移動(dòng)，該移動(dòng)量被稱為軸承游隙［16，36］。軸承游隙會(huì)隨著滾動(dòng)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)磨損而不斷增大，當(dāng)超過了初始設(shè)定的閾值就能斷定設(shè)備已出現(xiàn)了損傷，再根據(jù)具體的磨損量就可以判斷出故障發(fā)生的部位和原因。

除此之外，還有油膜電阻診斷法、光纖診斷法和光譜分析法等多種滾動(dòng)軸承狀態(tài)檢測(cè)和故障診斷方法。

4 基于量綱一化指標(biāo)的滾動(dòng)軸承早期故障診斷

量綱一化指標(biāo)由量綱相同的2個(gè)物理量相除得到，只是個(gè)數(shù)字，但在不同場(chǎng)合使用時(shí)代表的物理意義不同。將量綱一化幅域參數(shù)與常用的故障診斷方法相結(jié)合就形成了一種新的診斷方法——量綱一化診斷［37-38］。從20世紀(jì)80年代開始，經(jīng)過20多年的發(fā)展，量綱一化指標(biāo)對(duì)設(shè)備故障診斷的優(yōu)勢(shì)逐步顯現(xiàn)出來，并已初步應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)［39-40］。進(jìn)入21世紀(jì)以來，在繼續(xù)使用量綱一化指標(biāo)進(jìn)行設(shè)備故障診斷的同時(shí)，借鑒了人工智能的思想，為了使量綱一化指標(biāo)能在故障診斷領(lǐng)域得到更好的應(yīng)用，開展了指標(biāo)優(yōu)化、融合、開拓等工作。

量綱一化指標(biāo)幾乎不受振動(dòng)信號(hào)幅值和頻率的限制，只與概率密度函數(shù)曲線有關(guān)，是一種簡單有效的診斷參數(shù)，可定義為［39，41］

利用量綱一化指標(biāo)［37，42，43］判定設(shè)備故障的前提是確定振動(dòng)幅值精確的概率密度函數(shù)，其曲線形狀的變化直接反映設(shè)備的故障狀況，即量綱一化指標(biāo)對(duì)各類型故障的敏感程度［44］。受其自身特性的影響，上述5種基本的量綱一化指標(biāo)對(duì)不同故障的敏感性和穩(wěn)定性不盡相同，在診斷過程中所起的作用也不同。在故障發(fā)生初期，大幅值的脈沖較少，其他參數(shù)值增加不多，而峭度指標(biāo)和脈沖指標(biāo)上升較快，這就說明峭度和脈沖指標(biāo)對(duì)早期故障的敏感性比較高，可以作為診斷滾動(dòng)軸承早期故障的重要特征參數(shù)［45-47］。

目前，將量綱一化指標(biāo)與特征信號(hào)時(shí)頻域分析法相融合來進(jìn)行故障診斷的方法已較為成熟。具體步驟為：首先進(jìn)行在線實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集；然后計(jì)算各故障所對(duì)應(yīng)的量綱一化指標(biāo)參數(shù)，并將其平均值作為故障特征參數(shù)；最后與實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行比較，確定設(shè)備的故障狀況。常用的比較方法有［48-49］：（1）平均值比較法，若平均值不同，則判定無故障；反之，判定存在故障；（2）門限值比較法，也稱聚類比較法，定義特征值與測(cè)量值的最小允許差值為閾值（一般為距離函數(shù)），若差值小于閾值，則判斷出現(xiàn)了故障；反之則判斷為無故障。

5 結(jié)束語

現(xiàn)階段的早期故障診斷技術(shù)還不能滿足旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)的需求，還需要從以下2個(gè)方面入手對(duì)軸承早期故障診斷技術(shù)進(jìn)行深入研究：

（1）自動(dòng)化、智能化已是時(shí)代發(fā)展的大潮流，將傳統(tǒng)方法與智能化技術(shù)相結(jié)合推進(jìn)診斷技術(shù)的集成化。深入分析各種早期故障診斷技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，將其進(jìn)行融合從而形成更有效的診斷系統(tǒng)。

（2）告別單純的監(jiān)測(cè)和診斷階段，結(jié)合新方法、新技術(shù)，形成集監(jiān)控、預(yù)判、檢測(cè)、診斷和維護(hù)管理一體化的綜合診斷系統(tǒng)。