小型滾動(dòng)軸承故障模擬實(shí)驗(yàn)臺研制

(1.沈陽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870；2.遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院 自控學(xué)院，遼寧 沈陽 110161；3.中認(rèn)(沈陽)北方實(shí)驗(yàn)室有限公司，遼寧 沈陽 110164)

1 引言

滾動(dòng)軸承廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、交通運(yùn)輸、家用電器等各個(gè)領(lǐng)域，它是旋轉(zhuǎn)機(jī)械是否可靠運(yùn)行的關(guān)鍵部件之一[1]。滾動(dòng)軸承常承受周期性變化的交變載荷，使其更易出現(xiàn)故障，如疲勞剝落、磨損、裂紋等，若不能及時(shí)處理，將最終導(dǎo)致軸承失效，使機(jī)械設(shè)備的安全性和可靠性受到致命影響，甚至造成嚴(yán)重的安全事故和巨大的經(jīng)濟(jì)損失[2]。因此，開展?jié)L動(dòng)軸承的故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測具有重要的工程意義[3]。

目前，國內(nèi)對于滾動(dòng)軸承的故障試驗(yàn)以大中型尺寸的軸承為主，但在很多生產(chǎn)設(shè)備中，小型滾動(dòng)軸承的使用量更大，如電動(dòng)車用電動(dòng)機(jī)、數(shù)控機(jī)床、電器儀表等[4]，而市場上幾乎很少能找到針對小型滾動(dòng)軸承的故障診斷實(shí)驗(yàn)臺，并且不能模擬變載荷、變轉(zhuǎn)速的復(fù)雜工況。另外，現(xiàn)有設(shè)備的加載方式多以液壓加載或電磁加載的形式為主，加載設(shè)備復(fù)雜，載荷大小難以控制，造價(jià)昂貴，而且很難保證兩側(cè)軸承均勻承載，容易造成偏心載荷，使得所測數(shù)據(jù)失真。

針對以上不足，本文設(shè)計(jì)研發(fā)了一臺用于小型滾動(dòng)軸承故障模擬實(shí)驗(yàn)臺，利用該實(shí)驗(yàn)臺可以診斷出軸承在不同工況下的故障位置，提取變轉(zhuǎn)速、變載荷情況下的故障特征，建立故障特征信息庫，監(jiān)測軸承實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，分析影響軸承壽命的因素，對產(chǎn)品設(shè)計(jì)改良和維護(hù)策略制定提供參考依據(jù)。

本文所研發(fā)的小型滾動(dòng)軸承故障模擬實(shí)驗(yàn)臺是一個(gè)集狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、壽命預(yù)測于一體的多功能智能系統(tǒng)，涉及機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)、檢測與測量技術(shù)、信號處理技術(shù)、智能算法等多個(gè)學(xué)科知識的融匯貫通，是機(jī)電類專業(yè)學(xué)生開展工業(yè)工程類相關(guān)課程實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)踐的良好平臺。

2 實(shí)驗(yàn)臺的構(gòu)成

小型滾動(dòng)軸承故障模擬實(shí)驗(yàn)臺如圖1所示。

圖1 小型滾動(dòng)軸承故障模擬實(shí)驗(yàn)臺

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上綜合考慮了實(shí)驗(yàn)要求和功能要求，主要包括驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、被測對象、測試系統(tǒng)及加載系統(tǒng)。其中，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由一臺異步電動(dòng)機(jī)和調(diào)速器組成，可調(diào)速范圍為0～2800r/min，調(diào)速器可快速、平穩(wěn)地過渡到預(yù)定轉(zhuǎn)速，滿足不同工況要求；被測對象主要由試驗(yàn)軸承、陪試軸承、主軸及聯(lián)接部分組成，主軸采用階梯結(jié)構(gòu)與軸承實(shí)現(xiàn)過渡配合裝配，這樣不僅可以避免主軸和軸承間的間隙過大影響試驗(yàn)效果，還可以方便軸承裝拆；測試系統(tǒng)由傳感器、信號采集系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)等設(shè)備組成；加載系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對試驗(yàn)軸承施加徑向載荷，如圖2所示為實(shí)驗(yàn)臺機(jī)械結(jié)構(gòu)的三維圖。

圖2 實(shí)驗(yàn)臺機(jī)械結(jié)構(gòu)的三維圖

3 徑向加載裝置設(shè)計(jì)

目前，滾動(dòng)軸承徑向加載主要為點(diǎn)加載和半圓周加載[5]，加載位置常設(shè)置在軸承座上，利用軸承座對軸承外圈的徑向推力實(shí)現(xiàn)加載，如圖3所示，這種方式不能模擬軸承的真實(shí)工作狀況，實(shí)際軸承所受徑向力多來自旋轉(zhuǎn)主軸的拉力。當(dāng)主軸承載時(shí)，由于摩擦力矩的作用將載荷施加到軸承上，隨著主軸的旋轉(zhuǎn)，軸承上承受的載荷是動(dòng)態(tài)可變的，在這樣的狀態(tài)下，按一定的載荷速度譜進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，測得所試軸承的振動(dòng)、溫升等數(shù)據(jù)才能體現(xiàn)軸承的實(shí)際健康狀況，為進(jìn)一步監(jiān)測軸承的疲勞壽命奠定基礎(chǔ)[6]。

