風(fēng)機(jī)軸承故障機(jī)理分析與智能診斷研究

白 琳，郭壯麗，程英輝，劉啟超

（1.河北省機(jī)械科學(xué)研究設(shè)計(jì)院有限公司，河北石家莊 050051；2.河鋼承德釩鈦新材料有限公司，河北承德 067102；3.天津城建大學(xué)，天津 300384）

0 引言

風(fēng)機(jī)是冶金行業(yè)重要輔助設(shè)備，在冶金行業(yè)的實(shí)際運(yùn)行過程中，風(fēng)機(jī)存在工作時(shí)間長、工作條件惡劣、工作負(fù)荷高等問題，由此容易使風(fēng)機(jī)發(fā)生故障。風(fēng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)，需要進(jìn)行停機(jī)維護(hù)、部件更換等操作，此時(shí)會(huì)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至?xí)饑?yán)重的安全事故。因此，故障診斷工作是保障風(fēng)機(jī)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的前提。滾動(dòng)軸承作為風(fēng)機(jī)設(shè)備中重要的零部件，通常在負(fù)載和速度不斷變化的條件下工作，由于長時(shí)間的運(yùn)行，導(dǎo)致滾動(dòng)軸承成為傳動(dòng)系統(tǒng)中容易損壞的零部件。根據(jù)工業(yè)機(jī)械協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在旋轉(zhuǎn)機(jī)械發(fā)生的故障中，由滾動(dòng)軸承引發(fā)的故障約占30%，所以滾動(dòng)軸承的故障診斷對(duì)風(fēng)機(jī)的正常工作十分重要。本文詳細(xì)介紹滾動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)并對(duì)其故障機(jī)理進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)滾動(dòng)軸承智能診斷系統(tǒng)，經(jīng)測試分析，該故障診斷系統(tǒng)可以很好地滿足滾動(dòng)軸承的診斷需求，對(duì)風(fēng)機(jī)設(shè)備穩(wěn)定、安全運(yùn)行具有重要意義。

1 滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)及故障機(jī)理分析

1.1 滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)

滾動(dòng)軸承是旋轉(zhuǎn)機(jī)械中使用非常廣泛的零件之一，起著支撐軸和軸上零部件的作用。滾動(dòng)軸承基本結(jié)構(gòu)是由內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體和保持架四部分組成（圖1）。滾動(dòng)軸承內(nèi)圈與軸頸一般進(jìn)行過盈配合，并隨軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，滾動(dòng)軸承外圈可固定在滾動(dòng)軸承座上或與孔進(jìn)行配合，不隨軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。滾動(dòng)體均勻地排列在內(nèi)圈與外圈之間，承受內(nèi)圈和外圈所傳遞的載荷，使?jié)L動(dòng)軸承在載荷的作用下保持轉(zhuǎn)動(dòng)。保持架將滾動(dòng)體均勻分開，防止?jié)L動(dòng)體接觸，減小摩擦，使其進(jìn)行正常的滾動(dòng)，并保持良好的潤滑效果。

圖1 滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)

1.2 滾動(dòng)軸承故障機(jī)理分析

1.2.1 失效形式

（1）疲勞失效。疲勞失效是滾動(dòng)軸承常見的失效形式。滾動(dòng)軸承表面會(huì)產(chǎn)生交變應(yīng)力，在接觸面表面的最大應(yīng)力處會(huì)產(chǎn)生細(xì)微的疲勞裂紋，隨著疲勞裂紋的不斷擴(kuò)大，表面出現(xiàn)剝落情況。如剝落形狀呈小片狀，為淺層剝落。隨著剝落面的不斷擴(kuò)大，逐漸向深層擴(kuò)展，成為深層剝落，進(jìn)而引發(fā)振動(dòng)，加劇磨損，最終導(dǎo)致軸承失效。

（2）腐蝕失效。滾動(dòng)軸承常見的腐蝕分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。當(dāng)滾動(dòng)軸承的密封被破壞后，混入水等其他具有腐蝕性的物質(zhì)，或者長期工作在濕度大等惡劣條件下，均易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。在電化學(xué)腐蝕中，滾動(dòng)軸承和電解質(zhì)形成兩個(gè)電極，組成腐蝕原電池，并伴隨有電流產(chǎn)生，產(chǎn)生的電流對(duì)金屬表面造成電化學(xué)腐蝕。產(chǎn)生腐蝕后，滾動(dòng)軸承表面出現(xiàn)變色、粗糙以及腐蝕坑，腐蝕到一定程度會(huì)出現(xiàn)局部剝落現(xiàn)象，從而導(dǎo)致軸承失效。

