共振解調(diào)技術(shù)在滾動(dòng)軸承故障診斷中的研究與應(yīng)用

李敏　盛如龍

摘要：本文介紹了運(yùn)用共振解調(diào)技術(shù)對(duì)CSP加熱爐爐輥滾動(dòng)軸承進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)與預(yù)警，提高了爐輥滾動(dòng)軸承故障分析與診斷能力。

關(guān)鍵詞：共振解調(diào)；加熱爐；軸承；頻率；振動(dòng)信號(hào)

1.引言

在CSP輥底式加熱爐中，板坯的傳輸依靠爐輥完成，而爐輥的維護(hù)關(guān)鍵在于軸承。應(yīng)用調(diào)制解調(diào)技術(shù)對(duì)爐輥滾動(dòng)軸承進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)與預(yù)警，能提高滾動(dòng)軸承故障分析與診斷能力。

2.共振解調(diào)診斷技術(shù)原理

共振解調(diào)故障診斷技術(shù)是利用共振解調(diào)原理對(duì)沖擊故障進(jìn)行檢測(cè)診斷。當(dāng)軸承某一元件表面出現(xiàn)局部損傷時(shí)，在受載運(yùn)行過(guò)程中將與其它元件表面發(fā)生撞擊，從而產(chǎn)生能量集中的沖擊脈沖力。沖擊脈沖帶寬包含軸承系統(tǒng)的各個(gè)固有頻率，所以會(huì)激起系統(tǒng)的各個(gè)固有振動(dòng)。這些周期性脈沖激勵(lì)的頻率對(duì)應(yīng)軸承各元件的故障特征頻率。由于脈沖激勵(lì)的寬頻帶性質(zhì)，它將激起軸承結(jié)構(gòu)及傳感器本身在各自的固有頻率上發(fā)生諧振。其中必然包含軸承故障源信號(hào)、軸承結(jié)構(gòu)系統(tǒng)固有振動(dòng)信號(hào)以及傳感器本身的固有振動(dòng)信號(hào)等高頻固有振動(dòng)。可根據(jù)需要選擇某一高頻固有振動(dòng)為研究對(duì)象，利用其中心頻率等于該固有頻率的帶通濾波器將該固有振動(dòng)分離出來(lái)，再通過(guò)包絡(luò)檢波器去除高頻衰減振動(dòng)的頻率成分，得到只包含故障特征信息的低頻包絡(luò)信號(hào)，最后對(duì)這一包絡(luò)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析即可診斷出軸承故障。

3.共振解調(diào)技術(shù)對(duì)爐輥軸承的分析

以爐輥所用6208型軸承為例，其參數(shù)及故障特征頻率為：軸承節(jié)徑D=60mm，滾動(dòng)體直徑d=12mm，滾動(dòng)體個(gè)數(shù)z=10；可計(jì)算出外圈故障頻率、內(nèi)圈故障特征頻率、動(dòng)體故障特征頻率、保持架故障特征頻率。對(duì)振動(dòng)信號(hào)做直接包絡(luò)處理，包絡(luò)圖如圖1所示。

在外圈故障的包絡(luò)圖中，在90.7Hz附近有一個(gè)較突出的峰值，同時(shí)也有其他成分的峰值出現(xiàn)；在內(nèi)圈故障的包絡(luò)圖中，內(nèi)圈故障特征頻率不明顯，卻在外圈故障頻率和滾動(dòng)體故障頻率附近出現(xiàn)峰值。

3.1不同濾波頻段的特征效果

在共振解調(diào)技術(shù)中，故障的包絡(luò)信號(hào)頻譜具有“沒(méi)有故障就沒(méi)有譜線”、“有故障則出現(xiàn)多階諧波譜線”這樣一些規(guī)律，同時(shí)共振頻段的選擇對(duì)包絡(luò)圖結(jié)果會(huì)有一定的影響。外圈故障狀態(tài)FFT圖如圖2所示。

在外圈故障FFT圖中可看到在5～10kHz間存在若干共振峰值，選取其中的三個(gè)共振峰作為研究對(duì)象，分別為8.6-9.4kHz、7.6-8.4kHz、4.6～5.41d-Iz，分別進(jìn)行帶通濾波、包絡(luò)處理，得到三個(gè)帶通包絡(luò)圖。在8.6-9.4kHz和4.6-5kHz頻段下可看到一個(gè)近似于外圈故障特征頻率93Hz頻率，且譜線單一，但這兩個(gè)頻段中93HZ的倍頻太小，均不太明顯；在7.6-8.4kHz的頻段下可看到表外圈故障特征頻率及特征頻率凸顯在頻譜圖中。再來(lái)研究?jī)?nèi)圈故障狀態(tài)下的帶通包絡(luò)情況，如圖3所示。前兩個(gè)頻段中出現(xiàn)的異常情況，是因?yàn)閮?nèi)圈故障振動(dòng)信號(hào)傳至傳感器要經(jīng)過(guò)滾動(dòng)體、外圈、軸承座，再到傳感器，在這個(gè)振動(dòng)傳遞的過(guò)程中可能會(huì)激起其它頻率成分的振動(dòng)，從而使得和成分幅值變得突出?？梢缘贸鼋Y(jié)論，選擇不同的頻段做帶通濾波，最終得到的包絡(luò)圖所表征故障特征的效果會(huì)有較大差異。這表明，利用共振解調(diào)技術(shù)診斷滾動(dòng)軸承故障時(shí)，選擇合適的共振頻段進(jìn)行分析很重要。

3.2同一工況下的多次采樣

圖4為內(nèi)圈故障軸承在電機(jī)轉(zhuǎn)速≦1380r/min時(shí)進(jìn)行5次采樣，再選擇7.6-8.4kHz為濾波頻段進(jìn)行共振解調(diào)處理的結(jié)果。其內(nèi)圈故障特征頻率和2都能突顯在每次采樣的處理結(jié)果中，可見(jiàn)對(duì)同一工況進(jìn)行多次采樣，此方法對(duì)故障特征的提取有效。

3.3不同工況下的多次采樣

以上工作是電機(jī)轉(zhuǎn)速為1380r/min這一工況下進(jìn)行的。如在允許的范圍內(nèi)改變轉(zhuǎn)速（分別取1080r/min、1380r/min、1500r/min）進(jìn)行多次采樣，再作共振解調(diào)處理，同樣可找到外圈故障特征頻率、內(nèi)圈故障特征頻率，且這兩個(gè)頻率在各自的頻譜圖中都十分明顯；不同的是外圈故障特征的2階倍頻2在第一轉(zhuǎn)速和第三轉(zhuǎn)速中沒(méi)有很好的突顯出來(lái)，且出現(xiàn)較多不需要的峰值。將三種狀態(tài)下各自合適頻段的帶通濾波共振解調(diào)譜圖進(jìn)行比較，可直接看出軸承的狀態(tài)。若一滾動(dòng)軸承故障狀態(tài)未知，只需將其作共振解調(diào)處理，觀察其頻譜突出峰值，完成故障診斷。

4.結(jié)論

利用共振解調(diào)技術(shù)診斷滾動(dòng)軸承故障時(shí)，選擇合適的共振頻段分析是十分重要的。大量試驗(yàn)證明，在同一工況下進(jìn)行多次采樣，共振解調(diào)方法同樣能有效的提取故障特征；在不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)行共振解調(diào)處理，也可以判斷出故障狀態(tài)，有效的提取故障特征。