圖3 滾動(dòng)軸承徑向力加載方式示意圖

本文設(shè)計(jì)的徑向加載裝置如圖4所示，采用彈簧加載方式，并配合2根加載螺紋柱和一段方管將彈簧封閉固定起來，方管一側(cè)留有可視窗口，便于觀察和測量壓力彈簧的壓縮量。由于載荷大小與加載彈簧的壓縮量成正比，通過上加載螺紋柱對高強(qiáng)度壓簧的同步螺旋推進(jìn)將載荷作用在加載輪上，再經(jīng)過主軸傳遞給軸承，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)軸承的徑向拉力加載。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得施加的載荷容易控制、減輕了自身重量，降低了設(shè)計(jì)成本，非常適合于小型滾動(dòng)軸承的故障模擬試驗(yàn)。

1-上加載螺紋柱;2-高強(qiáng)度壓簧;3-固定支架;4-下加載螺紋柱;5-固定螺栓;6-加載輪圖4 徑向力加載裝置結(jié)構(gòu)圖

另外，加載彈簧在運(yùn)行中可有效吸收加載輪和主軸接觸產(chǎn)生的各種振動(dòng)能量，提高了加載裝置的穩(wěn)定性，減少了對軸承振動(dòng)信號的干擾。同時(shí)，加載輪采用對稱可繞中心旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)對兩側(cè)軸承的均衡加載，消除偏心載荷對測試數(shù)據(jù)的影響。此外，在固定支架上還設(shè)計(jì)了可調(diào)螺孔，可適應(yīng)不同高度的主軸及軸承。固定螺栓設(shè)計(jì)成直徑不同的螺紋結(jié)構(gòu)，目的在于既能有效固定下加載螺紋柱和加載輪整體的位置，又能防止打孔過大從而降低下加載螺紋柱的機(jī)械強(qiáng)度。

4 滾動(dòng)軸承疲勞剝落故障設(shè)計(jì)

在滾動(dòng)軸承的工作過程中，滾動(dòng)軸承的內(nèi)圈常受到交變載荷的作用，加之安裝不當(dāng)、摩擦過度、使用不良等因素，使?jié)L動(dòng)軸承與其他部件的接觸面上容易產(chǎn)生疲勞，導(dǎo)致滾動(dòng)軸承接觸表面金屬呈現(xiàn)點(diǎn)狀或片狀剝落，這是滾動(dòng)軸承故障的初始形式[7]。為了模擬滾動(dòng)軸承的剝落故障，根據(jù)滾動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)特征及剝落故障的狀態(tài)，并考慮小型滾動(dòng)軸承接觸面加工技術(shù)的現(xiàn)狀，采用電火花加工技術(shù)在軸承的內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體上布置了單點(diǎn)故障[8]。在實(shí)驗(yàn)臺上，假定軸承接觸面疲勞剝落故障滿足Paris定律[9]，即其擴(kuò)展的程度由疲勞剝落故障的長寬深度、材料、疲勞循環(huán)中的應(yīng)力強(qiáng)度因子確定。模擬滾動(dòng)軸承正常、內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體故障實(shí)物圖如圖5所示。假設(shè)疲勞剝落故障寬度為0.5mm，長度為9mm，深度為1mm，材料為軸承鋼，應(yīng)力強(qiáng)度因子取值55。

圖5 模擬滾動(dòng)軸承故障實(shí)物圖

5 信號采集系統(tǒng)

信號采集系統(tǒng)分別可檢測振動(dòng)信號、壓力信號及轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，如圖6所示。

圖6 信號采集系統(tǒng)工作框圖

振動(dòng)信號是軸承故障診斷的常用方法，通過振動(dòng)加速度傳感器獲得測試軸承及陪試軸承的振動(dòng)信息，測點(diǎn)的不同布置位置會影響加速度特征信號的大小[10]。經(jīng)過多次測點(diǎn)選擇和信號分析，最終將加速度傳感器的位置選擇在A、B、C、D四點(diǎn)。其中，A點(diǎn)為電機(jī)驅(qū)動(dòng)端9點(diǎn)鐘位置，B點(diǎn)為陪試軸承底座，C、D點(diǎn)為試驗(yàn)軸承座的3點(diǎn)鐘和6點(diǎn)鐘位置，如圖2所示。軸承疲勞剝落故障振動(dòng)信號采集儀為DT9857E型8通道高精度振動(dòng)信號分析系統(tǒng)。