（3）斷裂失效。斷裂失效主要包括過載和缺陷。當(dāng)外部施加的載荷大于滾動(dòng)軸承材料的強(qiáng)度極限時(shí)，致使?jié)L動(dòng)軸承發(fā)生斷裂，稱之為過載斷裂。如果滾動(dòng)軸承表面存在裂紋、凹坑等缺陷，在正常載荷或者劇烈沖擊下，會(huì)在缺陷處發(fā)生斷裂，稱之為缺陷斷裂。斷裂失效極大可能會(huì)引起相關(guān)設(shè)備的嚴(yán)重故障。常見的斷裂原因包括裝配方式不當(dāng)、過載負(fù)荷、潤滑不良等因素。

（4）磨損失效。當(dāng)滾動(dòng)軸承表面發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致工作表面金屬發(fā)生損失的現(xiàn)象稱之為磨損。長時(shí)間的磨損會(huì)對(duì)滾動(dòng)軸承零件造成損壞，并產(chǎn)生一定周期的沖擊激勵(lì)，使其尺寸精度和形狀發(fā)生變化，也會(huì)喪失潤滑功能，旋轉(zhuǎn)精度降低，嚴(yán)重時(shí)無法正常工作。常見的磨損失效形式包括磨粒磨損和粘結(jié)磨損。磨粒磨損指外界的硬物質(zhì)進(jìn)入滾動(dòng)軸承的工作表面，對(duì)滾動(dòng)軸承的工作表面造成磨損。粘結(jié)磨損指一組相對(duì)接觸的表面發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致接觸面的表面材料剝落。

（5）游隙變化失效。軸承游隙指軸承滾動(dòng)體和內(nèi)外圈之間的間隙，可分為徑向游隙和軸向游隙。當(dāng)滾動(dòng)軸承長時(shí)間運(yùn)行后，原配合間隙發(fā)生改變，致使?jié)L動(dòng)軸承尺寸發(fā)生變化，進(jìn)而降低了滾動(dòng)軸承旋轉(zhuǎn)精度，影響使用壽命。如果間隙過小則會(huì)出現(xiàn)加劇磨損、增加負(fù)荷、工作溫度升高等現(xiàn)象。間隙過大則會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)、噪聲、機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定等現(xiàn)象。引起軸承游隙變化失效的原因可分內(nèi)在和外在因素，內(nèi)在因素包括殘余奧氏體和殘余應(yīng)力處于不穩(wěn)定狀態(tài)；外在因素包括安裝精度不高或過載等。

1.2.2 振動(dòng)超標(biāo)

風(fēng)機(jī)滾動(dòng)軸承的振動(dòng)會(huì)引起滾動(dòng)軸承和葉片的疲勞程度增加、磨損程度加重、滾動(dòng)軸承相關(guān)部件脫落、風(fēng)道以及密封件連接處松動(dòng)等問題，對(duì)風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。因此需要對(duì)滾動(dòng)軸承的振動(dòng)超標(biāo)相關(guān)原因進(jìn)行分析，從而找到解決問題的方法。目前引起滾動(dòng)軸承振動(dòng)超標(biāo)的主要原因有葉片積灰、葉片磨損、風(fēng)道系統(tǒng)、機(jī)械碰撞等。

