基于振動的減速機(jī)軸承故障診斷試驗(yàn)臺研制

李娟娟 賈森 馬小芳

摘 要：減速機(jī)中的軸承在工作過程中受交變載荷的作用，60%都會發(fā)生點(diǎn)蝕故障，若故障不斷發(fā)展，將造成嚴(yán)重的后果。本文研制了一套用于檢測減速機(jī)軸承點(diǎn)蝕故障振動信號特征的故障模擬試驗(yàn)臺，以滾動軸承點(diǎn)蝕故障為例，介紹了該試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)方案和基于振動的故障檢測方法。該試驗(yàn)臺不僅能開展?jié)L動軸承多種故障形式的故障模擬振動檢驗(yàn)，還可以模擬現(xiàn)實(shí)工況，實(shí)現(xiàn)不同轉(zhuǎn)速，不同負(fù)載的滾動軸承振動檢測研究，為滾動軸承故障的準(zhǔn)確診斷和識別奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：滾動軸承點(diǎn)蝕;振動檢測;試驗(yàn)臺

中圖分類號：TH133.33 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）22-0082-04

Development of Fault Diagnosis Bed Based on Vibration for Bears in Reducer

LI Juanjuan JIA Sen MA Xiaofang

Abstract： Pitting failure occurs in 60% of the bearings of reducer under the action of alternating load in the working process. In this paper， a set of fault simulation test bed was developed to detect vibration signal characteristics of pitting failure of reducer bearing. As example as pitting failure of rolling bearing， the design scheme of the test bed and fault detection method based on vibration were introduced. The test-bed can not only carry out the fault simulation vibration test of rolling bearings in various fault forms， but also simulate the actual working conditions， realize the vibration detection research of rolling bearings with different rotating speeds and loads， which lays a foundation for the accurate diagnosis and identification of rolling bearing faults.

Keywords： pitting of rolling bearings;vibration testing;test bench

1 研究背景

滾動軸承是電力、冶金、石化等工業(yè)部門使用最廣泛的機(jī)械零件，也是最易損傷的部件之一。有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料表明：在使用滾動軸承的旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，大約有30%的機(jī)械故障是由滾動軸承引起的，感應(yīng)電機(jī)故障中大約40%的電機(jī)故障是滾動軸承故障，齒輪箱各類故障中軸承故障約占20%，僅次于齒輪[1]?？梢?，滾動軸承的工作狀態(tài)在很大程度上影響整個機(jī)械設(shè)備、甚至是整條生產(chǎn)線的運(yùn)行狀態(tài)，若軸承在工作過程中發(fā)生故障，輕則使整個系統(tǒng)失效，造成一定的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重的還會導(dǎo)致災(zāi)難性的事故。因此，滾動軸承故障診斷技術(shù)研究一直是機(jī)械故障診斷中的研究熱點(diǎn)[2]。

在眾多滾動軸承的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)中，基于振動信號的診斷是最為有效的方法之一。其中，利用合理的信號處理技術(shù)，從振動信號中有效提取軸承故障特征是實(shí)現(xiàn)滾動軸承故障診斷的關(guān)鍵[3]。由于受環(huán)境噪聲或振動的干擾，采集信號中的有效信息被淹沒在強(qiáng)烈的背景噪聲中，滾動軸承初期階段故障表現(xiàn)得更加明顯。因此，從含有干擾信號和微弱軸承故障信號的振動信號中提取有效的軸承故障特征，實(shí)現(xiàn)故障的早期監(jiān)測和診斷，一直是滾動軸承狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷面臨的難題。

基于上述背景，本文以滾動軸承為研究對象，針對滾動軸承早期故障振動信號微弱、不明顯的特征，研制了一套基于振動的減速機(jī)軸承故障診斷試驗(yàn)臺。利用該試驗(yàn)臺，可以開展減速機(jī)軸承不同損傷模式的模擬試驗(yàn)，并且可以模擬軸承轉(zhuǎn)速箱速度在0～1 440r/min，負(fù)載扭矩在0～10 000N·m的滾動軸承故障特征，為減速器的軸承早期故障識別以及軸承故障庫的建立奠定基礎(chǔ)，為基于振動的減速機(jī)軸承故障特征研究提供科研平臺。

