礦用軸承失效分析與故障診斷辦法分析

李濤 張為

摘 要：本文主要針對礦用軸承失效分析和故障診斷展開研究，先簡要分析礦用軸承的使用工況，然后對礦用軸承的失效形式及故障表征分別進(jìn)行了闡述，最后在礦用軸承的振動監(jiān)測中，詳細(xì)論述了測量裝置、測點布置、振動分析與故障診斷等內(nèi)容，旨在不斷提高礦用軸承的故障診斷水平，有效應(yīng)對礦用軸承失效問題。

關(guān)鍵詞：礦用軸承;失效分析;故障診斷辦法

現(xiàn)階段，設(shè)備制造企業(yè)和使用企業(yè)，對于礦山采掘設(shè)備的可靠性予以了高度重視，這已經(jīng)成為了企業(yè)內(nèi)部設(shè)備管理部門共同關(guān)注的話題之一。在機械設(shè)備的支承單元中，軸承發(fā)揮著重要的作用，加強軸承的可靠性是重中之重。一般來說，礦用設(shè)備的工作環(huán)境并不是十分理想化，由于軸承失效，極容易導(dǎo)致設(shè)備故障問題的出現(xiàn)。軸承的設(shè)計、安裝以及使用等，極容易導(dǎo)致軸承失效現(xiàn)象，所以在使用方面，要對軸承的工作狀態(tài)進(jìn)行深入預(yù)測、分析，不斷提高礦山正常運作水平。

一、礦用軸承的使用工況分析

一般來說，礦用軸承的使用工況并不理想，對其表現(xiàn)進(jìn)行分析，首先，現(xiàn)場空間比較有限，煤礦機械機構(gòu)比較緊湊化，礦山設(shè)備不僅本體較大，自重較高，其作業(yè)處理量也比較大，進(jìn)而增加軸承負(fù)荷。其次，采廠或礦井內(nèi)部工作條件具有高度的復(fù)雜性和多變性，軸承的負(fù)荷變化極其顯著。再次，礦山機械重負(fù)荷，如果工況處于中速運轉(zhuǎn)下[1]，軸承受到啟動或停機時的沖擊負(fù)荷比較常見。

二、礦用軸承的失效形式及故障表征

（一）失效形式

首先，工況環(huán)境的惡劣現(xiàn)象比較嚴(yán)峻，對于粉塵等微小顆粒，一旦進(jìn)入軸承內(nèi)，極容易導(dǎo)致失效現(xiàn)象的出現(xiàn)。其次，潤滑不良。由于潤滑劑老化現(xiàn)象的出現(xiàn)，在滾動體和滾道之間，潤滑油膜的完整性不足，這對于金屬表面的直接接觸產(chǎn)生了嚴(yán)重影響，使表面磨損程度越來越顯著，而且在接觸表面，裂紋或微小碎片已經(jīng)形成[2]，這也是軸承失效的原因之一。最后，材料疲勞。在軸承承受循環(huán)應(yīng)力的影響下，由于運行時間越來越長，在滾動體和軸承溝道表面，點蝕和剝落已經(jīng)出現(xiàn)，所以加劇軸承失效現(xiàn)象的出現(xiàn)。