1.2.3 溫度過高

滾動(dòng)軸承溫度升高會(huì)使活動(dòng)部件出現(xiàn)疲勞磨損、間隙增大，并伴隨有嚴(yán)重的異響。滾動(dòng)軸承溫度過高是風(fēng)機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定的重要原因之一。溫度過高的原因主要有三類：一是受力異常；二是運(yùn)轉(zhuǎn)過程中未及時(shí)冷卻；三是潤滑不良。滾動(dòng)軸承溫度升高會(huì)使活動(dòng)部件出現(xiàn)疲勞磨損、間隙增大，并伴隨有嚴(yán)重的異響。通過測定滾動(dòng)軸承異響的聲音和類型，可判斷滾動(dòng)軸承溫度升高的原因。此外，風(fēng)機(jī)的滾動(dòng)軸承座出現(xiàn)松動(dòng)也會(huì)使?jié)L動(dòng)軸承產(chǎn)生嚴(yán)重異響并增加磨損程度，從而使?jié)L動(dòng)軸承溫度升高。經(jīng)過長時(shí)間使用后，風(fēng)機(jī)滾動(dòng)軸承出現(xiàn)傾斜現(xiàn)象，軸承長期傾斜工作，會(huì)導(dǎo)致軸承溫度升高，出現(xiàn)磨損，引發(fā)風(fēng)機(jī)振動(dòng)。

1.2.4 聯(lián)軸器故障

聯(lián)軸器的作用是將不同機(jī)構(gòu)的主動(dòng)軸和從動(dòng)軸聯(lián)接，用于傳遞運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩。主要故障表現(xiàn)為不對(duì)中，指風(fēng)機(jī)和電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸心線和軸承的中心線發(fā)生偏移，在轉(zhuǎn)子的連接處會(huì)產(chǎn)生額外的剪切力和彎矩，從而使風(fēng)機(jī)產(chǎn)生異常振動(dòng)，加劇聯(lián)軸器和滾動(dòng)軸承的損壞程度。不對(duì)中包括平行不對(duì)中和偏角不對(duì)中，平行不對(duì)中指主動(dòng)軸和從動(dòng)軸的中心發(fā)生一定平行偏移，偏角不對(duì)中指主動(dòng)軸和從動(dòng)軸的中心線不在一條直線上，即兩條中心線有一定夾角（圖2、圖3）。引起聯(lián)軸器故障的主要原因有裝配不當(dāng)或由于螺絲松動(dòng)導(dǎo)致軸承座振動(dòng)等。

圖2 平行不對(duì)中

圖3 偏角不對(duì)中

2 滾動(dòng)軸承故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

當(dāng)風(fēng)機(jī)滾動(dòng)軸承發(fā)生故障之前，靠人工無法第一時(shí)間對(duì)故障類型和位置進(jìn)行預(yù)判。因此設(shè)計(jì)一套滾動(dòng)軸承故障診斷系統(tǒng)，對(duì)滾動(dòng)軸承運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、精準(zhǔn)預(yù)判，從而保障風(fēng)機(jī)安全工作。

2.1 故障診斷系統(tǒng)總體框架

故障診斷系統(tǒng)是根據(jù)風(fēng)機(jī)運(yùn)行的各項(xiàng)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)滾動(dòng)軸承的診斷，主要對(duì)振動(dòng)信號(hào)和沖擊脈沖信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和分析。故障診斷系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)分析單元、遠(yuǎn)程監(jiān)控單元（圖4）。

圖4 故障診斷系統(tǒng)總體框架

2.1.1 數(shù)據(jù)采集單元

數(shù)據(jù)采集單元是滾動(dòng)軸承故障診斷系統(tǒng)的前端處理部分，主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集和預(yù)處理等功能。本系統(tǒng)通過振動(dòng)傳感器實(shí)時(shí)采集振動(dòng)信號(hào)，脈沖傳感器實(shí)時(shí)采集沖擊脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)速傳感器實(shí)時(shí)采集轉(zhuǎn)速信號(hào)。在電機(jī)兩端水平和垂直兩個(gè)方向均布置振動(dòng)傳感器和脈沖傳感器，在風(fēng)機(jī)兩端水平和垂直兩個(gè)方向均布置振動(dòng)傳感器和脈沖傳感器（圖5），利用濾波電路對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行濾波處理。A/D 轉(zhuǎn)換器將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過4G 網(wǎng)絡(luò)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

圖5 測點(diǎn)布置

2.1.2 數(shù)據(jù)分析單元

數(shù)據(jù)分析單元對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、特征提取以及特殊信息標(biāo)注處理。上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析、趨勢分析，利用小波算法進(jìn)行降噪處理，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EMD）用于對(duì)非線性、非平穩(wěn)信號(hào)進(jìn)行分析處理，可以將獲得的原始信號(hào)分解為若干個(gè)本征模態(tài)分量進(jìn)行特征提取。特征提取可直接影響故障診斷模型的訓(xùn)練效果，利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解算法（EMD）對(duì)信號(hào)進(jìn)行峰值、峭度、波形因子、均方根值等特征提取，將粒子群優(yōu)化算法與卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合搭建故障診斷模型，將提取的特征輸入故障診斷模型中進(jìn)行特征信息整合和分類。