2 試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)

減速機(jī)故障診斷試驗(yàn)臺的實(shí)物圖如圖1所示。該試驗(yàn)臺由8大系統(tǒng)組成，分別是支撐系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、增-減速系統(tǒng)、聯(lián)結(jié)系統(tǒng)、負(fù)載系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)和輸出與顯示系統(tǒng)。

支撐系統(tǒng)。試驗(yàn)臺的支撐系統(tǒng)是一個5 500mm×3 000mm，厚200mm的鑄鐵平臺，上面開T型槽，方便設(shè)備在其上螺栓聯(lián)結(jié)。

動力系統(tǒng)。動力電機(jī)的額定功率是37kW，在變頻器控制下可以實(shí)現(xiàn)0～1 441r/min的任意轉(zhuǎn)速;在工作過程中，采用手動旋鈕可實(shí)現(xiàn)任意轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，也可在電動機(jī)較低轉(zhuǎn)速時實(shí)現(xiàn)電動機(jī)換向。

增-減速系統(tǒng)。增-減速系統(tǒng)是由2臺型號為ZQ500-40、呈鏡像布置的減速機(jī)構(gòu)成，其中增速系統(tǒng)是1臺正常減速機(jī)，這里說的正常減速機(jī)是指理論上全新的減速機(jī)，沒有任何故障;減速系統(tǒng)是指一臺同樣的減速機(jī)，由軸承點(diǎn)蝕故障減速機(jī)，這里的故障是按照預(yù)先設(shè)定的故障植入減速機(jī)中。

聯(lián)結(jié)系統(tǒng)。其指的是驅(qū)動裝置與減速機(jī)之間的聯(lián)軸器，試驗(yàn)臺上的聯(lián)軸器均是彈性聯(lián)軸器。

負(fù)載系統(tǒng)。試驗(yàn)臺將變頻調(diào)速力矩電機(jī)作為負(fù)載裝置，為整個試驗(yàn)系統(tǒng)提供必要的反向制動力，并將發(fā)出來的電能通過回饋裝置回饋電網(wǎng)，節(jié)省電能30%～50%。

控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)主要由控制電路、變頻器和PLC等組成，主要具有控制電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)、負(fù)載力的加載及過載過流保護(hù)等作用。

傳感系統(tǒng)。試驗(yàn)臺的傳感系統(tǒng)包括驅(qū)動電機(jī)與減速器之間的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器ZJ-500A，減速機(jī)和增速機(jī)之間的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器ZJ-10000AE，增速機(jī)與負(fù)載電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器ZJ-500A，以及2個溫度傳感器。

輸出與顯示系統(tǒng)。輸出顯示系統(tǒng)有兩部分（見圖2），即傳感器直接輸出信號顯示系統(tǒng)TS3000轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速功率采集儀，以及采集信號與電腦相聯(lián)結(jié)的顯示器。顯示器可以顯示不同區(qū)段的參數(shù)情況和負(fù)載情況，并且可以實(shí)時繪制曲線。

3 滾動軸承點(diǎn)蝕故障植入

點(diǎn)蝕是滾動軸承使用一段時間后出現(xiàn)的一種疲勞性表層剝落。軸承使用時滾動體和內(nèi)外圈相互接觸，承受相當(dāng)大的力，當(dāng)使用達(dá)到一定次數(shù)后，應(yīng)力集中的現(xiàn)象就會使一些部位出現(xiàn)魚鱗狀的疲勞剝落點(diǎn)。

本文采用在滾動軸承用脂類潤滑油中加入金剛砂的方法，模擬滾動軸承在使用過程中逐漸磨損的過程。加入金剛砂的直徑0.5mm，加入顆粒數(shù)量30～50粒。

模擬軸承點(diǎn)蝕位置在高速軸靠近電機(jī)側(cè)軸承內(nèi)外圈之間，滾動體與保持架之間。將軸承故障設(shè)置在此處是因?yàn)樵撦S直聯(lián)電機(jī)輸出端，可以保證較穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速與扭矩。