（二）故障表征

對上述軸承失效形式進(jìn)行分析，對于軸承失效現(xiàn)象的出現(xiàn)，極容易損傷到其溝道表面，導(dǎo)致在軸承運行過程中，加劇滾動體和溝道表面間的沖擊的發(fā)生，導(dǎo)致軸承的振動越來越顯著，所以軸承振動的大小，可以對軸承故障進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。軸承振動的測量，可以避免對設(shè)備正常工作造成影響，所以在軸承故障監(jiān)測中，具有較高的應(yīng)用價值。以某行星齒輪減速器裝置在煤礦生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)嶋H使用中出現(xiàn)故障，拆解后顯示輸出裝置行星輪中一行軸承發(fā)生損壞，另一行兩盤軸承均表現(xiàn)出不同程度上的損壞情況，致使大內(nèi)齒圈輪齒以及行星輪出現(xiàn)相應(yīng)損壞。通過對損壞軸承零件化學(xué)成分、金相組織以及硬度進(jìn)行分析的方式，可以得到有關(guān)軸承失效原因的具體結(jié)論：發(fā)生斷裂的外圈滾道表面存在擠壓痕跡，表面有明顯的圓周向加工刀紋，這一特性說明外圈滾道表面相對粗糙，表面波谷明顯，從本質(zhì)上來說得就好比裂紋或者尖角缺口，對應(yīng)力集中呈現(xiàn)出了較高的敏感性，會導(dǎo)致其與滾子圓柱表面的接觸應(yīng)力呈現(xiàn)出的明顯的增大趨勢，最終對軸承部件的使用壽命以及具體性能產(chǎn)生不良影響，在導(dǎo)致軸承早期失效方面扮演著非常重要的角色。而從硬度上來說，使用過的軸承部件外圈、內(nèi)圈以及尚未出現(xiàn)破損情況的滾子在硬度值表現(xiàn)方面均符合滾動軸承零件的硬度要求，低倍熱酸浸試驗結(jié)果表明：內(nèi)圈、外圈鋼中存在枝晶偏析，滾子鋼中存在中心帶狀偏析，偏析超標(biāo)，影響軸承鋼的力學(xué)性能，對熱處理及加工工藝也有影響。除此以外，在諸多對軸承零件使用壽命長短以及機械性能水平產(chǎn)生影響的因素當(dāng)中，非金屬夾雜物、碳化物、以及偏析的具體形態(tài)、分布情況發(fā)揮著非常重要的決定作用。對于軸承部件而言，圓柱滾子是以線接觸的形式參與服役運行，所承受接觸應(yīng)力水平高，滾子圓柱表面任一點均可能作為工作點，對偏析、非金屬夾雜物和碳化物的形態(tài)及分布均勻性有著更為嚴(yán)格的要求;受損滾子內(nèi)部有中心帶狀偏析缺陷，鋼中C類夾雜級別與標(biāo)準(zhǔn)要求不符，受損滾子網(wǎng)狀碳化物大于3.0級與標(biāo)準(zhǔn)要求不符;偏析與非金屬夾雜物、網(wǎng)狀碳化物超標(biāo)，是軸承滾子失效的主要因素。從上述分析中，可以對行星齒輪減速器裝置軸承部件失效的原因以及具體表現(xiàn)進(jìn)行總結(jié)：首先，軸承部件外圈、內(nèi)圈以及滾子硬度均符合鋼滾動軸承在零件硬度方面的具體要求;其次，軸承部件外圈滾道表面有明顯的加工刀紋，且呈圓周狀分布，表面粗糙程度高，導(dǎo)致其與滾子圓柱表面的接觸應(yīng)力高，直接導(dǎo)致了軸承部件的早起失效;最后，軸承滾子鋼中偏析、網(wǎng)狀碳化物超標(biāo)以及非金屬夾雜物的存在是導(dǎo)致軸承滾子部件發(fā)生失效的主要原因。

三、礦用軸承的振動監(jiān)測

（一）測量裝置

簡易振動傳感器和精密振動傳感器，是振動傳感器的重要構(gòu)成內(nèi)容，首先，對于簡易振動傳感器來說，其監(jiān)測參數(shù)主要以設(shè)備振動量為主，對振動值大小進(jìn)行分析，為設(shè)備是否正常的判斷提供一定的依據(jù)。在監(jiān)測設(shè)備后，所獲得的振動信號具有一定的規(guī)律性，通過其分析，可以有效檢測和診斷設(shè)備的故障問題。對這種方法進(jìn)行分析，具有廣闊的覆蓋范圍，數(shù)據(jù)采集密度較為明顯，而且沒有對儀器配置和技術(shù)水平提出較高的要求，在儀器配置中，測振筆比較常見。

其次，對于精密振動傳感器來說，可以對故障性質(zhì)和振動部件等進(jìn)行判斷，并確保設(shè)備故障排除方法的高度有效性。精密診斷，在少量關(guān)鍵設(shè)備的監(jiān)測中具有較高的適用性，而且還可以有效分析和診斷異常的設(shè)備。精密振動傳感器，其頻率采集范圍比較寬，而且動態(tài)響應(yīng)范圍比較大，同時有助于將數(shù)據(jù)處理能力提升上來，其精度性和可靠性已經(jīng)得到了充分發(fā)揮。