2.1.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控單元

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)具有顯示設(shè)備的運(yùn)行動(dòng)畫、查閱歷史故障數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)以及故障分析結(jié)果等功能，實(shí)時(shí)監(jiān)控所有風(fēng)機(jī)設(shè)備滾動(dòng)軸承的運(yùn)行情況并進(jìn)行故障管理，生成智能運(yùn)維報(bào)表，用戶可根據(jù)需要自定義、計(jì)劃和導(dǎo)出數(shù)據(jù)報(bào)表。系統(tǒng)采用MySOL 數(shù)據(jù)庫對(duì)信息進(jìn)行管理，數(shù)據(jù)庫內(nèi)部分為設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、設(shè)備歷史數(shù)據(jù)、設(shè)備故障數(shù)據(jù)、故障分析數(shù)據(jù)。每項(xiàng)數(shù)據(jù)顯示生成對(duì)應(yīng)的可視化表格。利用優(yōu)化算法對(duì)設(shè)置的報(bào)警閾值進(jìn)行優(yōu)化，將處理后的數(shù)據(jù)參數(shù)與設(shè)置的閾值進(jìn)行實(shí)時(shí)比較，超過設(shè)計(jì)的報(bào)警閾值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警，并在系統(tǒng)界面顯示故障位置和故障程度，生成故障診斷報(bào)告，給出維修建議。

2.2 測試效果分析

滾動(dòng)軸承故障診斷系統(tǒng)中設(shè)置有正常、內(nèi)圈損傷、外圈損傷、滾動(dòng)體損傷、保持架損傷5 種類型，通過故障診斷系統(tǒng)對(duì)滾動(dòng)軸承運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行測試。

美國凱斯西儲(chǔ)大學(xué)軸承數(shù)據(jù)集目前是世界公認(rèn)的軸承故障診斷標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集，選用一定數(shù)據(jù)集作為系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)軸承型號(hào)為SKF 6205，選用采樣頻率12 kHz，損傷直徑分別為0.177 8 mm、0.355 6 mm、0.533 4 mm，分別獲取軸承5 種類型的數(shù)據(jù)樣本，分別為訓(xùn)練集和測試集，對(duì)不同損傷程度的軸承故障類型進(jìn)行標(biāo)簽。表1 為不同負(fù)載下的數(shù)據(jù)集。

表1 不同負(fù)載下的數(shù)據(jù)集

為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的可靠性，對(duì)故障診斷系統(tǒng)進(jìn)行測試，利用訓(xùn)練集數(shù)據(jù)對(duì)故障診斷模型進(jìn)行訓(xùn)練，利用測試集數(shù)據(jù)進(jìn)行測試，對(duì)生成的頻譜圖進(jìn)行分析處理后，并與設(shè)置的閾值進(jìn)行比較判斷，故障診斷系統(tǒng)的界面對(duì)滾動(dòng)軸承故障程度和類型，以及運(yùn)行趨勢進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示，并發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信息。結(jié)果表明，通過對(duì)故障診斷系統(tǒng)的測試，證明該系統(tǒng)可有效對(duì)滾動(dòng)軸承故障進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷。

3 結(jié)束語

風(fēng)機(jī)是運(yùn)輸氣體的機(jī)械裝置，在冶金行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。保障風(fēng)機(jī)穩(wěn)定、安全作業(yè)，已成為冶金行業(yè)高效生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)。本文對(duì)滾動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)和常見失效形式、振動(dòng)超標(biāo)、溫度過高以及聯(lián)軸器故障進(jìn)行總結(jié)。設(shè)計(jì)了智能診斷方案并進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)表明，該故障診斷系統(tǒng)可對(duì)滾動(dòng)軸承進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷，分析動(dòng)態(tài)趨勢，第一時(shí)間發(fā)出報(bào)警提示，為滾動(dòng)軸承的故障診斷提出有效解決方案。