電機軸承磨損的在線檢測方法研究

張民子 武漢紡織大學

電機軸承磨損的在線檢測方法研究

張民子 武漢紡織大學

本文對于電機軸承磨損的超聲波在線監測進行了分析探討，依據對軸心偏離軸承中心位置的測定來進行軸承磨損深度的計算。文章以動壓滑動軸承為例進行分析展開實驗，表明此方法能夠用于進行軸承的磨損情況的在線檢測。

電機軸承 磨損 在線監測

當設備啟動或者部分外界條件發生變化的時候，在軸與軸承之間就會產生干摩擦或半干摩擦，通常軸產生的磨損是均勻的，而軸承開始的時候是線磨損，一定程度以后轉化為面磨損。當軸承磨損較為嚴重，其與軸的面接觸已經有一定的程度，此時，動壓軸承是不能夠正常工作的，如果仍進行工作，會出現燃軸或更嚴重的事故。基于此，對于動壓軸承磨損的檢測極為關鍵。

1 超聲波脈沖反射式測厚原理

超聲波具有穿透能力極強、能折射反射、方向性較好的特質。超聲波脈沖反射式測厚原理是：發射電路發出以后，極短時間內變為周期性極窄電脈沖，加到探頭后，會使得壓電片出現脈沖超聲波，超聲波便會在工件的上下兩面進行反射，反射波轉化為電信號以后，經由放大器，得到聲波在工件上下面傳播的時間，從而計算厚度。若脈沖在介質間的往返傳播時間為t，速度為c，則材料厚度的計算可以通過d=c得出。超聲波脈沖反射法測厚的原理詳見圖1所示。

圖1 超聲波脈沖反射式測物體厚度系統框圖

2 超聲波在線檢測系統

檢測系統主要由兩互相垂直的探頭、發射電路、整形比較電路、閘門電路、顯示器等構成的。檢測的原理為：主控器發出脈沖，經由發射電路出現極窄脈沖信號，讓探頭發射頻率一致的超聲波脈沖，當超聲波到達工件表面后，部分會再反射回來，從而也就形成了表面反射波S，而那些未反射回來的超聲波便會進入軸頂，再經由軸頂底面反射回來，形成底面反射波B。S和B兩種波均會被探頭接收，并且將轉化為電信號，再經由放大電路的處理，變成單向脈沖后進入了整形比較電路，其會將噪聲信號除去，能夠和發射脈沖一同去進行厚度閘門控制電路的觸發并輸出一個方波，其長度與超聲波傳播的時間呈正比。當處于開啟狀態的時候，輸出的高頻振蕩信號便可以通過閘門而進入下一個電路中，也就是計數電路。但閘門開啟的方波寬度是直接影響到計數的數量，兩者為正比關系，而方波寬度與軸頂的厚度兩者也成正比關系，故而可以由此計算出在軸頸內超聲波運行的距離，隨后便能夠根據軸頸內超聲波在兩相互垂直方向的距離的合成，從而進行軸承磨損程度的計算，最后將其輸入顯示器，直觀的展示出隨著時間的變化，軸承磨損的情況。

3 確定軸承的磨損程度與極限

3.1 檢測計算動壓滑動軸承的磨損深度

經過檢測系統的檢測，可以獲知在軸頸內超聲波在兩相互垂直的X、Y方向上所運行的距離dx、dy，設軸承的圓心為點O1，軸頸圓心為點O2。現以O1為坐標原點進行坐標系的建立，X軸是水平方向，Y軸是垂直方向。那么O2坐標表示為（x0，y0），具體位置可以由dx、dy求出，從而確定O1O2之間距離。設軸承的半徑為R，軸頸直徑為d，半徑為r。

3.2 磨損程度的計算以及極限理論值的確定

動壓滑動軸承磨損計算示意圖見圖3所示，將動壓軸承磨損的區域所占圓心角的大小設為α，那么就可以得到∠Q1Q2A的大小為π- ，可以得到：

軸頸的磨損往往是較均勻的，而軸承的磨損由前期線狀磨損轉化為后期的面狀磨損，是在固定的一些部位出現磨損的情況，可以計算動壓軸承磨損的深度：

實踐表明，若是磨損區的圓心角增大到90°到120°之間，油膜無法建立，此時的磨損量就達到極限狀態。若是為較為重要的軸承，則α取最小的90°進行計算，所對應的磨損深度為：

若不是重要的軸承，則α取最大的120°計算，所對應的磨損深度為：

可以得知在動壓軸承在日常的工作中需要保證Z≦Zmax，才能正常運轉。

4 試驗測試

將軸頸內的dx、dy測試出來，就能夠進行軸承磨損深度的計算，下面進行了一次簡易的實驗，介紹如下：先對1根直徑30mm，軸長為1000mm的軸于兩個孔徑為30．1mm的軸承進行加工，兩軸承的圓柱度都是0．1mm，將其安裝于試驗臺上，并進行X、Y探頭的安裝，再進行監測系統的連接測試。dx、dy與d的大小相差較小，為了保持檢測的精度，在計數電路之前加入了放大電路，使得測量的精度達0．1μm，能檢測精度要求。使載重偏向軸承A運轉，數十小時之后，進行測量得到A軸承dx為29．9989mm，dy為29．9993mm；A 軸承dx為29．9975mm，dy為 29．9983mm，且可以發現B軸承磨損更加嚴重，溫度更高。通過上述的分析可得A軸承的磨損深度為0．0731mm，B軸承磨損深度為0．1451mm，算得兩者的理論極限為 0．0981mm，可得 ZA＜Zmax，ZB＞Zmax。即超聲波方法能夠實現軸承磨損的在線檢測。

5 結束語

綜上所述，可以知道超聲波測量可以進行軸承磨損的在線檢測，通過上述的計算辦法以及檢測系統就能夠進行軸承磨損在線檢測。

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