壓力信號主要是實(shí)時(shí)檢測軸承徑向載荷的大小[11]，采用紐扣式微型壓力傳感器量程為500kg，綜合精度為0.1%，其輸出信號通過控制儀表顯示并保存。

轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)采用電磁計(jì)數(shù)器記錄試驗(yàn)軸承已經(jīng)運(yùn)行的圈數(shù)，可作為監(jiān)測、判斷、預(yù)測試驗(yàn)軸承剩余壽命的依據(jù)。

6 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

對研制的小型滾動(dòng)軸承故障模擬實(shí)驗(yàn)臺進(jìn)行可靠性試驗(yàn)。利用信號采集系統(tǒng)測得的振動(dòng)信號來識別測試軸承的健康狀況，并判斷故障軸承是否失效。

實(shí)驗(yàn)選用的滾動(dòng)軸承型號為6200DDU深溝球軸承，其參數(shù)如表1所示。

表1 測試軸承主要參數(shù)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求：需要測量軸承在不同大小徑向載荷、不同主軸轉(zhuǎn)速作用下的振動(dòng)信號。因此，采用加載裝置將徑向力調(diào)整到所需的某一數(shù)值后， 再通過調(diào)速器改變電機(jī)轉(zhuǎn)速即可滿足實(shí)驗(yàn)要求，用這種方法即可模擬軸承在不同載荷下振動(dòng)信號隨轉(zhuǎn)速的變化情況。

本文選取其中的一種情況進(jìn)行故障分析，如表2所示為該工況下的軸承各部分故障特征頻率。

表2 軸承實(shí)驗(yàn)工況和故障特征頻率

設(shè)置信號采集系統(tǒng)的采樣頻率為12HZ，采集數(shù)據(jù)點(diǎn)為4096，即可得到測試軸承在正常工況、外圈故障、內(nèi)圈故障、滾動(dòng)體故障四種情況下的振動(dòng)信號時(shí)域波形圖，如圖7～10所示。從圖中可以看出，故障缺陷的位置不同，振動(dòng)沖擊強(qiáng)度和規(guī)律也不相同。

圖7 正常工況下的時(shí)域波形圖

對振動(dòng)信號的頻譜分析(如包絡(luò)譜)常作為故障診斷和識別的依據(jù)[12]，圖11～13所示分別為外圈故障、內(nèi)圈故障、滾動(dòng)體故障對應(yīng)的包絡(luò)譜，圖11中突出頻率峰值為108.4Hz和外圈故障頻率的理論之102.69Hz相近；圖12中突出頻率峰值為161.1Hz和內(nèi)圈故障頻率的理論值166.86Hz相近；圖13中很容易找到與滾動(dòng)體故障特征頻率59.33Hz相近的頻率58.59Hz及其2、3、4、6、9倍頻與轉(zhuǎn)頻調(diào)制成分，這是因?yàn)檩S承旋轉(zhuǎn)時(shí)，滾動(dòng)體點(diǎn)蝕產(chǎn)生的振動(dòng)信號頻率會隨轉(zhuǎn)動(dòng)呈周期性變化，由此可以判斷，該軸承滾動(dòng)體出現(xiàn)了故障。

圖8 外圈故障下的時(shí)域波形圖

圖9 內(nèi)圈故障下的時(shí)域波形圖

圖10 滾動(dòng)體故障下的時(shí)域波形圖

通過上述試驗(yàn)，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)臺機(jī)械結(jié)構(gòu)和所測數(shù)據(jù)的可靠性，以及采用振動(dòng)信號進(jìn)行軸承故障診斷的有效性，并為下一步開展小型滾動(dòng)軸承剩余壽命研究提供了必要保證。

圖11 外圈故障下的頻域包絡(luò)圖

圖12 內(nèi)圈故障下的頻域包絡(luò)圖

圖13 滾動(dòng)體故障下的頻域包絡(luò)圖

7 結(jié)論

本文研制了一套小型滾動(dòng)軸承故障模擬實(shí)驗(yàn)臺。在實(shí)驗(yàn)臺上，可以開展?jié)L動(dòng)軸承不同程度、不同位置的疲勞剝落故障試驗(yàn)，模擬滾動(dòng)軸承在不同徑向載荷、不同轉(zhuǎn)速狀態(tài)下的振動(dòng)特征。通過信號采集和分析系統(tǒng)處理后建立滾動(dòng)軸承故障信息數(shù)據(jù)庫，可為滾動(dòng)軸承早期故障的診斷和識別提供依據(jù)。實(shí)驗(yàn)臺還可用于監(jiān)測滾動(dòng)軸承的健康狀態(tài)，并預(yù)測其剩余壽命。同時(shí)，由于實(shí)驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)覆蓋多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域和綜合應(yīng)用，不僅可以提升學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力還能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和科研探索精神。