4 振動信號采集

對于振動信號的采集，典型情況下，需要在每一個軸承蓋或軸承座相互正交的徑向位置進(jìn)行測量，傳感器可放置在軸承座或機(jī)座上任意角度位置。對水平安裝的機(jī)器，通常放在垂直和水平方向，對于垂直或傾斜的機(jī)器，能得到最大的振動測量讀數(shù)的位置（通常沿彈性軸的方向）應(yīng)作為傳感器放置的一個方向[4]。

測量時應(yīng)在傳動系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到正常穩(wěn)定運(yùn)行溫度，且機(jī)器處在規(guī)定的運(yùn)行狀態(tài)（如處于額定轉(zhuǎn)速、電壓、流量、壓力及載荷）下進(jìn)行，對于轉(zhuǎn)速和載荷變化的機(jī)器，應(yīng)對機(jī)器要求運(yùn)行周期較長的所有工況進(jìn)行測量。

本試驗(yàn)結(jié)合減速機(jī)實(shí)際情況，雙通道測振傳感器布點(diǎn)如圖3所示，分別在水平和豎直方向布置傳感器并對振動數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場采集;采集時減速機(jī)高速軸軸承座的水平和垂直方向，位置見圖3中箭頭所指方向。圖4中振動傳感器以磁力吸座的形式吸附在軸承座上，并且呈正交布置。

采集振動信號所用儀器為恩普特科技股份有限公司生產(chǎn)的PDES-E設(shè)備故障診斷系統(tǒng)，傳感器為磁力吸座式，采集信號為加速度信號。

5 振動信號分析

5.1 測點(diǎn)布置

測點(diǎn)布置見圖3和圖4。

5.2 檢測工況

輸入轉(zhuǎn)速1 000r/min高速軸，零負(fù)載。

5.3 減速機(jī)所用滾動軸承

減速機(jī)所用滾動軸承為深溝球軸承，型號為6410，其結(jié)構(gòu)特征及基本參數(shù)如圖5所示。其中軸承的節(jié)徑為90mm，軸承內(nèi)徑為50mm，接觸角為0°，滾動體直徑為20mm。該軸承有7個滾動體。

5.4 軸承各零件故障特征頻率

表1為1 000r/min軸承的內(nèi)外圈、滾動體以及保持架對應(yīng)的故障頻率[5，6]。

5.5 軸承各零件故障特征頻率與檢測頻率之間的關(guān)系

表2為轉(zhuǎn)速1 000r/min時軸承的內(nèi)外圈、滾動體以及保持架的檢測頻率。經(jīng)計(jì)算后，檢測頻率與故障頻率之間是倍數(shù)關(guān)系[7]。

經(jīng)分析，滾動體損傷的故障頻率為35.648Hz，與檢測頻率序號2、序號5、序號7對應(yīng)的頻率倍數(shù)分別為3倍，由此可判斷滾動體存在損傷的可能性。另外，經(jīng)計(jì)算、滾動體內(nèi)圈的故障頻率與檢測頻率序號2對應(yīng)的倍數(shù)為3倍，由此可判斷軸承的內(nèi)圈也存在一定的損傷。圖6為滾動軸承轉(zhuǎn)速為1 000r/min時檢測到的波形圖與頻譜圖，并在頻譜圖中表示出滾動體故障頻率與檢測頻率之間的倍數(shù)關(guān)系。

結(jié)合試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)時故障植入的位置以及故障類型，判斷振動檢測故障結(jié)果與實(shí)際故障相同。

6 結(jié)語

本文研制了一套減速機(jī)中滾動軸承點(diǎn)蝕的故障診斷試驗(yàn)臺，不僅能模擬滾動軸承點(diǎn)蝕初期的故障試驗(yàn)，還可以模擬軸承在不同轉(zhuǎn)速、負(fù)載狀態(tài)下的振動加速度信號特征。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，真實(shí)故障與植入故障相符。

試驗(yàn)臺可用于軸承故障的長期監(jiān)測，可模擬現(xiàn)場工況。對早期故障滾動軸承進(jìn)行長期監(jiān)測，獲得滾動軸承同種故障、不同損傷程度的特征數(shù)據(jù)庫，為滾動軸承故障的診斷和識別奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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