（二）測點布置

對軸承振動進(jìn)行分析，其產(chǎn)生主要體現(xiàn)在滾動體和溝道的沖擊方面，其傳播方向與軸承的徑向方向相一致。所以在布置振動測點過程中，要做到：第一，在軸承、軸承座的位置處，應(yīng)合理布置測點。第二，測點應(yīng)與布置在軸承的負(fù)載區(qū)保持較近的距離。第三，測點要對沖擊波能直線傳播到的位置予以優(yōu)先選擇。合理控制好軸承到測點的距離，滿足短、直要求，避免與零件間多界面及空腔部位保持較近的距離。第四，要想不斷提高軸承的振動的監(jiān)測全面性[3]，測量工作要在3個相互垂直的方向上來進(jìn)行。在水平安裝的設(shè)備方面，水平和垂直方向得到了廣泛應(yīng)用，而且在補充方面，軸向測量比較適用。針對垂直或傾斜的設(shè)備，往往沿著彈性軸的方向進(jìn)行測量，并對徑向方向進(jìn)行測量。

（三）振動分析與故障診斷

1.振動速度有效值

基于額定工況條件，設(shè)備的振動數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)點應(yīng)在10個以上，時間跨度也應(yīng)在30天以上，并對其平均值進(jìn)行計算，以此來作為振動值。結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求限制，如下表所示，在選種相應(yīng)的限值后，為該設(shè)備的振動評判標(biāo)準(zhǔn)提供保證。在設(shè)備維修的影響下，振動情況的變化極其顯著，這時要加強評判標(biāo)準(zhǔn)的重新構(gòu)建。

2.加速度包絡(luò)

在軸承運行過程中，對產(chǎn)生的沖擊進(jìn)行分析，極容易導(dǎo)致軸承套圈的出現(xiàn)，加強共振解調(diào)技術(shù)的應(yīng)用，可以對引發(fā)軸承座共振的沖擊信號進(jìn)行求解，該沖擊信號，在軸承的初期失效方面得到了廣泛應(yīng)用，并為早期預(yù)警分析提供一定的幫助，及時將問題進(jìn)行排除。對加速度包絡(luò)值趨勢進(jìn)行分析[4]，可以確保軸承的故障檢測的準(zhǔn)確性。由于軸承外圈缺陷的出現(xiàn)，某膠帶減速機具有明顯的加速度包絡(luò)頻譜故障特征。在維修后，加速度包絡(luò)趨勢并不是特別顯著，在運行時間不斷增加的影響下，加速度包絡(luò)值越來越大。下圖為維修后加速度包絡(luò)值趨勢：

（四）加強BP網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

在機械故障診斷技術(shù)中，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有較高的應(yīng)用價值，也就是借助對機械故障信息的訓(xùn)練學(xué)習(xí)，然后對分布在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的連接權(quán)值進(jìn)行應(yīng)用，從而將學(xué)習(xí)的故障診斷知識進(jìn)行表達(dá)。因此，該方法的故障模式的聯(lián)想記憶優(yōu)勢顯著，而且模式匹配和相似歸納能力較高，可以給予故障與征兆之間的非線性映射關(guān)系一定的保障。對軸承故障診斷要求進(jìn)行分析，加強基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的軸承故障診斷系統(tǒng)的構(gòu)建，在該系統(tǒng)的診斷步驟中，可以有效采集故障信息，加強網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本集的構(gòu)建。

四、結(jié)語

綜上所述，在礦用軸承狀態(tài)監(jiān)測方面，振動監(jiān)測發(fā)揮著重要的作用，而且振動監(jiān)測，有助于不斷提高故障診斷水平。加速度包絡(luò)頻譜技術(shù)，可以將軸承故障診斷的準(zhǔn)確性提升上來，加速度包絡(luò)趨勢分析，也可以對軸承的工作狀態(tài)予以反映，將二者結(jié)合在一起，可以更好地識別和預(yù)測軸承故障。本文上述分析中嘗試圍繞礦用軸承失效分析和故障診斷展開研究，對礦用軸承的失效形式及故障表征分別進(jìn)行了闡述，并結(jié)合某行星齒輪減速器裝置軸承故障表現(xiàn)對失效原因進(jìn)行概括與總結(jié)，最后在礦用軸承的振動監(jiān)測中，詳細(xì)論述了測量裝置、測點布置、振動分析與故障診斷等內(nèi)容，對于礦用軸承故障診斷技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展有重要意義。

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